Вопрос 10

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Измерительным трансформато­ром тока называют трансформатор, предназначенный для преобра­зования тока до значения, удобного, для измерения, и выполненный так, что вторичный ток с требуемой точ­ностью соответствует первичному току (уменьшенному в К_ном раз) как по модулю, так и по фазе.

Применение трансформаторов тока обеспечивает безопасность для людей, соприкасающихся с из­мерительными приборами и реле, поскольку цепи высшего и низшего напряжения разделены; позволяет унифицировать конструкции прибо­ров для номинального тока 5 А (реже для 1 или 10 А), что упрощает их производство и снижает

стоимость.

Первичную обмотку трансфор­матора тока включают последова­тельно в цель измеряемого тока. Она имеет небольшое число витков {вплоть до одного витка) я выпол­нена из проводника относительно большого сечения. Вторичная об­мотка рассчитана на меньший ток и соответственно имеет большее число витков. Токовые катушки измерительных приборов, реле под­ключают ко вторичной обмотке трансформатора последовательно. -Поскольку- -сопротивление транс­форматора тока вместе с присоеди­ненными к нему приборами ничтож­но мало, оно никак не влияет на значение первичного тока. Послед­ний может изменяться в широких пределах в нормальном режиме — от 0 до 1,2—1,3 номинального, а при к. з. может превысить его в де­сятки и сотни раз.

Под номинальным пер­вичным током понимают ток, для которого предназначен транс­форматор. Он принят в качестве базисной величины, к которой от­несены другие характерные вели­чины. Стандартная шкала номи­нальных первичных токов содержит значения токов от 1 до 40 000 А.

Под номинальным вторичным током трансформатора тока понимают ток, для которого предназначены приборы, подлежа­щие присоединению к его вторич­ной обмотке.

Отношение номинального пер­вичного тока к номинальному вто­ричному току представляет собой номинальный коэффици­ент трансформации

Шкалы измерительных приборов, предназначенных для присо­единения к трансформатору тока, надписывают в значениях первич­ного тока, т.е. I₂K_ном.

Отношение чисел витков вторичной и первичной обмоток n=ω₂/ω₁ несколько меньше номи­нального коэффициента трансфор­мации. Это отношение выбирают так, чтобы компенсировать ток на­магничивания и повысить точность измерения (подробнее см. ниже).

Погрешности трансформатора тока. Вторичный ток трансформа­тора, увеличенный в K_ном раз, не­сколько отличается от первичного тока как по модулю, так и по фазе вследствие потерь мощности в трансформаторе. Разность этих значений, отнесенная к первичному току, представляет собой токовую погрешность:

Погрешность может быть выра­жена в процентах. Для этого в вы­ражение (16-2) следует ввести множитель 100. Токовую погрешность считают положительной, если I₂К_ном превышает первичный ток..

Угол δ между векторами пер­вичного и вторичного токов пред­ставляет собой угловую погреш­ность трансформатора. Последнюю считают положительной, если век­тор вторичного тока опережает вектор первичного тока. Угловая погрешность может быть выраже­на в радианах или минутах.

Нагрузка трансформатора то­ка—это полное сопротивление внешней цепи

, выра­женное в омах. Сопротивления х и r представляют собой сопротив­ления приборов, проводов и кон­тактов. Вместе с сопротивлением Z должен быть указан коэффициент мощности cos φ₂, где φ₂ = arctg x/r.

Нагрузку трансформатора мож­но также характеризовать кажу­щейся мощностью ,В∙А, при номинальном вторичном токе и коэффициентом мощности. Эти две величины (S₂ и cos φ₂) определяют сопротивление вторич­ной цепи. Так, например, если на­грузка трансформатора указана равной 20 В∙А при cos φ ₂=0,8, это означает, что полное сопротивле­ние внешней цепи Z=0/5²=0,8Ом; активное сопротивление г=Z∙cosφ₂=0,8∙0,8=0,64 Ом; ин­дуктивное сопротивление

х=Z∙sinφ₂=0,8∙0,6=0,48 Ом. По мере увеличения числа последова­тельно включенных приборов на­грузка трансформатора тока рас­тет, т.е. увеличиваются значения ZnS₂.

Под номинальной нагруз­кой трансформатора тока понима­ется нагрузка, при которой погреш­ности не выходят за пределы, уста­новленные для трансформаторов рассматриваемого класса точности.

Классы точности трансформато­ров тока. Измерительные транс­форматоры тока разделены на пять классов точности в соответствии со значением погрешности при оп­ределенных условиях работы, а

именно: при частоте 50 Гц, нагруз­ке в пределах от 0,25 до 1,0 номи­нальной и первичном токе в соот­ветствии с табл. 16-1. Как видно из табл. 16-1, наиме­нование класса точности соответст­вует предельной погрешности трансформатора в токе при пер­вичном токе, равном 1—1,2 номи­нального. Трансформаторы тока, предназначенные для лаборатор­ных измерений, должны отвечать классу точности 0,2; трансформато­ры, предназначенные для присоеди­нения счетчиков, — классу 0,5, а для присоединения щитовых при­боров могут быть использованы трансформаторы классов 1 и 3.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА

Для трансформатора тока, как и для любого трансформатора, справедливо равенство

где Iо — ток намагничивания.

Из этого выражения следует, что погрешности трансформатора тока определяются током намагни­чивания. Последний зависит от конструкции трансформатора и магнитных свойств стали магнитопровода. При заданной конструк­ции трансформатора погрешности зависят также от первичного тока и нагрузки.

Для определения погрешности трансформатора тока необходимы следующие данные: коэффициенты K_ном и п, сопротивления вторичной обмотки x₂ и r₂, нагрузка х и r, ха­рактеристика намагничивания ста­ли. Сопротивления, ток и напря­жение вторичной цепи должны быть приведены к числу витков первичной обмотки следующим об­разом:

;; х = x/n²; r'=r/n²; I`₂ = I₂n; U'₂=U₂/п.

На основании перечисленных данных может быть составлена схема замещения, аналогичная схе­ме замещения трансформатора на­пряжения (см. рис. 15-1), и по­строена векторная диаграмма (рис. 16-1).

В основу векторной диаграммы положен вектор приведенного, вто­ричного тока İ`<sub>2</sub>, направленный вер­тикально. Векторы İ`₂r' и j İ`<sub>2</sub>x' представляют собой падения напря­жения от вторичного тока İ`₂ в ак­тивном и индуктивном сопротивле­ниях внешней цепи, Ú`₂ —напряже­ние у зажимов вторичной обмотки. Добавляя к вектору напряжения

Ú`<sub>2</sub> векторы падений напряжения в активном и индуктивном сопротив­лениях вторичной обмотки, получа­ем вектор вторичной э. д. с. Ё`₂. По­следняя наводится магнитным по­током Ф, сдвинутым по фазе на 90° и получаемым в результате сов­местного действия м. д. с. первичной обмотки F₁=I₁w₁ и м. д. с. вторич­ной обмотки F₂= İ₂w₂. Результиру­ющая м.д. с. F₀, равная İ₀w₁, может быть представлена как разность

Намагничивающий ток İо сдви­нут по фазе относительно магнит­ного потока на некоторый угол ф, определяемый потерями мощности

от вихревых токов и перемагничивания. Намагничивающий ток при найденном значении Е₂ может быть определен с помощью кривой на­магничивания Е₂(Iо)- Геометричес­кое суммирование токов I₀ и I`₂

дает вектор первичного тока I₁.

Определим с помощью вектор­ной диаграммы погрешности транс­форматора тока, у которого отно­шение чисел витков равно номи­нальному коэффициенту трансфор­мации. При этом условии токовая погрешность, %, в соответствии с выражением (16-2) может быть представлена следующим образом:

При определении угловой по­грешности трансформатора тока угол б, рад, ввиду малости можно принять равным его синусу, т. е.

Из выражений (16-4) и (16-5) видно, что погрешности зависят от отношения Iо/I₁- Для трансформа­тора заданной конструкции отно­шение I₀/I₁ зависит от первичного тока, вторичной нагрузки и угла а.

Зависимость погрешности транс­форматора тока от первичного тока можно проследить с помощью кри­вой намагничивания сердечника В(H) (рис 16-2, а), поскольку при заданной нагрузке индукция В в сердечнике приблизительно пропор­циональна первичному току, а нап­ряженность магнитного поля Н про­порциональна току намагничива­ния. При некотором токе 1₁ погреш­ности пропорциональны тангенсу угла в наклона секущей, проведен­ной из начала координат к точке, соответствующей току I₁ Как вид­но из рис. 16-2, б и в, кривые токо­вой и угловой погрешностей имеют U-образную форму. Наименьшие погрешности получаются при пер­вичном токе, соответствующем мак­симуму магнитной проницаемости (точка m), при индукции (ампли­тудное значение) 0,6—0,8 Тл. По­скольку индукция, соответствую­щая номинальному первичному то­ку, значительно меньше этих зна­чений, то наименьшие погрешности имеют место при первичном токе, превышающем номинальный в не­сколько раз. В области еще боль­ших токов, что имеет место при ко­ротких замыканиях, сердечник на­сыщается и погрешности трансфор­матора увеличиваются.

Зависимость погрешности транс­форматора тока от нагрузки. Наи­меньшая погрешность имеет место при замкнутой накоротко вторичной обмотке (нагрузка равна нулю). При включении приборов нагрузка уве­личивается, что ведет к возраста­нию э. д. с. и, следовательно, ин­дукции и намагничивающего тока. Таким образом, увеличение нагруз­ки приводит к возрастанию погреш­ностей, что видно из рис. 16-2, б и в. В пределе при разомкнутой вто­ричной цепи (нагрузка равна бес­конечности) результирующая м. д. с. становится равной м.д.с. первичной обмотки, т. е. она резко увеличива­ется. Магнитная индукция, а вме­сте с ней и потери мощности в сер­дечнике возрастают по сравнению с их нормальными значениями. Кривая индукции вследствие насыщения .стали сердечника приобре­тает трапециевидный характер (рис. 16-3), а кривая напряжения у зажимов вторичной обмотки стано­вится островершинной. Пики на­пряжения могут достигать несколь­ких тысяч вольт, что представляет опасность для людей и для изоля-

ции трансформатора. Поэтому ра­боту трансформатора тока с ра­зомкнутой вторичной обмоткой не допускают.

Увеличение угла сдвига ф₂ меж­ду током и напряжением во вто­ричной обмотке (угол ф₂ близок к углу а) приводит, как это следует из выражений (16-4) и (16-5), к увеличению токовой и уменьшению угловой погрешностей.

Витковая коррекция. Нагрузка трансформатора тока представляет собой, как правило, активно-индук­тивное сопротивление. Из вектор­ной диаграммы (рис. 16-1) видно, что при n=K_ном токовая погреш­ность всегда отрицательна, т. е. вторичный ток преуменьшен. Что­бы увеличить точность измерений, принято при конструировании и из­готовлении трансформаторов тока выбирать отношение чисел витков несколько меньшим номинального коэффициента трансформации, что достигается уменьшением числа витков вторичной обмотки по отно­шению к значению, соответствую­щему равенству I₁,_ном/I₂,ном = w₂/w₁.

Векторная диаграмма транс­форматора, выполненного с витковой коррекцией, строится так же, как указано выше. Однако отсчет

токовой погрешности должен про­изводиться не от конца вектора Г₂ =I₂n (точка С на рис. 16-1), а от точки С, соответствующей кон­цу вектора 1₂К_ном>1'₂ • Расстояние между точками С и С` соответст­вует витковой коррекции

В результате характеристики токовых погрешностей трансформатора с витковой коррекцией (кри­вые 2—2 на рис. 16-4) расположе­ны выше характеристик, соответст­вующих условию п=Кном (кривые /—I), причем в зависимости от первичного тока и вторичной на­грузки токовая погрешность может оказаться как положительной, так и отрицательной.

Погрешности трансформатора тока рассматриваемого класса точ­ности

не должны выходить за пре­делы ломаной линии, состоящей из отрезков, проведенных через точки предельных погрешностей, соответ­ствующих этому классу. Кривые 3-3 (рис. 16-4) соответствуют нормиро­ванным пределам токовой погрешности для трансформаторов класса точности 0,5. Поправку на число витков выбирают так, чтобы харак­теристики токовых погрешностей трансформатора не выходили за установленные пределы (см. табл. 16-1).

На угловую погрешность витковая коррекция влияние не оказы­вает.

Зависимость погрешностей от конструктивных параметров. Реша­ющее влияние на характеристики трансформатора тока имеют разме­ры магнитопровода и магнитные свойства стали. Для выяснения этих зависимостей преобразуем вы­ражения для погрешностей (16-4) и (16-5). Из закона полного тока можно определить намагничиваю­щий ток, А:

где H —напряженность магнитно­го поля, А/м; l — средняя длина линии магнитной индукции, м; В — магнитная индукция, Тл; μ — от­носительная магнитная проницае­мость стали; μ₀— магнитная про­ницаемость воздуха, Гн/м.

Индукция связана с э. д. с. зави­симостью:

где S_c — площадь поперечного се­чения сердечника, м².

Пренебрегая сопротивлением вторичной обмотки трансформато­ра, э. д. с. можно представить как

После объединения этих выра­жений с (16-4) и (16-5) получают­ся следующие приближенные выра­жения для токовой погрешности, %, и угловой погрешности, рад:

Из последних выражений сле­дует, что токовая и угловая погреш­ности трансформатора тока при прочих равных условиях уменьша­ются с увеличением сечения магнитопровода и уменьшением средней длины линии индукции. По мере увеличения сечения индукция уменьшается, минимум погрешно­сти смещается в область большего тока и характеристика погрешности становится более пологой. Сечение магнитопровода из стали среднего качества обычно выбирают таким образом, чтобы индукция (ампли­тудное значение), соответствующая наибольшему первичному току и номинальной нагрузке трансформа­тора, не превышала 0,08—0,1 Тл. Из всех материалов, идущих на изготовление магнитопроводов трансформаторов тока, предназна­ченных для подключения измери­тельных приборов, наиболее благо­приятной магнитной характеристи­кой (кривая 1 на рис. 16-5) обладает сплав стали и никеля (75%), получивший название пермаллоя. Высокая магнитная проницаемость в области малой напряженности магнитного поля (малой м. д. с.) обеспечивает небольшие погрешно­сти в нормальных режимах. Кроме

того, магнитное насыщение пермаллоя наступает при относительно не­большой индукции (0,8—1,0 Тл), поэтому при к. з., когда первичный ток велик, сердечник насыщается и вторичный ток возрастает срав­нительно мало. Это обеспечивает штату измерительных приборов от сверхтоков. Однако высокая стои­мость и недостаточная механиче­ская прочность пермаллоя не поз­воляют использовать этот материал для трансформаторов тока массо­вого применения. Из пермаллоя из­готовляют лишь магнитопроводы лабораторных трансформаторов тока.

Для изготовления трансформа­торов тока массового применения в настоящее время используют вы­соколегированные стали марок Э45, Э46, Э47, Э48 и холоднокатаные стали марок Э310 (кривая 2 на рис. 16-5), Э320, ЭЗЗО. Стали марок Э45—Э48 позволяют вести штам­повку и резку металла как вдоль, так и поперек проката, поэтому применяются для изготовления маг­нитопроводов, набранных из штам­пованных пластин. Стали марок Э310, Э320 и ЭЗЗО имеют высокую начальную магнитную проницае­мость только вдоль проката, вслед­ствие чего их используют для изго­товления ленточных магнитопро­водов.

Из выражений (16-6) и (16-7) видно также, что погрешности трансформатора тока обратно про­порциональны квадрату числа вит­ков вторичной, следовательно, и первичной обмоток. Увеличение числа витков вторичной обмотки позволяет уменьшить индукцию и намагничивающий ток или, при со­хранении той же индукции, умень­шить сечение магнитопровода. Од­нако увеличение числа витков пер­вичной обмотки трансформатора тока приводит к понижению его электродинамической и термиче­ской стойкости. Поэтому к многовитковым первичным обмоткам прибегают лишь в тех случаях, ког­да необходимая степень точности не может быть получена при одном витке (подробнее см. § 16-4).

КОМПЕНСИРОВАННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА

Компенсированным трансфор­матором тока называется транс­форматор, характеристики погрешности которого улучшены специаль­ными средствами. Такого рода спе­циальной мерой является подмагннчивание магнитопровода от по­стороннего источника энергии или от самого трансформатора (само-подмагничивание).

Подмагничивание позволяет уменьшить размеры и массу транс­форматора.

Компенсированные трансформа­торы тока относятся в основном к классам точности 0,2 и 0,5. Исклю­чение представляет компенсирован­ный трансформатор тока нулевой последовательности для защиты ге­нераторов от замыканий на землю в незаземленных или компенсиро­ванных сетях, т. е. в условиях, ког­да ток замыкания на землю мал.

Трансформатор тока с подмаг­ничиванием от постороннего источ­ника энергии имеет магнитную си­стему, состоящую из двух одинако­вых магнитопроводов (рис. 16-6). На каждый магнитопровод помимо вторичной обмотки с числом вит­ков w₂ накладывают вспомогатель­ную обмотку для подмагнвчивания с числом витков w_n. Вторичные об­мотки соединены последовательно и согласно, обмотки подмагничива-ния — встречно. Вспомогательные обмотки создают в магнитопрово-дах одинаковые магнитные потоки, которые наводят во вторичных об­мотках одинаковые, но противопо­ложно направленные э. д. с. Послед­ние взаимно компенсируются, по­этому вспомогательные обмотки не влияют на вторичный ток трансфор­матора.

Магнитодвижущие силы обмоток магнитопроводов I и II равны со­ответственно:

где I_п—ток подмагничивания.

Пусть ток подмагничивания сов­падает по фазе с током I₀=I₁ —I'₂,

а по модулю таков, что индукции в магнитопроводах близки к индук­ции, соответствующей максимуму магнитной проницаемости стали. Поскольку магнитная индукция, соответствующая м. д. с. F_о=I_оw₁ в нормальном режиме мала, то м. д. с. вспомогательных обмоток должны быть относительно велики {рис. 16-7). Как видно из вектор ной диаграммы, м.д. с. F_I и F_II близки по модулю и противополож­ны по фазе.

Углы потерь ф₁ и ф₂ (см. рис. 16-1) для обоих магнитопрово­дов можно принять приближенно одинаковыми. Поэтому индукции B₁ и B_II, а также соответствующие им э.д. с. E_I и Е_II во вторичных обмотках трансформатора можно считать противоположными по фа­зе, Результирующая э.д. с.

E₂=E₁ + E_II.

Для получения э. д. с Е₂ в трансформаторе тока без подмагничивания индукция должна изме­няться в пределах ±В₀ (петля 0—0 на рис. 16-8) и соответствую­щая м.д. с, равна F'_o=I'_ow₁. Чтобы получить ту же результирующую э, д.с, у сдвоенного трансформато­ра с подмагничиванием, индукция в магнитопроводах I и II должна изменяться соответственно в преде­лах ±В_I и ±В_II (см. петли I—I и II—II на рис. 16-8). При этом В_I — ВII=2 В₀. Соответствующие м.д.с. магнитопроводов равны F₁ и F_II, а м.д.с. F₀, определяющая намагничивающие токи, значитель­но меньше м.д.с. F'_o в соответствии с характеристикой намагничивания.

Эффективность подмагничивания зависит от фазы вспомогательного тока. Наилучшие результаты по­лучаются при совпадении по фазе токов I_п и I₀. Характеристика токо­вой погрешности компенсированно­го трансформатора тока более полога, а погрешность его меньше, чем некомпенсированного трансформа­тора. К недостаткам рассматривае­мого метода компенсации следует отнести сложность конструкции трансформатора тока и необходи­мость в особом источнике энергии. В отечественной практике подмагничивание от постороннего источника применяют только для транс­форматоров тока нулевой последо­вательности,

предназначенных для защиты генераторов от замыканий на корпус. За рубежом подмагничивание током тройной частоты при­меняют для повышения точности одновитковых трансформаторов то­ка, встроенных в масляные выклю­чатели.

Самоподмагничивйние с исполь­зованием магнитного шунта (метод МЭИ) применяется в многовитковых трансформаторах тока до 10 кВ. Прямоугольный магнитопровод 1 (рис. 16-9) такого трансформатора снабжен магнитным шунтом 2, по­казанным условно в виде перемыч­ки между ярмами (в действитель­ности магнитный шунт выполняют в виде П-образной скобы из не­скольких стальных листов). Вторич­ная обмотка разделена на две не­равные части с числом витков w'₂ и

w"₂, которые размещены на стерж­нях I и II.

Магнитодвижущие силы обмоток, расположенных на стержнях / и //, равны соответственно:

Магнитодвижущие силы F₁ и F_II находятся приблизительно в проти-вофазе, аналогично трансформато­ру тока с двумя магнитопроводами (см. рис. 16-7). Следовательно, по­токи рассеяния Ф`_рас и Ф``_рас, создавае­мые этими м. д. с, также находят­ся приблизительно в противофазе. В результате происходит противонамагничивашэе стержней / и // до индукции, практически соответст­вующей максимальному значению магнитной проницаемости стали. В то же время результирующая м. д. с. F₀=F₁+F₁₁ относительно невелика.

Сечение магнитного шунта и со­отношение между числами витков частей вторичной обмотки подбира­ют так, чтобы получить наименьшую погрешность при первичном токе, равном номинальному. При токах, заметно превышающих номиналь­ный, шунт насыщается и мало влия­ет на работу трансформатора.

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ И ТЕРМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА

Трансформатор тока, как всякий

аппарат, включаемый в силовую цепь последовательно, должен быть электродинамически и термически стойким.

Электродинамическая стойкость. В трансформаторах тока имеют мес­то внутренние электродинамические силы — от взаимодействия токов в элементах обмоток (главным обра­зом первичной) — и внешние силы — от взаимодействия токов в транс­форматорах разноименных фаз.

Многовитковые трансформаторы тока, у которых первичная обмотка в основном действию внутренних электродина­мических сил. В выполнена в виде катушки или в виде нескольких петель удлиненной формы, подвержены одновитковых трансформаторах, где первичная обмот­ка представляет собой прямолиней­ный проводник, внутренние силы практически отсутствуют и электро­динамическая стойкость определя­ется внешними силами.

Электродинамическую стойкость трансформаторов тока характери­зуют номинальным током динами­ческой стойкости Iдин, max или от-

ношением этого тока к амплитуде номинального первичного тока кратностью

Кроме того, для трансформато­ров тока внутренней установки, подверженных внешним электроди­намическим силам вследствие от­носительно небольших расстояний между фазами, заводы-изготовите­ли указывают наибольшее допус­тимое расстояние от вывода пер­вичной обмотки до ближайшего опорного изолятора при минималь­ном расстоянии между фазами.

Условие электродинамической стойкости трансформатора тока выражается следующим образом:

Термическая стойкость транс­форматоров тока определяется но­минальным током термической стойкости /_тер или отношением этого тока к номинальному пер­вичному току — кратностью

К_тер ⁼ I_тер/I_l.HOM

а также номинальным временем термической стойкости t_тер, которое устанавливается в зависимости от номинального напряжения транс­форматора в пределах от 1 до 4 с. Условие термической стойкости трансформатора тока имеет вид

Между номинальными токами электродинамической и термической

стойкости установлена следую­щая зависимость:

КОНСТРУКЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА

Различают две основные груп­пы измерительных трансформато­ров тока: одновитковые и многовитковые.

Одновитковые трансформаторы наиболее просты в изготовлении.

Однако при одном витке первичной обмотки и применении стали среднего качества м.д. с. обмотки недостаточна для трансформаторов класса точности 0,5, если первич­ный ток менее 400—600 А. Одновитковые трансформаторы с мень­шим номинальным током, напри­мер встроенного типа, относятся к массам точности 1 и 3. Применение получили три характерные конструкции одновитковых транс­форматоров; стержневые, шинные и встроенные.

Стержневые, трансформаторы тока изготовляют для напряжений до 35 кВ и номиналь­ных первичных токов от 400 до 1500 А. В качестве примера на рис. 16-10 показан трансформатор типа ТПОЛ-10 (П — проходной, О — одновитковый, Л — с литой изоляцией) для номинального на­пряжения 10 кВ. Первичная обмот­ка 1 выполнена в виде прямоли­нейного стержня с зажимами на концах. На стержень поверх изоляции надеты два кольцевых магнитопровода 2 с вторичными обмотками. Таким образом, два трансформатора тока объединены в общую конструкцию. Магнитопроводы вместе с первичной и вторич­ными обмотками залиты эпоксид­ным компаундом и образуют моно­литный блок 3 в виде проходного изолятора. Блок снабжен фланцем 4 из силумина с отверстиями для болтов для крепления трансформа­тора. Зажимы 5 вторичных обмо­ток расположены на боковом при­ливе изоляционного блока.

Шинные трансформаторы тока изготовляют для на­пряжений до 20 кВ и номинальных первичных токов до 18000 А в клас­се точности 0,5. При таких боль­ших токах целесообразно упрос­тить конструкцию трансформатора, используя в качестве первичной обмотки проводник (шину, пакет шин) соответствующего присоеди­нения. При этом устраняются за­жимы первичной обмотки с соот­ветствующими контактными соеди­нениями. В качестве примера на рис. 16-11 показан трансформатор тока типа ТШЛ-20 (Ш —шинный, Л — с литой изоляцией) для на­пряжения 20 кВ. Магнитопроводы

1 и 2 с вторичными обмотками за­литы эпоксидным компаундом и образуют изоляционный блок 3. Блок соединен с основанием 4 и с приливами 5 для крепления транс­форматора. Проходное отверстие (окно) трансформатора тока рас­считано на установку шин корытного сечения с наружными размерами от 200X200 до 250X250 мм². Зажимы вторичных обмоток 6 рас­положены над блоком.

Встроенные трансформа­торы тока предназначены для установки на вводах 35 кВ и выше масляных баковых выключателей и силовых- трансформаторов. На рис. 11-2 показана установка встро­енных трансформаторов тока на вводах масляного выключателя типа У-220.

Вторичные обмотки встроенных трансформаторов тока выполняют с ответвлениями, позволяющими подобрать число витков и, следова­тельно, коэффициент трансформа­ции (номинальный первичный ток) трансформатора в соответствии с рабочим током цепи. Обычно вто­ричные обмотки имеют четыре от­ветвления, причем основные выво­ды (полное число витков) соответ­ствуют номинальному продолжи­тельному току выключателя. При работе трансформатора тока на ответвлении с неполным числом витков вторичной обмотки, следо­вательно, с первичным током, мень­шим номинального, погрешность увеличивается вследствие уменьше­ния м. д. с. первичной обмотки.

Погрешность встроенных транс­форматоров тока при прочих рав­ных условиях больше погрешности стержневых и шинных трансформа­торов, так как из-за значительного диаметра кольцевого сердечника, определяемого диаметром соответ­ствующего фарфорового ввода, длина и, следовательно, сопротив­ление магнитной цепи оказываются весьма большими. Многовитковые трансформаторы тока изготовляют для всей шкалы номинальных напряжений и для номинальных первичных токов до 1000—1600 А, т.е. применительно к условиям, когда необходимая сте­пень точности не может быть обес­печена при одном первичном витке. Наличие нескольких витков в Первичной обмотке усложняет кон­струкцию трансформатора, так как приходится учитывать внутренние электродинамические силы при .к. з. значительные витковые напряже­ния при волновых процессах с кру­тым фронтом волны. Вид изоляции и конструкцию обмоток многовитковых трансформаторов выбирают в соответствии с номинальным на­пряжением.

Для напряжений 6—10 кВ изго­товляют катушечные и пет­левые трансформаторы с эпоксидной изоляцией. В качестве при­мера на рис. 16-12 показан

внеш­ний вид трансформатора тока типа ТПЛ-10 (П —петлевой, Л —с ли­той изоляцией) для напряжения 10 кВ. Здесь 1 — литой блок, охва­тывающий первичную и вторичные обмотки; 2 — магнитопроводы; 3— зажимы вторичных обмоток; 4 — основание с отверстиями для бол­тов.

Для напряжений 35—220 кВ из­готовляют трансформаторы тока на­ружной установки с масляной изо­ляцией типа ТФН (ф — с фарфоро­вым кожухом, Н — для наружной установки). Трансформаторы тока этого типа (рис. 16-13) имеют коль­цевые магнитопроводы 1—3 из лен­точной стали с навитыми на них вторичными обмотками. Первичная обмотка 4 из многожильного прово­да проходит через отверстия магнитопроводов. Концы ее выведены на­верх. Такую своеобразную конст­рукцию называют звеньевой или восьмерочной. Изоляция 5 первич­ной обмотки, а также магнитопроводов с вторичными обмотками выпол­нена из кабельной бумаги. Магниитопровод с обмотками заключен в фарфоровый изолятор, заполненный маслом (на рисунке не показан).

Первичная обмотка трансформа­торов типа ТФН состоит из двух секций, которые с помощью пере­ключателя могут быть соединены последовательно или параллельно. Благодаря этому первичный номи­нальный ток и, следовательно, коэф­фициент трансформации можно из­менять в отношении 1:2.

Для номинальных напряжений 330, 500 и 750 кВ изготовляют кас­кадные трансформаторы тока. Трансформатор типа ТРН-750 (рис. 16-14) на напряжение 750 кВ состо­ит из двух ступеней — верхней 1 и нижней 2, каждая из которых явля­ется конструктивно самостоятель­ным элементом, аналогичным транс­форматору типа ТФН, и рассчитана на напряжение, равное половине но­минального напряжения трансфор­матора. Ко вторичной обмотке верх­ней ступени присоединена первичная обмотка 3 трансформатора нижней ступени, имеющего четыре вторич­ные обмотки. Таким образом, в кас­кадном трансформаторе тока имеют место две последовательные транс-

формации тока. Это приводит к уве­личению погрешности. Зато изоля­ция каждой ступени рассчитана на напряжение, равное половине номи­нального.

ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА

Выбор трансформаторов тока при проектировании РУ заключает­ся в выборе типа этих аппаратов, определении ожидаемой нагрузки и проверке соответствия ее номиналь­ной, проверке на электродинамичес­кую и термическую стойкость.

При выборе номинального пер­вичного тока трансформатора сле­дует исходить из значения рабочего тока утяжеленного режима соответ­ствующего присоединения. В присо­единениях с относительно неболь­шим рабочим током и большим то­ком к. з. приходится выбирать трансформаторы с номинальным то­ком, значительно превосходящим рабочий ток присоединения, чтобы обеспечить электродинамическую и термическую стойкость трансформа­торов. В этих случаях погрешности трансформаторов получаются отно­сительно большими.

Как известно из предыдущего, погрешности трансформаторов тока зависят

от нагрузки. Заводы-изгото­вители указывают не только номи­нальную нагрузку, при которой по­грешности не выходят за пределы, соответствующие высшему классу точности (например, классу 0,5), но также нагрузки, соответствующие низшим классам точности с больши­ми погрешностями. Чтобы убедиться в том, что погрешности трансформа­тора не выходят за пределы, соот­ветствующие намеченному классу, следует сопоставить расчетную на­грузку с нагрузкой, указанной заво­дом для требуемого класса точ­ности.

Поскольку индуктивное сопро­тивление вторичных цепей мало, можно ограничиться подсчетом ак­тивных сопротивлений. Расчетная-нагрузка складывается из суммар­ного сопротивления последовательно включенных приборов, соединитель­ных проводов и сопротивления кон­тактных соединений. Обычно сум­марное сопротивление контактов принимают равным 0,1 Ом.

В качестве соединительных про­водников применяют контрольные кабели. Их сопротивление зависит от материала и сечения жил, длины трассы и схемы включения измери­тельных приборов. Кабели с медны­ми жилами (р = 0,0172 Ом-мм²/м) применяют во вторичных цепях мощных электростанций с высшим напряжением 220 кВ и выше. Во вторичных цепях остальных электро­установок используют кабели с алю­миниевыми жилами (р=0,028ОмХ Хмм²/м). По условию механической прочности сечение медных жил дол­жно быть не менее 1,5 мм², а алюми­ниевых жил — не менее 2,5 мм². Ес­ли в число подключаемых измери­тельных приборов входят счетчики, предназначенные для денежных рас­четов, минимальные сечения жил увеличивают до 2,5 мм² для медных жил и до 4 мм² для алюминиевых жил. Сечение проводников выбира­ют в соответствии с требованием точности измерения, но не менее минимального сечения, удовлетворяющего требованию механической прочности. Расчетная длина проводников 1_Р определяется длиной трассы l и схе­мой включения приборов: при вклю­чении приборов в одну фазу (рис. 16-15, а)

lр = 2l; при включении при­боров в три фазы по схеме звезды (рис. 16-15, 6) lp=l при включении приборов в две фазы по схеме не­полной звезды (рис. 16-15, в)

Пример 16-1. Выбрать трансформаторы тока для измерительных приборов и релей­ной защиты в присоединении трансформа­тора с. и. электростанции. Мощность транс­форматора 6,3 MB-А, коэффициент транс­формации 10,5/6,3 кВ. Трансформаторы то­ка подлежат установке на стороне высшего напряжения силового трансформатора. К ним должны быть присоединены следую­щие приборы: амперметр, ваттметр и счет­чик ватт-часов. Расстояние от места уста­новки трансформаторов тока до измери­тельных приборов составляет 40 м. Расчет­ный ударный ток к. з. I_yRim<rx=i40 кА; импульс квадратичного тока к. з. В= = 1340 кА²-с. Сеть 10 кВ заземлена через дугогасящие реакторы, следовательно, ток однофазного замыкания на землю мал.

В рассматриваемых условиях целесооб­разно выбрать трансформаторы тока с двумя магнитопроводами и двумя вторичными обмотками: класса точности 0.5 для присо­единения измерительных приборов и класса точности 3 для присоединения реле. При за­данной системе рабочего заземления сети и заданных измерительных приборах доста­точно установить трансформаторы тока в двух фазах Л и С (рис. 16-15, в).

Определим нагрузку трансформатора тока, предназначенного для присоединения измерительных приборов-

Наибольшая нагрузка приходится на трансформатор фазы А, где сопротивление приборов составляет:

r_приб = S_приб/I₂²_ном = 3,1/25 = 0,124 Ом.

Максимальный рабочий ток на стороне высшего напряжения трансформатора с. н. должен быть принят равным номинальному току, поскольку перегрузка этих трансфор­маторов не допускается:

Номинальный первичный ток трансфор­матора желательно иметь равным 400 А. Однако трансформаторы типов ТПЛ-10 (многовитковый) и ТПОЛМ-10 (одновит-ковый) с таким номинальным током не от­вечают требованию электродинамической и термической стойкости. Номинальная крат-ность электродинамической стойкости этих трансформаторов равна соответственно 165 и 160. Номинальная кратность термической стойкости, отнесенная к 1 с, равна соответ­ственно 70 и 65, что в рассматриваемых ус­ловиях недостаточно.

Чтобы обеспечить стойкость трансфор­маторов тока при к. з., приходится выбрать их с номинальным током, значительно пре­вышающим рабочий ток. Так, например трансформатор тока ТПОЛМ с номиналь­ным током 800 А, у которого К_дин =160 и К_тер = б5, удовлетворяет требованиям элек­тродинамической и термической стойкости. Действительно:

Недостаток такого выбора трансформа­торов тока заключается в том, что рабочий ток составляет только 324/800=0,4 номи­нального тока трансформатора тока, что увеличивает погрешность измерения. Стрел­ки измерительных приборов будут находить­ся в левой части шкалы.

Проверим соответствие нагрузки транс­форматоров тока ее номинальному значе­нию. Трансформатор тока типа ТПОЛМ-10 класса точности 0,5 допускает максималь­ную нагрузку 0,6 Ом. При нагрузке 1,2 Ом погрешность трансформатора соответствует классу точности 1,0 и при нагрузке 2,0 Ом— классу точности 3. Нагрузка измерительных приборов определена вышей равна 0,124Ом. Следовательно, сопротивление проводов и контактов не должно превышать 0,6— —0,124 = 0,476 Ом.

Сопротивление алюминиевых проводов сечением 6 мм² при длине трассы l=40 м составит:

Сопротивление контактов не превыша­ет ОД Ом. Следовательно, нагрузка транс­форматоров тока не превышает номиналь­ное значение и погрешности трансформато­ров будут соответствовать классу точно­сти 0,5.

В рассматриваемых условиях может быть принято и другое решение. Со сторо­ны высшего напряжения трансформатора собственных нужд можно установить транс­форматоры тока типа ТПОЛМ-10 с номи­нальным током 800 А и присоединить к ним только релейную защиту. Для присоедине­ния измерительных приборов могут быть использованы трансформаторы тока, уста­новленные на стороне низшего напряжения силового трансформатора, где рабочий ток больше, а ток к. з. значительно меньше. При этом номинальный ток трансформато­ров тока может быть выбран ближе к ра­бочему току присоединения.