Измерительные трансформаторы тока и напряжения (2)

метки: Трансформатор, Диагностик, Измерительный, Вторичный, Обмотка, Напряжение, Первичный, Величина

В энергосистемах и на предприятиях необходим постоянный контроль режимов работы электрооборудования. Такой контроль производится для учёта электроэнергии, для ведения режимов работы электростанций и сетей и для защиты электрооборудования при авариях. С этой целью устанавливаются измерительные трансформаторы тока и напряжения.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА

1 Назначение и режим работы трансформатора тока

Измерительный трансформатор тока представляет собой аппарат, предназначенный для подключения токовых измерительных приборов, устройств релейной защиты и автоматики [1, 2].

В электроустановках трансформаторы тока выполняют три функции:

• преобразование переменного тока к стандартным значениям 5 А или 1 А;
• изолирование вторичных токовых цепей от высокого напряжения первичной цепи;
• защиту вторичных устройств и персонала от высокого напряжения.

Вторичные токовые цепи трансформаторов тока заземляются в одной точке. Это предотвращает появление высокого напряжения во вторичных цепях при повреждении изоляции.

Трансформатор тока состоит из первичной обмотки 1 и вторичной обмотки 2, которые расположены на магнитопроводе 3 (рис.1.1, а).

Обозначения трансформаторов тока приведены на рис.1.1, б и в табл. 1.1 [3].

Таблица 1.1 Обозначение выводов обмоток трансформатора тока

Первичная обмотка трансформатора тока последовательно включается в силовую цепь. К вторичной обмотке последовательно подключаются амперметры, токовые обмотки варметров, ваттметров, счётчиков активной и реактивной энергии, токовые цепи релейной защиты и автоматики.

Трансформатор тока является источником тока, следовательно, вторичная обмотка выполняется с большим внутренним сопротивлением. Сопротивление приборов, подключённых к вторичной обмотке трансформатора тока должно быть небольшое. Если сопротивление подсоединённых приборов больше допустимой величины, то оно значительно повлияет на величину вторичного тока. Трансформатор тока не будет работать в заданном классе точности.

Остановимся подробно на режиме работы трансформатора тока. Протекающий по первичной обмотке ток I ₁ создаёт в сердечнике магнитный поток Ф₁ . Наводимая во вторичной обмотке электродвижущая сила (ЭДС) взаимоиндукции, вызывает ток I₂ , который создаёт свой магнитный поток Ф₂ , направленный встречно потоку Ф₁ . Величина сопротивления вторичной нагрузки небольшая, поэтому потери энергии во вторичной нагрузке незначительны. Следовательно, поток Ф₂ немного меньше потока Ф₁ , а результирующий магнитный поток

Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

... помещаются две, а иногда и больше обмоток из изолированного провода. Обмотка, к которой присоединяется источник электрической энергии переменного тока, называется первичной обмоткой, остальные обмотки – вторичными. Если во вторичной обмотке трансформатора намотано в три раза ...

Ф ₀ = Ф₁ — Ф₂ (1.1)

составляет всего несколько процентов от магнитного потока Ф ₁ . Для такого магнитного потока не требуется магнитопровод большого сечения. Кроме того, в этом случае трансформатор тока обладает незначительным индуктивным сопротивлением, то есть не влияет на величину тока, протекающего в силовой цепи.

При размыкании вторичной обмотки исчезает ток I ₂ , а, следовательно, и поток Ф₂ .Результирующий поток Ф₀ в соответствии с выражением (1.1) возрастает до первичного потока Ф₁ . Из-за небольшого сечения магнитопровода, выбранного по потоку Ф₀ , происходит насыщение магнитопровода. Форма магнитного потока из синусоидальной Ф₀ (рис. 1.2) становится трапециидальной Ф_0ХХ .

Величина напряжения на выводах вторичной обмотки пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф _О (Ф_ОХХ )

. (1.2)

Отсюда при размыкании вторичной обмотки форма напряжения на её выводах становится пикообразной. Значение напряжения на разомкнутой вторичной обмотке при большом рабочем токе может достигать нескольких киловольт.

Запрещается размыкать вторичную обмотку трансформатора тока под нагрузкой. Высокое напряжение опасно для персонала и, кроме того, может привести к повреждению изоляции трансформатора тока. Из-за насыщения сердечника большим магнитным потоком происходит его перегрев. Повреждение трансформатора тока может вызвать замыкание в первичной цепи. При необходимости произвести переключения в схеме под током предварительно закорачивают вторичную обмотку трансформатора тока.

2 Погрешности трансформатора тока

Коэффициент трансформации трансформатора тока определяется следующим образом. Под воздействием протекающих по обмоткам токов, в первичной обмотке действует магнитодвижущая сила

₁ = I₁ ·W₁ , (1.3)

а во вторичной обмотке —

₂ = I₂ ·W₂ . (1.4)

В случае идеального трансформатора тока при отсутствии потерь энергии в трансформаторе и в нагрузке магнитодвижущие силы F ₁ и F₂ равны между собой. В этом случае

₁ ·W₁ = I₂ ·W₂ , (1.5)

отсюда коэффициент трансформации равен:

. (1.6)

На векторной диаграмме (рис.1.3) показаны токи I ₁ и I₀ , а также I_2ПР. , повёрнутый на 180⁰ и приведённый по величине с учётом коэффициента трансформации к первичному току. Ток намагничивания I₀ определяет потери энергии в сердечнике трансформатора тока, то есть его погрешность.

Трансформаторы с нормальным магнитным рассеиванием

... токах катушки первичной обмотки включены последовательно, а вторичной обмотки — параллельно (положение 1); при переходе на малые токи одна катушка вторичной обмотки отключается (положение 2). В передвижных сварочных трансформаторах ... большое значение имели работы профессора А.Г. Столетов по исследованию магнитных свойств стали и расчету магнитных цепей. Сварочные трансформаторы предназначены для ...

Различают два вида погрешности: а) токовую; б) угловую.

Токовая погрешность — это выраженное в процентах отношение разности между приведённым вторичным током и первичным током к первичному току

. (1.7)

Угловая погрешность — это угол δ между первичным током I ₁ и повёрнутым на 180⁰ вектором I₂ . Угловая погрешность считается положительной, если вектор вторичного тока опережает вектор первичного тока.

На величину токовой и угловой погрешности трансформатора тока влияют:

• а) материал и размеры сердечника;
• б) число первичных ампер-витков;

в) сопротивление вторичной обмотки

Качество материала магнитопровода определяется потерями на вихревые токи и гистерезис на единицу объема материала. Качество материала магнитопровода характеризует кривая намагничивания (рис.1.4.а).

В точке М магнитная проницаемость µ имеет наибольшее значение. Следовательно, при напряжённости магнитного поля Н, соответствующего точке М, в магнитопроводе будут наименьшие потери и наибольшая точность трансформатора тока. Величина напряжённости магнитного поля зависит от первичного тока I ₁ . Магнитопровод изготавливается из электротехнической холоднокатанной стали, пермаллоя или аморфного железа.

На рис 1.4.б показаны зависимости токовой f и угловой погрешности δ от величины первичного тока I ₁ и вторичной нагрузки Z₂ .

При возрастании величины вторичной нагрузки (Z _2.2 > Z_2.1 ) происходит увеличение токовой и угловой погрешностей.

Способы уменьшения погрешностей:

• а) увеличение первичных ампер-витков;
• б) увеличение сечения сердечника;
• в) уменьшение средней длины магнитопровода;
• г) улучшение магнитных свойств сердечника;
• д) уменьшение сопротивления вторичной нагрузки;
• е) подгонка витков.

Полное уравнение магнитодвижущих сил трансформатора тока имеет вид

₁ ·W₁ = I₂ ·W₂ + I₀ ·W₁ . (1.8)

Из этой формулы следует, что

₁ ·W₁ > I₂ ·W₂ . (1.9)

Следовательно, ток I ₂ необходимо увеличить для корректировки потерь в трансформаторе тока. В трансформаторе тока выполняется приближённое равенство магнитодвижущих сил I₁ ·W₁ ≈ I₂ ·W₂ . При уменьшении числа витков вторичной обмотки W₂ увеличивается вторичный ток I₂ . Это называется подгонка числа витков трансформатора тока с целью повышения его точности. Токовая и угловая погрешности в отличие от графиков на рис. 1.4, б уменьшаться и будут находиться в допускаемой области погрешностей, показанной на рис. 1.5 [3].

Характерная форма токовой и угловой погрешности показана пунктирной линией.

Классы точности трансформатора тока: 0,2S; 0,2; 0,5S; 0,5; 1; 3; 5Р; 10Р. Как видно из табл. 1.2 [3], наименование класса точности соответствует предельной токовой погрешности трансформатора тока.

Как видно из второго столбца табл. 1.2 трансформаторы тока с классом точности с буквой S имеют нижний предел измерения первичного тока с допускаемой погрешностью 1 % от номинальной величины первичного тока. Трансформаторы тока c классом точности без буквы S имеют нижний предел 5 %. Пределы допускаемых погрешностей трансформатора тока зависят от вторичной нагрузки трансформатора тока и от величины первичного тока.

Таблица 1.2 Пределы допускаемых погрешностей для классов точности 0,2 и 0,5

Класс точности	Первичный ток, % номинального значения	Предел допускаемой погрешности		Предел нагрузки, % номинального значения
		токовой, %	угловой
0,2	5 20 100-120	±0,75 ±0,35 ±0,2	±30′ ±15′ ±10′	25-100
0,2S	1 5 20 100 120	±0,75 ±0,35 ±0,2 ±0,2 ±0,2	±30′ ±15′ ±10′ ±10′ ±10′	25-100
0,5	5 20 100-120	±1,5 ±0,75 ±0,5	±90′ ±45′ ±30′	25-100
0,5S	1 5 20 100 120	±0,15 ±0,75 ±0,5 ±0,5 ±0,5	±90′ ±45′ ±30 ±30′ ±30′	25-100

Рассмотрим 2 столбец табл. 1.2. В классах точности 0,2S и 0,5S трансформатор тока находится в заданном классе точности 0,2 или 0,5 в интервале первичного тока от 20 % до 120 %. Трансформаторы тока с классами точности 0,2 и 0,5 находятся в заданном классе точности при первичном токе в пределах 100 — 120 %.

Величина вторичной нагрузки трансформатора тока должна быть в пределах от 25 до 100 % номинального значения для работы в классе точности (см. столбец 5 табл. 1.2.).

3 Конструкции трансформаторов тока

Классификация трансформаторов тока [3]:

Род установки:

• а) внутренний, для установки в помещении;
• б) наружный, для установки вне помещения;
• в) встроенный (В) устанавливается внутри корпуса силовых трансформаторов или выключателей, внутри экранов токопроводов, в элегазовом оборудовании.

Способ установки:

• а) проходной (П), используется для прохождения токоведущей части через перегородки;
• б) опорный (О), применяется для крепления токоведущей части, выполняя функцию опорного изолятора.

Конструкция первичной обмотки:

• а) одновитковая — шинная (Ш), земляная (З), не -имеющие собственной первичной обмотки, её функцию выполняет шина или трёх жильный кабель;

• б) одновитковая — стержневая, с первичной обмоткой в виде прямолинейного стержня;
• в) двух витковая, т.е. обмотка состоит из трубы и стержня, которые могут соединяться параллельно или последовательно;
• г) многовитковая;
• д) звеньевого типа (З), т.е.

первичная обмотка состоит из нескольких секций. Секции соединяются последовательно или параллельно;

• е) разъёмная (Р);
• ё) каскадная (К).

Вид изоляции:

• а) с фарфоровой покрышкой (Ф);
• б) газонаполненный (Г);
• в) литая (Л);
• г) маслонаполненный (М);

Принцип работы:

• а) трансформатор с магнитопроводом;

б) воздушный трансформатор

в) оптический трансформатор.

В трансформаторах тока с литой и элегазовой изоляцией для изменения коэффициента трансформации переключения производятся в первичной обмотке, которая выполнена двух виткового типа (рис. 1.5).

Первичная обмотка состоит из трубы и стержня. Для создания одного витка они включаются параллельно. На рис. 1.5, а показан вид сбоку трансформатора тока. Пунктиром условно показан корпус трансформатора тока. Для создания двух витков труба и стержень соединяются последовательно с помощью внешнего полукольца. На рис. 1.5, б показан вид сверху трансформатора тока.

Трансформаторы тока с магнитопроводом имеют бóльшую номинальную мощность, но из-за нелинейности кривой намагничивания ухудшается класс точности при небольших рабочих токах и при токах превышающих номинальное значение.

Воздушный трансформатор тока выполняется без магнитопровода. Следовательно, производится линейное преобразование первичного тока во вторичный.

В оптическом трансформаторе тока вокруг токоведущей части 1 располагается круговой поляризатор 2. Электронно-оптический блок посылает по световодам два световых сигнала. Эти сигналы, направленные встречно по отношению друг к другу, проходят в поляризаторе 2 несколько раз вокруг токоведущей части. Магнитное поле, создаваемое током протекающим в проводнике, изменяет скорость распространения света в световоде поляризатора. При этом замедляется один световой сигнал и ускоряется другой в зависимости от направления магнитного поля по отношению к световому сигналу (эффект Фарадея).

Как только линейно поляризованные сигналы завершают свой путь вокруг проводника, они отражаются в зеркале 3 и идут обратно по оптоволокну 4 к электронно-оптическому блоку 5. Затем подача сигнала в поляризатор повторяется. Таким образом, при отсутствии тока через проводник два световых сигнала синхронизированы по фазе (рис. 1.6, б).

Когда ток проходит через проводник магнитное поле сдвигает световые сигналы в противоположных направлениях (рис. 1.6, в).

В электронно-оптическом блоке 5 производится измерение разности фаз φ двух световых сигналов. Преимуществами оптического трансформатора тока являются высокая точность и цифровой выходной сигнал.

Рассмотрим несколько примеров обозначений трансформаторов тока.

ТЛ-0,66 — трансформатор тока, с литой изоляцией, номинальное напряжение 0,66 кВ.

ТШЛ-0,66 — трансформатор тока, шинный, с литой изоляцией, номинальное напряжение 0,66 кВ.

ТОЛ-10 — трансформатор тока, опорный, с литой изоляцией, номинальное напряжение 10 кВ.

ТЛО-10 — трансформатор тока, с литой изоляцией, опорный, номинальное напряжение 10 кВ.

ТЛП-10 — трансформатор тока, проходной, с литой изоляцией, номинальное напряжение 10 кВ.

ТЗЛ-10 — трансформатор тока, для защиты от замыканий на землю, с литой изоляцией, номинальное напряжение 10 кВ.

ТВГ-24 — трансформатор тока, встроенный, генераторный, номинальное напряжение 24 кВ.

ТШВ-20 — трансформатор тока, шинный, встраиваемый в токопроводы, номинальное напряжение 10 кВ.

ТБМО-35 — трансформатор тока, баковый, маслонаполненный, одноступенчатый, номинальное напряжение 35 кВ.

ТГФ-110 — трансформатор тока, элегазовый, с фарфоровой покрышкой, номинальное напряжение 110 кВ.

ТФЗМ-220 — трансформатор тока, с фарфоровой покрышкой, с обмотками звеньевого типа, номинальное напряжение 220 кВ.

Первичная обмотка состоит из нескольких секций, которые соединяются последовательно или параллельно.

4 Схемы соединений трансформаторов тока

Питание измерительных приборов, устройств релейной защиты и автоматики производится по различным схемам соединений вторичных обмоток трансформаторов тока.

При большой вторичной нагрузке трансформатора тока может не обеспечиваться требуемый класс точности. В этом случае последовательно включаются первичные и вторичные обмотки двух трансформаторов тока, установленные на одной фазе. Величина вторичного тока остаётся неизменной (рис.1.7).

При параллельном согласном соединении вторичных обмоток трансформаторов величина тока в нагрузке (А ₃ ) равна сумме токов в каждом трансформаторе (А₁ ) и (А₂ ) (рис. 1.8).

Например, эта схема соединений применяется на распределительном устройстве при подключении присоединений через два выключателя для измерения тока в присоединении.

На рис.1.9 показана схема соединений вторичных обмоток трансформаторов тока в звезду с нулевым проводом. В нулевом проводе ток равен геометрической сумме токов в фазах.

При соединении вторичных обмоток трансформаторов тока в неполную звезду (рис.1.10) ток в нулевом проводе равен их геометрической сумме с обратным знаком

İ ₀ = -(İ_а + İ_С ).

(1.10)

Следовательно, в симметричном режиме работы первичной сети

İ ₀ = — İ_в . (1.11)

Достаточно устанавливать трансформаторы тока в двух фазах для измерения трёх фазных токов в нормальном режиме работы сети. В сетях с изолированной нейтралью не бывает однофазных коротких замыканий, поэтому для релейной защиты не требуется установка трансформаторов тока в трёх фазах.

Схема соединений вторичных обмоток трансформаторов тока в треугольник, а приборов в звезду показана на рис.1.11. В приборе А ₁ протекает ток, равный геометрической разности токов в фазах А и В.

Рассмотрим схему соединения вторичных обмоток на разность токов двух фаз (рис.1.12).

Ток через прибор равен

İ = İ _а — İ_с . (1.12)

При симметричном первичном токе ток во вторичной цепи можно определить из векторной диаграммы трёхфазной сети. Он будет в раз больше фазного тока.

Параллельное соединение вторичных обмоток трансформатора тока образует фильтр тока нулевой последовательности (рис.1.13).

Ток через прибор А ₀ равен току замыкания на землю.

2. ИСПЫТАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА

1 Проверка погрешности трансформатора тока

Производится изучение токовой погрешности трансформатора тока. Последовательно с испытуемым трансформатором тока соединён образцовый трансформатор (рис.2.1).

Показания амперметра во вторичной обмотке образцового трансформатора тока принимаются за точные значения.

Проверка погрешности трансформатора тока производится совместно с изучением формы вторичного тока в пункте 2.2.

Определяется зависимость вторичного тока от величины первичного тока. К вторичной обмотке испытуемого трансформатора тока подключается только амперметр. С помощью автотрансформаторов АТ ₁ и АТ₂ изменяется ток во вторичной цепи от 0,1 А до номинального значения 5 А. По полученным данным производится расчёт токовой погрешности в зависимости от величины первичного тока в относительных единицах.

Снимается зависимость величины вторичного тока в цепи испытуемого трансформатора тока от величины вторичной нагрузки. С помощью автотрансформаторов АТ ₁ и АТ₂ поддерживается постоянное значение показаний амперметра, подключённого к образцовому трансформатору тока. В качестве нагрузки поочерёдно используется амперметр, активные сопротивления R1-R3 и вторичная обмотка одного из трансформаторов тока, расположенного в центре стенда. Переключения производятся перемычками, как показано на рис. 2.1. По полученным данным рассчитывается токовая погрешность по отношению к показаниям амперметра на образцовом трансформаторе тока и строится график погрешности в функции сопротивления нагрузки. С помощью экстраполяции определяется сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока и сравнивается с допустимым сопротивлением нагрузки в классе точности 10Р равным 1 Ом. Подключение вторичной обмотки трансформатора тока проводятся с учебной целью для определения соотношения между сопротивлением вторичной обмотки трансформатора тока и величиной допустимой вторичной нагрузки.

2.2 Изменение формы вторичного тока трансформатора тока при возрастании нагрузки

Отклонение формы кривой вторичного тока от синусоидальной формы вносит дополнительную токовую погрешность. Для контроля искажения формы кривой вторичного тока, происходящего из-за насыщения магнитопровода, в схеме на рис. 2.1 используется осциллограф. Для каждого значения нагрузки по осциллографу фиксируется форма кривой вторичного тока. Определяется величина нагрузки, при которой начинается искажение формы кривой вторичного тока.

3 Проверка коэффициента трансформации трансформатора тока

Проверка коэффициента трансформации в условиях эксплуатации при небольших первичных токах производится с применением амперметров по схеме рис.2.1. Зная коэффициент трансформации образцового трансформатора тока, проверяют коэффициент трансформации испытуемого трансформатора тока. У трансформаторов тока с большим первичным номинальным током проверку удобно производить с использованием вольтметров (рис.2.2) [4].

Необходимо использовать высокоомный вольтметр V ₂ , так как первичная обмотка трансформатора тока имеет очень низкое сопротивление. Коэффициент трансформации равен отношению показаний вольтметров V₁ к V₂ . При этом, перемычка, показанная на рис. 2.2, не устанавливается.

4 Контроль витковой изоляции трансформатора тока и повреждений в стали магнитопровода

Для определения виткового замыкания в трансформаторе тока и повреждений в стали магнитопровода снимают вольтамперную характеристику трансформатора тока. Она представляет собой зависимость тока намагничивания I ₀ от величины приложенного напряжения к обмотке. Вольтамперная характеристика снимается при разомкнутой первичной обмотке (рис. 2.2).

При витковом замыкании или повреждении в стали магнитопровода, будут протекать токи, магнитное поле которых размагничивает магнитопровод. Это отражается на вольтамперной характеристике. На производстве оценка исправности трансформатора тока производится путём сравнения вольтамперной характеристики, снятой при испытаниях, с типовой характеристикой для данного типа трансформатора тока. Допускается отклонение кривой намагничивания от типовой характеристики не более чем на 10 % [5].

Вольтамперная характеристика (кривая намагничивания) снимается при снятой перемычке, т.е. разомкнутой первичной обмотке. Затем снимается характеристика при замкнутой перемычкой первичной обмотке. Этим моделируется неисправность в виде короткозамкнутого витка. Строятся две вольтамперные характеристики, и определяется отклонение характеристик между собой.

5 Проверка полярности обмоток трансформатора тока

Под полярностью обмоток понимается определение начала и конца первичных и вторичных обмоток у встроенных трансформатора тока, а так же проверка маркировок обмоток трансформаторов тока. Проверка полярности необходима для правильного подключения счётчиков электроэнергии, ваттметров, варметров, направленных устройств релейной защиты и автоматики, то есть приборов и устройств, контролируемый параметр которых зависит от угла между током и напряжением. Маркировка проверяется у всех трансформаторов тока, даже не имеющих первичную обмотку.

Для проверки полярности обмоток необходим источник постоянного тока и гальванометр (рис. 2.3).

Во время подключения источника постоянного тока во вторичной обмотке трансформируется импульс тока, который приводит к кратковременному отклонению стрелки гальванометра. При правильной полярности обмоток в соответствие с маркировкой во время кратковременного включения ключа К стрелка гальванометра отклоняется вправо, а при размыкании ключа К — влево.

2.6 Контроль вторичных цепей трансформаторов тока

Нарушение контактов или обрывы проводников во вторичных цепях приводят к изменению величины тока во вторичных цепях трансформатора тока. В зависимости от места и вида повреждения, а также от режима работы первичной сети можно выявить причину отказа релейной защиты и автоматики.

Для диагностики вторичных цепей собирается одна из схем соединений вторичных обмоток трансформаторов тока (рис. 1.8 — 1.12).

В качестве примера на рис. 2.4 показаны режимы для схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов тока в неполную звезду. Перемычками П1 — П4 создаются различные режимы работы первичной и вторичной цепи. В первичной цепи рассматриваются трёхфазный и два двухфазных режима работы. Во вторичной цепи — размыкание нулевого проводника. Записываются показания амперметров и анализируются пути протекания вторичных токов.

• Проверка погрешности трансформатора тока.

Испытания проводятся совместно с пунктом 2.

Снимается зависимость вторичного тока трансформатора тока от первичного тока в диапазоне от 0,1 I _1НОМ до I_1НОМ . Производится не менее пяти измерений. За точные значения принимаются показания образцового трансформатора тока. Рассчитывается величина токовой погрешности. Строится зависимость токовой погрешности от величины первичного тока, который берётся в относительных единицах.

Снимается зависимость вторичного тока от величины сопротивления вторичной нагрузки и при неизменной величине первичного тока и одновременно фиксируется форма кривой вторичного тока на осциллографе (пункт 2).

Строится зависимость токовой погрешности от величины нагрузки. Путём экстраполяции определяется величина сопротивления вторичной обмотки трансформатора тока.

• Изменение формы вторичного тока при возрастании нагрузки.

Для каждого из значений нагрузки по пункту 1 по осциллографу фиксируется форма кривой вторичного тока. Определяется величина сопротивления нагрузки, при которой появляется несинусоидальность формы кривой вторичного тока.

• Проверка коэффициента трансформации трансформатора тока.

Произвольно выставляется величина тока в первичной цепи. С помощью метода двух вольтметров определяется коэффициент трансформации.

• Контроль витковой изоляции трансформатора тока и повреждений в стали магнитопровода.

Снимаются две вольтамперные характеристики с разомкнутыми выводами первичной обмотки и с перемычкой между выводами Л ₁ и Л₂ . Строятся две характеристики и рассчитываются отклонения между ними во всех измеренных точках. Определяется возможность выявления виткового замыкания по вольтамперной характеристике.

• Проверка полярности обмоток трансформатора тока.

Собирается схема проверки полярности испытуемого трансформатора тока. При кратковременном нажатии кнопки К фиксируется направление отклонения стрелки гальванометра. Определяется правильность маркировки обмоток трансформаторов тока.

• Изучение схем соединений трансформаторов тока и контроль вторичных токовых цепей.

По заданию преподавателя собираются несколько схем соединений вторичных обмоток трансформаторов тока (пункт 1.4).

Для одной из схем записываются показания амперметров при симметричных и несимметричных режимах первичной и вторичной сети. Определяются пути протекания тока и возможность отказов релейной защиты при резком изменении величины тока.

4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

1 Назначение, принцип действия и погрешности трансформатора напряжения

Трансформаторы напряжения применяются в электроустановках на напряжение выше 1000 В и предназначены:

для преобразования переменного первичного напряжения в стандартное вторичное напряжение 100, 100/ , 100:3 В;

• для защиты персонала и приборов от высокого напряжения первичной цепи.

для питания оперативных цепей на подстанциях с выпрямленным и переменным оперативным током.

Трансформатор напряжения работает в режиме близком к холостому ходу.

Коэффициент трансформации равен:

, (4.1)

где U _1НОМ — номинальное первичное напряжение, U_2НОМ — номинальное вторичное напряжение. Вторичное напряжение трансформатора, увеличенное в K_НОМ раз, отличается от первичного напряжения, как по модулю, так и по фазе вследствие потерь напряжения в трансформаторе.

Обозначения трансформатора напряжения приведены в табл. 4.1.

Погрешность по напряжению — это отношение разности между приведённым вторичным напряжением и первичным к первичному напряжению

.

Угловая погрешность — это угол δ между векторами первичного и вторичного напряжений. Погрешность считается положительной, если вектор вторичного напряжения опережает вектор первичного напряжения.

Для уменьшения погрешности по напряжению применяется витковая коррекция трансформатора напряжения, так как вторичное напряжение несколько меньше из-за потерь в трансформаторе. Отношение числа витков выбирают меньше номинального коэффициента трансформации. Для этого уменьшают число витков первичной обмотки.

Таблица 4.1 Обозначение обмоток трансформаторов напряжения

Погрешности зависят от cos φ и величины нагрузки трансформатора напряжения (рис.4.1).

Следовательно, для работы трансформатора напряжения с минимальной погрешностью необходима определённая величина вторичной нагрузки. Рекомендованные характеристики процентного изменения вторичного напряжения трансформатора, соответствующие cos φ= =0,8 вторичной нагрузки, приведены на рис. 4.2 [6].

Верхняя характеристика соответствует приложенному первичному напряжению 0,8 U _НОМ ; нижняя — напряжению 1,2 U_НОМ . Характеристики приведены для трансформатора, имеющего высший класс точности 0,2. Прямоугольник АВСD характеризует предельно допускаемую зону погрешности трансформатора напряжения при изменении вторичной нагрузки от 0,25 до номинального значения. Пределы активно-индуктивной нагрузки для работы трансформатора напряжения в классе точности при cos φ = 0,8 определяется от

до ,

где S _НОМ — номинальная мощность трансформатора в данном классе точности, В·А;_1НОМ — номинальное первичное напряжение трансформатора, В;₁ — значение первичного напряжения, подведённого к трансформатору, которое должно находится в диапазоне 0,8 — 1,2 U_НОМ , В.

Величина номинальной мощности S _НОМ зависит от класса точности. Например, для класса точности 1 она примерно в четыре раза больше чем для класса точности 0,2 (см. рис. 4.2).

Трансформаторы напряжения имеют 4 класса точности: 0,2; 0,5; 1 и 3.

2 Конструкции трансформаторов напряжения

Классификация трансформаторов напряжения [6].

Род установки:

• а) внутренний, для установки в помещении;

б) наружный, для установки вне помещения,

в) встроенные, для установки внутри КРУЭ.

По числу фаз:

• а) однофазный (О);
• б) трёхфазный (Т).

По наличию или отсутствию заземления вывода «Х» первичной обмотки:

• а) заземляемый (з);
• б) незаземляемый.

По принципу действия:

• а) электромагнитный;
• б) с ёмкостным делитель;
• в) оптический.

По числу ступеней трансформации:

• а) электромагнитный однокаскадный;
• б) электромагнитный каскадный (К).

По наличию компенсационной обмотки или обмотки для контроля изоляции сети:

• а) трёх фазный с дополнительными обмотками для контроля изоляции сети (И);
• б) трёх фазный с компенсационными обмотками (К).

По виду изоляции:

• а) воздушно-бумажная (С);
• б) литая (Л);
• в) залитая битумным компаундом (К);
• г) с фарфоровой покрышкой (Ф);
• д) масляная (М);
• г) газовая (Г).

По особенностям конструктивного исполнения:

• а) защищённое исполнение (З);
• б) водозащищённое исполнение (В);
• г) с встроенным предохранителем (П);
• д) антирезонансная конструкция (А).

Примеры обозначений трансформаторов напряжения.

НТС-6 — трансформатор напряжения, трёхфазный, с сухой изоляцией, номинальное напряжение 6 кВ.

НОМ — трансформатор напряжения, однофазный, маслонаполненный.

ЗНОМ — один из выводов первичной обмотки заземлён, трансформатор напряжения, однофазный, маслонаполненный.

НОЛ- трансформатор напряжения, однофазный, с литой изоляцией.

ЗНОЛ — один из выводов первичной обмотки заземлён, трансформатор напряжения, однофазный, с литой изоляцией.

НАМИ — трансформатор напряжения, антирезонансный, маслонаполненный, для контроля изоляции.

Параметры антирезонансных трансформаторов напряжения НАМИ не позволяют возникнуть резонансным колебаниям в сети. У этих трансформаторов напряжения в 3-4 раза снижена номинальная индукция в магнитопроводе и соответственно увеличено число витков первичной обмотки. Это обеспечило устойчивость трансформатора к повышению фазных напряжений до (3-4)U _НОМ , возникающих при феррорезонансе ёмкости сети с индуктивностью трансформаторов. Антирезонансные свойства НАМИ в основном обеспечиваются компенсационной обмоткой, соединённой в треугольник и замкнутой накоротко. При однофазных замыканиях на землю напряжение нулевой последовательности на ёмкостях сети разряжается через компенсационную обмотку [7].

НДЕ — трансформатор напряжения с ёмкостным делителем напряжения.

Ёмкостный делитель напряжения состоит из конденсаторов С1 и С2. Напряжение на конденсаторе С2 порядка 10-15 кВ (рис. 4.3).

Заградитель не пропускает токи высокой частоты каналов связи, телемеханики и релейной защиты во вторичные цепи трансформатора напряжения. Для уменьшения угловой погрешности, вызванной наличием в цепи конденсаторов, применяется индуктивный реактор. Для предупреждения феррорезонанса во вторичной обмотке устанавливается демпфирующее устройство.

НКФ — трансформатор напряжения, каскадный, в фарфоровой покрышке.

Первичная обмотка в целях уменьшения изоляции имеет несколько каскадов (частей) и столько же магнитопроводов (рис. 4.4).

Число каскадов определяется классом напряжения трансформатора. Каждый трансформатор каскада имеет изоляцию на 1/N часть напряжения сети, где N — число ступеней. Концы пер-вичных обмоток каждого каскада присоединены к соответствующим магнитопроводам. Для равномерного распределения нагрузки между первичными обмотками служат дополнительные обмотки 2.

измерительный трансформатор ток напряжение

В оптическом трансформаторе напряжения, представленном на рис. 4.5, электроннооптический блок 5 посылает световые сигналы через оптическое волокно 4 в поляризатор 2. Световой сигнал, поднимаясь вверх, проходит через кристаллы (ячейки Поккельса) 3, расположенные в трёх точках внутри высоковольтной изоляции. Когда световой сигнал проходит через кристалл, электрическое поле в поляризаторе 2, расположенном вокруг токоведущего проводника 1, изменяет его круговую поляризацию на эллиптическую. В электроннооптическом блоке измеряется отношение выходных сигналов относительно каждой оси X и Y, т.е. эллиптичность светового сигнала. Этим достигаются точные измерения электрического поля.

3 Схемы соединений трансформаторов напряжения

В сетях с глухо- и эффективнозаземлённой нейтралью применяются однофазные трансформаторы напряжения. Первичные обмотки соединяются в звезду и выполняются на фазное напряжение U _Ф соответствующей сети. Фазные напряжения основных вторичных обмоток, соединённых в звезду, выполняются на напряжение В (рис.4.6).

Фазные напряжения дополнительных вторичных обмоток, соединённых в разомкнутый треугольник, равны 100/3 В. Нейтраль первичной обмотки заземляется для измерения фазного напряжения по отношению к земле. По технике безопасности заземляются обе вторичные обмотки, чтобы при повреждении изоляции высокое напряжение не появилось на вторичных обмотках. Как правило, заземляется конец вторичной обмотки фазы В. В ПУЭ допускается заземлять нейтраль вторичной обмотки, соединённой в звезду.

В сетях с изолированной нейтралью применяются две схемы соединения обмоток. Основной является схема, показанная на рис. 4.6. Она используется для подключения защит, приборов и контроля замыкания на землю. Кроме того, применяется схема соединения обмоток двух однофазных трансформаторов напряжения в открытый треугольник (рис. 4.7.).

Она используется для подключения счётчиков. Первичные обмотки выполняются на линейные напряжения U _Л , а вторичные — на напряжения 100 В.

В сети с изолированной нейтралью заземляется нейтраль первичной обмотки у трансформатора напряжения. В виду очень большого сопротивления первичной обмотки трансформатора напряжения режим сети от этого не изменяется. При металлическом замыкании на землю или через переходное сопротивление, например фазы С, не происходит короткого замыкания. Линейные напряжения между фазами не изменяются. Таким образом, при замыкании на землю у потребителей не происходит изменения напряжения.

У трансформатора напряжения (рис.4.6) при замыкании фазы С на землю первичная обмотка фазы С будет замкнута накоротко, так как соединяются точки 1-6-5-4. При этом первичные обмотки фаз В и А подключаются на линейные напряжения соответственно ВС и АС между точками 2-4,5,6 и 3-4,5,6. Следовательно, во вторичной обмотке фазы С фазное напряжение равно нулю, а фазные напряжения В и А равны линейным напряжениям. Линейные напряжения во вторичных цепях не изменяются, так как остаются постоянными первичные линейные напряжения.

В дополнительной вторичной обмотке, соединённой в разомкнутый треугольник, суммируются три фазных напряжения. При отсутствии замыкания на землю сумма трёх симметричных фазных напряжений равна нулю. Если в сети произошло замыкание на землю, то появляются симметричные составляющие напряжения нулевой последовательности и на выводах разомкнутого треугольника появляется напряжение 3U _О . При металлическом замыкании на землю напряжение 3U_О на разомкнутом треугольнике достигает 100 В. Таким образом, появление напряжения на обмотке, соединённой в разомкнутый треугольник, сигнализирует о замыкании на землю. По вольтметрам, подключённым к фазным напряжениям, определяют повреждённую фазу, а также качественно величину переходного сопротивления в месте повреждения.

5. ИСПЫТАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

1 Изучение режимов работы трансформаторов напряжения

Рассматриваются режимы трансформатора напряжения, подключённого к сети с изолированной нейтралью на напряжение 6-35 кВ. Трансформатор напряжения имеет одну первичную обмотку, соединённую в звезду, и две вторичные обмотки, соединённые в звезду и разомкнутый треугольник. К вторичным обмоткам, соединённым в звезду, подключаются три вольтметра на фазные напряжения. Четвёртый вольтметр через переключатель подключается на линейные напряжения. К обмотке, соединённой в разомкнутый треугольник, подключаются вольтметр V _О и табло «Земля».

На стенде с помощью кнопок создают металлическое замыкание и замыкание на землю через переходное сопротивление при замкнутой и разомкнутой нейтрали первичной обмотки трансформатора напряжения.

2 Контроль состояния изоляции трансформатора напряжения

Одним из способов контроля состояния изоляции является определение сопротивление изоляции обмоток трансформатора напряжения по отношении к корпусу и между собой. Для контроля используется мегомметр, который подаёт высокое напряжение на обмотки. При проведении измерений необходимо предотвратить появление высокого напряжения на обмотках трансформатора. Для этого производится закорачивание обмоток трансформатора. Схема проведения испытаний трёх обмоточного трансформатора напряжения приведена на рис. 5.1.

6. ПОРЯДОК ИЗУЧЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

На стенде (рис. 6.1) измеряются по вольтметрам напряжения на вторичных обмотках трансформатора напряжения. Подключение вольтметра к разным линейным напряжениям производится переключателем П. С помощью ключа К1 замыкается нейтраль первичной обмотки трансформатора напряжения. При замкнутом ключе К2 создаётся металлическое замыкание на землю, а при замыкании ключа К3 — замыкание на землю через переходное сопротивление.

Порядок изучения трансформатора напряжения:

а) нормальный режим работы сети, нейтраль трансформатора напряжения разомкнута (ключи К1 — К3 — отключены);

• б) нормальный режим работы сети, нейтраль трансформатора напряжения замкнута на землю (ключ К1 — включён, К2, К3 — отключены);

• в) замыкание в сети через переходное сопротивление, нейтраль трансформатора напряжения разомкнута (ключ К3 — включён, К1, К2 — отключены);

• г) замыкание в сети через переходное сопротивление, нейтраль трансформатора напряжения замкнута (ключи К1, К3 — включены, К2 — отключён);

• д) металлическое замыкание в сети, нейтраль трансформатора напряжения замкнута (ключи К1, К2 — включены, К3 — отключён).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/diagnostika-transformatorov-toka/

1. Электрическая часть станций и подстанций: Учеб. Для вузов/ А. А. Васильев, И. П. Крючков, Е. Ф. Наяшков и др.; Под ред. А. А. Васильева. — 3-изд., перераб. и доп. — М.: Энергоиздат, 1990. — 576 с.

— Рожкова, Лиида Дмитриевна. Электрооборудование станций и подстанций: учеб. для техникумов/Л.Д. Рожкова, В.С. Козулин. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 546 с.

— ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия — М.: Изд-во Стандартинформ. 2001.

— Методы диагностирования измерительных трансформаторов тока: методическое пособие/ В. А. Савельев, А. Г. Соколов; Федеральное агенство по образованию, ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», — Иваново. 2005. — 136 с.

— Объём и нормы испытаний электрооборудования. РД 34.45.- 51.300.-.97. М.: ЭНАС, 1998 г. — 255 с.

— ГОСТ 1983-2001. Трансформаторы напряжения. Общие технические условия — М.: Изд-во Стандартинформ. 2001.

— К. Кадомская, О. Лаптев. Антирезонансные трансформаторы напряжения. Эффективность применения. /Новости электротехники. 2006. — 6(42).