8.17. Трансформаторы тока и напряжения

Трансформаторы тока и напряжения применяются, во-первых, для изоляции измерительных приборов и аппаратов автоматической защиты от цепи высокого напряжения, чем достигается безопасность измерения, и, во-вторых, для расширения пределов измерения изме­рительных приборов.

Трансформаторы напряжения применяются для включения вольт­метров, частотомеров и цепей напряжения других измерительных приборов (ваттметров, счетчиков, фазометров) и реле, трансформа­торы тока — для включения амперметров и цепей тока измеритель­ных приборов и реле.

Принципиальная схема трансформатора напряжения (ТН) пока­зана на рис. 8.30, а, а его условное обозначение — на рис. 8.30, б. Такой трансформатор подо­бен силовому трансформатору небольшой мощности. Его первичная обмотка — обмот­ка высшего напряжения с большим числом витков w₁ включается в цепь, напряже­ние U₁ которой нужно измерить, а к вторичной обмотке со значительно меньшим чис­лом витков w₂ — обмотке низ­шего напряжения U₂ присоединяются параллельно друг другу вольтметр и цепи напряжения других приборов, обычно обмотки w₁ и w₂ концентрические — обмотка ВН окружает обмотку НН, как и в силовых трансформаторах (на рис. 8.30, а для наглядности обмотки помещены раздельно). Один вывод вто­рой обмотки и корпус трансформатора заземляются. Это делается на случай повреждения изоляции, а также для того, чтобы замкнуть на землю цепь тока, показанную на рис. 8.30 штриховой линией, через емкость между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Наличие этого тока в цепи приборов снижает точность измерения.

Сопротивление вольтметра и цепей напряжения измерительных приборов относительно велико (порядка тысяч ом), т. е. трансформатор напряжения работает в условиях, близких к режиму холостого хода силового трансформатора. Поэтому падения напряжения на пер-вой z_об1I₁и вторичной z_o62I₂ обмотках ТН весьма малы, что позволяет считать U₁ Е_1х; U₂ Е_2х и так как аналогично (8.13)

Е_1х /E_2x = w₁/w₂ = n₁₂,

где n₁₂ — коэффициент трансформации, то

U₁= n₁₂U₂, (8.28)

т. е. вторичное напряжение связано с первичным постоянным соот­ношением. Следовательно, измерив низкое напряжение U₂, можно определить первичное высокое напряжение U₁ .

При выбранных положительных направлениях напряжений (рис. 8.30), одинаковых относительно одноименных выводов транс­форматора, фазы вторичного и первичного напряжений должны совпа­дать. Следовательно, соединение обмоток ТН выполняется согласно

группе 0 (см. § 8.11), выводы обмо­ток имеют разметку А — X, а — х. Равенство фаз напряжений ТН и цепей измерительных приборов достигается соответствующим ее единением выводов вторичной об мотки и выводов приборов. Правильная передача фазы важна, конечно, не для вольтметра или частотомера, а для ваттметра и счетчика. Вторичное номинальное напряжение большинства ТН имеет одно и то же стандартное значение 100 В.

Отношение первичного напряжения к вторичному было бы строго постоянным, если бы падения напряжения на обмотках ТН были равны нулю. В действительности эти падения напряжения вызывают неточности в измерении напряжения — погрешность напряжения и в передаче фазы — угловую погрешность.

Погрешность напряжения, выражаемая в процентах, есть лож­ность в измерении первичного напряжения, отнесенная к дели­тельному значению этого напряжения:

f_u%=

где U_1изм и U₁ — измеренное и действительное первичные напряжения.

Угловая погрешность определяется как угол 6„ между вект/.;ц вторичного и первичного напряжений на векторной диаграмме (рис. 8.31), подобной диаграмме на рис. 8.13. Она измеряется в минутах и считается положительной, если вектор вторичного напряжения опережает вектор первичного напряжения.

Для напряжений до 6 кВ ТН изготовляются сухими с естественным воздушным охлаждением, для напряжений от 6 кВ и в_; при­меняются масляные ТН. Трансформаторы напряжения часто изго­товляются и трехфазными. На рис. 8.32 приведен общий вид трехфазного ТН.

Трансформатор тока (ТТ) со стороны первичной обмотки включается как амперметр, т. е. последовательно с контролируемым объектом (рис. 8.33), а его вторичная обмотка замыкается непосредственно

на амперметр и цепи тока других измерительных приборов. Суммарное сопротивление амперметра и цепей тока измерительных приборов мало (обычно меньше 2 Ом), поэтому ТТ работает в усло­виях, близких к условиям режима короткого замыкания трансфор­матора. Напряжение вторичной обмотки ТТ определяется падением напряжения на относительно малом сопротивлении цепей измеритель­ных приборов и соединительных проводов (обычно 1—12 В). Малому напряжению вторичной обмотки соответствует малое значение ЭДС £,, 'а следовательно, и малое значение магнитного потока в магнитопроводе ТТ:

Е₂ = 4,44fw₂Ф_m. (8.29)

(8.30)

Для возбуждения такого магнитного потока нужна незначитель­ная МДС w₁I_1х, поэтому в уравнении

₁w₁=₂ w₂ +_1хw₁

этой величиной можно пренебречь и считать

₁w₁=₂ w₂ или

I₁=(w_2/w₁I₂ = n₂₁I₂. (8.31)

Следовательно, первичный ток может быть определен умножением вторичного тока на постоянный коэффициент трансформации п₂₁. Таким образом, включение ТТ дает возможность определять ток в це­пях высокого напряжения на осно­вании измерения небольшого тока с соблюдением мер безопасности. Кроме того, ТТ часто применяется для

Рис. 8-33

измерения больших токов в установ­ках с напряжением ниже 1000 В. При правильном соединении выводов ТТ и выводов цепей измерительных приборов ток в измерительных при­борах и ток в первичной обмотке ТТ совпадают по фазе. Если амперметр предназначен для постоянной работы с определенным ТТ, то на его шкале наносятся непосредственно значения первичного тока. Вторичный номи­нальный ток у всех ТТ имеет одно и то же стандартное значение 5 А (в некоторых специальных случаях 1 А).

Отношение токов ТТ не вполне постоянно из-за влияния МДС I_1xw_1, которая выше не учитывалась. Это влияние приводит к неточ­ности в измерении тока — погрешности тока f; и неточности в пере­даче фазы — угловой, погрешности_i. Обе величины эти определяются в общем аналогично погрешностям трансформатора напряжения.

Первичный ток ТТ в большинстве случаев во много раз больше вторичного; поэтому число витков первичной обмотки w₁ невелико —

во много раз меньше числа витков вторичной обмотки w₂. При изме­рении больших токов первичная обмотка выполняется в виде про­вода, продетого в окно магнитопровода. Напряжение на первичной обмотке ТТ во много раз меньше вторичного напряжения (w₁<w₂), которое равно нескольким вольтам; следовательно, напряжение на первичной обмотке часто равно сотым долям вольта.

Ток ₁ задается режимом работы цепи, в которой он измеряется. Увеличивая сопротивление вторичной цепи ТТ, практически нельзя повлиять на значение тока _1, можно лишь, как следует из (8.30), увеличить МДС _lxw₁ вследствие уменьшения тока ₂. Следовательно, с увеличением сопротивления вторичной цепи все менее выполняется основное условие точной работы ТТ: I_lxw₁ < I₂w₂. Поэтому у ТТ указывается наибольшее сопротивление цепи измерительных прибо­ров, подключаемых к вторичной обмотке, при котором погрешность не превысит допустимую. Чем меньше это сопротивление, тем точнее измерение.

Нельзя размыкать вторичную цепь работающего ТТ. В разомкну­той вторичной цепи ТТ ток I₂ равен нулю, но в первичной цепи ток 1₁ практически не изменяется. Следовательно, при разомкнутой вто­ричной цепи весь первичный ток становится намагничивающим, т. е. по (8.30) I_lxw_l = I₁w₁ а так как при номинальном режиме I_1хw₁, со­ставляет примерно 0,5 % I₁W_1, то такое многократное увеличение МДС вызывает очень большое увеличение магнитного потока (огра­ниченное насыщением магнитопровода). Электродвижущая сила Е._г пропорциональна магнитному потоку (8.29) и в результате увеличе­ния последнего при размыкании вторичной цепи во вторичной обмотке индуктируется ЭДС порядка сотен вольт и до 1,5 кВ у ТТ на боль­шие токи. Следовательно, возникает опасность для жизни человека, разомкнувшего вторичную цепь. Кроме того, возрастает мощность потерь в магнитопроводе [см. (7.11) и (7.12)] и в результате его силь­ное нагревание и расширение. То и другое опасно для целости изо­ляции и в конечном итоге может привести к пробою изоляции и корот­кому замыканию на землю со стороны высокого напряжения.

Чем меньше магнитное сопротивление магнитопровода, тем мень­шая МДС требуется для возбуждения в нем того же магнитного по­тока. По этой причине для точных ТТ применяются магннтопроводы без стыков и из пермаллоя, например в универсальных многопредель­ных переносных ТТ (рис. 8.34, а) с одной вторичной w₂ и тремя пер­вичными w₁ обмотками для измерения тока до 600 A, w’₁ — тока до 50 А и w’₁+ w"₁ — тока до 15 А. Внешний вид такого ТТ показан на рис. 8.34, б.

Помимо требований точности к ТТ часто предъявляются еще и требования устойчивости в отношении коротких замыканий, так как первичная обмотка ТТ находится в цепи, где возможно короткие замыкание и через ТТ включаются аппараты защиты (реле), отклю­чающие установку в случае короткого замыкания. Следовательно, ТТ должен выдержать (кратковременно) ток короткого замыкания и воздействовать на аппарат защиты, который отключит аварийный участок.

Для сведения к минимуму влияния МДС l_1xw₁ т. е. повышения точности ТТ, желательно, чтобы номинальная МДС первичной об­мотки (I_1номw₁) была возможно большей. У точных ТТ номиналь­ная МДС 1_1номw₁ должна быть не меньше 500 А. Поэтому при номи­нальных токах I_1ном менее 500 А первичная обмотка должна Рис. 8-34.

несколько витков. Например, при номинальном токе 100 А желательно иметь w₁ 5. Если высокая точность измерений не требуется (при включении амперметров и максимального токового реле) МДС I_1номw₁ может быть значительно меньше.

Для тока 500 А и более применяются одновитковые проходные трансформаторы, к которым относятся и измерительные клещи

(рис. 8.35), применяемые для ориентировочных измерений токов , от 20 до 1000 А при низком напряжении. Магнитопровод измеритель­ных клещей состоит из двух U-образных частей, стягиваемых силь­ной пружиной, и изготовлен из листовой электротехнической стали, а два его стыка тщательно пришлифованы. Чтобы замкнуть магнито­провод вокруг провода с измеряемым током, достаточно нажать руко­ятки, раскрыть клещи и ввести в них провод — пружина сомкнет

две половины магнитопровода. Провод, сцепленный с магнитопрово­дом, служит первичной обмоткой. Вторичная обмотка трансформатора находится на магнитопроводе и замкнута амперметром.

По точности трансформаторы тока и напряжения делятся на классы, наименованием которых служит наибольшая допустимая погрешность коэффициента трансформации.

Рис. 8-37

Например, если класс точности транс­форматора напряжения 0,5, то его допустимая погрешность напря­жения ± 0,5 %, а допустимая угловая погрешность ± 20' при пер­вичном напряжении 0,8—1,2 номинального; у трансформатора тока класса точности 1 допустимая погрешность тока ± 1,0 % и допустимая уг­ловая погрешность ± 90' при сопротивлении на­грузки 0,25—1,0 номинальной и при первичном токе 1,2—0,1 номинального.

Для правильного выполнения соединений транс­ форматоров тока и напряжения с измерительны­ми приборами необходимо руководствоваться раз­меткой выводов трансформаторов. Выводы ТН обозначаются так же, как выводы силовых трансформаторов (А — X, а — х и т. д.); у ТТ начало и конец первичной обмотки обозначаются соответственно Л₁ и Л₂ (ли­ния), а начало и конец вторичной обмотки И₁ и И₂ (измерительный прибор).

На рис. 8.36 показана схема включения в однофазную цепь ком­плекта измерительных приборов через трансформаторы напряжения и тока. Для измерения в трехфазных трехпроводных системах в общем случае необходимы несколько ТТ и ТН, например для измерения активной мощности (рис. 3.13, а) два ТТ и два ТН (или один трехфаз­ный трансформатор напряжения).

Показания ваттметра (или счетчика), включенного через транс­форматоры напряжения и тока, необходимо умножить на произведе­ние коэффициентов трансформации этих трансформаторов. Погреш­ности трансформаторов тока и напряжения сказываются на показа­ниях ваттметра, причем угловые погрешности оказывают существен­ное влияние на результаты, главным образом, при больших сдвигах фаз между первичными напряжением и током. Вследствие их влияния показания ваттметра пропорциональны не коэффициенту мощности cos ф, a cos (ф + _и — ) (рис. 8.37); при этом угловые погрешностимогут складываться, так как часто _и < 0, а > 0.

35