11.10. Измерительные трансформаторы

В цепях переменного тока часто применяют измерительные транс­форматоры напряжения и тока, с помощью которых измеряют большие напряжения и токи с помощью приборов, рассчитанных на измерение небольших значений этих величин. Кроме того, измерительные трансфор­маторы позволяют изолировать электроизмерительные приборы цепи от высокого напряжения и тем самым обеспечить безопасность работы обслуживающего персонала.

Трансформаторы напряжения служат для подключения вольтметров, катушек напряжения ваттметров, счетчиков, фазометров и реле, рас­считанных на работу со стандартными приборами напряжением 100 В; их выпускают на различные значения первичного напряжения, дости­гающего десятков киловольт.

Трансформаторы тока используют для включения амперметров, токовых катушек ваттметров, счетчиков и т. д., рассчитанных на работу со стандартными приборами на ток 1, 2, 3,5; 5 А.

Трансформаторы напряжения. Трансформатор напряжения выпол­няется как понижающий силовой двухобмоточный трансформатор (k = w₁/w₂), на ферромагнитном магнитопроводе которого размещаются первичная и вторичная обмотки.

Схема включения трансформатора напряжения показана на рис. 11.17. Первичная обмотка включена на измеряемое высокое напря­жение, к вторичной обмотке, тщательно изолированной от первичной и обязательно заземленной, подключен вольтметр.

Сопротивления катушек приборов, подключаемых к вторичной обмотке трансформатора напряжения, очень большие. Следовательно, трансформатор работает в режиме, равносильном режиму холостого хода (ток во вторичной цепи при включенных приборах весьма мал). Поэтому падения напряжения в обмотках трансформатора незначитель­ны по сравнению с номинальными значениями напряжений U_1н и U_2н, указываемыми в паспорте трансформатора. Следовательно, для транс­форматоров напряжения можно считать U₁ ≈ E₁ и U₂ ≈ Е₂. Коэффициент трансформации

(11.85)

Из (11.85) можно получить с достаточной степенью точности значение первичного напряжения U₁ через измеренное вольтметром вторичное напряжение U₂:

(11.86)

где k — паспортное значение коэффициента трансформации.

Обычно вольтметры, измеряющие напряжение U₂, градуируют в значениях измеряемого первичного напряжения U₁. Погрешности из­мерения U₁ тем меньше, чем ближе режим работы трансформатора к режиму холостого хода, т. е. чем меньше падение напряжения в обмотках трансформатора.

Для уменьшения погрешностей измерения обмотку трансформатора выполняют с небольшими Z₁ и Z₂; магнитопровод изготовляют из мате­риала с большой магнитной проницаемостью значительного попереч­ного сечения так, чтобы он не оказывался в состоянии насыщения.

Погрешности измерения подразделяются на погрешность по напря­жению, которая представляет собой отношение разности между показы­ваемым вольтметром напряжением U₂k и измеряемым U₁ к напряжению U₁ в процентах:

(11.87)

иугловую погрешность, определяемую как угол δ_и, между векторами U₁ и - U₂^’ (рис. 11.18), значение которого наряду с напряжением и током влияет на результаты показаний вольтметров, счетчиков, фазометров и т. д. Угловую погрешность выражают в минутах (20—40 угл. мин) и считают положительной, если вектор - U₂^’ опережает вектор U₁.

Стационарные трансформаторы напряжения в зависимости от относительной погрешности по напряжению Δu при номинальном напряжении бывают трех классов: 0,5; 1; 3, а лабораторные трансфор­маторы напряжения— четырех: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.

Трансформаторы тока. Трансформатор тока, как и силовой двух-обмоточный трансформатор, имеет ферромагнитный сердечник, на котором имеются первичная и вторичная обмотки. На рис. 11.19,а показана схема включения, а на рис. 11.19,б — условное графическое изображение трансформатора тока, причем зажимы первичной обмотки обозначены Л₁ и Л₂ (линия), а вторичной — И₁ и И₂ (измерение). Транс­форматор тока выполняют с k = w₂/w₁ (повышающий трансформатор) или с k = w₂, w₁ = 1 (проходной трансформатор). У трансформатора тока, выполненного в виде проходного трансформатора, первичная обмотка представляет собой провод, проходящий через окно магнитопровода.

Первичную обмотку трансформатора тока включают в электри­ческую цепь последовательно с измеряемым объектом, а во вторичную обмотку — последовательно амперметр и токовые цепи других измери- тельных приборов. Согласно правилам техники безопасности, вторичную обмотку трансформатора заземляют.

Промышленность выпускает трансформаторы тока на токи первич­ных обмоток в десятки - тысячи ампер. Первичное напряжение U₁ этих трансформаторов колеблется от десятков до сотен милливольт. Э. д. с. Е₂, наводимая во вторичной обмотке трансформатора тока, составляет обычно не более 10 В, чему соответствует небольшой магнитный поток в магнитопроводе, создаваемый м. д. с. I₀w₁ = I₁w_l + I₂w₂, а также небольшой ток холостого хода I₀ (не более 3 % от I_1н). Так как сопро­тивления измерительных приборов, подключаемых к вторичной обмотке, обычно очень малы, то можно считать, что трансформаторы тока рабо­тают в режиме короткого замыкания. Поэтому в трансформаторах тока токи I₁ и I₂ несоизмеримо больше тока холостого хода I₀. Итак, пре­небрегая током I₀, получим формулу для определения модуля тока первичной обмотки:

(11.88)

Таким образом, определив по показанию амперметра ток I₂ и зная паспортные данные трансформатора (значение k), находят ток I₁. Если амперметр предназначен для работы с определенным трансформатором тока, то шкалу амперметра градуируют в значениях первичного тока.

При определении мощности с помощью ваттметра, включенного в сеть через трансформатор тока, его показания необходимо умножать на коэффициент трансформации k. Аналогично поступают при опреде­лении энергии по счетчику.

В трансформаторах тока из-за наличия тока I₀ токи I₂^’ и I₁ не равны между собой. Чем меньше ток I₀, тем ближе по значению эти токи, так как, согласно уравнению токов, I₁ = I₀ — I₂/k = I₀ + I₂^’. Это видно и из век­торной диаграммы (рис. 11.20), построенной для вторичной цепи трансформатора тока с подключенным амперметром согласно второму закону Кирхгофа

(11.89)

и уравнению токов трансформатора. Чем меньше ток I₀, тем меньше угол δ_и ( и тем ближе по значениям токи I₁ и I₂^’. При токе I₀, равном нулю, угол δ_и = 0 и векторы I₁ и I₂^’ совпадают по фазе, т. е. при этом условии формула (11.88) не дает погрешностей при вычислении тока I_l. Из-за того, что ток Iо ≠ 0, возникают:

погрешность по току (%)

(11.90)

и угловая погрешность δ_и, равная углу сдвига фаз между векторами I₁ и I₂^’. Угловая погрешность, как правило, составляет 20—120 угл. мин и считается положительной, если вектор I₂^’ опережает вектор I₁. Для уменьшения погрешностей измерений необходимо уменьшать I₀, при­меняя те же методы, что и в трансформаторах напряжения.

Вторичная обмотка трансформатора тока в отсутствие измери­тельных приборов должна быть накоротко замкнута специальной перемычкой. При размыкании вторичной цепи трансформатора ток I₁ практически не изменяется и не зависит от тока I₂, как это имеет место в силовых трансформаторах. Поэтому в трансформаторах тока при размы­кании вторичной цепи ток I₁ становится намагничивающим, т. е. I_lw_l = I₀w₁. Однако когда вторичная обмотка накоротко замкнута или в нее включены измерительные приборы, м. д. с. I₀w₁ составляет доли процента от I₁w₁. Следовательно, при размыкании вторичной обмотки происходит многократное увеличение м. д. с. трансформатора тока и, как следствие, сильное (в сотни раз) возрастание магнитного потока в ферромагнитном сердечнике. Как следствие, магнитные потери в стали резко увеличиваются, в результате чего сердечник трансформатора может перегреться, а трансформатор — сгореть. Кроме того, может зна­чительно повыситься напряжение (до нескольких сотен или тысяч вольт) на разомкнутых зажимах вторичной обмотки, так как э. д. с. E₂ = U₂₀ пропорциональна магнитному потоку.

Следовательно, трансформатор тока при разомкнутой вторичной цепи представляет опасность для обслуживающего персонала, а уве­личение магнитных потерь в стали и э. д. с. Е₂, вместе взятые, могут привести к пробою изоляции и, как следствие, к короткому замыканию на землю со стороны высокого напряжения.