Сегодня: 22 | 10 | 2020

Электрические аппараты конспект лекций (11 - 22 лекции )

ЛЕКЦИЯ № 18

12 ТРАНСФОРМАТОР ТОКА

УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА

Для удобства измерения тока в установках высокого напряжения и изоляции измерительных приборов и устройств релейной защиты от высокого напряжения служат трансформаторы тока (ТТ).

Основными параметрами ТТ являются следующие:

Номинальное напряжение - линейное напряжение энергосистемы, в которой ТТ должен работать. Это напряжение определяет изоляцию между первичной обмоткой, находящейся под высоким потенциалом, и вторичной, один конец которой заземлён;

Номинальный первичный - и вторичный токи - это длительные токи, которые аппарат может пропускать. ТТ обычно имеют запас по нагреву и позволяют длительно пропускать токи, которые примерно на 20 % выше номинального значения. Номинальный вторичный ток ТТ принимается равным 1 или 5 А;

Номинальный коэффициент трансформации - отношение номинальных значений первичного и вторичного токов:

;


Действительный коэффициент трансформации не равен номинальному вследствие погрешности, вызываемой потерями в трансформаторе. Различают токовую погрешность и угловую;

Токовая погрешность - в процентах определяется выражением:


Где - вторичный ток; - первичный приведенный ток.

В соответствии с ГОСТ 7746-78 приняты следующие условные положительные направления токов: первичного тока - ток втекает в начало первичной обмотки, вторичного - ток вытекает из начала вторичной обмотки. Обе обмотки намотаны в одну сторону. При таком положительном направлении токов в ТТ без погрешностей векторы вторичного и первичного токов совпадают по фазе. В реальном ТТ между векторами и существует угол, который называется угловой погрешностью и измеряется в минутах. Если вторичный ток опережает первичный, то погрешность по углу положительная. Угловую погрешность необходимо учитывать при определении активной мощности цепи, равной , где - угол между током и напряжением , а также при измерениях энергии и в ряде релейных защит, работа которых зависит от угла .

Класс точности трансформатора определяется его погрешностью по току в процентах при первичном токе, равном


В зависимости от погрешности по ГОСТ 7746- 78 различают классы точности 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10.

Наряду с токовой и угловой погрешностью ГОСТ 7746-78 предусмотрена полная погрешность , %, она характеризует относительный намагничивающий ток:


Где - действующее значение первичного тока;

- мгновенное значение вторичного тока;

- мгновенное значение первичного тока;

Т - период частоты переменного тока (0,02с);

Номинальная нагрузка ТТ - сопротивление нагрузки , при котором он работает с заданным классом точности при номинальном значении . Иногда применяется понятие номинальной мощности


Поскольку значение тока стандартизовано, то номинальное сопротивление нагрузки однозначно определяет номинальную мощность трансформатора;

Номинальная предельная кратность первичного тока по отношению к его номинальному значению, при которой полная погрешность достигает 5 или 10 %. Соответственно ТТ имеют класс точности 5Р и ЮР. Нагрузка и ее коэффициент мощности должны быть номинальными;

Максимальная кратность вторичного тока - отношение наибольшего вторичного тока к его номинальному значению при номинальной вторичной нагрузке. Максимальная кратность вторичного тока определяется насыщением магнитопровода, когда дальнейшее возрастание первичного тока не ведет к возрастанию потока.

В аварийном режиме ТТ обтекаются током КЗ и их обмотки подвергаются воздействию больших токов;

Динамическая стойкость ТТ (кратность) – определяется отношением допустимого тока ударного КЗ к амплитуде номинального первичного тока;

Термическая стойкость (кратность) - задается отношением допустимого в течение 1 с тока КЗ к номинальному значению первичного тока.

Так как ток первичной обмотки задается сетью, то большим термическим и динамическим воздействиям подвергается первичная обмотка. Вторичный ток часто ограничивается насыщением магнитопровода, и поэтому вторичная обмотка работает в облегченных условиях.

Различают одновитковые и многовитковые трансформаторы тока. в одновитковом ТТ первичная обмотка может быть выполнена в виде стержня, шины или пакета шин. Примером такого исполнения является трансформатор типа ТПOЛ-I0 с номинальным напряжением 10 кВ (рисунок 12.1), который используется как проходной изолятор при переходе линии из одного помещения в другое.

Первичная обмотка-стержень 4, магнитопроводы 1 крепежное кольцо 3 устанавливаются в специальную форму и заливаются жидкой смесью эпоксидной смолы, пылевидного кварцевого песка и отвердителя. После затвердения и полимеризации эта смесь приобретает высокие электрические и механические свойства.

Рисунок 12.1 - Одновитковый ТТ типа ТПOЛ-10

Магнитопроводы трансформатора выполняются в виде двух тороидальных сердечников 1, навитых лентой из текстурованного материала, например марки 3413. Если вторичная обмотка 2 равномерно распределена на тороидальном магнитопроводе, то ее индуктивное сопротивление хz в схеме замещения равно нулю, что позволяет снизить погрешность измерения ТТ. Конструкция допускает установку нескольких ТТ с разными параметрами на одной стержневой первичной обмотке.

Одновитковые ТТ могут быть встроенными. В этом случае используются токоведущий стержень или оборудования (выключателя, силового изолятора, проходного изолятора и др.).

Применение встроенных ТТ дает большой экономический эффект. На проходном изоляторе встроенных ТТ, как правило, устанавливается несколько ТТ, вторичные обмотки которых можно соединять последовательно или параллельно. При последовательном соединении вторичных обмоток коэффициент трансформации не изменяется, так как удваивается число первичных и вторичных витков.

Вторичный ток сохраняется неизменным, а вторичная ЭДС удваивается, что позволяет увеличить в 2 раза вторичную мощность. Для встроенных ТТ это очень важно, так как они удалены от реле и измерительных приборов, благодаря чему сопротивление соединяющих проводов получается большим. При параллельном соединении вторичных обмоток коэффициент трансформации уменьшается, так как первичные обмотки включаются последовательно. При этом вторичный ток двух ТТ увеличивается. Это даёт возможность получить вторичный ток, приближающийся к стандартному значению 5 А, например при первичном токе .

Вторичные обмотки имеют отводы, которые позволяют в небольшом диапазоне регулировать коэффициент трансформации.

При малых первичных токах (ниже 400 А) для получения высокого класса точности применяются многовитковые ТТ. При любом значении первичного тока необходимая для данного класса точности первичная МДС получается за счет увеличения числа витков первичной обмотки . На рисунке 12.2 показан многовитковый трансформатор на напряжение 10 кВ.

Рисунок 12.2 - Многовитковый ТТ

На прямоугольном шихтованном магнитопроводе 1 расположена вторичная обмотка 2. Первичная обмотка 3 выполняется из медной шины. Первичная обмотка выведена на контакты 5, вторичная - на контакты 6. Все детали ТТ залиты эпоксидным компаундом 4.

При КЗ на витки первичной обмотки действуют разрывающие электродинамические силы, что снижает стойкость ТТ. Кроме ТОГО, на первичной обмотке из-за ее относительно большой индуктивности может появиться значительное падение напряжения. Это является недостатком данной конструкции ТТ.

При напряжении 35 кВ и выше АЛЯ открытых установок применяются ТТ с масляной изоляцией. Наиболее распространены ТТ так называемого звеньевого типа (рисунок 12.3). Три тороидальных магнитопровода 1 с вторичными обмотками 2 охвачены первичной обмоткой 4) выполняемой мягким многожильным проводом и обычно имеет несколько параллельных ветвей (на рисунке 12.3, две ветви).

При переходе с параллельного соединения на последовательное первичный номинальный ток трансформатора уменьшается в 2 раза.

Первичная и вторичная обмотки изолируются кабельной бумагой 5 толщиной 0,12 мм. После наложения изоляции магнитопровод с обмотками крепится к основанию ТТ с помощью лап 3.

К этому же основанию крепится фарфоровый кожух, который защищает обмотки от воздействия окружающей среды. Внутренняя полость ТТ после вакуумной сушки заполняется трансформаторным маслом. Масло пропитывает кабельную бумагу и заполняет все пустоты. Такие ТТ выполняются на напряжение до 220 кВ. Общий вид ТТ типа ТФН-35 на напряжение представлен на рисунке 12.4

Рисунок 12.3 – ТТ звеньевого типа

Рисунок 12.4 – Трансформатор тока типа ТФН – 35

Здесь

1 – вывод ветвей первичной обмотки; 2 – вывод первичной обмотки; 3 – магнитопровод;
4 – вторичная обмотка; 5 – изоляция из кабельной бумаги; 6 – фарфоровая покрышка;
7 – трансформаторное масло.

При напряжении применяют каскадные ТТ. На рисунке 12.5,б показан двухступенчатый каскадный ТТ на напряжение 500 кВ. Схема включения обмоток дана на рисунке 12.5,а.

Рисунок 12.5 - Двухступенчатый каскадный ТТ: а - принципиальна. схема; б - общая компоновка

Здесь

– первичная обмотка верхней ступени; – вторичная обмотка верхней ступени; – первичная обмотка нижней ступени; , – вторичные обмотки нижней ступени; – нагрузка ТТ.

Общая компоновка показана на рисунке 12.5,б. Каждая ступень представляет собой ТТ на напряжение Аналогичный показанному на рисунке 12.3. Вторичная обмотка первой ступени питает первичную обмотку второй ступени. При перевозке каждая ступень, залитая маслом, доставляется к месту установки отдельно. Стоимость двухступенчатого трансформатора примерно в 2 раза меньше, чем одноступенчатого. Недостатком каскадного ТТ является увеличение погрешности из-за увеличения сопротивления обмоток.

ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ. ПОГРЕШНОСТЬ И ВЫБОР ТН. НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Трансформаторы напряжения (ТН) служат для преобразования высокого напряжения в низкое стандартное напряжение, удобное для измерения. Обычно за номинальное вторичное напряжение принимается напряжение и

Первичная обмотка ТН изолируется от вторичной соот­ветственно классу напряжения установки. Для безопасности обслуживания один вывод вторичной обмотки заземляется. Таким образом, ТН изолирует измерительные приборы и реле от цепи высокого напряжения и делает безопасным их обслуживание.

Схема включения однофазного ТН дана на рисунке 12.6.

Рисунок 12.6 - Схема включении однофазного ТН

Первичная обмотка присоединена к цепи высокого напряжения через предохранители FU1, FU2. Вторичная обмотка питает нагрузку в виде обмоток измерительных приборов или реле защиты через предохранители FU3, FU4. В нормальной конструкции заземляются и вторичная обмотка и магнитопровод.

Предохранители FU3, FU4 служат для защиты ТН от КЗ в цепи нагрузки. Предохранители FU1, FU2 на высоковольтной стороне служат для защиты сети от КЗ в ТН. Целесообразно применение токоограничивающих предохранителей типа ПКТ или стреляющих с ограничивающим резистором. Вследствие высокого сопротивления обмоток самого ТН при КЗ во вторичной цепи ток в первичной цепи мал (порядка нескольких ампер) и недостаточен для срабатывания предохранителей FU1, FU2. Этим объясняется установка предохранителей FU3, FU4 во вторичной цепи. Основными параметрами ТН являются:

• номинальное напряжение первичной вторичной обмоток, указанное на щитке. Номинальное напряжение ТН равно номинальному напряжению первичной обмотки;

• номинальный коэффициент трансформации отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторичному:


Погрешность по напряжению, %, определяется уравнением


Где - напряжение, поданное на первичную обмотку;

- напряжение, измеренное на выводах вторичной обмотки.

При погрешность

Погрешности ТН не должны превышать значений, предусмотренных классом точности при колебании напряжения в пределах и колебаний мощности вторичной цепи в пределах номинальной.

Номинальная вторичная нагрузка. ТН включаются (рисунок 12.6) так же, как силовые трансформаторы. Ток вторичной обмотки определяется сопротивлением нагрузки:


А вторичная мощность


При уменьшении сопротивления вторичная мощность увеличивается. Вторичная нагрузка , кроме модуля характеризуется также коэффициентом мощности

Номинальная мощность ТН представляет собой наибольшее значение вторичной мощности при при которой погрешность ТН не выходит за пределы, oопределенные классом точности. Требования к ТН определяются ГОСТ 1983-77.

ПОГРЕШНОСТИ ТН

Погрешность ТН обусловлена наличием активных и реактивных сопротивлений обмоток и тока холостого хода. Схема замещения ТН дана на рисунке 12.7, а векторная диаграмма - на рисунке 12.8.

Рисунок 12.7 - Схема замещения ТН

Все величины приведены к первичной обмотке. Поток Ф создает вторичную ЭДС , отстающую от него на 90°.Под действием этой ЭДС во вторичной цепи возникают напряжение и ток , проходящий по сопротивлению нагрузки . Тот же ток создает падения напряжения на сопротивлениях вторичной обмотки . При выбранных положительных направлениях ток - отстает от ЭДС .

Сумма этих напряжений равна ЭДС . Намагничивающий ток (ток холостого хода) на угол потерь опережает поток Ф. В первичной обмотке создается падение напряжения .

Но



Тогда


Согласно рисунку 12.7 можно написать:


Получаем


Катеты треугольника АВС пропорциональны падениям напряжения от тока холостого хода , Катеты треугольника CDЕ - падениям напряжения от тока нагрузки .

При отсутствии погрешности точки А, Е должны совпасть.



Или


Погрешность ТН по напряжению


Поскольку угол между и мал, то вместо арифметической разности модулей этих векторов можно взять проекцию вектора АЕ на ось . Таким образом, погрешность определяется отрезком AF.

Рисунок 12.8 – Векторная диаграмма ТН

(18.1)

Уравнение (18.1) показывает, что погрешность состоит из двух частей. Первая определяется током холостого хода, вторая - током нагрузки. Аля того чтобы уменьшить погрешность по напряжению, снижают активное и реактивное сопротивление обмоток. Уменьшение активного сопротивления достигается малой плотностью токов в обмотках (около 0,3 ), что облегчает тепловой режим ТН.

На погрешность влияет коэффициент мощности нагрузки . С уменьшением погрешность увеличивается.

Погрешность по напряжению можно компенсировать путем уменьшения числа витков первичной обмотки. При этом коэффициент трансформации становится меньше номинального, вторичное напряжение возрастает, вводится положительная погрешность, которая компенсирует отрицательную. Обычно вводится такая коррекция, что при холостом ходе трансформатор имеет максимально допустимую для данного класса точности положительную погрешность.

На угловую погрешность витковая коррекция не влияет.

В трехфазных ТН угловую погрешность можно компенсировать с помощью специальных компенсирующих обмоток. При активной нагрузке вносится положительная коррекция. При индуктивной нагрузке применяется схема соединении, создающая отрицательную коррекцию.

Номинальное напряжение первичной обмотки ТН должно соответствовать номинальному напряжению сети, в которую он включается. Если ТН включается между фазой и землей - то номинальному фазному напряжению. Номинальное вторичное напряжение ТН должно соответствовать номинальному напряжению нагрузки. Нагрузка должна быть равномерно распределена по фазам ТН. Суммарная нагрузка на фазу ТН должна быть меньше допустимой при заданном классе точности и коэффициенте мощности.

Сечение проводников, соединяющих ТН с нагрузкой, должно быть таким, чтобы падение напряжения на них составляло доли процента номинального вторичного напряжения.