6 Трансформаторы тока

Назначение

Служат для удобства измерения тока в установках высокого на­пряжения, приведения первичного тока установки к стандартному диапазону, применяемому в релейной защите и измерениях, и изоляции измерительных приборов и устройств релейной защиты от высокого напряжения.

Принцип действия

ТТ имеет замкнутый магнитопровод с двумя обмотками. Через первичную обмотку пропускается измеряемый ток, вторичная обмотка подключается к из­мерительным приборам или реле. Первичная обмотка изолирована от вторичной в соответствии с классом изоляции аппарата. Один вывод вторичной обмотки обязательно заземляется.

Действительный коэффициент трансформации не равен номинальному вследствие погрешности, вызываемой потерями в трансформаторе. Различают токовую погрешность и угловую.

Приняты следующие условные положительные направления токов: первичного тока — ток втекает в начало первичной обмотки, вторичного — ток вытекает из начала вторичной обмотки. Обе обмотки намотаны в одну сторону. При таком положительном направлении токов в ТТ без погрешностей векторы вторичного и первичного токов совпадают по фазе. В реальном ТТ между векторами токов существует угол, который называется угловой погрешностью и измеряется в минутах. Угловую погрешность необходимо учитывать при определении активной мощности цепи.

В зависимости от погрешности различают классы точности 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10.

Наряду с токовой и угловой погрешностью предусмотрена полная погрешность, она характеризует относительный намагничивающий ток.

Характеристики ТТ

Поскольку значение вторичного тока стандартизовано, то но­минальное сопротивление нагрузки однозначно определяет и номинальную мощность трансформатора;

номинальная предельная кратность первичного тока по отношению к его номинальному значению, при которой полная погрешность достигает 5 или 10 %. Соответственно ТТ имеют класс точности 5Р и 10Р. Нагрузка и ее коэффици­ент мощности должны быть номинальными;

максимальная кратность вторичного тока — отношение наибольшего вторичного тока к его номинальному значению при номинальной вторичной нагрузке. Максимальная кратность вторичного тока определяется насыщением магнитопровода, когда дальнейшее возрастание первичного тока не ведет к возрастанию потока.

В аварийном режиме ТТ обтекаются током КЗ и их об­мотки подвергаются воздействию больших токов:

динамическая стойкость ТТ (кратность) определяется отношением допустимого тока ударного КЗ к амплитуде номинального первичного тока;

термическая стойкость (кратность), задается отношением допустимого в течение 1 с тока КЗ к номинальному значению первичного тока.

Так как ток первичной обмотки задается сетью, то наибольшим термическим и динамическим воздействиям подвергается первичная обмотка. Вторичный ток часто ограничивается насыщением магнитопровода, и поэтому вторичная обмотка работает в облегченных условиях.

Работа ТТ при КЗ в контролируемой сети.

Если полная погрешность достигла 10 %, то при дальнейшем возрастании первичного тока она столь быстро увеличивается, что нормальная работа релейной защиты невозможна. Поэтому номинальная предельная кратность ТТ должна быть выше отношения тока КЗ к номинальному. Уменьшая сопротивление нагруз­ки, можно увеличивать и номинальную предельную кратность.

Трансформаторы, предназначенные для дифференци­альной защиты, выбираются с одинаковой номинальной предельной кратностью. При этом ток небаланса защиты, равный разности вторичных токов трансформаторов (при одинаковом первичном токе), получается небольшим.

Трансформаторы с многовитковой первичной обмоткой при КЗ в контролируемой сети подвергаются повышенной электрической нагрузке. Индуктивное сопротивление та­кой обмотки соизмеримо с сопротивлением остальной короткозамкнутой цепи. При этом на обмотку может ложить­ся существенная часть напряжения сети, вследствие чего возможен пробой междувитковой изоляции.

Работа ТТ при разомкнутой вторичной обмотке. При эксплуатации ТТ возможны случаи, когда вторичная обмотка оказывается разомкнутой. В нормальном режиме МДС составляет проценты или даже доли процента МДС. Амплитуда магнитной индукции составляет 0,06— 0,1 Тл.

При размыкании вторичной обмотки размагничивающее действие вторичной МДС прекращается. Ток в первичной цепи остается неизменным, и первичная МДС целиком идет на намагничивание магнитопровода. Это при­водит к его насыщению и появлению высокой ЭДС на разомкнутой вторичной обмотке.

В магнитопроводе резко возраста­ют активные потери, за счет которых температура изоляции может существенно превысить допустимые значения.

Конструкция трансформаторов тока

Различают одновитковые и многовитковые трансформаторы тока. В одновитковом ТТ первичная обмотка может быть выполнена в виде стержня, шины или пакета шин.

По сути дела, ТТ имеет два независимых трансформатора, параметры которых могут быть различными. Магнитопроводы трансформатора выполняются в виде двух тороидальных сердечников, навитых лентой из текстурованного материала, например марки 3413.

Если вторичная обмотка равномерно распределена на тороидальном магнитопроводе, то ее индуктивное сопротивление в схеме замещения равно нулю, что позволяет снизить погрешность измерения ТТ. Конструкция допускает установку нескольких ТТ с разными параметрами на одной стержневой первичной обмотке.

Электродинамическая стойкость одновитковых ТТ достаточно высока, так как на первичную обмотку действуют силы только от подводящих шин и соседних фаз. При трехфазном КЗ между стержнями первичных обмоток соседних фаз возникает электродинамическая сила. Кроме того, на конец стержня передаются силы, действующие на подводящую шину, которая одним своим концом укреплена на ближайшем опорном изоляторе, вторым — на стержне ТТ.

Электродинамическая стойкость, гарантированная заводом-изгото­вителем, относится обычно к определенному расстоянию между фазами и определенной длине шины, соединяющей опорный изолятор с ТТ. Недостаток одновитковых ТТ заключается в большой погрешности при малом номинальном первичном токе, поскольку. Поэтому одновитковые ТТ применяются при токах 400 А и более. При первичном токе более 2 кА применяются одновитковые шинные трансформаторы тока. Электродинамическая стойкость такого ТТ определяется механической проч­ностью шин, их креплением и заводом не нормируется.

Одновитковые ТТ могут быть встроенными. В этом случае используются токоведущий стержень и изолятор другого аппарата или оборудования (выключателя, силового трансформатора, проходного изолятора и др.). Применение встроенных ТТ дает большой экономический эффект.

При напряжении 35 кВ и выше для открытых установок применяются ТТ с масляной изоляцией. Наиболее распространены ТТ так называемого звеньевого типа. Три тороидальных магнитопровода со вторичными обмотками охвачены первичной обмоткой, выполняемой мягким многожильным проводом и обычно имеет несколь­ко параллельных ветвей. При переходе с параллельного соединения на последовательное первичный номинальный ток трансформатора уменьшается в 2 раза.

Выбор трансформаторов тока

1. Номинальное напряжение ТТ:

,

где - номинальное напряжение сети.

В сети с заземленной нейтралью к ТТ приложено фазное напряжение, а в сети с изолированной нейтралью может быть приложено линейное напряжение (если произошло замыкание одной фазы на землю).

2. Частота тока, указанная на щитке, должна соответствовать частоте сети. Для трансформаторов с , или допускается работа при частоте до 500 Гц. При этом сопротивление нагрузки может быть удвоено по сравнению с сопротивлением при частоте при сохранении класса точности.

3. Номинальный первичный ток ТТ берется в соответствии со шкалой токов, рекомендованной ГОСТ. Если ток установки не соответствует этой шкале, то берется трансформатор с ближайшим большим током. Значительное превышение номи­нального первичного тока ТТ по сравнению с током установки ведет к повышению погрешности.

4. Электродинамическая и термическая стойкости должны удовлетворять следующим условиям:

динамическая стойкость

,

где - коэффициент электродинамической стойкости;

- амплитуда ударного тока короткого замыкания сети;

- действующее значение номинального первичного тока;

термическая стойкость

- коэффициент термической стойкости, равный

,

при времени стойкости ;

- действующее значение тока КЗ при времени его действия .

Если выбранный ТТ удовлетворяет п. З, но не проходит по п. 4, то необходимо либо взять ТТ на больший первичный номинальный ток, либо перей­ти на другой тип ТТ, имеющий более высокую стой­кость к токам короткого замыкания. В первом слу­чае увеличивается погрешность в номинальном ре­жиме.

5. Класс точности ТТ выбирается в зависимости от назначения. Трансформаторы, предназначенные для питания счетчиков электроэнергии, должны иметь класс точности не ниже 0,5. Допускается для этой цели использование ТТ класса точности 1,0, но при условии, что фактическая погрешность со­ответствует классу 0,5 (благодаря пониженной вто­ричной нагрузке). К этим трансформаторам не предъ­является требование высокой предельной кратнос­ти. Иногда даже полезно насыщение магнитопровода для уменьшения термического и электродинами­ческого воздействия на измерительные приборы.

6. Трансформатор, предназначенный для систем защиты от коротких замыканий, должен иметь по­грешность, обеспечивающую устойчивую работу релейной защиты. Для оценки работы ТТ в этом ре­жиме используются кривые предельной кратности.

При заданной вторичной нагрузке Z₂ предельная кратность трансформатора должна быть выше рас­четной кратности (отношение тока короткого замыкания, при котором срабатывает защита, к но­минальному току ТТ). Трансформаторы, комплек­туемые для дифференциальной защиты, должны иметь одинаковую предельную кратность при сквоз­ном токе короткого замыкания. Значение за­висит от принципа действия защиты.

Сопротивление нагрузки Z₂ должно быть не более , и для простейшей однофазной схемы включения ТТ, Ом,

,

где - суммарное реактивное сопротивле­ние всех приборов нагрузки, Ом;

- суммарное активное сопротивление приборов нагрузки, Ом;

- сопротивление контактных соединений;

- сопротивление проводов, Ом.

Сечение соединительных проводов при данной длине , м, определяется из выражения

,

где q - сечение провода, м²;

р - удельное сопротивление проводов, мкОм-м.

Обмотки тока всех приборов фазы соединяются последовательно.

По условиям механической прочности сечение медных проводов должно быть не менее 1,5 мм², а алюминиевых - не менее 2,5 мм².

При соединении ТТ в трехфазные группы по различным проводам протекают различные токи. Поэтому для расчета сечения соединительных проводов необходимо выбрать такой режим, при котором нагрузка на ТТ получается наибольшей.

7. При использовании встроенных ТТ, имеющих несколько магнитопроводов с обмоткой, часто возникает необходимость увеличения либо допустимой вторичной нагрузки ТТ (велика длина соединительных проводов), либо вторичного тока в нагрузке до номинального значения (из-за того, что номинальный ток установки значительно ниже первичного тока трансформатора).

В первом случае вторичные обмотки соединяются согласно-последовательно. Если соединяются два ТТ последовательно, то вторичная ЭДС возрастает в 2 раза, что дает возможность увеличить в 2 раза нагрузку Z₂. Соединяемые ТТ должны быть однотипными и иметь одинаковые вторичные токи, равные номинальному току нагрузки.

Во втором случае вторичные обмотки соединяются согласно-параллельно. Ток в нагрузке равен сумме вторичных токов ТТ. Внутренние и внешние параметры параллельно соединяемых ТТ должны быть одинаковыми.

Встроенные ТТ могут иметь вторичную обмотку с отводами. Изменяя число вторичных витков, можно изменять номинальный коэффициент трансформации. При уменьшении числа вторичных витков обмотки вторичный номинальный ток увеличивается. Следует отметить, что в том случае, когда используемая часть вторичной обмотки неравномерно располагается по магнитопроводу, возникает сопротивление рассеяния вторичной обмотки, которое может быть соизмеримо с ее активным сопротивлением. При уменьшении числа вторичных витков погрешность ТТ возрастает.

Для измерения постоянного тока в цепях высокого напряжения применяют комплексы трансформаторов постоянного тока типа КТПТ35У1. Эти устройства работают на базе магнитного усилителя.