Трансфорамторы постоянного тока

Содержание: 1. Назначение, классификация и основные параметры измерительных преобразователей и трансформаторов тока 1.1. Назначение измерительных преобразователей и трансформаторов тока 1.2. Классификация ИТТ и ТТ
1.3. Основные параметры и характеристики трансформатора тока 2. Принципиальная схема трансформатора тока 3. Векторная диаграмма трансформатора тока 4. Условия работы трансформаторов тока 5. Список литературы 1. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА 1.1.Назначение измерительных преобразователей и трансформаторов тока. Под измерительным преобразователем тока (ИПТ) будем понимать устройство, предназначенное для преобразования первичного тока в такой выходной сигнал, информативные параметры которого функционально связаны с информативными параметрами первичного тока. Для создания ИПТ можно использовать различные физические явления. В настоящее время ИПТ обычно создаются на основе широко применяемого в электротехнике трансформаторного эффекта — в виде трансформатора. Трансформатором тока (ТТ), являющимся наиболее широко применяемым ИПТ, называется такой трансформатор, в котором при нормальных условиях работы выходной сигнал является током, практически пропорциональным первичному току и при правиль­ном включении сдвинутым относительно него по фазе на угол, близкий к нулю. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь последовательно (в рассечку токопровода), а вторичная замыка­ется на некоторую нагрузку (измерительные приборы и реле), обеспечивая в ней ток, пропорциональный току в первичной обмотке. В трансформаторах тока высокого напряжения первичная обмотка изолирована от вторичной (земля) на полное рабочее напряжение. Один конец вторичной обмотки обычно заземляется. Поэтому она имеет потенциал, близкий к потенциалу земли. Трансформаторы тока по назначению разделяются на транс­форматоры тока для измерений и трансформаторы тока для за­щиты. В некоторых случаях эти функции совмещаются в одном ТТ. Трансформаторы тока для измерений предназначаются для передачи информации измерительным приборам. Они устанавли­ваются в цепях высокого напряжения или в цепях с большим током, т. е. в цепях, в которых невозможно непосредственное включение измерительных приборов. Ко вторичной обмотке ТТ для измерений подключаются амперметры, токовые обмотки ватт­метров, счетчиков и аналогичных приборов. Таким образом, транс­форматор тока для измерений обеспечивает: 1) преобразование переменного тока любого значения в пере­менный, ток, приемлемый для непосредственного измерения с по­мощью стандартных измерительных приборов; 2) изолирование измерительных приборов, к которым имеет доступ обслуживающий персонал, от цепи высокого напряжения. Трансформаторы тока для защиты предназначаются для пе­редачи измерительной информации в устройства защиты и управ­ления. Соответственно этому трансформатор тока для защиты обе­спечивает: 1) преобразование переменного тока любого значения в пере­менный ток, приемлемый для питания устройств релейной за­щиты; 2) изолирование реле, к которым имеет доступ обслуживаю­щий персонал, от цепи высокого напряжения. Трансформаторы тока в установках высокого напряжения необходимы даже в тех случаях, когда уменьшения тока для измерительных приборов или реле не требуется. 1.2. Классификация ИПТ и ТТ. В зависимости от рода тока ИПТ разделяются на ИП переменного и ИП постоянного тока. В работе будут рассматриваться ИПТ переменного тока для уста­новок и сетей с номинальной частотой тока 50 Гц. По назначению ИПТ разделяются на ИПТ для измерений и ИПТ для защиты. Последние могут предназначаться для работы только в установившихся (статических) режимах либо в установившихся и переходных (динамических) режимах. В зависимости от вида преобразования ИПТ делятся на преобразователи тока в ток, тока в напряжение (например, транс­реакторы, магнитные трансформаторы тока), тока в неэлектриче­скую величину (например, в световой поток). При этом по способу представления выходной информации ИПТ подразделяются на аналоговые и дискретные. Целесообразно разделять ИПТ в зависимости от уровня напря­жения, определяющего конструкцию, а иногда и принцип дейст­вия ИПТ. С учетом применяемых номинальных напряжений различают ИПТ низкого (номинальное напряжение до 1000 В) и высокого напряжения (1—1150 кВ и выше). Все трансформаторы тока можно классифицировать по следующим основным признакам: По роду установки: трансформаторы тока для работы на от­крытом воздухе (категория размещения 1 по ГОСТ 15150-69); для работы в закрытых помещениях (по ГОСТ 151504-69); для встраивания в полости электрооборудования; для специальных установок (в шахтах, на судах, электровозах и т. д.). По способу установки: проходные трансформаторы тока, предназначенные для использования в качестве ввода и устанавливаемые в проемах стен, потолков или в металлических конструкциях; опорные, предназначенные для установки на опорной плоскости; встраиваемые, т. е. предназначенные для установки в полости электрооборудования. По числу коэффициентов трансформации: с одним коэффици­ентом трансформации; с несколькими коэффициентами трансфор­мации, получаемыми изменением числа витков первичной или вторичной обмотки, или обеих обмоток, или применением не­скольких вторичных обмоток с различным числом витков, соот­ветствующим различному номинальному вторичному току. По числу ступеней трансформации: одноступенчатые; кас­кадные (многоступенчатые), т. е. с несколькими ступенями транс­формации тока. По выполнению первичной обмотки: одновитковые; многовитковые. Одновитковые ТТ (рис. 1) имеют две разновидности: без собственной первичной обмотки; с собственной первичной обмоткой. Одновитковые ТТ, не имеющие собственной первичной обмотки, выполняются встроенными, шинными или разъемными. Встроенный трансформатор тока 1 представляет собой магнитопровод с намотанной на него вторичной обмоткой. Он не имеет, собственной первичной обмотки. Ее роль выполняет токоведущий стержень проходного изолятора. Этот трансформатор тока не имеет изоляционных элементов между первичной и вто­ричной обмотками. Их роль выполняет изоляция проходного изо­лятора. Рис. 1. Схема трансформатора тока; собственная первичная обмотка ТТ; ----- токоведущий стержень проходного изолятора (шина) В шинном трансформаторе тока роль первичной обмотки выполняют одна или несколько шин распределительного устрой­ства, пропускаемые при монтаже сквозь полость проходного изоля­тора. Последний изолирует такую первичную обмотку от вто­ричной. Разъемный трансформатор тока 2 тоже не имеет собственной первичной обмотки. Его магнитопровод состоит из двух частей, стягиваемых болтами. Он может размыкаться и смыкаться вокруг проводника с током, являющимся первичной обмоткой этого ТТ. Изоляция между первичной и вторичной обмотками наложена на магнитопровод со вторичной обмоткой.
Одновитковые ТТ, имеющие собственную первичною обмотку, выполняются со стержневой первичной обмоткой или с U-образной. Трансформатор тока 3 имеет первичную обмотку в виде стержня круглого или прямоугольного сечения, закрепленного в проход­ном изоляторе. Трансформатор тока 4 имеет U-образную первичную обмотку, выполненную таким образом, что на нее наложена почти вся внутренняя изоляция ТТ.
Многовитковые трансформаторы тока (рис. 1) изготовляются с катушечной первичной обмоткой надеваемой на магнитопровод; с петлевой первичной обмоткой 5, состоящей из нескольких витков; со звеньевой первичной обмоткой, выполненной таким образом, что внутренняя изоляция трансформатора тока конструктивно распределена между первич­ной и вторичной обмотками, а взаимное расположение обмоток напоминает звенья цепи; с рымовидной первичной обмоткой, выполненной таким образом, что внутренняя изоляция трансфор­матора тока нанесена в основном только на первичную обмотку, имеющую форму рыма. По роду изоляции между первичной и вторичной обмотками ТТ изготовляются с твердой (фарфор, литая изоляция, прессован­ная изоляция и т, д.); с вязкой (заливочные компаунды); с ком­бинированной (бумажно-масляная, конденсаторного типа) или газообразной (воздух, элегаз) изоляцией. По принципу преобразования тока ТТ делятся на электромаг­нитные и оптико-электронные. 1.3. Основные параметры и характеристики трансформатора тока. Основными параметрами и характеристиками трансформатора тока 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 трансформатора тока. Для отечественных ТТ принята следующая шкала номинальных на­пряжений, кВ: 0,66; 6; 10; 16; 20; 24; 27; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750; 1150 2. Номинальный первичный ток I1H - указываемый в паспортной таблице ТТ ток, проходящий по первичной обмотке, при котором предусмотрена продолжительная работа ТТ. Для оте­чественных ТТ принята следующая шкала номинальных первичных токов: 1; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 75; 80; 400; 150; 200; 300; 400; 500; 600; 750; 800; 1000; 1200; 1500; 2000; 3000; 4000; 5000; 6000; 8000; 10000; 12000; 14 000; 16 000; 18 000; 20 000; 25 000; 28 000; 32 000; 35 000; 40 000. В трансформаторах тока, предназначенных для комплектова­ния турбо- и гидрогенераторов, значения номинального тока свыше 10 000 А могут отличаться от приведенных в данной шкале зна­чений. Трансформаторы тока, рассчитанные на номинальный первич­ный ток 15; 30; 75; 150; 300; 600; 750; 1200; 1500; 3000 и 6000 А, должны допускать неограниченно длительное время наибольший рабочий первичный ток, равный соответственно 16; 32; 80; 160; 320; 630; 800; 1250; 1600; 3200 и 6300 А. В остальных случаях наибольший первичный ток равен номинальному первичному току. 3. Номинальный вторичный ток I2H — указываемый в пас­портной таблице ТТ ток, проходящий по вторичной обмотке. Номинальный вторичный ток принимается равным 1 или 5 А, причем ток 1 А допускается только для ТТ с номинальным пер­вичным током до 4000 А. По согласованию с заказчиком допу­скается изготовление ТТ с номинальным вторичным током 2 или 2,5 А. 4. Вторичная нагрузка ТТ z2H соответствует полному сопро­тивлению его внешней вторичной цепи, выраженному в Омах, с указанием коэффициента мощности. Вторичная нагрузка может также характеризоваться полной мощностью в вольт-амперах, потребляемой ею при данном коэффициенте мощности и номинальном вторичном токе. Вторичная нагрузка с коэффициентом мощности cos(φ2) = 0,8, при которой гарантируется установленный класс точности ТТ или предельная кратность первичного тока относительно его номинального значения, называется номинальной вторичной нагрузкой ТТ z2H. ном Для отечественных трансформаторов тока установлены следую­щие значения номинальной вторичной нагрузки S2H.ном выраженной в вольт-амперах, при коэффициенте мощности cos(φ2) = 0,8: 1; 2; 2,5; 3; 5; 7,5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 75; 90; 100; 120. Соответствующие значения номинальной вторичной нагрузки (в Омах) определяются выражением: z2H. ном = S2H. ном / I22H 5. Коэффициент трансформации ТТ равен отношению первичного тока ко вторичному току. В расчетах трансформаторов тока применяются две величины: действительный коэффициент трансформации n и номинальный коэффициент трансформации nH. Под действительным коэффици­ентом трансформации понимается отношение действительного первичного тока к действительному вторичному току. Под номиналь­ным коэффициентом трансформации nH понимается отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току. 6. Стойкость ТТ к механическим и тепловым воздействиям характеризуется током электродинамической стойкости и током термической стойкости. Ток электродинамической стойкости Iд равен наибольшей амп­литуде тока короткого замыкания за все время его протекания, которую ТТ выдерживает без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе. Ток Iд характеризует способность ТТ противостоять механическим (электродинамическим) воздей­ствиям тока короткого замыкания. Электродинамическая стой­кость может характеризоваться также кратностью Kд, представля­ющей собой отношение тока электродинамической стойкости к амплитуде номинального первичного тока. Требования электро­динамической стойкости не распространяются на шинные, встроенные и разъемные ТТ. Ток термической стойкости Itт равен наибольшему действую­щему значению тока короткого замыкания за промежуток tt, которое ТТ выдерживает в течение всего промежутка времени без нагрева токоведущих частей до температур, превышающих допу­стимые при токах короткого замыкания, и без повре­ждений, препятствующих его дальнейшей работе. Термическая стойкость характеризует способность ТТ про­тивостоять тепловым воздействиям тока короткого замыкания. Для суждения о термической стойкости ТТ необходимо знать не только значения тока, проходящего через трансформатор, но и его длительность или, иначе говоря, знать общее количество выделен­ной теплоты, которое пропорционально произведению квадрата тока ItT и длительности его tт. Это время, в свою очередь, зависит от параметров сети, в которой установлен ТТ, и изменяется от одной до нескольких секунд. Термическая стойкость может характеризоваться кратностью Kт тока термической стойкости, представляющей собой отноше­ние тока термической стойкости к действующему значению номи­нального первичного тока. В соответствии с ГОСТ 7746—78 для отечественных ТТ уста­новлены следующие токи термической стойкости: а) односекундный I1Т или двухсекундный I2т (или кратность их К1T и K2Т по отношению к номинальному первичному току) для трансформаторов тока на номинальные напряжения 330 кВ и выше; б) односекундный I1Т или трехсекундный; I3Т (или кратность их K1T и K3T по отношению к номинальному первичному току) для трансформаторов тока на номинальные напряжения до 220 кВ включительно.
Между токами электродинамической и термической стойкости должны быть следующие соотношения: для ТТ на номинальные напряжения 330 кВ и выше IД ≥ 1,8 √2 I1T или IД ≥ 1,8 √2 I2T для ТТ на номинальные напряжения до 220 кВ IД ≥ 1,8 √2 I1T или IД ≥ 1,8 √2 I3T
Температура токоведущих частей ТТ при токе термической стойкости не должна превышать: 200 °С для токоведущих частей из алюминия; 250 °С для токоведущих частей из меди и ее сплавов, соприкасающихся с органической изоляцией или маслом, и 300 °С для токоведущих частей из меди и ее сплавов, не соприкасающихся с органической изоляцией или маслом. При определении указан­ных значений температуры следует исходить из начальных ее зна­чений, соответствующих длительной работе трансформатора тока при номинальном токе. Значения токов электродинамической и термической стойкости ТТ государственным стандартом не нормируются. Однако они должны соответствовать электродинамической и термической стойкости других аппаратов высокого напряжения, устанавливае­мых в одной цепи с трансформатором тока. 7. Механическая нагрузка определяется давлением ветра со скоростью 40 м/с на поверхность трансформатора тока и натяжением подводящих проводов (в горизонтальном направлении в плоскости выводов первичной обмотки), которое должно быть не менее: 500 Н - для ТТ до 35 кВ включительно; 1000 Н - для ТТ на 110—220 кВ; 1500 Н - для ТТ на 330 кВ и выше. Таковы основные технические параметры и характеристики трансформаторов тока. При проектировании ТТ помимо этих параметров должны учитываться следующие требования к кон­струкции: - контактные зажимы выводов первичной обмотки трансфор­маторов тока должны выполняться с учетом требований ГОСТ 10434—82, а трансформаторов тока наружной установки — с учетом, кроме того, требований ГОСТ 21242—75. Контактные зажимы выводов вторичных обмоток должны выполняться с уче­том требований ГОСТ 10434—82. Контактные зажимы вторичных обмоток встроенных трансформаторов тока могут быть располо­жены на конструктивных элементах аппарата, в который встроен трансформатор тока. В трансформаторах тока наружной установки контактные зажимы выводов вторичной обмотки должны находиться в специальных коробках, надёжно защищающих их от атмосферных осадков. Обозначение выводных концов первичных и вторичных обмо­ток согласно ГОСТ 7746—78 должно производиться в соответствии с табл. Л-3. Линейные выводы первичной обмотки обозначаются символами Л1 и Л2, которые должны наноситься так, чтобы при направлений тока в первичной обмотке от Л1 и Ht соответственно к Kt и Л2 вторичный ток проходил по внешней цепи (приборам) от И1 к И2. - маслонаполненный трансформатор тока должен иметь маслорасширитель (компенсатор) и указатель уровня масла. Вместимость маслорасширителя должна обеспечивать постоянное наличие в нем масла при всех режимах работы трансформатора тока — от отключенного состояния до нормированной токовой на­грузки — и при колебаниях температуры окружающего воздуха, установленных для данного климатического района. В трансформаторах тока на номинальные напряжения 330 кВ и более обязательно должна быть предусмотрена защита масла от увлажнения, например посредством сильфонов. Целесообразно такую же защиту предусматривать и в трансфор­маторах тока на меньшие напряжения. - размеры указателя уровня масла должны быть такими, чтобы обслуживающий персонал мог с безопасного расстояния на­блюдать за уровнем масла в трансформаторе тока. - трансформаторы тока, имеющие массу более 50 кг, должны иметь приспособления для подъема. Если такие приспособления невозможно выполнить, то завод-изготовитель должен указывать в инструкции места захвата трансформаторов тока при подъеме. - трансформаторы тока, у которых амплитуда напряжения на разомкнутой вторичной обмотке при номинальном токе в пер­вичной обмотке превышает 350 В, должны иметь надпись: «Вни­мание! Опасно! На разомкнутой обмотке высокое напряжение». - трансформаторы тока, кроме встроенных, должны иметь контактную площадку для присоединения заземляющего провод­ника и заземляющий зажим в соответствии с требованиями ГОСТ 21130—75 и ГОСТ 12.2.007.3—75. Возле заземляющего за­жима должен быть установлен знак заземления по ГОСТ 21130—75. Указанные требования не распространяются на ТТ с корпусом из литой смолы или пластмассы, не имеющие подлежащих заземле­нию металлических частей, а также на ТТ, не подлежащие за­землению согласно ГОСТ 12.2.007.3—75. 2. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ТРАНСФОРМАТОРА ТОКА. Принципиальная схема одноступенчатого электромагнитного трансформатора тока и его схема замещения приведены на рис. 2. Как видно из схемы, основными элементами трансформатора тока участвующими в преобразо­вании тока, являются пер­вичная 1 и вторичная 2 об­мотки, намотанные на один и тот же магнитопровод 3. Первичная обмотка включа­ется последовательно (в рас­сечку токопровода высокого напряжения 4, т. е. обтекается током линии Ij. Ко вторичной обмотке подключаются измерительные приборы (амперметр, токовая обмотка счетчика) или реле. При ра­боте трансформатора тока вторичная обмотка всегда замкнута на нагрузку. Рис. 2. Принципиальная схема трансформатора тока и его схема замещения. Первичную обмотку совместно с цепью высокого напряжения называют первичной цепью, а внешнюю цепь, получаю­щую измерительную информацию от вторичной обмотки трансфор­матора тока (т. е. нагрузку и соединительные провода), называют вторичной цепью. Цепь, образуемую вторичной об­моткой и присоединенной к ней вторичной цепью, называют ветвью вторичного тока. Из принципиальной схемы трансформатора видно, что между первичной и вторичной обмотками не имеется электрической связи. Они изолированы друг от друга на полное рабочее напря­жение. Это и позволяет осуществить непосредственное присоеди­нение измерительных приборов или реле ко вторичной обмотке и тем самым исключить воздействие высокого напряжения, при­ложенного к первичной обмотке, на обслуживающий персонал. Так как обе обмотки наложены на один и тот же магнитопровод, то они являются магнитно-связанными. На рис. 2 изображены только те элементы трансформатора тока, которые участвуют в преобразовании тока. Конечно, ТТ имеет много других элементов, обеспечивающих требуемый уро­вень изоляции, защиту от атмосферных воздействий надлежащие монтажные и эксплуатационные характеристики. Перейдем к рассмотрению принципов действия трансформатора тока (рис. 2). По первичной обмотке 1 трансформатора тока про­ходит ток I1, называемый первичным током. Он зависит только от параметров первичной цепи. Поэтому при анализе явлений, происходящих в трансформаторе тока, первичный ток можно считать заданной величиной. При прохождении первичного тока по первичной обмотке в магнитопроводе создается перемен­ный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1. Магнитный поток Ф1 охватывает витки как первичной, так и вторичной обмоток. Пересекая витки вторичной обмотки, магнитный поток Ф1 при своем изменении индуцирует в ней элект­родвижущую силу. Если вторичная обмотка замкнута на некото­рую нагрузку, т. е. к ней присоединена вторичная цепь, то в такой системе «вторичная обмотка — вторичная цепь» под действием индуцируемой э. д. с. будет проходить ток. Этот ток согласно закону Ленца будет иметь направление, противоположное на­правлению первичного тока Ii. Ток, проходящий по вторичной обмотке, создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф2, который направлен встречно магнитному потоку Ф1. Вследствие этого магнитный поток в магнитопроводе, вызванный первичным током, будет уменьшаться.
В результате сложения магнитных потоков Ф1 и Ф2 в магнито­проводе устанавливается результирующий магнитный поток: Ф0 = Ф1 — Ф2 составляющий несколько процентов магнитного по­тока Ф1. Поток Ф0 и является тем передаточным «звеном, посред­ством которого осуществляется передача энергий от первичной обмотки ко вторичной в процессе преобразования тока.
Результирующий магнитный поток Ф0, пересекая витки обеих обмоток, индуцирует при своем изменении в первичной обмотке противо-Э.Д.С. E1, а во вторичной обмотке — э. д. с. E2. Так как витки первичной и вторичной обмоток имеют примерно одинаковое сцепление с магнитным потоком в магнитопроводе (если прене­бречь рассеянием), то в каждом витке обеих обмоток индуцируется одна и та же Э.Д.С. Под воздействием Э. Д. С. E2 во вторичной обмотке протекает ток I2, называемый вторичным током. Если обозначить число витков первичной обмотки, через ω1, а вторичной обмотки — через ω2, то при протекании по ним соот­ветственно токов I1 и I2 в первичной обмотке создается магнито­движущая сила F1 = I1 ω1 называемая первичной маг­нитодвижущей силой (М. Д. С.), а во вторичной обмотке — магнитодвижущая сила F2 = I2 ω2 называемая вто­ричной М. Д. С. Магнитодвижущая сила измеряется в ам­перах. При отсутствии потерь энергии в процессе преобразования тока магнитодвижущие силы F1 и F2 должны быть численно равны, но направлены в противоположные стороны. Трансформатор тока, у которого процесс преобразования тока не сопровождается потерями энергии, называется идеаль­ным. Для идеального трансформатора тока справедливо следую­щее векторное равенство: . . F1=F2 (1) Или I1 ω1=I2 ω2 (2) Из равенства (2) следует, что I1/I2 = ω1/ ω2 = n (3) Т. е. токи в обмотках идеального трансформатора тока обратно пропорциональны числам витков. Отношение первичного тока ко вторичному (I1/I2) или числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки (ω1/ω2) называется коэффициентом трансформации n идеального трансформатора тока. Учитывая равенство (3), можно написать I1 = I2 (ω1/ ω2) = I2n (4) т. е. первичный ток I1 равен вторичному току I2, умноженному на коэффициент трансформации трансформатора тока n. В реальных ТТ преобразование тока сопровождается потерями энергии, расходуемой на создание магнитного потока в магнитопроводе, на нагрев и перемагничивание магнитопровода, а также на нагрев проводов вторичной обмотки и вторичной цепи. Эти потери энергии нарушают установленные выше равенства для абсолютных значений М. Д. С. F1 и F2. В реальном трансформа­торе первичная М. Д. С. должна обеспечить создание необходимой вторичной М. Д. С., а также дополнительной М. Д. С., расходуе­мой на намагничивание магнитопровода и покрытие других по­терь энергии. Следовательно, для реального трансформатора урав­нение (1) будет иметь следующий вид: . . . F1 = F2 +F0 (5) где F0 — полная М. Д. С. намагничивания, затрачиваемая на про­ведение магнитного потока Ф0 по магнитопроводу, на нагрев и перемагничивание его. В соответствии с этим равенство (2) примет вид I1 ω1= I2 ω2 + I0 ω0 (6) где I0 — ток намагничивания, создающий в магнитопроводе магнитный поток Ф0 и являющийся частью первичного тока I1. Разделив все члены уравнения (6) на ω1 получим: . . . I1 = I2 (ω2/ ω1) + I0 (7) При первичном токе, не превышающем номинальный ток ТТ, ток намагничивания обычно составляет не более 1÷3 % первич­ного тока и им можно пренебречь. Тогда (7) будет иметь такой же вид, как (4), т. е. I1 = I2n Таким образом, вторичный ток трансформатора пропорциона­лен первичному току. Из выражений (4) и (7) следует, что для понижения измеряемого тока необходимо чтобы число витков вторичной обмотки было больше числа витков первичной обмотки. Сравнивая формулы (2) и (5), видим, что они отличаются друг от друга членом F0 (или I0ω1). Следовательно, реальный трансформатор тока несколько искажает результаты измерений, т. е. имеет погрешности. Иногда пользуются так называемым приведением тока к пер­вичной или вторичной обмотке. Так, например, если разделить первичный ток на коэффициент трансформации, то получим пер­вичный ток, приведенный ко вторичной обмотке: I’0 = I1/n. Ана­логично приведенный ток намагничивания будет I’0 = I0/n. Тогда получим: . . . I’1 = I’2 + I’0 (8) Путем такого приведения трансформатор тока заменяется эквивалентным ТТ с коэффициентом трансформации, равным еди­нице. Из полученного равенства (8) следует, что часть приведенного первичного тока I’1 идет на намагничивание магнитопровода, а остальная часть трансформируется во вторичную цепь, т. е. первичный ток I’1 как бы разветвляется по двум параллельным цепям: по цепи нагрузки и цепи намагничивания. Этому соответ­ствует схема замещения, приведенная на рис. 2, где в цепь ветви намагничивания z0 от тока I’1 ответвляется ток I’0. Остальная часть тока I’1 проходит по вторичной цепи, представляя собой вторичный ток I2. Сопротивление первичной обмотки ТТ на схеме замещения не показано, так как оно не оказывает влияния на работу трансформатора. 3. ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА ТРАНСФОРМАТОРА ТОКА Для построения векторной диаграммы трансформатора тока (рис. 3), соответствующего схеме замещения на рис. 1-2, должны быть известны следующие величины: 1) число витков ω2, актив­ное r2обм и индуктивное x2обм сопротивления (в Омах) вторичной обмотки трансформатора тока; 2) средняя длина магнитного пути lм (в метрах) и расчетное поперечное сечение SM (в м2) магнито­провода трансформатора тока; 3) материал магнитопровода и его магнитные свойства; 4) вторичная нагрузка z2н = √(r22H+x22H) представляющая собой полное сопротивление (в Омах) всех приборов и реле, включенных во вторичную цепь, а также соединительных проводов в ней; здесь x2H— активное сопротивление вторичной цепи, x2H— индуктивное сопротивление вторичной цеп Рис. 3. Векторная диаграмма трансформатора тока Векторную диаграмму трансформатора тока изобразим в прямоугольной системе координат. Ось абсцисс примем совпадающей с вектором вторичного тока I2. Построение векторной диаграмм производим следующим образом. От начала координат (точка O) отложим вправо вектор вторичного тока I2 (или пропорциональную ему М.Д.С. F2) и вектор активной составляющей падение напряжения на вторичной обмотке I2r2обм совпадающий по направлению с вектором тока I2. Из конца вектора I2r2обм под прямым углом к нему отложим вектор индуктивной составляющей падения напряжения на вторичной обмотке I2x2обм. Из конца этого вектора параллельно I2 отложим вектор активной составляющей падения напряжения на нагрузке I2r2H. Вектор индуктивной составляющей на нагрузке I2x2обм проводим из конца вектора I2r2H перпендикулярно ему. Результирующий вектор дает Э.Д.C. вторичной обмотки (в вольтах):
E2=I2√(r2обм + r2H)2 +( x2обм+ x2H)2 (9) Фазовый сдвиг между вторичной Э.Д.С. I2 и вторичным током будет: ά = arctg((x2обм+x2H)/(r2обм+r2H)) Из курса теоретических основ электротехники известно, что магнитный поток опережает создаваемую им Э.Д.С. на 90°. Магнитная индукция совпадает по направлению с магнитным потоке: Ее максимальное значение (в теслах) может быть определено по формуле:
Bmax=E2/4,44fSMω2=0,225E2/ fSMω2 где Е2 определяется по формуле (9), В; SM — расчетная площадь поперечного сечения магнитопровода, м2; f — частота тока I1, гц. Нанесем на векторную диаграмму направление векторов магнитного потока Ф0 и индукции Вmax. Зная направление этих векторов, можно построить вектор полной М.Д.С. намагничивания. Он должен опережать векторы Ф0и Вmax на угол Ψ. Этот угол, называемый углом потерь, характеризует отношение активной составляющей F0 М.Д.С. намагничивания F0 в магнитопроводе к реактивной составляющей F0p. Угол потерь можно определить по экспериментальной кривой, снятой для данного магнитного материала. Эта кривая пред­ставляет, собой зависимость угла потерь (в градусах) от магнитной индукций Ψ = f(Bmax). Для примера на рис. 4 представлена зависимость удельной М.Д.С, намагничивания Fуд и угла потерь Ψ в электротехнической стали марки 3413 от индукции Bmax. Рис. 4. Типичные зависимости удельной М.Д.С. и угла потерь от индукции Абсолютное значение полной М.Д.С. намагничивания F0 = Fуд lм, где Fyд — удельная М. Д. С. намагничивания (приходящаяся на 1 м длины магнитного пути в магнитопроводе), А/м; lм — средняя длина магнитного пути в магнитопроводе, м. Удельная М. Д. С. Fуд определяется по кривой намагничивания, которая представляет собой зависимость максимальной магнитной индукции от удельной М. Д. С. намагничивания Вмакс = f (FУД). Кривые намагничивания снимаются экспериментально для магнитопровода из стали данной марки. При расчете трансформаторов тока чаще пользуются так называемой перевернутой кривой намагничивания. Эта зависимость удельной М. Д. С. от магнитной индукции Fуд = f (Вмакc) изображена, на рис. 4. Определив по (1-11) значение полной М. Д. С. намагничиваниях F0, строим вектор ее под углом к вектору Ф0 (с опережением). Зная векторы F2 и F0, нетрудно определить вектор первичной М. Д. С. F1. Для этого влево от начала координат откладываем вектор F2. Геометрическим сложением векторов F2 и F0 определим вектор первичной М. Д. С. F1 Мы построили векторную диаграмму ТТ, оперируя магнитодвижущими силами. Однако можно построить векторную диаграмму ТТ, исходя из базисного вектора тока I2. Конечно, все токи должны быть приведены к первичной или вторичной обмотке в соответствии с формулой (8). Векторная диаграмма наглядно показывает соотношения между основными параметрами ТТ (токи, сопротивления и т. д.). Видно, что в реальном ТТ первичная М. Д. С. несколько больше вторичной, так как часть энергии, подводимой к первичной обмотке, затрачи­вается на создание М. Д. С. намагничивания F0. Следовательно, и первичный ток несколько больше вторичного. Кроме того, угол между векторами первичной и вторичной М. Д. С. (и соответственно между токами I1 и I2) несколько меньше 180°. Таким образом, реальный ТТ вносит некоторую погрешность как в измеряемое значение, так и в фазу вторичного тока. 4. УСЛОВИЯ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА Трансформаторам тока приходится работать в различных ре­жимах, имеющих место в электрической цепи, а именно в устано­вившемся и переходном режимах. Установившимся называют режим работы ТТ, при котором токи в первичной и вторичной обмотках ТТ не содержат затухающих свободных апериодических и периодических состав­ляющих. Одним из видов установившегося режима является нор­мальный режим работы ТТ, при котором первичный и вторичный токи, погрешности различных видов и напряжения между обмот­ками ТТ не превышают длительно допустимых при заданных ус­ловиях эксплуатации. К установившимся режимам относится также трансформация тока короткого замыкания или другого тока; отличающегося от нормального рабочего тока установки, после затухания сво­бодных составляющих. Переходным режимом работы ТТ называют электро­магнитный процесс, возникающий при переходе от одного режима к другому вследствие резкого изменения параметров первичного тока или нагрузки ТТ (например, при коротком замыкании или коммутациях в первичной цепи либо при внезапном замыкании накоротко ветви вторичного тока). При переходном режиме по первичной и вто­ричной обмоткам ТТ проходят свободные затухающие составляю­щие токов. При правильном выборе ТТ токи в его обмотках ни при уста­новившихся, ни при переходных режимах не должны превышать допустимые по термической и динамической стойкости. При этом погрешности различных видов также не должны быть больше до­пустимых в этих режимах погрешностей. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 1. Трансформаторы тока. Под ред. В.В. Афанасьев и.др. М: Энергия 1989 2. Бачурин Н.И. Трансформаторы тока. М.: Энергия, 1964 3. Вовин В.Н. Трансформаторы тока. М.: Энергия, 1966 4. Кибель В.М. Трансформаторы напряжения. М.: Энергия 1975