На сегодняшний день правительство проводит и придерживается политики энергосбережения. Теперь каждый пользователь обязательно должен вести учет всей потребляемой энергии. Существующие приборы учета электричества просто не могут работать с высоким напряжением. Поэтому здесь вам на помощь придут устройства, которые могут преобразовывать электричество с высокого напряжения в низкое. Эти устройства называются измерительные трансформаторы.
Измерительные трансформаторы тока
Измерительные трансформаторы тока способны изолировать цепь электрических приборов от высокого напряжения к низкому. Их конструкция значительно упрощается, так как они могут работать с меньшим напряжением и током. Измерительные трансформаторы также способны преобразовывать большое напряжение в ток незначительной величины. Благодаря этому у пользователей появляется возможность применять стандартные измерительные приборы для замера тока.
По своей конструкции измерительные трансформаторы могут быть нескольких видов. К основным видам относят:
- Встроенный – это устройство, у которого вместо первичной обмотки имеется ввод электричества.
- Опорный – это прибор, который устанавливается на опоре.
- Проходной – это трансформатор, который используется в качестве входа.
- Шинный – это прибор, которому первичной обмоткой служит одна или несколько шин.
- Разъемный – устройство, цепь которого будет размыкаться, и замыкаться вокруг проводника.
- Трансформатор Тесла.
Измерительный трансформатор напряжения может иметь следующие основные показатели:
- Показатель коэффициента трансформации.
- Диапазон рабочей частоты.
- Класс точности измерения трансформаторов.
- Максимальный первичный ток.
- Значения погрешности.
Отличия измерительных трансформаторов от других приборов
Измерительные трансформаторы значительно отличаются от других приборов. измерительного может немного отличаться от других устройств. Основное отличие заключается в том, что он включается первичной обмоткой в измеряемую цепь. Вторичная обмотка полностью будет пропорциональна первичному току, который будет измеряться. Обычно вторичную обмотку в этих приорах рассчитывают под ток в 5 А. К ней могут подключаться:
- Амперметры.
- Ваттметры.
Также достаточно часто измерительные трансформаторы используются в качестве релейной защиты. Релейная защита предназначается для защиты электрических систем от короткого замыкания. Информация о повышении напряжения поступает от измерительного трансформатора и реле.
Во вторичную обмотку измерительных трансформаторов достаточно легко можно подключить несколько разных приборов. Их ограничение будет зависеть от величины общего сопротивления. Это число не должно превышать 2 Ома. Если это число будет выше, тогда значительно может снизиться точность измерения. Даже незначительное увеличение сопротивления может привести к изменению класса точности. При размыкании вторичной цепи у вас также возрастет ЭДС на конце обмотки. Если ЭДС возрастет, тогда может произойти пробой изоляции. При размыкании электрической сети ток будет равным нулю. В первичной обмотке он меняться не будет, а во вторичной обмотке это может привести к увеличению ЭДС.
Как правило, в трехфазных сетях измерительные трансформаторы можно устанавливать как в двух, так и в трех фазах. Если вы его установите в двух фазах, тогда вторичная обмотка будет соединена в виде «неполной звезды». Если напряжение сети будет составлять выше 35 кВт, тогда измерительные трансформаторы тока будут установлены во всех трех фазах. Если трансформаторы использовать для дифференциальной защиты, тогда вторичную обмотку необходимо соединить в виде «треугольника».
В релейной защите измерительные трансформаторы напряжения предназначены:
Для передачи информации о величине напряжения на защищаемом элементе электрической сети в измерительные органы РЗ;
Для понижения первичного напряжения сети до величин, приемлемых для нормального функционирования цепей напряжения измерительных органов устройств РЗ;
Для изолирования низковольтных цепей устройств РЗ от высоковольтных цепей защищаемых элементов.
Измерительные трансформаторы напряжения (ТН) имеют ряд исполнений, основными из которых являются:
Электромагнитные ТН;
- ёмкостные ТН;
Измерительные ТН каскадного типа.
Электромагнитные ТН по принципу действия и конструктивному выполнению аналогичны силовым трансформаторам. Трансформатор напряжения состоит из стального сердечника (магнитопровода) и двух обмоток – первичной W 1 и вторичной W 2 , изолированных друг от друга и от магнитопровода. Сердечник ТН набирается из тонких пластин трансформаторной стали. Первичная обмотка W 1 имеет большое число витков (несколько тысяч). Вторичная обмотка W 2 имеет значительно меньшее число витков. К первичной обмотке ТН подводится измеряемое (контролируемое) фазное или междуфазное напряжение U 1 от защищаемого элемента. Вторичное напряжение U 2 , пропорциональное первичному, подаётся в устройство РЗ или на измерительные приборы (вольтметры, ваттметры).
Первичная обмотка W 1 включается непосредственно в сеть высокого напряжения. На станциях и подстанциях трансформатор напряжения своей первичной обмоткой (W 1) подключается к шинам подстанции (станции) или к иным тоководам. Ко вторичной обмотке W 2 трансформатора напряжения подключается сеть низкого переменного напряжения, с помощью которой вторичное напряжение U 2 подаётся на входные зажимы различных реле.
Под действием напряжения сети U 1 по первичной обмотке ТН проходит ток I 1 , создающий в сердечнике магнитный поток Ф 1 . Поток Ф 1 , пересекая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС Е 2 . При
Рисунок 1.1 Общее устройство и схема включения измерительного ТН. Маркировка вводов однофазного двухобмоточного ТН
разомкнутой вторичной цепи (режим работы ТН – холостой ход) значение напряжения на зажимах ах U 2 xx равно значению ЭДС Е 2 . В свою очередь, действующее значение ЭДС Е 2 определяют по формуле
, (1.1)
где - магнитный поток намагничивания сердечника в случае холостого хода, когда I 2 = 0, .
Врежиме ХХ значение первичного токаI 1 , а следовательно и Ф 1 , ограничивается полным сопротивлением первичной обмотки Z 1 . Поскольку число витков первичной обмотки велико, то активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки ТН также велики. Полное сопротивление Z 1 первичной обмотки определяется из треугольника сопротивлений.
(1.2)
Из сказанного выше можно сделать вывод: трансформатор напряжения, работающий в режиме ХХ, не оказывает на первичную цепь заметного шунтирующего действия.
В нагрузочном режиме, когда ко вторичной обмотке ТН подключены реле и протекает ток I 2 , в сердечнике возникает магнитный поток Ф 2 , пропорциональный току I 2 и встречный потоку Ф 1 . В установившемся режиме (при наличии нагрузки) в результате геометрического сложения потоков Ф 1 и Ф 2 в сердечнике ТН устанавливается единый магнитный поток намагничивания Ф нам. В нагрузочном режиме значение тока I 1 несколько больше, чем в режиме ХХ. Однако, и в этом режиме (когда к ТН подключены реле) трансформатор напряжения не оказывает на первичную цепь заметного шунтирующего действия.
В режиме ХХ напряжение U 2хх во столько раз меньше первичного, во сколько раз число витков первичной обмотки больше числа витков вторичной обмотки, т.е.
Отношение чисел витков первичной и вторичной обмоток называется витковым коэффициентом трансформации
Учитывая последнее выражение, можно записать:
Если ко вторичной обмотке ТН подключены реле и (или) измерительные приборы, то напряжение на её зажимах ах U 2 будет меньше ЭДС на величину падения напряжения в сопротивлении вторичной обмотки. Это падение напряжения невелико, и в расчётах не учитывается. Поэтому принимают
(1.6)
Измерительный трансфомратор тока
Измерительный трансфомратор напряжения
Измерительный трансформатор применяют в установках переменного тока для изоляции цепей измерительных приборов и реле от сети высокого напряжения и для расширения пределов измерения измерительных приборов. Непосредственное включение измерительных приборов в цепь высокого напряжения сделало бы приборы опасными для прикосновения. Конструкция приборов в этом случае была бы сильно усложнена, так как изоляция токоведущих частей должна была бы быть рассчитана на высокое напряжение, а их сечение – на большие токи.
Измерительные трансформаторы делятся на трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Их применение дает возможность пользоваться одними и теми же приборами со стандартными пределами измерения для измерения самых различных напряжений и токов.
Измерительный трансформатор тока преобразует измеряемый большой ток в малый, а измерительный трансформатор напряжения – измеряемое высокое напряжение в низкое.
Классификация измерительных трансформаторов
По назначению измерительные трансформаторы подразделяются на измерительные трансформаторы для измерений и измерительные трансформаторы для защиты. Последние могут предназначаться для работы только в установившихся (статических) режимах либо в установившихся и переходных (динамических) режимах.
В зависимости от вида преобразования измерительные трансформаторы 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 измерительные трансформаторы подразделяются на аналоговые и дискретные.
Целесообразно разделять измерительные трансформаторы в зависимости от уровня напряжения, определяющего конструкцию, а иногда и принцип действия измерительного трансформатора.
Все измерительные трансформаторы и для измерений, и для защиты - можно классифицировать по следующим основным признакам.
По роду установки:
- измерительные трансформаторы для работы на открытом воздухе;
- измерительные трансформаторы для работы в закрытых помещениях;
- измерительные трансформаторы для встраивания в полости электрооборудования;
- измерительные трансформаторы для специальных установок (в шахтах, на судах, электровозах и т, д,).
По способу установки:
- проходные измерительные трансформаторы , предназначенные для использования в качестве ввода и устанавливаемые в проемах стен, потолков или в металлических конструкциях;
- опорные , предназначенные для установки на опорной плоскости;
- встраиваемые измерительные трансформаторы , 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.
Измерительные трансформаторы тока по выполнению первичной обмотки:
- одновитковые;
- многовитковые.
Одновитковые измерительные трансформаторы тока имеют две разновидности:
- без собственной первичной обмотки;
- с собственной первичной обмоткой.
Одновитковые измерительные трансформаторы тока, не имеющие собственной первичной обмотки, выполняются встроенными, шинными или разъемными.
- Встроенный измерительный трансформатор тока представляет собой магнитопровод с намотанной на него вторичной обмоткой. Он не имеет собственной первичной обмотки. Ее роль выполняет токоведущий стержень проходного изолятора. Этот измерительный трансформатор тока не имеет изоляционных элементов между первичной и вторичной обмотками. Их роль выполняет изоляция проходного изолятора.
- В шинном измерительном 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 измерительный трансформатор тока 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 измерительного трансформатора, Изоляция между первичной и вторичной обмотками наложена на магнитопровод со вторичной обмоткой.
Одновитковые измерительные трансформаторы тока, имеющие собственную первичную обмотку, выполняются со стержневой первичной обмоткой или с U-образной.
Многовитковые измерительные трансформаторы тока изготавливаются
- с катушечной первичной обмоткой, надеваемой на магнитопровод;
- с петлевой первичной обмоткой, 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 рымовидиой 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 измерительного трансформатора 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 измерительные трансформаторы тока делятся на
- электромагнитные
- оптико-электронные.
Назначение измерительного трансформатора
В современных электротехнических установках напряжение достигает 750 кВ и выше, а токи измеряются десятками килоампер и более. Для непосредственного их измерения потребовались бы очень громоздкие и дорогостоящие электроизмерительные приборы. В отдельных случаях такие измерения были бы совсем невозможны. Кроме того, при обслуживании приборов, непосредственно подключенных к сети высокого напряжения, обслуживающий персонал подвергался бы большой опасности поражения током. Применение измерительных трансформаторов расширяет пределы измерения обычных электроизмерительных приборов и одновременно изолирует их от цепей высокого напряжения.
Измерительные трансформаторы применяют для подключения амперметров, вольтметров, ваттметров, приборов релейной защиты и электроавтоматики, счетчиков для учета выработки и расхода электрической энергии. От их работы зависит точность учета электрической энергии и измерения электрических параметров, правильность и надежность действия релейной защиты при повреждениях электрического оборудования и линий электропередач.
В ячейках распределительного устройства (РУ), через которые подключаются к сборным шинам линия, генератор, силовой трансформатор, устанавливают трансформаторы тока (обозначение на схемах ТА), а на каждой секции сборных шин и на выводах генераторов - трансформаторы напряжения (TV). При соответствующем подборе коэффициентов трансформации этих измерительных устройств ток в любой цепи можно измерить обычным амперметром, рассчитанным на 5 А, а напряжение - вольтметром, рассчитанным на 100 В.
Рис. 1. Принципиальная схема (а) и устройство (б) трансформатора тока, предназначенного для внутренней установки
:
1.2 - соответственно первичная и вторичная обмотки; 3, 5 - кольцевые сердечники; 4 - фарфоровый изолятор; W - ваттметр; Л - амперметр; КА - реле
В электроустановках трансформаторы тока (ТТ) предназначены для питания токовых катушек измерительных приборов и реле, а трансформаторы напряжения (ТН) - катушек напряжения измерительных приборов и аппаратов защиты, измерения и контроля за напряжением. При этом измерительные приборы надежно изолированы от высокого напряжения, гак как в трансформаторах нет электрической связи между обмотками высокого и низкого напряжения. Вторичные обмотки ТТ и ТН заземляют, чтобы предотвратить появление высокого напряжения на измерительных приборах в случае аварийного пробоя изоляции между обмотками высокого и низ- кош напряжения измерительного трансформатора.
Первичная обмотка /трансформатора тока (рис. 1), представляющая собой стержень, шину или катушку, проходит внутри фарфорового изолятора 4, на который надеты кольцевые сердечники 3, 5 (один или два). Сердечники изготовляют из спиральной стальной ленты, свернутой в виде кольца. На каждый сердечник намотана вторичная обмотка 2 из медного изолированного провода. Трансформаторы тока имеют однофазное исполнении. В РУ применяют ТТ классов точности 0,5; 1;3.
Рис. 2. Стержневой трансформатор типа ТПОЛ-10
:
1 - зажимы; 2- приливы для крепления трансформатора; 3, 5 - магнитопроволы; 4 - основание; 6- блок
I - первичная обмотка; 2 - магнитопроводы; 3- монолитный блок; 4 - фланец; 5 - зажимы
Конструктивное исполнение ТТ весьма разнообразно. Различают одно- и многовитковые ТТ. Среди одновитковых наибольшее распространение получили стержневые, шинные и встроенные ТТ.
Стержневые ТТ изготавляют на напряжение до 35 кВ и номинальный первичный ток от 400 до 1 500 А. В качестве примера на рис. 2 показан трансформатор типа ТПОЛ-10 (П - проходной, О - одновитковый, Л - с литой изоляцией) на номинальное напряжение 10 кВ. Первичная обмотка 7 выполнена в виде прямолинейного стержня с зажимами на концах. На стержень поверх изоляции надеты два кольцевых магнитопровода 2 с вторичными обмотками. Магнитопроводы вместе с первичной и вторичной обмотками залиты эпоксидным компаундом и образуют монолитный блок 3 в виде проходного изолятора. Блок снабжен фланцем 4 из силумина с отверстиями под болты для крепления трансформатора. Зажимы 5 вторичных обмоток расположены на боковом приливе блока.
Рис. 3. Шинный трансформатор типа ТШЛ-20
:
Шинные ТТ класса точности 0,5 изготовляют на напряжение до 20 кВ и номинальный первичный ток до 18 000 А. При таком большом токе целесообразно использовать в качестве первичной обмотки проводник (шину, пакет шин) соответствующей электроустановки. При этом устраняются зажимы первичной обмотки с контактными соединениями. В качестве примера на рис. 3 показан трансформатор тока типа ТШЛ-20 (LL1 - шинный) на напряжение 20 кВ. Магнитопроводы J и 5 с вторичными обмотками залиты эпоксидным компаундом и образуют изоляционный блок 6. Блок соединен с основанием 4 и приливами 2для крепления трансформатора. Проходное отверстие (окно) трансформатора рассчитано на установку шин. Зажимы 7 вторичных обмоток расположены над блоком 6.
Рис. 4. Многовитковые трансформаторы тока типов ТПЛ-10 (а), ТФНД (б) и ТФНД (в)
:
Л\, Л2 - соответственно ввод и вывод шины со стороны высшего напряжения; И1, И2 - выводы обмотки со стороны низшего напряжения
Многовитковые ТТ изготовляют для всей шкалы номинальных напряжений на первичный номинальный ток силой 100... 1600 А.
Для напряжений 6... 10 кВ выпускают ТТ с эпоксидной изоляцией. На рис.4, а показан ТТ типа ТПЛ-10 на напряжение 10 кВ.
Для напряжений 35...220 кВ изготовляют ТТ наружной установки с масляной изоляцией типов ТФН, ТФНД (Ф - с фарфоровым кожухом, Н - для наружной установки, Д - с обмоткой для релейной защиты) (рис. 4, б, в).
Схемы включения трансформаторов тока приведены на рис. 5.
Защита кабельных линий от однофазных замыканий на землю часто осуществляется с помощью трансформатора тока нулевой последовательности (типа ТНП или ТНП-Ш), имеющим кольцеобразную или прямоугольную форму. Трансформатор (рис. 6) надевается на защищаемый кабель. К обмотке трансформатора подключается защитное реле КА.
Трансформатор напряжения (рис. 7) конструктивно во многом похож на силовой трансформатор небольшой мощности для той же ступени напряжения. Номинальное напряжение вторичных обмоток ТН составляет 100 В. Для установки в РУ используются ТН классов точности 0,5; 1 и 3.
Рис. 5. Схемы включения трансформатора тока для измерения тока в одной (а), двух (б) и трех (в) фазах
Рис. 7. 
Рис. 6.
Трансформаторы напряжения выпускаются на все стандартные напряжения от 0,5 до 500 кВ. Для напряжений до 3 кВ ТН выполняются сухими, для 6 кВ и выше - масляными. Трансформаторы на напряжение 35 кВ и выше изготовляют для наружной установки. Схемы включения ТН приведены на рис. 8.
Рис. 8. :
а - трехфазного трехстержневого; б - двух однофазных; в - трех однофазных; г- трехфазного пятистержневого
Напряжения проводов относительно земли используют для релейной защиты, а также для сигнализации об однофазных замыканиях в сетях, где повреждения этого вида не требуют автоматического отключения и могут быть длительными (сети с изолированной нейтралью).
В схемах, приведенных на рис. 8, при отсутствии замыкания на землю вольтметры показывают фазное напряжение, а при замыкании на землю одной из фаз показание вольтметра этой фазы близко к нулю. Показания двух других вольтметров близки к значениям линейных напряжений.
Трансформатор на рис. 8, г содержит две вторичные обмотки, одна из которых служит для измерений фазных и линейных напряжений. Вторая обмотка соединена в разомкнутый треугольник, на концах которого напряжение равно нулю при нормальном состоянии сети, так как сумма трех фазных ЭДС, индуктируемых в дополнительных обмотках, равна нулю.
При однофазном замыкании в сети на зажимах разомкнутого треугольника появляется напряжение, соответствующее тройному напряжению нулевой последовательности.
Реле, подключенное к обмотке, подает сигнал о неисправности сети. Число витков на фазу дополнительной обмотки выбирают таким образом, чтобы при замыкании в сети напряжение на ее зажимах составляло около 100 В.
1.doc
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИДАЛЬНЕВОСТЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Электроэнергетики
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ
Аппараты распределительных устройств высокого напряжения
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Руководство к лабораторной работе № 7
Владивосток 2003
Руководство (переработанное и дополненное) содержит общие теоретические сведения по назначению и конструкциям измерительных трансформаторов: трансформаторов тока и трансформаторов напряжения.
Приведены электрические схемы включения этих аппаратов.
Руководство предназначено для лабораторных работ по дисциплине «Электрические аппараты» для студентов, обучающихся по направлению 650900 «Электроэнергетика» всех форм обучения.
Составлено канд. техн. наук доцентом кафедры Электроэнергетики Холяновой О.М.
Владивосток, ДВГТУ, 2003
^ АППАРАТЫ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Цель лабораторной работы: изучение конструкций трансформаторов тока и трансформаторов напряжения на разные классы напряжения, их назначение и использование в схемах электроснабжения.
^ При защите необходимо:
1. Объяснить назначение и конструкцию трансформатора тока и трансформатора напряжения (с использованием теории электрических аппаратов) на примере имеющихся аппаратов в лаборатории.
2. Назвать и расшифровать тип аппаратов.
3. Показать электрическую схему включения трансформаторов тока и трансформаторов напряжения.
4. Ответить на контрольные вопросы.
^ 1. ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА
1.1. Общие сведения
Измерительные трансформаторы тока (ТТ) представляют собой аппараты для преобразования токов первичных цепей в стандартные токи
(5 или 1 А) для измерительных приборов, устройств релейной защиты и автоматики. Нормально трансформаторы тока работают в режиме, близком к режиму короткого замыкания вторичной обмотки. Размыкание вторичной обмотки при наличии тока в первичной цепи недопустимо, так как при этом может быть повреждена изоляция трансформатора с вытекающими отсюда последствиями.
Трансформаторы тока выполняются для внутренней и наружной установки на всю шкалу токов и напряжений. Трансформаторы тока обладают погрешностями по току и по углу.
Для уменьшения погрешности по току осуществляют подгонку числа витков вторичной обмотки (несколько уменьшая их). Угловая погрешность зависит от коэффициента мощности нагрузки вторичной обмотки. Подгонка витков не влияет на величину угловой погрешности,
Величина погрешностей по току в процентах при первичном токе, равном 100-120 % iihom, определяет класс точности работы трансформаторов тока.
В зависимости от погрешности по ГОСТ 7746-78 различают классы точности 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10. Класс точности выбирается в соответствии с его назначением. Более точные ТТ (класс 0,2; 0,5; 1) используются для измерений, более грубые - для релейной защиты.
В зависимости от нагрузки вторичной обмотки один и тот же трансформатор тока может работать в различных классах точности. С увеличением нагрузки сверх номинальной в данном классе точности трансформатор переходит работать в худший класс точности. Сопротивление вторичной нагрузки зависит как от параметров подключенных элементов (реле, измерительных приборов), так и от схемы соединения трансформаторов тока с этими элементами.
В электроустановках используют одновитковые (стержневые, шинные, встроенные), многовитковые (катушечные, звеньевые) и каскадные трансформаторы тока.
Выбор того или иного типа трансформатора тока зависит от напряжения сети, значения длительного максимального тока цепи, значения и хдрактера нагрузки вторичных цепей, а также от тока КЗ и длительности его протекания в цепи.
Каждый трансформатор тока состоит из следующих частей: первичной обмотки, сердечника, вторичной обмотки и изоляции.
На рис. 1.1 показаны принципиальные схемы устройства трансформаторов тока.
Рис. 1.1. Принципиальные схемы устройства трансформаторов тока: а - одновитковый; б - многовитковый с одним сердечником; в – многовитковый с двумя сердечниками; 1 - первичная обмотка; 2 - изоляция; 3 - сердечник; 4 - вторичная обмотка.
Первичная обмотка 1 включается последовательно в измеряемую цепь. Ток этой обмотки и является измеряемым током. Вторичная обмотка 2 должна обязательно быть замкнута на нагрузку (на измерительный прибор, цепь защиты и т.д.) не превосходящую определенного значения. Разомкнутое состояние вторичной обмотки является аварийным режимом.
Если разомкнуть вторичную обмотку, магнитный поток в сердечнике резко возрастает, так как его величина будет теперь определяться намагничивающей силой первичной обмотки. В этом режиме сердечник может нагреться до недопустимой температуры, а на вторичной разомкнутой обмотке появится высокое напряжение, достигающее в некоторых случаях десятков киловольт.
1.2. Конструкции одновитковых трансформаторов тока
Отличительной особенностью одновитковых трансформаторов тока является использование в качестве первичной обмотки одного прямолинейного проводника.
^ Стержневой трансформатор - с первичной обмоткой в виде стержня круглого сечения.
Шинный трансформатор - поставляется заводом без первичной обмотки (при монтаже через окно проходного изолятора пропускается шина распределительного устройства, которая в дальнейшем играет роль первичной обмотки).
^ Встроенный трансформатор - представляет собой кольцевой сердечник с намотанной на него вторичной обмоткой, который одевается на проходной изолятор масляного выключателя или силового трансформатора, причем первичной обмоткой служит стержень изолятора.
Выполнение первичной обмотки в виде одного прямолинейного проводника упрощает конструкцию трансформатора, снижает ее размеры и вес. Вместе с тем одновитковые трансформаторы тока целесообразно применять только при относительно больших номинальных первичных токах (обычно от 600 А и выше), так как при малых токах они не обеспечивают необходимой точности измерения.
Для трансформаторов тока внутренней установки до 35 кВ и наружной установки до 10 кВ применяется литая изоляция на основе эпоксидных смол.
^ Стержневые трансформаторы тока с литой изоляцией типа ТПОЛ (Т - трансформатор тока, П - проходной, О - одновитковый, Л - с литой изоляцией). Предназначены для внутренней установки и изготавливаются на напряжения от 10 до 35 кВ на токи от 600 до 1500 А. На рис. 1.2 показана конструкция проходного одновиткового ТТ с литой изоляцией из эпоксидной смолы типа ТПОЛ-10 на 10 кВ 1000 А с двумя сердечниками.
Рис. 1.2. Проходной одновитковый трансформатор тока ТПОЛ-10:
А - расположение сердечников с обмотками; б -конструкция: 1 - сердечник; 2 - вторичная обмотка; 3 - крепежное кольцо; 4 - стержень первичной обмотки
Первичная обмотка выполнена в виде круглого медного стержня, концы которого имеют прямоугольную форму. Стержень первичной обмотки пронизывает два тороидальных сердечника, представляющих собой свернутые спиралью ленты трансформаторной стали. На каждый сердечник поверх картона намотана вторичная обмотка, выполненная изолированным проводом. Между сердечниками установлено фигурное полукольцо, на котором укреплен прямоугольный опорный фланец.
Сердечники с первичной обмоткой залиты компаундом, образуя изоляционный блок в виде проходного изолятора. Выводы вторичной обмотки расположены на боковом приливе блока.
^ Шинные трансформаторы тока (проходные и опорные) строят на большие номинальные первичные токи. Роль первичной обмотки выполняет шина, пропускаемая внутри трансформатора.
На напряжение 0,66 кВ и токи от 800 до 10000 А есть трансформаторы типа ТНШЛ-0,66 (Н - низкого напряжения, Щ - шинный, Л - с литой изоляцией), см. рис. 1.3.
-330 (210)
Рис. 1.3. трансформатор тока ТНШЛ-0,66 на 3000-5000 А
Встроенные трансформаторы тока типа ТВ и ТВТ (Т- трансформатор тока, В - встроенный, Т - встроенный в силовой трансформатор) составляют часть конструкции выключателей с большим объемом масла на напряжение 35 кВ и выше и силовых трансформаторов.
Встроенный трансформатор тока представляет собой стержневой трансформатор тока, использующий в качестве основной изоляции изоляцию масляного выключателя или силового трансформатора. Поэтому встроенные трансформаторы весьма дешевы и не требуют особого места для установки.
Основным недостатком встроенного трансформатора тока является низкая точность измерения - порядка 10 (особенно при небольших номинальных токах). Это объясняется тем, что кольцевой сердечник встроенного трансформатора тока выполняется с большим внутренним диаметром, определяемым размерами изолятора выключателя.
1.3. Многовитковые трансформаторы тока
При малых первичных токах (ниже 400 А) для получения высокого класса точности применяются многовитковые ТТ. Чем меньше номинальный ток, тем, очевидно, большее число витков должна иметь первичная обмотка.
Конструктивно многовитковые трансформаторы тока сложнее одновитковых. Наличие нескольких витков в первичной обмотке усложняет конструкцию и затрудняет обеспечение необходимой устойчивости аппарата по отношению к электродинамическим силам при коротких замыканиях.
По форме первичной обмотки и её расположению относительно сердечника многовитковые ТТ подразделяют на катушечные и звеньевые, по способу крепления - на опорные и проходные, по виду изоляции - с литой изоляцией и маслонаполненные.
На рис. 1.4 показан многовитковый трансформатор тока ТПЛ-10 (Т -
Трансформатора тока, П - проходной, Л - с литой изоляцией, на напряжение 10 кВ). 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.
Рис. 1.4. Трансформатор тока ТПЛ-10 с двумя сердечниками
При напряжении 35 кВ и выше для открытых установок применяются ТТ с масляной изоляцией. Наиболее распространены ТТ звеньевого типа, рис. 1.5. Три тороидальных магнитопровода 1 со вторичными обмотками 2 охвачены первичной обмоткой 4, выполняемой мягким многожильным проводом.
Первичная обмотка обычно имеет несколько параллельных ветвей (на рис. 1.5 две ветви). При переходе с параллельного соединения на последовательное первичный номинальный ток трансформатора уменьшается в 2 раза.
Рис. 1.5 ТТ звеньевого типа
Рис. 1.6. ТТтипаТФН-35
Первичная и вторичная обмотки изолируются кабельной бумагой 5 . 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 воздействий 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 маслонаполненного ТТ опорного исполнения, с обмотками звеньевого типа ТФН-35 (Т трансформатор тока, Ф - в фарфоровом корпусе, Н - для наружной установки, на напряжение 35 кВ) представлен на рис. 1.6. 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.
АО «Электроаппарат», г. С.-Петербург, выпускают новое поколение измерительных трансформаторов тока - ТГФ (Г - с элегазовой изоляцией) на напряжения ПО и 220 кВ, рис. 1.7 и 1.8.
Трансформатор тока ТГФ - наружной установки, с элегазовой изоляцией, в фарфоровой покрышке, пожаробезопасен, герметичен, не требует постоянного обслуживания в течение всего срока службы и предназначен для использования вместо трансформаторов тока с бумажно-масляной изоляцией. В настоящее время разработана покрышка из полимерных материалов.
Номинальный первичный ток при напряжении 110 кВ - от 100 до 2000 А; 220 кВ-от 600 до 3000 А.
Недостатком каскадного ТТ является увеличение погрешности из-за
увеличения сопротивления обмоток.
^
2. ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
2.1.Общие сведения
Трансформаторы напряжения предназначены для понижения высокого
I-i напряжения (свыше 250 В) до значения, равного 100 В или 100/√3 В, необходимого для питания измерительных приборов, цепей автоматики, сигнализации и защитных устройств. Нормально трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к режиму холостого хода вторичной обмотки.
Трансформатор напряжения при напряжении до 35 кВ по принципу выполнения ничем не отличается от силового понижающего трансформатора. Он состоит из магнитопровода, набранного из пластин листовой электротехнической стали, первичной обмотки и одной или двух вторичных обмоток. На рис. 2.1. показана схема трансформатора напряжения с одной вторичной обмоткой. На первичную обмотку подается высокое напряжение U b a напряжение вторичной обмотки U 2 подведено к измерительному прибору.
Рис. 2.1 Схема включения однофазного трансформатора напряжения
Трансформаторы применяются в наружных (типа НОМ-35, серий ЗНОМ и НКФ) или внутренних установках переменного тока напряжением 0,38-500 кВ и номинальной частотой 50 Гц.
Трехобмоточные трансформаторы НТМИ предназначены для сетей с изолированной нейтралью, серии НКФ (кроме НКФ-110-5 8) - с заземленной нейтралью.
Класс точности трансформаторов напряжения (ТН) характеризуется максимально допустимыми погрешностью напряжения и угловой погрешностью при определенном режиме работы трансформатора.
Погрешность
Класс точности Напряжения, ± % Угловая, ± %
3 3 не нормируется
Трансформаторы напряжения сохраняют класс точности при изменении первичного напряжения от 80 до 120% номинального.
В электроустановках используются однофазные, трехфазные (пятистержневые) и каскадные ТН. Выбор того или иного типа ТН зависит от напряжения сети, значения и характера нагрузки вторичных цепей и назначения ТН (для целей изменения, для контроля однофазных замыканий на землю, для питания устройств релейной защиты и автоматики).
Ввиду относительно высокой стоимости ТН для сетей 110-750 кВ они в ряде случаев, там, где это возможно по условиям работы систем измерения, защиты и автоматики электроустановок, заменяются емкостными делителями напряжения.
По изоляции различают ТН с сухой и масляной изоляцией.
2.2. Однофазные трансформаторы напряжения
Однофазные трансформаторы напряжения получили наибольшее распространение. Они выпускаются на рабочие напряжения от 380 В до 500 кВ.
Конструктивные размеры и масса ТН определяются не мощностью, как у силовых трансформаторов, а в основном объемом изоляции первичной обмотки и размерами её выводов высокого напряжения.
Трансформаторы напряжения с номинальным напряжением от 380 В до 6 кВ имеют исполнение с сухой изоляцией (обмотки выполняются проводом марки ПЭЛ и пропитываются асфальтовым лаком).
Свердловский завод трансформаторов тока выпускает трансформаторы напряжения на 6, 10, 35 кВ с литой изоляцией.
У трансформаторов напряжением 10 - 500 кВ изоляция масляная (магнитопровод погружен в трансформаторное масло).
2.2.1. Сухие трансформаторы напряжения
Для магнитопроводов трансформаторов типа НОС-0,5 применены цельноштампованные Ш-образные пластины, магнитопроводы остальных типов шихтуются из прямоугольных пластин.
Трансформатор напряжения типа ^ НОСК - 6 (О - однофазный, С - с сухой изоляцией, К - с компенсирующей обмоткой для уменьшения угловой погрешности, на напряжение 6 кВ) предназначен для комплектования только распределительных устройств в угольных шахтах, рис. 2.2. При установке он заливается битумной массой. Концы обмоток этого трансформатора выведены свободными гибкими изолированными проводами.
Рис. 2.2. Трансформатор напряжения НОСК-6 2.2.2. Трансформаторы напряжения с литой изоляцией
Заземляемые трансформаторы напряжения ЗНОЛ-35Б УХЛ (О -однофазные, Л - с литой изоляцией, на напряжение 35 кВ, изоляция типа Б, УХЛ - для умеренного и холодного климата) предназначены для питания электрических измерительных приборов, цепей защиты и сигнализации в электроустановках переменного тока частоты 50 или 60 Гц, рис. 2.3.
Рис. 2.3. Общий вид трансформатора ЗНОЛ-35Б
Номинальное напряжение основной вторичной обмотки 100Л/3 В, номинальное напряжение дополнительной вторичной обмотки 100 В.
Номинальная мощность основной и дополнительной обмотки в классе точности 0,5 - 150 В*А; 1 - 300 В*А; 3 - 600 В*А.
Температура воздуха при эксплуатации - от - 60 С до 40 С с относительной влажностью воздуха 100% при 25 С.
Осуществлена патентная защита патентами на изобретения, промышленный образец и свидетельствами на полезную модель.
Рис. 2.4. Общий вид группы ЗхЗНОЛ-6 и ЗхЗНОЛ-10
Трехфазная антирезонансная группа трансформаторов напряжения ЗхЗНОЛ-6
предназначена для установки в комплектные распределительные устройства (КРУ) или закрытые распределительные устройства (ЗРУ) и служит для питания электрических измерительных приборов, цепей защиты и сигнализации в электроустановках переменного тока частотой 50 или 60 Гц рис. 2.4 и 2.5.
Рис. 2.5. Схема группы
Трехфазная группа устойчива к феррорезонансу и (или) воздействию перемежающейся дуги в случае замыкания одной из фаз сети на землю. Предназначена для эксплуатации при условиях:
высота установки над уровнем моря не более 1000 м;
температура окружающего воздуха от -45 до 50 С;
окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая агрессивных газов
и паров в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию;
отсутствие непосредственного воздействия солнечной радиации;
рабочее положение в пространстве - любое.
Магнитопроводы этих трансформаторов шихтованные, собраны из пластин электротехнической стали. Пластины изолированы лаковой пленкой.
Обмотки ВН состоят из одной или двух катушек (секций) и имеют электростатические экраны для защиты от перенапряжений.
Баки трансформаторов напряжения сварены из листовой стали. Форма бака - круглая, овальная или прямоугольная.
Выводные концы обмоток большинства трансформаторов присоединены к проходным фарфоровым изоляторам (вводам), установленным на крышке бака.
Трансформаторы напряжения типов ЗНОМ-3 5 и НОМ-3 5 имеют маслорасширители, установленные на вводах ВН, рис. 2.6. У ТН остальных типов маслорасширители отсутствуют, уровень масла у них находится ниже крышки на 20-30 мм.
Рис. 2.6. Трансформатор напряжения типа НОМ-35: 1 - выводы высшего напряжения, 2 - выводы низшего напряжения, 3 -расширитель, 4 - бак, 5 - маслоспусковой кран
2.3. Трехфазные трансформаторы напряжения
Габариты и стоимость ТН могут быть уменьшены путем объединения трёх однофазных ТН в - один трехфазный. Применяются трехстержневые и пятистержневые ТН.
Для контроля сопротивления изоляции систем с изолированной нейтралью применяются трехфазные пятистержневые ТН, рис. 2.7. При заземлении одной из фаз магнитные потоки, созданные обмотками неповрежденных фаз, замыкаются по крайним стержням, имеющим малое магнитное сопротивление. Дополнительные обмотки, соединенные в открытый треугольник а,х ь обеспечивают работу сигнализации и релейной защиты. При симметричном режиме в сети на выходе а,х, напряжение отсутствует.
2.7. ТН с пятистержневым магнитопроводом
НАМИТ - 10 -2 УХЛ - трансформатор (Н - напряжения, А -антирезонансный, И - для измерения напряжения и контроля изоляции в сетях 6 и 10 кВ с любым режимом заземления нейтрали, в котором используется схема защиты от феррорезонанса, Т - трехфазный, на напряжение 10 кВ).
Номинальное напряжение основной вторичной обмотки 100 В, дополнительной вторичной обмотки при однофазном замыкании сети на землю
Номинальная мощность основной вторичной обмотки при классе точности
0,5 - 200 В*А; 1 - 300 В*А; 3 - 600 В*А.
На рис. 2.8. приведена схема соединений трансформатора НАМИТ-10.
Рис. 2.8. Схема соединений трансформатора НАМИТ-10-2
Трансформатор состоит из двух трансформаторов напряжения, установленных в одном корпусе:
ТНКИ - трансформатор напряжения контроля изоляции. Предназначен для питания цепей измерительных приборов, учета электрической энергии, защиты и контроля изоляции.
ТИП - трансформатор нулевой последовательности. Предназначен для защиты трансформатора ТНКИ от повреждения при однофазных замыканиях.
Автоматическое изменение индуктивного сопротивления трансформатора ТНП исключает феррорезонансные процессы в любых режимах работы электрической сети с изолированной нейтралью. Благодаря этому НАМИТ-10-2 выгодно отличается от аналогичных трансформаторов (НТМИ-10, НАМИ-10,
ЗхЗНОЛ-6).
Работа трансформатора НАМИТ-10 при любых режимах работы электрической сети не имеет ограничений во времени. При включении трансформатора в сети, где суммарная длина воздушных линий не более 60 км, а кабельных не более 3 км, т.е. в условиях возможности возникновения
феррорезонанса, следует использовать схему оперативных цепей защиты, прилагаемую к паспорту ТН.
Трансформаторы НАМИТ-10 выпускает АО «Самарский трансформатор», г. Самара.
2.4. Каскадные трансформаторы напряжения
При напряжениях выше 35 кВ ввиду резкого возрастания габаритов и стоимости масляные каскадные ТН
нормальной конструкции состоят из одного (НКФ-110), двух (НКФ-220), трех (НКФ-330) или четырёх (НКФ-400 и НКФ-500) блоков.
Рис. 2.9. Каскадные трансформаторы напряжения
В двухкаскадном ТН на напряжение 110 кВ каждый каскад имеет свой магнитопровод (1 и П), рис. 2.9.а). Обмотки высокого напряжения каждого каскада рассчитаны на 50% фазного напряжения. Один из выводов каждой обмотки ВН соединен с магнитопроводом. На стороне низкого напряжения выходные обмотки ах, а д х д предназначены для питания измерительных приборов и реле в схеме защиты. Обмотка связи w c bi расположена на магнитопроводе 1, а обмотка связи wcbz - на магнитопроводе П.
При отсутствии обмоток связи, если нагрузка не подключена к выходным обмоткам, напряжение разделится между обмотками ВН, так как их индуктивные сопротивления холостого хода одинаковы.
При включении нагрузки вторичный ток размагничивает магнитопровод 1 и поток в нем уменьшается. Реактивное сопротивление ступени 1 также уменьшается. Это ведет к тому, что напряжение между ступенями поделится неравномерно, причем большая часть ляжет на ступень П.
Обмотки связи служат для выравнивания распределения напряжения между обмотками при включении нагрузки.
Более совершенным является вариант б) на рис. 2.9. При этом же напряжении 11ОЛ/3 кВ ТН имеет один магнитопровод. На верхнем горизонтальном стержне магнитопровода расположены обмотки связи w c bi и первая обмотка высокого напряжения ВН Ь на нижнем - обмотка связи w C B2, вторая обмотка высокого напряжения ВН 2 и две обмотки низкого напряжения НН. Один из концов каждой обмотки ВН Ь ВН 2 соединяется с магнитопроводом. Каждая обмотка ВН имеет изоляцию относительно магнитопровода, рассчитанную на напряжение /2 и ф, что уменьшает размеры трансформатора.
В трансформаторах на напряжение 110 кВ и выше для снижения атмосферных перенапряжений необходимо равномерное распределение напряжения по катушкам обмотки ВН. С этой целью поверх обмоток ВН располагаются экраны, которые электрически соединяются с последними витками этих обмоток. Магнитопровод с обмотками крепится на изоляционных стойках, устанавливается в фарфоровый корпус и заливается маслом.
Результирующее активное и реактивное сопротивление обмоток каскадных ТН значительно больше, чем у ТН нормального исполнения. Поэтому для получения высокого класса точности приходится снижать нагрузку.
На рис. 2.10 представлен трансформатор напряжения НКФ-110.
Рис. 2.10. Общий вид трансформатора напряжения НКФ-110: а - устройство, б - схема; 1 - зажим для присоединения к сети высшего напряжения, 2 - фарфоровый корпус, 3 - зажимы обмотки низшего напряжения, 4 - транспортные катки
^ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Назначение измерительных трансформаторов.
Обозначение класса точности. Какие классы точности установлены для измерительных трансформаторов тока и напряжения. Каково назначение измерительных трансформаторов различных классов точности.
4. Каковы значения номинальных вторичных токов трансформаторов тока и из каких соображений они установлены.
5. Чем опасен разрыв вторичной обмотки трансформатора тока.
6. В чем состоят особенности режима работы трансформатора напряжения.
7. Чему равны номинальные вторичные напряжения ТН и из каких соображений они установлены.
8. От чего зависят погрешности измерения ТН.
9. В чем состоят отличия конструкций ТН от конструкций силовых трансформаторов. Как влияет величина номинального первичного напряжения на конструктивное исполнение ТН.
10.Назовите ТТ и ТН нового поколения и перечислите их достоинства. 11 .Покажите схему включения ТТ и ТН в электрическую сеть.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чунихин А.А. Электрические аппараты: Общий курс. Учебник для вузов,- 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 720 с.
2. Электротехнический справочник. Том 1, книга 2. 4 изд., перераб./ Под общей ред. профессоров П.Г.Грудинского, Г.Н. Петрова, М.М. Соколова и др. - М.: Энергия, 1971.-880 с.
