Усачев А.Е. Испытательные и электрофизические установки высокого напряжения

Подождите немного. Документ загружается.

Лекция 15. Измерительные трансформаторы напряжения и тока

Измерительным трансформатором напряжения называют

трансформатор, предназначенный для преобразования напряжения до

значения, удобного для измерения, и выполненный так, что вторичное

напряжение трансформатора, увеличенное в

ном

раз, соответствует с

требуемой точностью первичному напряжению (при изменении последнего в

определенных пределах), как по модулю, так и по фазе. Множитель

ном

представляет собой номинальный коэффициент трансформации

трансформатора напряжения .

Применение трансформаторов напряжения обеспечивает безопасность

для людей, соприкасающихся с измерительными приборами и реле,

поскольку цепи высшего и низшего напряжения разделены, позволяет

унифицировать конструкции измерительных приборов, обмоток реле для

номинального напряжения 100 В, что упрощает производство и снижает

стоимость.

Рис. Схема включения трансформатора напряжения:

1-первичная обмотка; 2-магнитопровод; 3-вторичная обмотка.

Используется две схемы подключения однофазных трансформаторов

напряжения для измерения напряжений в трехфазных цепях.

1. схема разомкнутого треугольника (а)

2. включение в звезду (б, в)

При коммерческом учете электроэнергии трехфазные трансформаторы

напряжения не используются.

111

Схема включения однофазных трансформаторов напряжения.

Первичная обмотка включена на напряжение сети U

параллельно, а к

вторичной обмотке (напряжение U

) подключены измерительные приборы,

цепи автоматики, релейной защиты и сигнализации. В ТН первичная обмотка

изолирована от вторичной обмотки на полное рабочее напряжение. Для

безопасности обслуживания первичная обмотка может иметь один или оба

выводных конца изолированными от земли на полное рабочее напряжение. В

первом случае другой выводной конец первичной обмотки заземляется. Один

выводной конец вторичной обмотки всегда заземляется. ТН в отличие от

трансформатора тока работает в режиме, близкому к режиму холостого хода,

т.к. сопротивление параллельных катушек приборов и реле большое, а ток,

потребляемый ими невелик.

Номинальный коэффициент трансформации равен отношению первичного и

вторичного номинальных напряжений (или номинальных чисел витков первичной

НОМ1

и вторичной

НОМ2

обмоток):

НОМ

≠=

При напряжении

на зажимах вторичной обмотки первичное напряжение

будет

НОМ21

KUU

⋅=

. Шкалы измерительных приборов, присоединяемых к вторичной

обмотке ТН, градуируют в значениях первичного напряжения, т.е.

НОМ2

⋅

Фактическое число витков первичной

НОМ1

и вторичной

НОМ2

обмоток ТН,

называемое действительным числом витков, отличается от номинального числа витков.

112

Отношение действительных чисел витков

wwK

. В ТН без витковой коррекции

погрешности в напряжении

НОМW

. При наличии витковой коррекции

меньше

НОМ

на доли процента.

ТН согласно ГОСТ должны удовлетворять классам точности, характеризуемым

предельно допустимыми погрешностями. При увеличении нагрузки сверх номинальной

погрешность обычно увеличивается. Поэтому один и тот же ТН может отдавать большие

номинальные мощности, работая в более низком классе точности. ТН характеризуются

также максимальной мощностью, которую они могут по условиям нагрева отдавать

длительно, работая вне классов точности. Класс точности ТН определяется

погрешностями: в напряжении и угловой. ТН класса точности 0,2 применяются для

точных измерений, поверок и исследований при наладочных работах, приемочных

испытаниях оборудования, для подключения вычислительных машин, приборов

автоматического регулирования частоты, градуировки эксплуатационных приборов и т. д.

ТН классов 0,5 и 1 используются для подключения щитовых приборов, расчетных

и контрольных счетчиков и прочих и измерительных устройств, у которых погрешность

напряжения не должна превышать 0,5 или 1%. Для подключения расчетных счетчиков

должны применяться ТН класса 0,5.

ТН класса 3 и грубее используются в цепях релейной защиты, устройствах

автоматики, для питания сигнальных ламп и в иных устройствах, где допустима

погрешность измерения 3% и больше.

Таблица . Пределы погрешностей трансформаторов напряжения (ГОСТ 1983-77)

Наименование класса

точности

Наибольшая

погрешность в напряжении,

Наибольшая угловая

погрешность, мин

0,2

0,5

+0,2

+0,5

+1,0

+3,0

Не нормируется

Погрешности трансформаторов напряжения

Точность работы ТН характеризуется различными погрешностями.

Вторичное напряжение трансформатора, увеличенное в К

ном

раз (

ном

КUU

), несколько отличается от первичного напряжения по модулю,

113

так и по фазе вследствие потерь мощности в трансформаторе. Разность этих

напряжений, отнесенная к первичному напряжению, представляет собой

погрешность в напряжении:

UKU

ном

−

Погрешность в напряжении положительна, если

UKU

н о м

〉

Погрешность трансформатора может быть выражена в процентах.

Угол δ между векторами первичного и вторичного напряжений представляет

угловую погрешность трансформатора.

Погрешности ТН обусловливаются потерями мощности в его магнитопроводе и в

обмотках. Из-за этих потерь вектор вторичного напряжения, повернутый на 180

проведенный к первичному напряжению,

НОМ

KUU

⋅−=



не совпадает по модулю и

по фазе с вектором первичного напряжения



. Величина

11НОМ2U

U/)UKU(100f

−⋅⋅=

выраженная в процентах, называется погрешностью в напряжении, а угол δ

между векторами



, выраженный в минутах или в радианах (1 рад

≈ 3440′ ), называется угловой погрешностью ТН.

Погрешности ТН зависят от размеров магнитопровода, магнитной

проницаемости стали, конструкции обмотки, сечения провода, а также от нагрузки и

первичного напряжения. Чтобы уменьшить погрешности ТН, выбирают меньшую

плотность тока в обмотках и меньшую магнитную индукцию по сравнению с

соответствующими значениями для силовых трансформаторов.

В конструкции ТН предусматривается компенсация погрешности по напряжению

путем некоторого уменьшения числа витков первичной обмотки, а также компенсация

угловой погрешности за счет специальных компенсирующих обмоток. Предельные

погрешности отнесены к следующим условиям: частоты 50± 5 Гц, первичное

напряжение от 0,8 до 1,2 номинального, нагрузка от 0,25 номинальной до номинальной

при коэффициенте мощности

8,0cos

=ϕ

Суммарное потребление обмоток измерительных приборов и реле,

подключенных к вторичной обмотке ТН, не должно превышать

114

номинальную мощность ТН, т.к. в противном случае это приведет к

увеличению погрешностей.

Рис. Заземляемый трансформатор напряжения ЗНОЛ-35

Общие характеристики ТН

Учет электроэнергии с применением измерительных трансформаторов

тока и напряжения должен быть основан на совместном использовании

трансформаторов и счетчиков трансформаторного включения,

подключаемых своими питающими цепями тока и/или напряжения к

вторичным цепям соответствующих трансформаторов.

1.1.2. Все типы применяемых измерительных трансформаторов тока и

напряжения коммерческого и технического учета должны быть внесены

изготовителями трансформаторов или их представителями в Госреестр, а

поставляемые рабочие трансформаторы должны иметь пломбы поверителя и

свидетельства о поверке. На момент предъявления измерительных

трансформаторов к допуску в эксплуатацию должно пройти не более 12

месяцев со дня прохождения их государственной поверки.

Трансформаторы тока.

Измерительным трансформатором тока называют трансформатор,

предназначенный для преобразования тока до значения, удобного для

измерения, и выполненный так, что вторичный ток, увеличенный в

ном

раз,

соответствует с требуемой точностью первичному току, как по модулю, так и

по фазе. Множитель

ном

представляет собой номинальный коэффициент

трансформации трансформатора тока.

115

Применение трансформаторов тока обеспечивает безопасность при

работе с измерительными приборами и реле, поскольку цепи высшего и

низшего напряжений разделены; позволяет унифицировать конструкции

измерительных приборов для номинального вторичного тока 5 А (реже 1 или

2,5 А), что упрощает их производство и снижает стоимость.

Первичную обмотку трансформатора тока включают последовательно в

цепь измеряемого тока. Она имеет небольшое число витков (вплоть до

одного витка) и выполняется из проводника относительно большого сечения.

Вторичная обмотка рассчитана на значительно меньший ток и

соответственно имеет большее число витков. Токовые катушки

измерительных приборов или реле подключают к вторичной обмотке

трансформатора тока 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 КЗ может превысить номинальный в

десятки раз [4].

В ТТ высокого напряжения первичная обмотка изолирована от

вторичной (от земли) на полное рабочее напряжение. Один конец вторичной

обмотки обычно заземляется. Поэтому она имеет потенциал, близкий к

потенциалу земли[2].

ТТ осуществляет:

1.преобразование переменного тока любого значения в переменный ток,

приемлемый по значению для непосредственного измерения с помощью

стандартных измерительных приборов или для работы реле защиты;

2.изоляцию измерительных приборов в защитных реле, к которым имеет

доступ обслуживающий персонал, от цепи высокого напряжения.

ТТ в условиях высокого напряжения необходим даже в тех случаях,

когда уменьшения тока не требуется[2].

КЛАСИФИКАЦИЯ ТТ

Классификация ТТ производится по следующим основным признакам:

116

1.По месту установки:

а) на открытом воздухе (категория размещения 1 по ГОСТ 15150-69);

б) в закрытом помещении (категория размещения 3 и 4);

в) в полостях электрооборудования (категория размещения согласно табл.6-1,[1]).

2.По способу установки:

а) проходные используемые в качестве вводов и устанавливаемые в проемах

перегодородок, стен или потолков;

б) опорные, устанавливаемые на опорной плоскости;

в) встроенные, размещаемые в полостях различного электрооборудования.

3.По числу ступеней трансформации: одноступенчатые, каскадные

(многоступенчатые).

4.По выполнению первичной обмотки: одновитковые, многовитковые.

5.По назначению вторичных обмоток: для измерения, для защиты, для измерения

и защиты

6.По числу коэффициентов трансформации: с одним коэффицинтом

трансформации; с несколькими коэффициентов трансформации, получаемыми

изменением числа витков первичной и вторичной обмотки или обеих обмоток

либо применением нескольких вторичных обмоток с различным числом витков,

соответствующих различным номинальным токам.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТТ

Основными параметрами и характеристиками ТТ в соответствии с ГОСТ 7746-78

«Трансформаторы тока. Общие технические требования» являются:

1.Номинальное напряжение - действующее значение линейного напряжения, при

котором предназначен работать ТТ, указываемое в паспортной таблице ТТ [2].

2.Номинальный первичный ток

- указываемый в паспортной

таблице ТТ ток, проходящий по первичной обмотке, при котором

предусмотрена продолжительная работа ТТ. Он принят в качестве базисной

величины, к которой отнесены другие характерные параметры. Стандартная

шкала номинальных первичных токов содержит значения токов от 1 до

40000 А [4].

3.Номинальный вторичный ток

- указываемый в паспортной таблице

ТТ ток, проходящий по вторичной обмотке. Под номинальным вторичным

током ТТ понимают ток, для которого предназначены приборы, подлежащие

присоединению к его вторичной обмотке. Номинальный вторичный ток

принимается равным 1 или 5 А, причем ток 1 А допускается только для ТТ

только с номинальным первичным током до 4000 А. По согласованию с

117

заказчиком допускается изготовление ТТ с номинальным вторичным током

2 или 2,5 А [2,4].

4.Нагрузка ТТ – это полное сопротивление внешней цепи

XRZ

выраженные в омах. Сопротивления

слагаются из сопротивлений

приборов, соединительных проводов и контактов. Вместе с сопротивлением

должен быть указан коэффициент мощности

cos

, где

RXarctg

Нагрузку ТТ можно характеризовать также полной мощностью,

АВ

⋅

ном

⋅=

при номинальном вторичном токе и коэффициенте мощности.

Эти две величины

cos

определяют сопротивление вторичной цепи.

По мере увеличения числа последовательно включенных приборов нагрузка

трансформатора растет, т.е. увеличиваются значения

.Под

номинальной вторичной нагрузкой ТТ понимают нагрузку, при которой

погрешности не выходят за пределы, установленные для трансформаторов

рассматриваемого класса точности [4].

5.Коэффициент трансформации ТТ равен отношению первичного тока к

вторичному току. В расчетах ТТ применяются две величины:

действительный коэффициент трансформации

и номинальный

коэффициент трансформации

Kном

. Под действительным коэффициентом

трансформации

понимается отношение действительного первичного тока

к действительному вторичному току. Под номинальным коэффициентом

трансформации

Kном

понимается отношение номинального первичного тока

к номинальному вторичному току

ном

. Отношение число витков

вторичной и первичной обмоток

wwn

выбирают несколько меньше

номинального коэффициента трансформации, что позволяет компенсировать

ток намагничивания и повысить точность измерения [2,4].

6.Классы точности. Измерительные ТТ разделены на шесть классов

точности (0,2; 0,5; 1,0; 3; 5; 10) в соответствии с предельными

погрешностями при определенных условиях работы. Класс точности

соответствует предельной токовой погрешности при первичном токе, равном

100-120% номинального. ТТ, предназначенные для лабораторных измерений,

118

должны отвечать классу точности 0,2; трансформаторы, предназначенные

для присоединения счетчиков классу 0,5; для присоединения щитовых

приборов, могут быть использованы трансформаторы классов 1 и 3[4].

ПОГРЕШНОСТИ ТТ

Вторичный ток ТТ, увеличенный в

Kном

раз, отличается от первичного

тока как по модулю, так и по фазе вследствие потерь мощности в

трансформаторе. Разность этих значений, отнесенное к первичному току,

представляет собой токовую погрешность

1НОМ2

IKI

−⋅

(1).

Погрешность может быть выражена в процентах. Ее считают положительной, если

вектор вторичного тока опережает вектор первичного тока. Угловая погрешность может

быть выражена в радианах или минутах.

Для ТТ, как для любого трансформатора, справедливо равенство:

0n21

III

где

- ток намагничивания.

Из этого выражения следует, что погрешности ТТ определяется током

намагничивания. Последний зависит от конструкции трансформатора и

магнитных свойств стали магнитопровода. При заданной конструкции

трансформатора его погрешности зависит от первичного тока и нагрузки.

Витковая коррекция. Нагрузка ТТ представляет собой, как правило,

активно-индуктивное сопротивление. Из векторной диаграммы (рис.12)

видно, что при

НОМ

токовая погрешность всегда отрицательна, т.е.

приведенный вторичный ток меньше первичного тока. Чтобы увеличить

точность измерений, принято при конструировании и изготовлении ТТ

выбирать отношение чисел витков несколько меньшим номинального

коэффициента трансформации, что достигается уменьшением числа витков

вторичной обмотки по отношению к значению, соответствующему равенству

12НОМ2НОМ1

wwII

119

Лекция 16. Измерения сильных токов. Шунты

Таблица 4. Характеристики проводников

Материал

ρ , 10

-6

Ом⋅ м

γ , 10

кг/м

С, Дж/

(моль⋅ К)

М, 10

-3

кг/моль

Медь 0,018 8,9 24,52 63,54

Алюминий 0,029 2,9 24,35 26,98

Сталь 0,138 7,8 25,2 55,84

120