С.Д. Баранов Исследование измерительных трансформаторов тока и напряжения

10

сит от того, выражается ли он соотношением между активной и реактивной составляющими намагничивающего тока или же соотношением соответствующих ампер-витков.

Таким образом, строим диаграмму ампер-витков (рис.4), которая пригодна для анализа явлений при любом соотношении чисел витков в обмотках.

Y

d Ф AWa

AW0 I1

α

X

90°

α

AW1

-AW2

E2/W2=E1/W1

δ

Рис.4. Диаграмма ампер-витков

Согласно ГОСТ 7746-55, токовой погрешностью называется величина:

kН

где kН – номинальный коэффициент трансформации:

Здесь I1Н и I2Н – номинальные значения первичного и вторичного токов.

11

3.2. Измерительные трансформаторы напряжения

Трансформаторы напряжения (ТН) служат для понижения высокого напряжения, подаваемого в установках переменного тока на измерительные приборы и реле защиты и автоматики.

Они позволяют изолировать измерительные приборы и реле от высокого напряжения, благодаря чему обеспечивается безопасность их обслуживания, и использовать для измерения на высоком напряжении стандартные измерительные приборы.

Трансформатор напряжения по принципу выполнения ничем не отличается от силового понижающего трансформатора. На рис.5 показана схема ТН с одной вторичной обмоткой. На первичную обмотку подается высокое напряжение, а на напряжение вторичной обмотки U2 включен измерительный прибор. Начало и конец первичной обмотки обозначается через А и X, а вторичной через a и x. Эти обозначения наносятся на корпус трансформатора рядом с зажимами его обмотки.

U1

I1

Рис.5. Схема ТН с одной вторичной обмоткой

Номинальный коэффициент трансформации ТН равен отношению первичного и вторичного напряжения:

n= U1НОМ .

ТU 2НОМ

Для одновременного питания измерительных приборов, реле и схем сигнализации при различных режимах работы электросетей при-

12

меняется ТН с двумя вторичными обмотками (рис.6,а).

Выводы второй (дополнительной) обмотки, предназначенной для сигнализации или защиты при замыканиях на землю, обозначаются через ад и хд.

На рис.6,б приведена схема включения трех таких ТН трехфазной сети. Первичные и основные вторичные обмотки соединены в звезду

(Y).

Нейтраль первичной обмотки заземлена. На измерительные приборы и реле от основных вторичных обмоток могут быть поданы три фазы и нуль.

X X X

UbД

UaД

UсД

Рис.6. Схема ТН с двумя вторичными обмотками

Дополнительные вторичные обмотки соединены по схеме разомкнутого треугольника. От них на устройства сигнализации или защиты подается сумма фазных напряжений всех трех фаз.

13

При нормальной работе сети, в которую включен ТН, эта векторная сумма равна нулю.

Это видно по векторным диаграммам рис.6,в, где UА, UВ, и UС – векторы фазных напряжений, приложенных к первичным обмоткам, а

Uaд, Ubд, и UСД – векторы напряжений на вторичных дополнительных обмотках, совпадающие по направлению с векторами на соответствующих первичных обмотках.

В реальных условиях обычно на выходе разомкнутого треугольника имеется небольшое напряжение небаланса, величина которого составляет 2-3% от номинального. Этот небаланс создается незначительной несимметрией вторичных фазных напряжений и небольшим отклонением формы их кривой от синусоиды.

При замыканиях на землю со стороны высшего напряжения (первичной обмотки ТН) в цепи разомкнутого треугольника вторичных обмоток возникает напряжение, величина которого достаточна для обеспечения надежной работы релейной защиты. Это напряжение называют напряжением нулевой последовательности (согласно методу симметричных составляющих) и обозначают через 3U0, цифра 3 означает, что напряжение в данной цепи является суммарным для трех фаз.

Наибольшую величину напряжения ЗU0 имеет при однофазном замыкании на землю.

Нужно иметь в виду, что максимальная величина напряжения всегда больше в сетях с изолированной нейтралью, чем в сетях с заземленной нулем.

На рис.7,а построен вектор ЗU0 при заземлении на землю фазы А в сети с заземленной нейтралью вблизи места установки трансформатора напряжения (при этом величина ЗU0 максимальная).

Векторы UB и UC – фазные напряжения неповрежденных фаз, приложенные к первичным обмоткам трансформатора напряжения. В месте однофазного короткого замыкания напряжение поврежденной фазы равно нулю и первичная обмотка трансформатора напряжения этой фазы закорочена. Поэтому вектор UA на диаграмме отсутствует. Вектор 3U0 получен в результате сложения векторов напряжения вторичных

дополнительных обмоток фаз В и С (векторы Ubд и Ucд), совпадающих по фазе с векторами UB и UC.

14

Вектор делит угол 120° пополам и образует в построенном параллелограмме два равносторонних треугольника. Следовательно, напряжение 3U0 равно фазным напряжениям Ubд и Uсд. Таким образом, в сети с заземленной нейтралью максимальная величина 3U0 равна фазному напряжению.

На рис.7,б приведены векторные диаграммы при замыкании на землю фазы А в сети с изолированной нейтралью. При этом короткого замыкания не возникает, и векторы фазных напряжений сети UA, UB, UC остаются симметричными.

3U0

Рис.7. Векторные диаграммы напряжений первичной и вторичной дополнительных обмоток при однофазном замыкании на землю:

а - сеть с заземленной нейтралью; б - сеть с изолированной нейтралью

Так как фаза А заземлена (условно показано на векторной диаграмме), напряжения фаз В и С относительно земли при этом равны ли-

нейным напряжениям. Эти линейные напряжения Ubз, Uсз будут подаваться на первичные обмотки фаз В и С трансформатора напряжения, поскольку его нейтраль заземлена. Напряжение на первичной обмотке фазы А будет равно нулю, так как она закорочена в месте замыкания на

землю. Вектор 3U0 построен как сумма векторов напряжений Ubд, Uсд,

15

совпадающих по фазе с напряжением первичных обмоток Ubз, Uсз. Вектор 3U0 делит пополам угол 60° и в построенном параллелограмме образует два равных равнобедренных треугольника с углами при основании по 30° , откуда следует, что

3U0 = 3 UbД = 3 UСД ,

так как напряжение Ubд и Uсд, равные в нормальном режиме фазным напряжениям (рис.6,в), увеличивались до линейных (UbД = UCД 3 UФ ,

следовательно, 3U0 = 3UФ), т.е. в сети с изолированной нейтралью максимальноё значение 3U0, равно утроенному фазному напряжению.

Если напряжение на дополнительных вторичных обмотках в нормальном трехфазном режиме равно номинальному напряжению этих обмоток, то при возникновении однофазного замыкания на землю максимальная величина 3U0 в сети с заземленной нейтралью будет равна этому номинальному напряжению, а в сети с изолированной нейтралью

– в 3 раза больше.

Трансформаторы напряжения с номинальным напряжением от 380 В до 6 кВ имеют исполнение с сухой изоляцией. У трансформаторов напряжения 10-500 кВ изоляция масляная (сердечник погружен в трансформаторное масло). Имеются также исполнения трансформаторов напряжения на 2-6 кВ с масляной изоляцией и с обмотками, залитыми эпоксидным компаундом.

Для уменьшения влияния атмосферных перенапряжений на витки входных слоев первичной обмотки они защищаются во всех трансформаторах напряжения от 3 кВ и выше электростатическими экранами, соединенными с линейными вводами. Экран выполняется в виде металлической полосы, охватывающей обмотку с небольшим зазором между его краями, во избежание образования короткозамкнутого витка.

Изоляция первичной обмотки и ее обоих выводов выполняется на полное рабочее напряжение только у трансформаторов с одной вторичной обмоткой. Трансформаторы напряжения с двумя вторичными обмотками, включаемые на напряжение фаза-земля, имеют только один вывод первичной обмотки, рассчитанный на полное рабочее напряжение, второй её конец выводится через ввод низкого напряжения.

На рис.8,а приведена схема трансформатора напряжения с одной

16

вторичной обмоткой на каждой фазе, выполненного на трехстержневом сердечнике. Первичные и вторичные обмотки соединены в звезду, благодаря чему к каждой из них приложено фазное напряжение.

На рис.8,б показана схема трехфазного трансформатора напряжения с двумя вторичными обмотками на каждой фазе. Основные вторичные обмотки соединены в звезду и имеют выводы а, b, с, 0. Дополнительные обмотки всех трех фаз соединены последовательно (как на рис.6,б), и цепь 3U0 выведена на зажимы aд и xд. Для обеспечения действия реле сигнализации замыканий на землю, включаемого на напряжение 3U0, нулевая точка первичных обмоток должна быть заземлена.

Рис.8. Схемы трехфазных трансформаторов напряжения

Трансформаторы с двумя вторичными обмотками выполняются на пятистержневых сердечниках (рис.8,б). Крайние стержни, свободные от обмоток, предназначены для замыкания магнитного потока несимметрии, пропорционального напряжению 3U0 и возникающего при однофазных замыканиях на землю, когда первичная обмотка одной из фаз закорочена и вследствие этого магнитный поток в ее стержне отсутствует, а магнитные потоки в двух других стержнях возрастают в 3 раза, так же как фазные напряжения UbД, и UСД на векторной диаграмме (рис.7).

При применении вместо пятистержневого трехстержневого сердечника магнитный поток несимметрии мог бы замыкаться только по воздуху и через кожух трансформатора, т.е. по пути с большим магнит-

17

ным сопротивлением, что привело бы к значительному возрастанию токов на намагничивание неповрежденных фаз и опасному перегреву их первичных обмоток. Поэтому во избежание повреждений трансформаторов с трехстержневыми сердечниками заземление нулевой точки их первичных обмоток не допускается. Их первичные и вторичные обмотки выполняются на фазное напряжение, нуль первичной не выводится.

В соответствии с ПУЭ в целях повышения безопасности обслуживающего персонала при повреждениях ТН и попадании высокого напряжения во вторичные цепи вторичные обмотки ТН должны быть заземлены.

Заземляться должна нулевая точка или один из концов вторичных обмоток. При соединении основных вторичных обмоток в звезду чаще применяется заземление одной из фаз, а не нуля. Вместо установки глухого заземления допускается заземлять нулевую точку вторичных обмоток через пробивной предохранитель. Такое выполнение заземления рекомендуется ПУЭ при использовании трансформатора напряжения для питания оперативных цепей переменного тока с тем, чтобы снизить вероятность ложных отключений выключателей в случаях повреждений изоляции этих цепей.

Заземление должно устанавливаться по возможности ближе к трансформатору напряжения.

Кроме установки заземлений, для обеспечения безопасности обслуживания трансформаторов напряжения, имеющих общие вторичные цепи, должна предусматриваться возможность отключения их вторичных обмоток от этих вторичных цепей.

Отключение трансформатора напряжения от вторичных цепей требуется правилами безопасности при ведении работ на трансформаторе и его ошиновке. Это необходимо во избежание появления высокого напряжения на первичной обмотке за счет обратной трансформации напряжения из вторичных цепей, подключенных в это время к другому работающему трансформатору напряжения. В месте отключения должен создаваться видимый разрыв цепи, для чего устанавливаются рубильники или используются съемные трубчатые предохранители.

18

4.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ

Схема стенда для исследования трансформаторов тока и напряжения состоит из следующих основных цепей и элементов:

1. Автоматический выключатель QF – подает трехфазное напряжение 380 В на стенд.

2.Пакетный выключатель S1 – подает напряжение на схему трансформаторов тока.

3.Пакетный выключатель S2 – подает напряжение на схему трехфазного трансформатора напряжения.

4.Сигнальная лампа НLR – показывает наличие напряжения после автоматического выключателя.

5.Сигнальная лампа НLG–1 – то же после S1.

6.Сигнальная лампа НLG –2 – то же после S2.

7.Трансформаторы тока ТА1, ТА2 и ТА3 типа ТК-20 5/5 А.

8.Нагрузочные сопротивления Z1, Z2, и Z3.

9.Трехфазный трансформатор ТV – 36/3,3 В.

10.Амперметры РА1-РА6 типа Э 8030 на 5 А. 11.Вольтметры РV1-РV3 типа М4-2, РV4-РV6 типа 1001.6. 12.Миллиамперметр РА7 на 100 мА.

13.Миллиамперметр РА8 типа М4202 на 30 мА. 14.Реостат RR типа РСП на 11 Ом, 7 А.

15.Добавочное сопротивление R – резистор МЛТ-0,5 7,5 Ом. 16. Переключатели типа ТП-1 и ПМЭ 16-23.

4.1. Определение полярности зажимов вторичной обмотки трансформаторов тока

Все трансформаторы тока, кроме трансформаторов тока нулевой последовательности, имеют две обмотки: первичную, включаемую в цепь переменного тока, и вторичную, включаемую в измерительную цепь. Принятые обозначения зажимов трансформаторов приведены в табл.1.

На схемах защиты и измерения зажимы И1 трансформатора тока и соответствующие зажимы приборов обозначаются звездочкой (*), зажимы Л1 и Л2 изображаются рядом, как правило наверху.

19

Таблица 1

Обозначения зажимов трансформаторов тока

Токи в ТТ сдвинуты по фазе почти на 180 . Для того, чтобы на векторных диаграммах векторы токов I1 и I2 каждой фазы можно было изображать однонаправленными, приняты следующие обозначения: I1 от Л1 и Л2 и I2 от И1 и И2, как показано на рис.9.

Нагрузка

Рис.9. Направления токов в ТТ

Если во вторичной обмотке трансформатора ток направлен от И2 и И1, то во внешней цепи его направление получается от И1 и И2.

Полярностью называется направленность зажимов вторичной обмотки по отношению к зажимам первичной. Знание полярности необходимо для правильного подключения приборов, в которых кроме токовых обмоток имеются обмотки напряжения. Полярность определяется в случае отсутствия обозначений зажимов и для проверки обозначения.

Полярность определяется с помощью миллиамперметра магнитоэлектрической системы, включенного в цепь измерительной обмотки по схеме на рис.10. При включении первичной обмотки напряжение зажимов Л1 к полюсу во вторичной цепи через прибор протекает импульс тока от И1 и И2, при размыкании первичной цепи импульс тока имеет