Трансформаторы тока

Принцип действия. Трансформаторы тока (ТТ, ТА) являются вспомогательными элементами, с помощью которых измерительные органы РЗ получают информацию о значении, фазе и частоте тока защищаемого объекта. От достоверности получаемой информации зависит правильность действия устройств РЗ. Поэтому основным требованием к ТТ, питающим устройства РЗ, является точность трансформации контролируемого тока с погрешностями, не превышающими допустимых значений. Принцип устройства ТТ поясняют схемы, приведенные на рис. 4.1. Заметим, что один из вторичных зажимов ТТ должен обязательно заземляться по условиям техники безопасности.

Трансформатор тока (рис.4.1,а) состоит из первичной обмотки w₁, включаемой последовательно в цепь контролируемого тока, вторичной обмотки w₂, замкнутой на сопротивление нагрузки Z_н, состоящее из последовательно включенных элементов РЗ или измерительных приборов, и стального магнитопровода 1, с помощью которого осуществляется магнитная связь между обмотками.

Первичный ток I₁, проходящий по виткам первичной обмотки w₁, и ток I₂, индуцированный во вторичной обмотке w₂, создают магнитодвижущие силы (МДС) I₁ w₁ и I₂ w₂, которые вызывают соответственно магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, замыкающиеся по стальному магнитопроводу 1. Намагничивающие силы и создаваемые ими магнитные потоки с учетом их положительных направлений, показанных на рис.4.1, геометрически вычитаются, образуя результирующую МДС I_нам w₁ и результирующий магнитный поток трансформатора Ф_т:

; (4.1)

. (4.1а)

Поток Ф_т, называемый рабочим или основным, пронизывает обе обмотки и наводит во вторичной обмотке ЭДС Е₂, которая создает в замкнутой цепи вторичной обмотки ток I₂. Поток Ф_т создается МДС I_нам w₁ и, следовательно, током I_нам. Последний является частью тока I₁ и называется намагничивающим током. Если I_нам= 0, выражение (4.1) примет вид

I₁ w₁ = I₂ w₂,

откуда

,

где - коэффициент трансформации, называемый витковым, в отличие от номинального. (Под номинальным коэффициентом трансформации подразумевается отношение номинального первичного тока ТТ ко вторичному: . В заводских материалах дается номинальный коэффициент трансформации. При I_нам = 0 ). При отсутствии намагничивающего тока вторичный ток I₂ (расчетный ток) равен первичному току I₁, поделенному на коэффициент трансформации ТТ, равный . В этом случае первичный ток полностью трансформируется во вторичную обмотку w₂, и ТТ работает идеально без потерь и погрешностей.

Обозначение выводов обмоток трансформаторов тока. При изготовлении ТТ выводы первичной и вторичной обмоток условно обозначаются (маркируются) так, чтобы при помо­щи этих обозначений можно было определять направление вторичного тока по направлению первичного. Выводы пер­вичной обмотки могут обозначаться произвольно: один прини­мается за начало Н, а второй - за конец обмотки К(рис. 4.2, а).

Маркировка же выводов вторичной обмотки выполняется по следующему правилу. При прохождении тока в первичной об­мотке от начала Н к концу Кза начало вторичной обмотки Н принимается тот ее вывод, из которого в этот момент ток вы­текает в цепь нагрузки (pиc. 4.2, а).Соответственно второй вывод вторичной обмотки принимается за конец обмотки К. При обозначении выводов вторичной обмотки по указанному выше правилу ток в обмотке реле, включенного во вторичную цепь ТТ, имеет такое же направление, как и в случае включе­ния реле непосредственно в первичную цепь (рис. 4.2, а). Заводы – изготовители обозначают начало и конец первичной обмотки трансформаторов Л₁ и Л₂, а начало и конец вторичной обмотки И₁ и И₂ (рис. 4.2,б,в).

На рис. 4.2,г показана векторная диаграмма первичного и вторичного токов при принятых на рис. 4.2,а их условных положительных направлениях.

На рис. 4.2,д показано, как изменяется направление тока во вторичной обмотке и маркировка выводов вторичной обмотки при различном выполнении намотки вторичной обмотки. Направление потока Ф₁ и вторичного тока определяются по правилу буравчика.

Причины погрешности. В реальном трансформаторе тока , как это следует из (4.1). Ток I_нам является обязательной частью первичного тока I₁, он образует МДС, создающую поток Ф, который и осуществляет трансформацию. Из выражения (4.1) вторичный ток реального ТТ

, (4.3)

где - витковый коэффициент трансформации.

Из выражения (4.3) следует, что действительный вторичный ток I₂ отличается от расчетного (идеального) значения I₁/k_I, определенного по формуле (4.2), на значение , которое вносит искажение в абсолютное значение и фазу вторичного тока. Таким образом, причиной, вызывающей погрешность в работе ТТ, является ток намагничивания I_нам.

Векторная диаграмма и виды погрешностей ТТ. Искажающее влияние тока намагничивания на вторичный ток ТТ показано на векторной диаграмме рис. 4.3, в основу которой положена схема замещения (см. рис. 4.1,б).

В схеме замещения магнитная связь между первичной и вторичной обмотками ТТ заменена электрической, а все ве­личины первичной стороны приведены к виткам вторичной обмотки: и .

За исходный при построении диаграммы принят вектор вто­ричного тока , а затем строятся векторы напряжения на вы­ходе вторичной обмотки: и .

Вектор вторичного напряжения равен падению напря­жения в сопротивлении нагрузки , т. е. . Он опережает на угол . Вектор вторичной ЭДС ТТ равен геометрической сумме напряжения и падения напряжения в сопротивлении вторичной обмотки ,т. е. ,или, выразив как падение напряжения в , получим

. (4.4)

ЭДС опережает на угол α.

С учетом условно принятых положительных направлений токов и ЭДС в схеме замещения результирующий магнитный поток ТТ Ф_т показан отстающим от создаваемой им ЭДС на 90^о. Намагничивающий ток ТТ , создающий поток Ф_т, опережает последний на угол γ, обусловленный активными потерями от нагрева стали сердечника ТТ. (Ток имеет две составляющие: , которая определяет потери энергии на нагрев магнитопровода вихревыми токами, и , которая осуществляет намагничивание сердечника, т.е. создает поток Ф_т. Составляющая << , поэтому углом γ можно пренебречь и считать, что вектор совпадает по фазе с Ф_т и равен ). Приведенный пер­вичный ток находится как геометрическая сумма векторов вторичного тока и тока намагничивания .

Векторная диаграмма наглядно показывает, что за счет тока вторичный ток получается меньше приведенного пер­вичного тока на и сдвинут относительно него по фазе на угол δ.

При рассмотрении работы РЗ учитываются три вида погреш­ностей ТТ: токовая ,полная ε, угловая δ.

Токовая погрешность определяется величиной (отрезок AD на рис. 4.3). Она равна арифметической разности и показывает, насколько действительный ток меньше расчет­ного тока .

Угловая погрешность характеризуется углом δ, показывающим, насколько действительный ток сдвинут по фазе от­носительно приведенного первичного тока (т. е. идеального вторичного тока и реального первичного тока).

Полная погрешность ε определяется модулем (абсолютным значением) вектора (отрезок АС на рис. 4.3). Эта погрешность равна геометрической разности действующих значений векторов ,приведенной ко вторичной стороне, и : .

Из рассмотрения треугольника АВС (рис. 4.3) следует, что полная погрешность (ε = ) определяет и характеризует как погрешность по току , так и погрешность по углу δ. Угол δ очень мал, поэтому можно считать, что равен отрезку АВ, а угол δ, измеряемый в радианах длиной дуги DC, приблизи­тельно равен отрезку ВС.

Это означает, что .С увеличением а, зависящего от угла нагрузки (угла между током и напряжением ), растет, а угол δ уменьшается. При вектор совпадает по фазе с вектором ,и тогда погрешность по току дости­гает максимального значения. При этом будет равна ε, уг­ловая же погрешность становится минимальной (δ = 0).

Погрешность по току и полная погрешность выражаются в относительных единицах или процентах как отношение действующих значений этих погрешностей к дей­ствующему значению приведенного первичного тока.