Трансформаторы тока и напряжения

Отношение витков называется витковым коэффициентом трансформации ТТ.

Отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току называется номинальным коэффициентом трансформации:

. (2.5)

Номинальные коэффициенты трансформации указываются на щитках ТТ, а также на схемах в виде дроби, в числителе которой – номинальный первичный ток, а в знаменателе – номинальный вторичный ток, например, 600/5 или 1000/1. Определение вторичного тока по известному первичному току и наоборот производится по номинальному коэффициенту трансформации в соответствии с формулами: или .

В нормальном режиме ТТ, вторичная обмотка которых замкнута на малое сопротивление токовых обмоток приборов и реле, работают в режиме, близком к КЗ.

Из условий безопасности персонала при пробое изоляции между первичной и вторичной обмотками вторичные обмотки ТТ должны быть обязательно заземлены. Заземление вторичных цепей ТТ выполняется в одной точке на ближайшей к ним клеммной сборке.

Погрешности трансформаторов тока. Коэффициент трансформации ТТ не является строго постоянной величиной и из-за погрешностей первичные и вторичные токи могут отличаться от номинальных значений. Погрешности ТТ зависят главным образом от кратности первичного тока по отношению к номинальному току первичной обмотки и от нагрузки, подключенной к вторичной обмотке. При увеличении нагрузки или тока вышеопределенных значений погрешность возрастает и ТТ переходит в другой класс точности.

Для измерительных приборов погрешность относится к зоне нагрузочных токов (0,2–1,2) . Эта погрешность именуется классом точности и может быть равна 0,2; 0,5; 1,0; 3,0.

Требования к работе ТТ, питающих РЗ, существенно отличаются от требований к ТТ, питающим измерительные приборы. Если ТТ, питающие измерительные приборы, должны работать точно в пределах своего класса при токах нагрузки, близких к номинальному току, то ТТ, питающие РЗ, должны работать с достаточной точностью при прохождении токов КЗ, значительно превышающих номинальный ток ТТ. Для цепей РЗ выпускаются ТТ класса Р или Д (для дифференциальных защит), в которых не нормируется погрешность при малых токах. В настоящее время выпускаются ТТ классов 10Р и 5Р, погрешность которых нормируется во всем диапазоне токов.

Правила устройства электроустановок (ПУЭ) [1] требуют, чтобы ТТ, предназначенные для питания РЗ, имели погрешность не более 10 %. Погрешности возникают вследствие того, что действительный процесс трансформации в ТТ происходит с затратой мощности, которая расходуется на создание в сердечнике магнитного потока, перемагничивание стали сердечника (гистерезис), потери от вихревых токов и нагрев обмоток.

Выражению (2.3) соответствует электрическая схема замещения ТТ (рис. 2.2, а). Из схемы замещения видно, что первичный ток , входящий в начало первичной обмотки , проходит по ее сопротивлению и разветвляется по двум параллельным ветвям. Основная часть тока, являющаяся вторичным током , замыкается через сопротивление вторичной обмотки и сопротивление нагрузки , состоящее из сопротивлений реле, приборов и соединительных проводов. Другая часть первичного тока замыкается через сопротивление ветви намагничивания и, следовательно, в реле, которое подключено к вторичной обмотке ТТ, не попадает. Поскольку из всех затрат мощности наибольшая часть приходится на создание магнитного потока в сердечнике, то ветвь через схемы замещения ТТ называется ветвью намагничивания, и ток, проходящий по этой ветви, называется током намагничивания .

а) б)

в) г)

Рис. 2.2. Схемы замещения ТТ, его векторная диаграмма (в)
и зависимость вторичного тока от кратности первичного тока (г):
и – сопротивления первичной и вторичной обмоток;
– сопротивление ветви намагничивания

Таким образом, схема замещения показывает, что во вторичную обмотку ТТ поступает не весь трансформированный первичный ток, равный , а его часть, следовательно, процесс трансформации происходит с погрешностями.

Из схемы замещении ТТ видно, что сопротивление первичной обмотки не влияет на распределение тока между ветвью намагничивания и ветвью нагрузки , поэтому из схемы замещения (рис. 2.2, б), в соответствии с которой построена векторная диаграмма (рис. 2.2, в), оно исключено.

При размыкании цепи вторичной обмотки ТТ он превращается в повышающий трансформатор, резко возрастает ток намагничивания , и при достаточном уровне первичного тока индукция в сердечнике ТТ достигает насыщения. Вследствие насыщения сердечника ТТ при синусоидальном первичном токе магнитный поток в сердечнике будет иметь несинусоидальную форму. Поэтому ЭДС во вторичной обмотке, пропорциональная скорости изменения магнитного потока, будет очень велика и может превышать 1000 В, что опасно для обслуживающего персонала и для межвитковой изоляции ТТ.

Кроме появления опасного напряжения на разомкнутой вторичной обмотке, может иметь место повышенный нагрев стального сердечника из-за больших потерь в стали магнитопровода. Это может привести к повреждению изоляции и к увеличению погрешностей ТТ вследствие остаточного намагничивания сердечника. На точность работы ТТ влияет не только нагрузка, но и величина первичного тока. На рис. 2.2, г представлена зависимость вторичного тока от кратности первичного тока для некоторой постоянной нагрузки До точки перегиба (точка а) эта зависимость считается прямолинейной. Дальнейшее увеличение первичного тока из-за насыщения магнитопровода ТТ не приводит к росту вторичного тока, а ток намагничивания резко возрастает. Таким образом, точность ТТ с ростом кратности величины k ухудшается.

На рис. 2.2, в приведена упрощенная векторная диаграмма ТТ, из которой видно, что вектор вторичного тока меньше значения первичного тока, деленного на коэффициент трансформации на величину и сдвинут относительно него на угол Таким образом, соотношение значений первичного и вторичного токов в действительности имеет вид

(2.6)

Различают следующие виды погрешностей ТТ.

Токовая погрешность, или погрешность в коэффициенте трансформации определяется как арифметическая разность первичного тока, деленного на номинальный коэффициент трансформации и измеренного вторичного тока (отрезок на диаграмме рис. 2.2, в):

. (2.7)

Токовая погрешность вычисляется в процентах:

(2.8)

Угловая погрешность определяется как угол cдвига вектора вторичного тока относительно вектора первичного тока (рис. 2.2, в) и считается положительной, когда опережает .

Полная погрешность определяется как выраженное в процентах отношение действующего значения разности мгновенных значений первичного и вторичного токов к действующему значению первичного тока.

При синусоидальных первичном и вторичном токах . Из рассмотренного выше следует, что причиной возникновения погрешностей у ТТ является прохождение тока намагничивания, т. е. тока, который создает в сердечнике ТТ рабочий магнитный поток, обеспечивающий трансформацию первичного тока во вторичную обмотку. Чем меньше ток намагничивания, тем меньше погрешности ТТ.

Как видно из схемы замещения (рис. 2.2, а), ток намагничивания зависит от ЭДС и сопротивления ветви намагничивания .

Электродвижущая сила может быть определена как падение напряжения от тока в сопротивлении вторичной обмотки и в сопротивлении нагрузки :

. (2.9)

Сопротивление ветви намагничивания зависит от конструкции ТТ и качества стали сердечника. Это сопротивление не является постоянным и зависит от характеристики намагничивания стали. При насыщении стали сердечника ТТ резко уменьшается, что приводит к возрастанию и, как следствие, – к возрастанию погрешностей ТТ.

Таким образом, условиями, определяющими погрешности ТТ, являются: отношение, т. е. кратность первичного тока, проходящего через ТТ, к его номинальному току и величина нагрузки, подключенной к его вторичной обмотке.

Для увеличения допустимой вторичной нагрузки применяют ТТ с номинальным током вторичной обмотки 1 А вместо 5 А. Одноамперные ТТ могут нести нагрузку сопротивлением в 25раз больше, чем пятиамперные, имеющие такие же конструктивные параметры и тот же номинальный ток первичной обмотки. Конечно, потребляемая мощность аппаратуры при этом остается прежней, однако получается существенный выигрыш за счет возможности применять длинные кабели с жилами меньшего сечения. По этой причине ТТ с вторичными токами 1 А нашли применение в основном на мощных подстанциях сверхвысокого напряжения, где требуется прокладывать длинные кабели для организации токовых цепей. В сетях напряжением 6–35 кВ, как правило, применяются пятиамперные ТТ, которые упрощают конструкцию за счет того, что требуется наматывать в 5 раз меньшее количество витков вторичной обмотки.

Схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов тока. В трехфазной сети для подключения реле и измерительных приборов вторичные обмотки ТТ соединяются в различные схемы. Наиболее распространенные из них приведены на рис. 2.3.

На рис. 2.3, а представлена схема соединения в полную звезду, которая применяется для включения защиты от всех видов однофазных и междуфазных КЗ. На рис. 2.3, б – схема соединения в неполную звезду, используемая для включения защиты от междуфазных КЗ в сетях с изолированной нейтралью. Нарис. 2.3, в – схема соединения в треугольник, используемая для получения разности фазных токов (например, для включения дифференциальной защиты трансформатора). На рис. 2.3, г – схема соединения на разность токов двух фаз (неполный треугольник), которая используется для включения защиты от междуфазных КЗ, так же как схема на рис. 2.3, б, и применяется для защиты электродвигателей. На рис. 2.3, д – схема соединения на сумму токов всех трех фаз (фильтр токов нулевой последовательности), используемая для включения защиты от однофазных КЗ на землю.

На рис. 2.3, е приведена схема последовательного соединения двух ТТ, установленных на одной фазе. При таком соединении нагрузка, подключенная к ним, распределяется поровну, т. е. на каждом из них уменьшается в 2 раза. Происходит это потому, что ток в цепи, равный , остается неизменным, а напряжение, приходящееся на каждый ТТ, составляет половину общего. Рассмотренная схема применяется при использовании маломощных ТТ (например, встроенных в вводы выключателей и силовых трансформаторов). Коэффициент трансформации ТТ в такой схеме равен коэффициенту трансформации одного из них.

а) б)

в) г)

д)

е) ж)

Рис. 2.3. Схемы соединения вторичных обмоток ТТ и реле:
а – в полную звезду; б – в неполную звезду;
в – в треугольник; г – на разность токов двух фаз; д – на сумму токов
всех трех фаз; е – последовательное соединение двух ТТ;
ж – параллельное соединение вторичных обмоток двух ТТ

На рис. 2.3, ж показана схема параллельного соединения вторичных обмоток двух ТТ, установленных на одной фазе. Коэффициент трансформации данной схемы в 2 раза меньше коэффициента трансформации одного ТТ. Схема параллельного соединения используется для получения нестандартных коэффициентов трансформации. Например, для получения коэффициента трансформации 37,5/5 соединяют параллельно два стандартных ТТ с коэффициентом трансформации 75/5.

Отношение тока, проходящего через реле защиты к фазному току ТТ называется коэффициентом схемы . Для схем полной и неполной звезды (рис. 2.3, а, б) . Для полного и неполного треугольника (рис. 2.3, в, г) .

Выбор трансформаторов тока. Трансформаторы тока выбираются по номинальному току и напряжению установки и проверяются на термическую и электродинамическую стойкость при КЗ. Кроме того, ТТ, используемые в цепях РЗ, проверяются на значение погрешности, которая не должна превышать 10 % по току и 7° по углу. Для проверки по этому условию в информационных материалах заводов-поставщиков ТТ и в другой справочной литературе даются следующие характеристики и параметры ТТ.

Кривые зависимости предельной кратности от сопротивления нагрузки , подключенной к вторичной обмотке ТТ.Согласно ГОСТ 7726–78 предельной кратностью называется наибольшее отношение, т. е. наибольшая кратность первичного тока, проходящего через ТТ, к его номинальному току, при которой полная погрешность ТТ () при заданной вторичной нагрузке (табл. 2.1) не превышает 10 %. При этом гарантируется предельная кратность при номинальной вторичной нагрузке , называемой номинальной предельной кратностью (рис. 2.4).

Зная кратность первичного тока, проходящего через ТТ при КЗ, можно по кривым предельной кратности для данного типа ТТ определить допустимую нагрузку , при которой погрешность ТТ не будет превышать 10 %. И наоборот, зная действительное значение нагрузки, которая подключена (или должна быть подключена) к вторичной обмотке ТТ , можно по кривым предельной кратности определить допустимую кратность первичного тока ,при которой токовая погрешность ТТ не будет превышать 10 %. Например, при сопротивлении Ом допустимая кратность для данного ТТ равна 1,7 (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Кривые предельной кратности ТТ

Кратность тока при близких КЗ может существенно превысить допустимую. В данном случае не только увеличивается погрешность ТТ, но и искажается форма кривой вторичного тока за счет насыщения сердечника. Если кратность тока превысит значение 40–60 для ТТ, то электромеханические и микроэлектронные реле тока могут отказать в работе: первые – из-за недопустимой вибрации контактов, вторые – из-за изменения характеристик срабатывания. Для данного случая в цифровых реле предусмотрено программное средство обеспечения восстановления синусоидальности кривой вторичного тока по нескольким мгновенным значениям, измеренным в начале периода (см. гл. 6).

Таблица 2.1

Расчет нагрузки в зависимости от схемы соединения
трансформаторов тока

Схема соединения ТТ и реле	Вид КЗ	Формулы для определения нагрузки на зажимах вторичных обмоток
1. Полная звезда	Трехфазное и двухфазное	Величина во всех случаях принимается равной 0,1 Ом
Однофазное

Окончание табл. 2.1

Схема соединения трансформаторов тока и реле	Вид короткого замыкания	Формулы для определения нагрузки на зажимах вторичных обмоток
2. Неполная звезда	Трехфазное
Двухфазное АВ или ВС
Двухфазное за трансформатором Υ/∆-11
3. На разность токов двух фаз	Трехфазное
Двухфазное АС
Двухфазное АВ или ВС
4. Треугольник	Трехфазное или двухфазное, трехфазное за трансформатором Υ/∆-11
Однофазное

2.2. Трансформаторы напряжения

Назначение и принцип действия трансформаторов напряжения. Трансформаторы напряжения (ТН) выполняют две функции: служат для разделения (изоляции) первичных и вторичных цепей, а также для приведения величины напряжения к уровню, удобному для измерения (стандартное номинальное напряжение вторичной обмотки: 100/57 В). Трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к холостому ходу.

Трансформатор напряжения по принципу действия и конструктивному выполнению аналогичен силовому трансформатору. Как показано на рис. 2.5, а, ТН состоит из стального сердечника (магнитопровода), собранного из тонких пластин трансформаторной стали и двух обмоток – первичной и вторичной, изолированных друг от друга и от сердечника.

Первичная обмотка ,имеющая большое число витков тонкого провода, включается непосредственно в сеть высокого напряжения, а к вторичной обмотке , имеющей меньшее количество витков, подключаются параллельно обмотки реле и измерительные приборы. Под воздействием напряжения сети по первичной обмотке проходит ток, создающий в сердечнике переменный магнитный поток Ф, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней ЭДС Е,которая при разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход ТН) равна напряжению на ее зажимах .

Напряжение во столько раз меньше первичного напряжения ,во сколько раз число витков вторичной обмотки меньше числа витков первичной обмотки . Отношение чисел витков обмоток называется коэффициентом трансформации и обозначается :

. (2.10)

Работа ТН с нагрузкой в виде реле и приборов сопровождается протеканием тока и увеличением тока (рис. 2.5, б). В данном случае напряжение на его зажимах будет меньше ЭДС навеличину падения напряжения в сопротивлении вторичной обмотки. Однако поскольку это падение напряжения невелико, оно не учитывается и пересчет первичного напряжения на вторичное производится по формулам:

; .

Погрешности трансформаторов напряжения. Токи и увеличение тока (рис. 2.5, б) создают падение напряжения (рис. 2.5, в), которое увеличивается с ростом вторичной нагрузки (током ). Вместе с этим возрастают и погрешности:

– погрешность в напряжении (или в коэффициенте трансформации) – это отклонение действительного коэффициента трансформации от номинального: или вследствие незначительного угла ;

– погрешность по углу, которая определяется углом между векторами и .

а)

б) в)

Рис. 2.5. Схема включения (а), схема замещения (б)
и векторная диаграмма (в) ТН

В зависимости от предельно допустимых погрешностей ТН подразделяются на классы точности. Один и тот же ТН в зависимости от нагрузки, подключенной к его вторичной обмотке, может работать с различным классом точности. Поэтому в каталогах и паспортах на ТН указываются два значения мощности: номинальная мощность в вольт-амперах, при которой ТН может работать в гарантированном классе точности, и предельная мощность, с которой ТН может работать с допустимым нагревом обмоток. Предельная мощность ТН в несколько раз превышает номинальную. Так, у ТН типа НОМ-10 с коэффициентом трансформации 10000/100 для класса точности 0,5 подключаемая мощность составляет 80 В × А; для класса точности 2,0 – 220 В × А, а предельная мощность – 720 В × А.

Кроме рассмотренных выше основных погрешностей, возникающих при трансформации первичного напряжения на вторичную сторону, на работу РЗ и точность измерений влияют также дополнительные погрешности от падения напряжения в кабелях от ТН до места установки панелей защиты или измерений. Поэтому согласно требованиям [1] сечение жил кабелей должно выбираться так, чтобы падение напряжения в указанных цепях не превышало: 2 % – для РЗ; 2 % – для фиксирующих измерительных приборов; 1,5 % – для щитовых измерительных приборов; 0,25–0,5 % – для счетчиков. Следует отметить, что заземленные точки обмоток ТН, соединенных в звезду и разомкнутый треугольник, должны выводиться разными жилами.

Для правильного соединения между собой вторичных обмоток ТН и подключения к ним реле мощности, ваттметров и счетчиков заводы-изготовители обозначают (маркируют) выводные зажимы обмоток определенным образом: начало первичной обмотки – А, конец – Х;начало основной вторичной обмотки – а, конец – х (рис. 2.5, а);
начало дополнительной вторичной обмотки – а _д, конец – х _д.

Схемы соединения обмоток ТН приведены на рис. 2.6.

На рис. 2.6, а представлена схема включения одного однофазного ТН на междуфазное напряжение. Данная схема применяется в тех случаях, когда для защиты или измерений достаточно одного междуфазного напряжения.

На рис. 2.6, б приведена схема соединения двух ТН в открытый треугольник, или в неполную звезду. Данная схема применяется, когда для защиты или измерений нужно иметь два или три междуфазных напряжения.

На рис. 2.6, в приведена схема соединения трех однофазных или одного трехфазного ТН в звезду. Данная схема получила широкое распространение для защиты или измерений фазных и междуфазных напряжений одновременно.

а)

б)

в)

г) д)

Рис. 2.6. Схемы соединения обмоток ТН

На рис. 2.6, г изображена схема соединения трансформаторов напряжения в схему разомкнутого треугольника (на сумму фазных напряжений). Такое соединение применяется для получения напряжения нулевой последовательности (), необходимого для включения реле напряжения и реле мощности защит от однофазных замыканий на землю. Как известно, геометрическая сумма трехфазных напряжений в нормальном режиме, а также при двух- или трехфазных КЗ равна нулю. Поэтому в данных условиях напряжение между выводами разомкнутого треугольника равно нулю (практически между этими точками имеется небольшое напряжение: 0,5–2 В, которое называется напряжением небаланса). При однофазном КЗ на землю в сетях с заземленной нейтралью (сети 110 кВ и выше) фазное напряжение поврежденной фазы становится равным нулю, а геометрическая сумма фазных напряжений двух неповрежденных фаз становится равной фазному напряжению .

На рис. 2.6, д представлена схема соединения трансформаторов напряжения, имеющих две вторичные обмотки. Первичные и вторичные основные обмотки соединены в звезду, т. е. так же как в рассмотренной схеме (рис. 2.6, в). Дополнительные вторичныеобмотки соединены в схему разомкнутого треугольника, т. е. так же как в рассмотренной схеме (рис. 2.6, г).

В сетях с изолированной нейтралью (сети 6–35 кВ) при однофазных замыканиях на землю напряжения неповрежденных фаз относительно земли становятся равными междуфазному напряжению, а их геометрическая сумма оказывается равной утроенному фазному напряжению. Для того чтобы в последнем случае напряжение на реле не превосходило номинального значения, равного 100 В, у ТН, предназначенных для сетей, работающих с изолированной нейтралью, вторичные дополнительные обмотки, соединяемые в схему разомкнутого треугольника, имеют увеличенные в 3 раза коэффициенты трансформации, например 6000/(100/3).

При включении первичных обмоток ТН на фазные напряжения они соединяются в звезду, нулевая точка которой обязательно соединяется с землей (рабочее заземление). Заземление первичных обмоток необходимо для того, чтобы при однофазных КЗ или замыканиях на землю в сети, где установлен ТН, реле и приборы, включенные на его вторичную обмотку, правильно измеряли напряжение фаз относительно земли. Вторичные обмотки ТН подлежат обязательному заземлению независимо от схемы их соединений. Это заземление является защитным, обеспечивающим безопасность персонала при попадании высокого напряжения во вторичные цепи. Заземляется нулевая точка звезды или один из фазных проводов, обычно фаза В. В проводах, соединяющих точку заземления с обмотками ТН, не должно быть коммутационных и защитных aппаратов (автоматических выключателей, предохранителей и т. д.). Сечение медного заземляющего провода должно быть не менее 2,5 мм²).

При обрыве провода в одной фазе отходящей линии (неполнофазный режим) емкость этой фазы оказывается включенной последовательно с индуктивностью ТН и возникает феррорезонанс. При феррорезонансе появляются опасные перенапряжения на обмотках ТН и происходит его перегрев и самопроизвольное смещение нейтрали. Для защиты ТН от этих явлений параллельно обмотке включают резистор сопротивлением 25 Ом. Резистор нагружает ТН и феррорезонанс не возникает. Однако включение такой нагрузки приводит к перегрузке дополнительной обмотки ТН при замыканиях на землю. Такой режим может существовать ограниченное время: 8 ч для ТН типов НАМИ или НТМИ.

Контрольные вопросы

1. Назначение ТТ. Как производится маркировка выводов обмоток ТТ?

2. Каковы номинальные токи первичной и вторичной обмоток ТТ?

3. Принцип работы ТТ. Схемы замещения ТТ.

4. Векторная диаграмма нормального режима ТТ.

5. Каковы погрешности ТТ?

6. Каковы классы точности ТТ и от чего они зависят?

7. Что происходит с ТТ при размыкании вторичной обмотки?

8. Приведите схемы соединения вторичных обмоток ТТ и укажите область применения схем.

9. Какова методика выбора и проверки ТТ?

10. Как производится расчет нагрузки ТТ в зависимости от схемы соединения и вида КЗ?

11. Назначение ТН.

12. Как производится маркировка выводов обмоток ТН?

13. Принцип работы ТН.

14. Приведите векторную диаграмму нормального режима ТН.

15. Каковы погрешности ТН?

16. Приведите схемы соединения обмоток ТН и назовите область применения схем.