2.22 Измерительные трансформаторы

Области применения. Измерительные трансформаторы используют главным образом для подключения электроизмерительных приборов в цепи переменного тока высокого напряжения. При этом электроизмерительные приборы оказываются изолированными от цепей высокого напряжения, что обеспечивает безопасность работы обслуживающего персонала. Кроме того, измерительные трансформаторы дают возможность расширять пределы измерения приборов, т. е. измерять большие токи и напряжения с помощью сравнительно несложных приборов, рассчитанных для измерения малых токов и напряжений. В ряде случаев измерительные трансформаторы служат для подключения к цепям высокого напряжения обмоток реле, обеспечивающих защиту электрических установок от аварийных режимов.

Измерительные трансформаторы подразделяют на два типа — трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Первые служат для включения вольтметров, а также других приборов, реагирующих на значение напряжения (например, катушек напряжения ваттметров, счетчиков, фазометров и различных реле). Вторые служат для включения амперметров и токовых катушек указанных приборов. Измерительные трансформаторы изготавливают мощностью от пяти до нескольких сотен вольт-ампер; они рассчитаны для совместной работы со стандартными приборами (амперметрами на 1; 2; 2,5 и 5 А, вольтметрами на 100 и 100 В).

Трансформатор напряжения. Его выполняют в виде двухобмоточного понижающего трансформатора (рис. 2.72, а). Для обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала вторичную обмотку тщательно изолируют от первичной и заземляют. Условное обозначение трансформатора напряжения такое же, как двухобмоточного трансформатора.

Так как сопротивления обмоток вольтметров и других приборов, подключаемых к трансформатору напряжения, велики, то он практически работает в режиме холостого хода. В этом режиме можно с достаточной степенью точности считать, что

U_l = U'₂ = U₂k.

В действительности ток холостого хода I₀ (а также небольшой ток нагрузки) создает в трансформаторе падение напряжения, поэтому, как видно из векторной диаграммы (рис. 2.72,6), U2 Ф U₁ между векторами этих напряжений имеется некоторый сдвиг по фазе δ_u результате этого при измерениях образуются некоторые погрешности.

Рис. 2.72 - Схема включения и векторная диаграмма измерительного трансформатора напряжения : 1 - первичная обмотка; 2 - вторичная обмотка

В измерительных трансформаторах напряжения различают два вида погрешностей:

а) относительная погрешность напряжения

% ; (2.113)

б) угловая погрешность δ_u; за ее значение принимают угол между векторами U_t и — U'₂. Она влияет на результаты измерений, выполненных с помощью ваттметров, счетчиков, фазометров и прочих приборов, показания которых зависят не только от силы тока и напряжения, но и от угла сдвига фаз между ними. Угловая погрешность считается положительной, если вектор U'₂ опережает вектор U₁.

В зависимости от величины допускаемых погрешностей стационарные трансформаторы напряжения подразделяют на три класса точности: 0,5; 1 и 3; а лабораторные — на четыре класса: 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5. Обозначение класса соответствует величине относительной погрешности γ_и при номинальном напряжении U_lном.

Значения погрешностей стационарных трансформаторов напряжения согласно ГОСТу приведены в табл. 2.9.

Выпускаемые промышленностью трансформаторы напряжения сохраняют класс точности при изменении первичного напряжения от 80 до 120% номинального.

Для уменьшения погрешностей γ_и и δ_и сопротивления обмоток трансформатора Z₁ и Z₂ делают по возможности малыми, а магнитопровод выполняют из высококачественной стали достаточно большого поперечного сечения, чтобы в рабочем режиме он не был насыщен. Благодаря этому обеспечивается значительное уменьшение тока холостого хода.

Трансформатор тока. Его выполняют в виде двухобмоточного повышающего трансформатора (рис. 2.73, а) или в виде проходного трансформатора, у которого первичной обмоткой служит провод, проходящий через окно магнитопровода.

Таблица 2.9

Класс точности	0,5	1	3
Максимальная относительная погрешность при напряжении , %	+ 0,5	±1,0	±3,0
Угловая погрешность, мин.	±20	±40	Не нормирована

В некоторых конструкциях магнитопровод и вторичная обмотка смонтированы на проходном изоляторе, служащем для ввода высокого напряжения в силовой трансформатор или другую электрическую установку. Первичной обмоткой трансформатора служит медный стержень, проходящий внутри изолятора (рис. 2.73, б).

Рис. 2.73 - Схема включения трансформатора тока (а), общий вид проходного трансформатора (б) и векторная диаграмма (в): 1 — медный стержень (первичная обмотка); 2 — вторичная обмотка; 3 — изолятор; 4 — магнитопровод

Сопротивления обмоток амперметров и других приборов, подключаемых к трансформатору тока, обычно малы. Поэтому он практически работает в режиме короткого замыкания, при котором токи I₁ и I'₂ во много раз больше тока I₀, и с достаточной степенью точности можно считать, что

I_l=I'₂ = I₂/k. (2.114)

В действительности из-за наличия холостого хода I₀ ≈ I_μ в рассматриваемом трансформаторе I₁ ≠ I₂ и между векторами этих токов имеется некоторый угол, отличный от 180° (рис. 2.71, в). Это создает относительную токовую погрешность

% (2.115)

и угловую погрешность, измеряемую углом δ_i,- между векторами I₁ и –I'₂. Погрешность δ_i считается положительной, если вектор –I'₂ опережает вектор I₁.

В зависимости от значения допускаемых погрешностей трансформаторы тока подразделяют на пять классов точности: стационарные - на классы 0,2; 0,5; 1; 3 и 10; лабораторные -на классы 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2. Приведенные цифры соответствуют допускаемой для данного класса токовой погрешности при номинальном значении тока. Значения погрешностей стационарных трансформаторов тока согласно ГОСТу приведены в табл. 2.10.

Таблица 2.10

Класс точности	Первичный ток в процентах от номинального	Предельное значение погрешности		Пределы вторичной нагрузки в процентах от номинальной при cos φ2 = 0,8
		токовой, %	угловой, мин
0,2	10 20 100-120	+ 0,50 + 0,35 ±0,20	+ 20 + 15 ±10	25-100
0,5	10 20 100-120	+ 1 + 0,75 ±0,50	+ 60 + 45 ±30	25-100
1	10 20 100-120	+ 2 + 1,5 ±1	+ 120 + 90 ±60	25-100
3	50-120	±3	Не нормируется	50-100
10	50-120	±10	То же	50-100