Первичные измерительные преобразователи тока

  Наиболее распространенными первичными преобразователя­ми тока являются измерительные трансформаторы тока ТА. Они имеют стандартный номинальный вторичный ток I_2ном=1; 5 А при любых значениях номинального первичного тока; допускается из­готовление трансформаторов тока с номинальным вторичным то­ком I_2ном = 2; 2,5 А. Трансформаторы тока иногда используют и в сетях напряжением до 1000 В.

Для правильного действия особенно релейной защиты требует­ся точная работа трансформаторов тока при токах перегрузки электроустановки и токах к.з., которые во много раз могут превы­шать их номинальные первичные токи. Правильная работа быстро­действующих устройств защиты и автоматики должна обеспечи­ваться при переходных процессах в трансформаторах тока. Осо­бенностью измерительных трансформаторов тока является режим короткого замыкания (близкий к короткому замыканию) его вто­ричной цепи. Первичная обмотка трансформатора ТА с числом витков ω ₁ включается в цепь первичного тока I₁ сети, а ко вторич­ной обмотке с числом витков ω ₂, подключаются цепи тока измери­тельных органов, например измерительных реле тока КА1, КА2 с относительно малым сопротивлением (рис. 1,1 а). Начала и концы обмоток трансформатора тока указываются на их выводах. Выво­ды первичной обмотки Л1 и Л2 маркируются произвольно, а выво­ды вторичной обмотки И1 и И2 — с учетом принятого обозначения выводов первичной обмотки. При этом за начало вторичной обмот­ки И1 принимается вывод, из которого мгновенный ток i₂ направ­ляется в цепь нагрузки, а в первичной обмотке ток i₁ направлен от начала Л1 к концу Л2. При такой маркировке мгновенное значение тока в обмотке реле имеет то же направление, что и при вклю­чении непосредственно в защищаемую цепь (без трансформатора).

Рис. 1.1. Измерительный трансформатор тока и векторные диаграммы токов

На рис. 1.1, а показаны направления токов i₁, i₂ для некоторого момента времени и принятой намотки витков. Направление маг­нитного потока Ф_i при заданном направлении тока i₁ определяется по правилу буравчика. Ток i₂ всегда направлен так, что размагничи­вает магнитопровод. Соотношение синусоидальных токов (напря­жений, потоков и др.) изображается обычно векторной диаграммой. Векторная диаграмма может быть изображена и имеет опре­деленный смысл только при условии, что для каждой из ве­личин выбрано положительное направление. Так, из диаграммы (рис. 1.1,6) следует, что ток İ₂  отстает по фазе от тока İ'₁ на угол ψ. Это означает, что ток i₂ достигает, например, положительного мак­симального мгновенного значения позже, чем ток i₁, на время t=ψ/ω. Однако указанный момент времени становится неопреде­ленным, если неизвестно, какое из двух возможных направлений тока İ₂ считается положительным. Если для одного положительно­го направления ток İ₂ отстает по фазе от тока İ₁ на угол ψ, для дру­гого (противоположного) направления тока İ₂ (при неизменном положительном направлении тока İ₁) угол сдвига фаз равен ψ+π (на рис. 1.1,б показано пунктиром). Поэтому при построении век­торной диаграммы первичного и вторичного токов трансформатора тока ТА необходимо задаться их положительными направлениями. Если для первичного тока İ₁ принять положительное направление от начала к концу обмотки, а для вторичного İ₂ — от конца к на­чалу обмотки, как показано стрелками на рис. 1.1, а, то векторы магнитодвижущих сил (МДС) первичной и вторичной обмоток ока­зываются направленными противоположно. При этом, согласно за­кону полного тока.

İ₁ ω₁ – İ₂ ω₂ = F_нам                                                     (1.1)

В идеальном трансформаторе результирующая МДС F_нам =0.

При этом

İ₁ ω₁ - İ₂ ω₂ = 0                                                          (1.2)

или

İ₂ = İ₁ ω₁/ω₂= İ'₁                                                         (1.3)

Токи İ₂ и İ'₁, равны и совпадают по фазе. На векторной диаграм­ме они могут быть изображены одним вектором (рис. 1.1, в, г). Ес­ли положительное направление токов İ₁ и İ₂ принято от начала обмоток к их концам, то МДС обеих обмоток направлены одина­ково, а токи İ₂ и İ'₁ изображаются векторами, сдвинутыми по фазе на угол π (рис. 1.2). В дальнейшем при построении векторных диа­грамм положительное направление тока İ₁ принимается от начала к концу обмотки, а тока İ₂ — от конца к началу (см. рис. 1.1, а, в).

Схема замещения трансформатора тока, нагруженного сопротивлением Z_н, показана на рис.1.2, а. Сопротивления первичной обмотки и ветви намагничива­ния Z '₁, Z '_нам и токи İ'₁, İ'_нам приведены ко вторичной обмотке. Направление то­ков определено на основании выражения (1.1). Для принятого положительного направления токов

 İ₁ ω₁- İ₂ ω₂ = İ_нам ω₁

откуда

İ₁ ω₁/ ω₂ = İ₂   + İ_нам ω₁/ ω₂

или

İ'₁ = İ₂ + İ_нам                                                                                                                 (1.4)

Из схемы замещения видно, что сопротивление первичной обмотки Z '₁ не влияет на распределение тока между ветвью намагничивания Z _нам и ветвью на­грузки Z_н; поэтому из схемы, изображенной на рис. 1.2,б, в соответствии с ко­торой построена векторная диаграмма (рис. 1.2, в), оно исключено.

За исходный при построении диаграммы принят ток намагничивания İ'_нам . Магнитный поток Ф отстает от тока на некоторый угол γ, определяемый потеря­ми в стали. Положительное направление ЭДС Ė₂ принято совпадающим с положительным направлением тока İ₂, т. е. от конца к началу вторичной обмотки. В связи с этим ЭДС Ė₂, наводимая потоком Ф во вторичной обмотке, опережает его на угол π/2. В замкнутой вторичной обмотке проходит ток İ₂, отстающий от ЭДС Ė₂ на некоторый угол, определяемый соотношением составляющих R и jХ сопротивлений Z ₂ и Z _н.

По схеме замещения и выражению (1.4) определяют ток İ'₁. Из векторной диаграммы видно, что вторичный ток İ₂ отличается от приведенного первично­го İ'₁ как по значению на ΔI, так и по фазе на угол δ. Ток İ'_нам значительно меньше тока İ'₁, поэтому результирующая МДС F_нам, определяющая рабочий магнитный поток Ф и ЭДС E₂, во много раз меньше МДС первичной обмотки I₁ω₁. Очевидно, что чем меньше сопротивление нагрузки Z _н, т. е. чем ближе ре­жим цепи вторичной обмотки к режиму короткого замыкания, тем большая часть тока I'₁ замыкается по цепи вторичной обмотки и тем точнее работает трансфор­матор тока.

По мере увеличения сопротивления нагрузки Z_н ток I'₁ распределяется та­ким образом, что ток I₂ уменьшается, а ток I'_нам увеличивается, т. е. трансфор­матор тока начинает работать с большими погрешностями. В пределе, когда Z _н =  (обмотка разомкнута), ток I₂ =0, а İ'_нам = İ'₁ и результирующая МДС резко возрастает. Она становится равной МДС первичной обмотки. Следствием этого является значительное увеличение магнитного потока Ф. При размыкании вторичной обмотки магнитопровод быстро насыщается, что обусловливает появ­ление на разомкнутой обмотке трансформатора несинусоидальной ЭДС е₂, мак­симальные мгновенные значения которой могут достигать тысяч и даже десятков тысяч вольт, что представляет опасность для обслуживающего персонала и изо­ляции. Наряду с этим в связи с увеличением магнитного потока возрастают по­тери в стали и магнитопровод трансформатора недопустимо перегревается, что может привести к усиленному износу или даже повреждению изоляции трансфор­матора тока. Таким образом, нормальным режимом работы трансформатора тока является режим короткого замыкания вторичной цепи с малой МДС F_нам.

На точность работы трансформатора тока влияет не только на­грузка, но и значение первичного тока I₁. На рис. 1.2, г представ­лена зависимость вторичного тока I₂ от кратности первичного тока k=I₁/I_1ном для некоторой постоянной нагрузки Z _н, До точки пе­региба (точка а) эта зависимость близка к прямолинейной. Даль­нейшее увеличение первичного тока I₁ из-за насыщения магнитопровода трансформатора почти не приводит к росту вторичного тока, а ток намагничивания резко возрастает. Таким образом, точность трансформатора тока с ростом кратности k ухудшается. С увеличением нагрузки перегиб наступает при меньших кратностях тока.

Согласно ГОСТ 7746—78, точность работы трансформаторов тока, предназначенных для релейной защиты, характеризуется полной погрешностью

,                                              (1.5)

где I₁ — действующее значение первичного тока, А; Т — длитель­ность периода тока, с; K_I — номинальный коэффициент трансфор­мации (отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току). Трансформаторы тока, используемые в релейной защите, имеют два класса точности: 5Р и 10Р. Полная погрешность первых не должна превышать ε =5 %, а вторых ε =10 % при за­данной вторичной нагрузке и расчетной предельной кратности пер­вичного тока.

Полная погрешность связана с предельной кратностью k₁₀ транс­форматора тока, представляющей собой наибольшее отношение первичного тока к его номинальному значению, при котором пол­ная погрешность при заданной вторичной нагрузке не превышает ε =10%. Предприятие-поставщик гарантирует значение предель­ной кратности для номинальной нагрузки (номинальная предель­ная кратность k_10ном). Трансформаторы тока выбираются так, что­бы полная погрешность не превышала ε =10 % при заданной вто­ричной нагрузке и кратности первичного тока, соответствующей условиям срабатывания защиты. Рассмотренные соотношения и векторная диаграмма характерны и для вторичных измерительных трансформаторов тока, которые, как правило, входят в измери­тельную часть современных устройств защиты, автоматики и теле­механики.