5.2. Трансформатори струму

Трансформатори струму виконують у вигляді двообмоткового підвищуючого трансформатора (рис. 5.2,а) або у вигляді прохідного трансформатора, у якого первинною обмоткою є провід, який проходить через вікно магнітопроводу.

а) б) в)

Рис. 5.2. Схема вмикання вимірювального трансформатора струму (а), трансформатор для прохідного ізолятора (б) та векторна діаграма (в): 1-мідний стержень (первинна обмотка); 2-вторинна обмотка; 3-магнітопровід

В деяких конструкціях магнітопровід та вторинна обмотка змонтовані на прохідному ізоляторі, який слугує для уводу високої напруги в силовий трансформатор або іншу електричну установку. Первинною обмоткою такого трансформатора слугує мідний стрижень, який проходить всередині ізолятора (рис.5.2,б).

Опори обмоток амперметрів та інших приладів, які вмикаються до трансформатора струму, звичайно малі. Тому цей трансформатор працює практично в режимі короткого замкнення, при якому струми , у багато разів більші від струму холостого ходу І₀. Тому досить точно можливо вважати, що

(5.2)

В дійсності у зв’язку з наявністю струму холостого ходу в такому трансформаторі та між векторами цих струмів є деякий кут, відмінний від 180° (рис. 5.2,в). Це створює відносну струмову погрішність

% (5.3)

та кутову погрішність, яка вимірюється кутом δ_і між векторами та - . Погрішність δ_і вважається позитивною, якщо вектор - випереджає вектор .

В залежності від значення допустимих погрішностей трансформатори струму поділяють на п’ять класів точності : стаціонарні – 0,2;0,5;1;3;10 та лабораторні – 0,01;0,02;0,05;0,1;0,2. Наведені числа відповідні для даного класу струмовим погрішностям при номінальному струмі. Кутова погрішність знаходиться в межах 10'÷120'.

Для зменшення струмової й кутової погрішностей магнітопровід трансформатора струму виготовляють з високоякісної сталі досить великого перерізу, щоб в робочому режимі він був не насичений, тобто В=(0,06÷0,1) Тл. За цих умов намагнічуючий струм буде малий.

Слід зауважити, що розмикання ланцюга вторинної обмотки трансформатора струму неприпустиме. Трансформатор переходить в режим холостого ходу та його результуюча МРС, яка в робочому режимі дорівнює

стає (рис. 5.2,в). В результаті різко (в десятки й сотні разів) зростає магнітний потік у магнітопроводі, а індукція в ньому досягає значення В>2 Тл, що призводить до сильного зростання магнітних втрат в сталі. При цьому трансформатор може згоріти. Ще більшу небезпеку становить різке підвищення напруги на затискачах вторинної обмотки до кількох сотень і навіть тисяч вольт. Для усунення режиму холостого ходу при вимиканні приладів слід замикати вторинну обмотку трансформатора струму накоротко.

5.3. Випробувальні трансформатори

Для випробування матеріалів та різних досліджень необхідні напруги в межах 500÷2000 кВ зі звичайною промисловою частотою. Основним обладнанням для одержання таких напруг є випробувальні трансформатори. Спеціальні конструкції таких трансформаторів будуються на таких принципах.

1. Вимушений розподіл високої напруги по всій високовольтній схемі, завдяки чому фіксуються потенціали окремих вузлових точок схеми відносно землі.

2. Подрібнення загальної напруги на кілька трансформаторів, які з’єднуються послідовно або в каскад.

3. Застосування допоміжних, ізолюючих трансформаторів.

4. Застосування конструкції обмотки високої напруги за типом конденсаторного ізолятора.

Рис. 5.3. Схема випробувального трансформатора з ізолюючим трансформатором

Випробувальні трансформатори можуть бути масляними або сухими.

Схеми, які будуються за першим принципом, в наш час практичного значення не мають.

Рис. 5.4. Схема каскадного випробувального трансформатора зі збудженням за принципом автотрансформатора

Схеми, відповідні другому принципові, наведені на рис.5.3, рис.5.4.

На рис.5.3 трансформатори I та II з’єднані послідовно й кожен з них розрахований на половину загальної напруги U₀. Трансформатор ІІ стоїть на ізоляторах, які перебувають під напругою . Щоб потенціал обмотки високої напруги ВН трансформатора ІІ відносно осердя цього трансформатора був точно фіксований, осердя й бак (якщо трансформатор масляний) з’єднують з нульовим кінцем обмотки ВН цього трансформатора. Збудження трансформатора ІІ, у якого осердя й бак перебувають під потенціалом відносно землі, можливо здійснити за допомогою так званого ізолюючого трансформатора ІІІ (рис.5.3) з коефіцієнтом трансформації К=1, причому ізоляція між обмотками ізолюючого трансформатора розрахована на напругу .Трансформатори I та IIІ одержують збудження від генератора Г. За цим принципом була побудована одна з перших установок на 1МВ з трьох трансформаторів, один з яких ізолюючий.

Якщо число з’єднуваних послідовно трансформаторів більше від трьох, то установка із застосуванням ізолюючих трансформаторів стає громіздкою. Тому частіше застосовується принцип каскадного збудження трансформаторів, наприклад з’єднання за автотрансформаторною схемою (рис.5.4). Збудження другого й третього трансформатора виконується від частини обмотки вищої напруги попереднього трансформатора. Для цього обидва кінця кожної із збуджуючих обмоток виводяться через ізолятор високої напруги до обмотки збудження наступного трансформатора.

За цим принципом можливо побудувати й подвоєні каскади на напругу до 2 МВ із заземленою середньою точкою з числом трансформаторів у подвоєному каскаді від чотирьох до восьми.

Але недоліки каскадів досить значні. Оскільки кожний наступний трансформатор одержує енергію від попереднього, потужність кожного з них різна. Якщо за схемою рис. 5.4 потужність трансформатора ІІІ дорівнює P, то потужність трансформатора ІІ – 2P, а І – 3P. Загальна встановлена потужність 6P, а потужність каскаду – всього 3P.

Крім того, зі збільшенням числа ланок каскаду сильно зростає його загальна індуктивність. Якщо, наприклад, з одним трансформатором вона становить 1,25%, то з двома - 4%, з трьома - 9%, а з чотирма – 16,4%. Третій недолік каскадної схеми полягає в нерівномірному розподілі імпульсних напруг на окремих ланках каскаду аналогічно до розподілу таких напруг вздовж обмотки одного трансформатора. Але ж звичайна робота каскаду (при розрядах і т. і.) саме й супроводжується імпульсними перенапругами.

Тому весь час намагаються побудувати випробувальні трансформатори на повну напругу U₀ в одній одиниці, і такі трансформатори побудовані на напругу до 1 МВ. Трансформатор конструюється подібно до ізоляторів конденсаторного типу (рис. 6.5). Обмотка високої напруги з круглого проводу намотується одним шаром на ізолюючі циліндри. Число циліндрів, а також їхні довжини й діаметр підбираються таким чином, щоб при послідовному з’єднанні кінця обмотки першого циліндра стержня І з початком першого циліндра стержня ІІ з початком другого циліндра стержня І і т. д. – зростання потенціалу за витками, починаючи від заземленого початку обмотки першого циліндра стержня І, відповідало розподілу потенціалу за ємністю концентричних шарів обмотки.

Рис. 5.5. Розташування обмоток випробувального трансформатора за комбінованою схемою

Випробувальний трансформатор у масляному виконанні відносно громіздкий та важкий, особливо при високих напругах. Монтаж та демонтаж каскаду (рис.5.4) при оглядах та ремонтах та інші подібні роботи є в цьому випадку дуже трудомісткими.

Великою перевагою сухих випробувальних трансформаторів є відсутність надзвичайно громіздких та вартісних прохідних ізоляторів, а також те, що вага сухих трансформаторів у зв’язку з відсутністю бака й масла значно менша від ваги таких же масляних трансформаторів. Якщо трансформатор виконано по типу конденсаторного трансформатора (рис.5.5), то при відповідному виконанні він стійкий до пилу й вогкості, а при ремонті його розбирання відносно просте. Сухі випробувальні трансформатори конденсаторного типу можуть бути виконані на напругу до 1 МВ у одиниці.