книги / Электрические аппараты. Общий курс

Для номинальных токов можно было бы написать:

д / % = _ J w - J m Jоо %. hm

Учитывая, что угол ô мал, за разницу I\W\—I2W2 мож­ новзять проекцию вектора 70a>i на горизонтальную ось (отрезок АС). Таким образом, погрешность по току про­ порциональна отрезку АС. Погрешность можно рассчи­ тать по (23-4) и (23-5), вывод которых приведен в [Л. 23-1].

Погрешность по току

где а — угол между вторичной э. д. с. Е 2 и током;

ф— угол потерь в сердечнике, равный arctg(70a/70p). Чем меньше намагничивающий ток, тем меньше по­

грешности и по току, и по углу.

Намагничивающий ток связан с напряженностью по­

где / — средняя длина магнитопровода. Чем меньше Я, тем меньше 70o>i. Поток Ф0 определяет вторичную э. д. с.

£ 2 = 4,44/ш2Ф0.

Следовательно, чем больше £2, тем больше поток Ф0. С ростом Ф0 увеличивается Я и м. д. с. 70Шь Для умень­ шения погрешности сопротивление вторичной цепи дела­ ется возможно меньшим, так как при этом уменьшается

E% = h Т/Г(^2+ ''2)2+ № + * 2 )2-

Режим работы трансформатора тока является по су­ ществу режимом короткого замыкания.

б) Зависимость погрешности от первичного тока.

Впроцессе работы установки первичный ток изменяется

вочень широких пределах, примерно от 10%' / н до токов короткого замыкания.

Рассмотрим работу трансформатора в зоне номиналь­

4t44fwl\iaS

При изменении первичного тока все величины оста­ ются постоянными, за исключением проницаемости ца.

Абсолютная магнитная проницаемость материала ра и индукция Вт связаны кривой ца(Вт ) на рис. 23-3. Для наглядности на этом же рисунке приведена кривая

Вт (Н). С ростом первичного тока вначале ра увеличи­ вается и погрешность падает. При ВопТ погрешность наи­ меньшая. Затем при дальнейшем росте первичного тока проницаемость падает из-за насыщения сердечника, а погрешность AI увеличивается.

Трансформатор тока не должен давать больших пбгрешностей при номинальном токе и при коротком замы-

2,0 7\ то в некомпенсированных трансформаторах номи­ нальную индукцию выбирают в пределах 0,06—0,1 Т.

При отсутствии компенсации погрешность по току всегда отрицательна и изменяется по U -образной кривой с ростом первичного тока. Аналогично зависит от тока угловая погрешность, но она имеет положительный знак.

Для того чтобы трансформатор удовлетворял опреде­ ленному классу точности, необходимо, чтобы его погреш­ ность находилась в допустимых пределах. Так, погреш­ ности для трансформатора класса точности 0,5 должны лежать внутри области, ограниченной ломаными линия­ ми 3 (рис. 23-4), при нагрузке в пределах (0,25— 1) z2H и COS Ср2= 0,8.

Классы точности и нормированные погрешности при­ ведены в [Л. 23-1]. Класс точности трансформатора определяется его погрешностью в процентах при пер­ вичном токе (100— 120%) /щ.

В рабочем диапазоне индукций (до 0,1 Т) кривая на­

________ 0,82/424 6

(23-16)

(4,44f)0,6 n0,4 (/ih a»,)1 ’6 S0,6 ‘

Из уравнения (23-16) следует, что погрешность по току резко возрастает при уменьшении номинальной пер­ вичной М. Д. С. I\W\.

Наиболее совершенной конструкцией является одновитковый трансформатор тока, когда первичной обмот­

иметь первичную номинальную м. д. с. не ниже опреде­ ленной величины. Для современных магнитных материа­ лов и разработанных конструкций при классе точности 0,5 минимальный ток одновиткового трансформатора должен быть не менее 600—900 А. Если первичный ток менее 600 А, то первичная обмотка выполняется много-

С целью снижения погрешности необходимо уменьшать активное г2 и реактивное сопротивление х2 вторичной об­ мотки. Следует однако отметить, что при изменении со­ противления нагрузки в пределах номинального значения

22н абсолютное значение вторичного тока изменяется Не­ значительно. Дело в том, что первичный ток /) не зави­ сит от сопротивления zэ2. При уменьшении сопротивле­ ния Zq2, допустим, в 2 раза, уменьшаются в 2 раза э. д. с. Е2 и индукция Вт . При этом упадут напряженность поля Н и м. д. с. IqWi. Вторичный ток немного увеличится, так как уменьшится м. д. с. IÜW\:

стремятся сократить. Увеличение сечения магнитопровода S уменьшает погрешность, однако Д/ уменьшается мед­ леннее, чем растет сечение. Следует также отметить, что с ростом сечения увеличивается длина витка обмотки и ее активное сопротивление, что вызывает некоторое увели­ чение погрешности.. Поэтому увеличение сечения стали не всегда является рациональным.

При прочих равных условиях переход на материал с большей магнитной проницаемостью уменьшает погреш­ ность.

23-3. Компенсация погрешности

а) Витковая отмотка. Простейшим методом компенсации по­ грешности является витковая отмотка. Если w2—w2н=о>1н&н, то по­ грешность всегда имеет отрицательный знак и определяется уравне­ нием (23-4). Если число витков вторичной обмотки взять меньше, чем w2н, то искусственно вводится положительная погрешность, ко­ торая частично компенсирует отрицательную.

Дело в том, что при w2<.w2н коэффициент трансформации ста­ новится меньше, а вторичный ток I2=IiWi/w2 может быть даже больше, чем I2H=IiWi/w2n. Таким образом создается положительная погрешность по току.

Токовая погрешность с учетом отмотки вторичных витков опре­ деляется по формуле (23-17), приведенной в [Л. 23-1]:

Второй член в скобках является витковой поправкой.

При отмотке вторичных витков кривая погрешности перемеща­ ется параллельно самой себе в область меньших погрешностей и при большом токе может быть даже положительной. Если вторичная на­ грузка мала (0,25 z2H), то погрешность может даже выйти из допу­ стимых пределов данного класса.

На рис. 23-4 кривые Î относятся к трансформатору без компен­ сации, а кривые 2 — к тому же трансформатору после отмотки вто­ ричных витков.

вичной м. д. с. Под действием этой м. д. с. возникает поток рассеяния Фв1, который также проходит через шунт 4. Выбрав соответствую­ щим образом магнитное сопротивление шунта, можно даже при ма­ лых первичных токах перевести рабочую точку в область с высоким

ведет к уменьшению как токовой, так и угловой погрешностей транс­ форматора. При токах, близких к номинальным и выше их, проис­ ходит насыщение шунта и компенсация перестает действовать.

Наряду с повышением магнитной проницаемости сердечника по­ ложительную роль в повышении точности играет также уменьше­ ние индуктивного сопротивления вторичной обмотки в результате так называемого двойного рассеяния [Л. 23-2].

В заключение следует отметить, что создание высококачественных магнитных материалов типа стали марки Э310, пермаллоя и др. с высокой проницаемостью и малыми активными потерями позволяет построить малогабаритные трансформаторы тока с малой погрешно­ стью и без применения компенсации.

23-4. Режим работы трансформаторов тока

а) Работа трансформатора при коротком замыкании. При коротком замыкании первичный ток *возрастает в десятки или несколько десятков раз. Трансформаторы то-

ка являются одним из основных звеньев релейной защи­ ты. Поэтому трансформатор тока не только должен быть термически и динамически стойким, но и давать вторич­ ный ток с погрешностью, обеспечивающей нормальную работу системы защиты.

При больших кратностях первичного тока магкитопровод трансформатора начинает работать в зоне насы­ щения. При этом погрешность резко растет.

Практика показала, что если погрешность достигла 10%, то при дальнейшем возрастании первичного тока

погрешность столь быстро увеличивается, что нормальная работа релейной защиты становится невозможной. Поэ­ тому для трансформаторов тока, работающих в цепях за­ щиты, необходимо, чтобы номинальная предельная (10%) кратность его была выше, чем отношение тока короткого замыкания к номинальному току.

Типичная зависимость номинальной предельной крат­ ности от сопротивления вторичной нагрузки показана на рис. 23-6. Уменьшая величину нагрузки, можно подни­ мать и номинальную предельную кратность.

Трансформаторы, предназначенные для дифференци­ альной защиты, выбираются с одинаковой номинальной предельной кратностью. При этом ток небаланса защи­ ты, равный разности вторичных токов трансформаторов (при одинаковом первичном токе), получается неболь­ шим.

Вследствие насыщения сердечника при коротком за­ мыкании кривая вторичного тока сильно искажена.

индукции при номинальном первичном токе. Необходимо отметить, что при наличии апериодичес­

кой составляющей тока короткого замыкания в магнитопроводе появляется апериодическая составляющая на­ магничивающего тока, которая в десятки или несколько десятков раз больше, чем периодическая составляющая. Магнитопровод насыщается постоянной составляющей индукции. При этом возникают большие погрешности по току и углу. Современные трансформаторы не могут до­ статочно точно передать ток во вторичную цепь в самом начале короткого замыкания. Для синхронизированного выключателя, нуждающегося в точном измерении тока, необходимо создание специальных трансформаторов [Л .23-3].

Трансформаторы, имеющие многовитковую первичную обмотку*, при коротком замыкании подвергаются и повы­ шенной электрической нагрузке. Дело в том, что индук­ тивное сопротивление такой обмотки соизмеримо с со­

противлением остальной короткозамкнутой цепи. При этом на обмотку может ложиться существенная часть напряжения источника, вследствие чего возможен пробой

межвитковой изоляции.

б) Режим работы при разомкнутой вторичной обмотке. В нормальном режиме м. д. с. IqW\ составляет проценты

Рис. 23-7. Изменение индук­ ции В и вторичной э. д. с. е2 во времени при разомкну­ той вторичной обмотке.

или даже доли процента от м. д. с. I\W\. Амплитуда ин­ дукции в сердечнике равна всего 0,06—0,1 Т.

При размыкании вторичной цени размагничивающая вторичная м. д. с. /2^2 пропадает. Поскольку ток в пер­ вичной цепи остается неизменным, то первичная м. д. с. будет и намагничивающей. Возрастание в сотни раз м. д. с. приводит к насыщению сердечника и появлению высоких э. д. с. на разомкнутых зажимах обмотки.

Ввиду несинусоидальности потока расчет этой э. д. с. затруднен. Примерные кривые изменения индукции В и вторичной э. д. с. показаны на рис. 23-7. Чем больше первичная номинальная м. д. с. I\nWU тем больше значения пика е2. В некоторых случаях этот пик может достигать десятка киловольт. Такое напряжение опасно и для обмоток самого трансформатора, и для обслужива­ ющего персонала. Это напряжение удобно определять по методике, описанной в [Л. 23-1].

При насыщениях сердечника в нем резко возрастают активные потери и он может нагреваться до недопусти­ мых температур, в результате чего возможно воспламе­ нение изоляции обмотки.

Режим разомкнутой вторичной обмотки является для трансформатора тока аварийным. Поэтому при работе с трансформаторами тока и в цепях релейной защиты вто­ ричные зажимы должны быть обязательно закорочены.

23-5. Конструкция трансформаторов тока

Взависимости от числа витков первичной обмотки различают одновитковые и многовитковые трансформаторы тока.

Водновитковом аппарате первичная обмотка может быть вы­ полнена в виде стержня или пакета шин. Примером такого испол­

нения является трансформатор ТПОЛ-Ю с литой изоляцией, изобра­ женный на рис. 23-8. Этот трансформатор используется как проход­ ной изолятор при переходе из одного помещения в другое.

Применение литой эпоксидной изоляции позволяет сильно упро­ стить конструкцию и технологию производства. Первичная обмот­ ка — стержень 4, магнитопроводы Î и крепежное кольцо 3 распола­ гаются в специальной форме, после чего туда заливается жидкая

Рис. 23-8. Одновитковый трансформатор тока ТПОЛ-Ю, ии=чЛ0 кВ.

масса из эпоксидной смолы, пылевидного кварцевого песка и отвердителя. После затвердения и полимеризации изоляционный ма­ териал приобретает высокие электрические и механические свойства [Л. 1-6]).

Магнитопровод трансформатора 1, выполненный в виде тора, из­ готавливается из ленты, свернутой по спирали. На тор наматывается вторичная обмотка 2. Применение тороидального сердечника дает возможность полностью использовать высокие свойства текстурован­ ного материала, например стали марки Э310. Если вторичная обмот­ ка равномерно расположена на магнитопроводе, то индуктивное со­ противление вторичной обмотки равно нулю, что позволяет повысить точность трансформатора тока. Конструкция позволяет легко уста­ новить несколько магнитопроводов, каждый из которых имеет раз­ личные параметры.

Большим достоинством одновиткового исполнения является его высокая электродинамическая стойкость, так как на первичную об­ мотку действуют силы только от подводящих шин и соседних фаз.

При трехфазном коротком замыкании между стержнями первич­ ных обмоток соседних фаз возникает электродинамическая сила. Кроме того, на конец стержня передаются силы, действующие на подводящую шину, которая одним своим концом укреплена на бли­ жайшем опорном изоляторе, вторым — на стержне трансформатора тока.