Лекция - 4

Содержание лекции:Назначение трансформаторов тока и напряжения. Понятие погрешности ТТ и ТН, схемы их включения. Цепи управления и сигнализации высоковольтных выключателей

Цель лекции: изучить основные схемы подключения трансформаторов тока и напряжения, так же получить основные сведения о цепях управления выключателей в зависимости от их вида.

4.1 Трансформаторы тока и напряжения

А) Трансформаторы тока

Трансформаторы тока (ТТ) служат для разделения (изоляции) первичных и вторичных цепей, а так же для приведения величины тока к уровню удобному для измерения (стандартный номинальный ток вторичной обмотки 1А или 5 А).

Устройство и схема включения ТТ показаны на рисунке 4.1. ТТ состоит из стального сердечника Си двух обмоток: первичной (с числом витков w ₁) и вторичной (с числом витков w ₂). Часто ТТ изготовляются с двумя и более сердечниками. В таких конструкциях первичная обмотка является общей для всех сердечников (рисунке 4.1, б). Первичная обмотка, выполняемая толстым проводом, имеет несколько витков и включается последовательно в цепь того элемента, в котором производится измерение тока, или защита которого осуществляется. К вторичной обмотке, выполняемой проводом меньшего сечения и имеющей большое число витков, подключаются последовательно соединенные реле и приборы.

а – с одним сердечником;

б – с двумя сердечниками

Рисунок 4.1- Устройство и схема Рисунок. 4.2- Маркировка

включения трансформаторов тока обозначение) выводов обмоток

трансформаторов тока

Ток, проходящий по первичной обмотке ТТ, называется первичным и обозначается I ₁, а ток во вторичной обмотке называется вторичным и обозначается I ₂. Ток I ₁ создает в сердечнике ТТ магнитный поток Ф _1, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней вторичный ток I ₂, также создающий в сердечнике магнитный поток Ф ₂, но направленный противоположно магнитному потоку Ф ₁. Результирующий магнитный поток в сердечнике равен разности:

Ф₀ = Ф₁ – Ф₂(4.1)

Магнитный поток зависит не только от значения создающего его тока, но и от количества витков обмотки, по которой этот ток проходит. Произведение тока на число витков называется магнитодвижущей силой и выражается в ампервитках (А•вит.). Поэтому, выражение (4.1) можно заменить выражением:

F₀ = F₁ – F₂ (4.2)

или

I₀w₁ = I₁w₁ – I₂w₂(4.3)

где:

I₀ – ток намагничивания, являющийся частью первичного тока, обеспечивает результирующий магнитный поток в сердечнике (в дальнейшем обозначается I_нам);

W₁, W₂ – число витков первичной и вторичной обмоток.

Поскольку при значениях первичного тока, близких к номинальному, ток намагничивания не превышает 0,5—3% номинального тока, то в этих условиях можно с некоторым приближением считать I₀ = 0. Тогда из выражения (4.3) следует:

I₁ / I₂ =w₂ /w₁

Отношение витков w₂ /w₁ = К_В называется витковым коэффициентом трансформации ТТ.

(4.4)

Согласно действующему стандарту, отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току называется номинальным коэффициентом трансформации. Номинальные коэффициенты трансформации указываются на щитках ТТ, а также на схемах в виде дроби, в числителе которой – номинальный первичный ток, а в знаменателе – номинальный вторичный ток, например: 600/5 или 1000/1. Определение вторичного тока по известному первичному и, наоборот, производится по номинальным коэффициентам трансформации в соответствии с формулами:

I₂ = I₁/K₁; I₁ = I₂K₁ (4.5)

Для правильного соединения ТТ между собой и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счетчиков, выводы обмоток ТТ обозначаются (маркируются) заводами-изготовителями следующим образом: начало первичной обмотки – Л_1, начало вторичной обмотки – И₁ конец первичной обмотки – Л₂, конец вторичной обмотки – И₂. При монтаже ТТ они обычно располагаются так, чтобы начала первичных обмоток Л₁ были обращены в сторону шин, а концы Л₂ – в сторону защищаемого оборудования.

При маркировке обмоток ТТ за начало вторичной обмотки Н: принимается тот ее вывод, из которого ток выходит, если в этот момент в первичной обмотке ток проходит от начала Н к концу К, как показано на рисунке 4.2. При включении реле КA по этому правилу, ток в реле, как показано на рисунке 4.2, при включении его через ТТ сохраняет то же направление, что и при включении непосредственно в первичную цепь.

В нормальном режиме трансформаторы тока, вторичная обмотка которых замкнута на малое сопротивление токовых обмоток приборов и реле, работают в режиме близком к короткому замыканию.

Из условий безопасности персонала при пробое изоляции между первичной и вторичной обмотками, вторичные обмотки трансформаторов тока должны быть обязательно заземлены.

Заземление вторичных цепей трансформаторов тока выполняется в одной точке и, как правило, на ближайшей к ним клеммой сборке.

Погрешности трансформаторов тока. Коэффициент трансформации ТТ так же, как у ТН, не является строго постоянной величиной и из-за погрешностей может отличаться от номинального значения. Погрешности ТТ зависят главным образом от кратности первичного тока по отношению к номинальному току первичной обмотки и от нагрузки, подключенной к вторичной обмотке. При увеличении нагрузки или тока выше определенных значений погрешность возрастает и ТТ переходит в другой класс точности.

Для измерительных приборов погрешность относится к зоне нагрузочных токов 0,2 – 1,2 I_ном. Эта погрешность именуется классом точности и может быть равна 0,2; 0,5; 1,0; 3,0. Требования к работе ТТ, питающих защиту, существенно отличаются от требований к ТТ, питающим измерительные приборы. Если ТТ, питающие измерительные приборы, должны работать точно в пределах своего класса при токах нагрузки, близких к их номинальному току, то ТТ, питающие релейную защиту, должны работать с достаточной точностью при прохождении токов КЗ, значительно превышающих номинальный ток ТТ. Для целей защиты выпускаются трансформаторы тока класса Р или Д (для дифференциальных защит) в которых не нормируется погрешность при малых (нагрузочных) токах. В настоящее время выпускаются трансформаторы тока классов 10Р и 5Р, погрешность которых нормируется во всем диапазоне токов.

Правила устройства электроустановок требуют, чтобы ТТ, предназначенные для питания релейной защиты, имели погрешность, как правило, не более 10%, Большая погрешность допускается в отдельных случаях, когда это не приводит к неправильным действиям релейной защиты. Погрешности возникают вследствие того, что действительный процесс трансформации в ТТ происходит с затратой мощности, которая расходуется на создание в сердечнике магнитного потока, перемагничивание стали сердечника (гистерезис), потери от вихревых токов, нагрев обмоток.

Б) Трансформаторы напряжения

Как и трансформаторы тока, трансформаторы напряжения выполняют две функции: служат для разделения (изоляции) первичных и вторичных цепей, а так же, для приведения величины напряжения к уровню удобному для измерения (стандартное номинальное напряжение вторичной обмотки: 100/57В). ТН работают в режиме близком к холостому ходу.

Трансформатор напряжения (ТН) по принципу действия и конструктивному выполнению аналогичен силовому трансформатору. Как показано на рисунке 4.3, трансформатор напряжения TV состоит из стального сердечника (магнитопровода) С, собранного из тонких пластин трансформаторной стали, и двух обмоток – первичной и вторичной, изолированных друг от друга и от сердечника.

Первичная обмотка w₁ имеющая большое число витков (несколько тысяч) тонкого провода, включается непосредственно в сеть высокого напряжения, а к вторичной обмотке w₂ имеющей меньшее количество витков (несколько сотен), подключаются параллельно реле и измерительные приборы. Под воздействием напряжения сети по первичной обмотке проходит ток, создающий в сердечнике

Рисунок 4.3 -Устройство и схема включения трансформатора напряжения

переменный магнитный поток Ф, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней ЭДС Е, которая при разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход ТН) равна напряжению на ее зажимах U_2x.

Напряжение U_2x во столько раз меньше первичного напряжения U₁, во сколько раз число витков вторичной обмотки w₂ меньше числа витков первичной обмотки w₁.

(4.6)

Отношение чисел витков обмоток называется коэффициентом трансформации и обозначается

K_U = w₁/w₂ (4.7)

Введя такое обозначение, можно написать:

(4.8)

Для правильного соединения между собой вторичных обмоток ТН и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счетчиков заводы-изготовители обозначают (маркируют) выводные зажимы обмоток определенным образом: начало первичной обмотки – А, конец – Х; начало основной вторичной обмотки – а, конец – х; начало дополнительной вторичной обмотки – а_д, конец – х_д.

4.2 Цепи управления и сигнализации высоковольтных выключателей

Для включения и отключения цепей переменного тока высокого напряжения под нагрузкой и при коротких замыканиях, применяются высоковольтные выключатели. В зависимости от вида дугогасящей и изолирующей среды, высоковольтные выключатели подразделяются на масляные, воздушные, вакуумные и элегазовые выключатели.

Операция включения высоковольтного выключателя, удержание его во включенном положении и отключение выполняется при помощи специального механизма, называемого приводом. В зависимости от способа выполнения операции включения, различают несколько разновидностей приводов: ручные, грузовые, пружинные, электромагнитные, электродвигательные и др.

Выключатели с ручным приводом включаются за счет мускульной силы человека. В грузовых приводах для включения выключателя используется энергия падающего груза, а в пружинных – энергия предварительно сжатых (или растянутых) пружин. Включение электромагнитных приводов производится за счет мощных электромагнитов включения. Двигательные привода включаются с помощью электродвигателя. Включение высоковольтных выключателей производится действием привода при подаче соответствующей команды от ключа (кнопки) управления, от устройств автоматики, или по каналам телемеханики. Команда на включение большинства типов выключателей подается непосредственно на электромагнит включения.

Существует два вида управления выключателями: дистанционное и местное. Под местным понимается управление выключателем с помощью командных аппаратов, расположенных на его приводе, или в непосредственной близости от него. Местное управление, вследствие их безопасности, можно использовать для вакуумных выключателей. Допускается использование местного управления для масляных выключателей, но ввиду их взрывоопасности, для их включения на КЗ рекомендуется применение дистанционного управления.

Дистанционное управление высоковольтными выключателями осуществляется со щита управления, путем подачи на схему управления команд «Включить» или «Отключить» при помощи ключа (кнопки) управления. Щит управления может быть удален от управляемых выключателей на расстояние до нескольких сотен метров. Контроль за положением включателя осуществляется при помощи контрольных ламп или специальных светодиодов. Включенному положению выключателя соответствует свечение красной сигнальной лампы, отключенному – зеленой.