Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Основные схемы включения

Ответ: Для расширения пределов измерения измерительных приборов в цепях переменного тока высокого напряжения используются трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Расширение пределов измерения с помощью добавочных резисторов и шунтов в этих цепях неприемлемо по той причине, что обмотки измерительных приборов находились бы под высоким напряжением и эксплуатация их представляла бы большую опасность для обслуживающего персонала. Возникли бы большие трудности по выполнению надежной изоляции измерительных приборов. Для защиты высоковольтных сетей и оборудования используются всякого рода реле защиты, которые включаются в сеть так же, как и измерительные приборы,— с помощью трансформаторов тока и напряжения. При использовании измерительных трансформаторов измерительные приборы и реле подключаются к вторичной обмотке измерительного трансформатора, надежно изолированной от первичной высоковольтной обмотки. Вторичные обмотки выполняются на малые напряжения, не опасные для обслуживающего персонала. Расширение пределов измерения амперметров при использовании шунтов в цепях переменного тока приводит к существенным погрешностям из-за индуктивностей обмотки амперметра и шунта. По этой причине для расширения пределов измерения амперметров всегда используются трансформаторы тока независимо от значения напряжения измеряемой цепи.

Схема включения вольтметра с трансформатором напряжения изображена на рис. 8.31. Трансформатор напряжения устроен так же, как и обычный трансформатор. Для него справедливы соотношения

Если трансформатор напряжения выполнен как обычный трансформатор, то возникают значительные погрешности измерения из-за того, что U ₁ ≠ E ₁ и U ₂ ≠ Е ₂ по причине падения напряжения в его обмотках. Для повышения точности измерения необходимо уменьшить падение напряжения в обмотках трансформатора. Достигается это следующим образом. К вторичной обмотке трансформатора напряжения подключаются обмотки вольтметров, обмотки напряжения ваттметров и счетчиков, обмотки реле защиты. Указанные обмотки обладают значительными сопротивлениями, и если их количество ограничено, то трансформатор работает практически в режиме холостого хода. Падение напряжения во вторичной обмотке столь мало, что U ₂ = Е ₂. Так как I ₂ ≈ 0, падение напряжения в первичной обмотке обусловлено только током холостого хода

I ₁₀ = √ I _p² + I _a².

Таким образом, повышение точности измерений сводится к уменьшению тока холостого хода трансформатора. Реактивная составляющая тока холостого хода I _р определяется из уравнения I _p w ₁ = H _ст l _ст + H ₀ l ₀. Ее уменьшение достигается тем, что магнитопровод выполняется из высококачественной электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью μ _{а ст}. Кроме того, трансформатор рассчитывается для работы с малым значением амплитуды магнитной индукции В_m — около 0,4 — 0,8 Тл. Все это существенно снижает напряженность магнитного поля в стали Н _ст = В /μ _{а ст} и в воздушном зазоре Н ₀ = В /μ₀ магнитопровода и, естественно, снижает реактивную составляющую тока холостого хода. С той же целью магнитопровод трансформатора выполняется с минимальным значением воздушного зазора, что достигается высококачественной обработкой пластин и сборкой магнитопровода. Активная составляющая I _а обусловлена потерями в стали магнитопровода. Ее уменьшение достигается тем, что для магнитопровода используется сталь с малыми значениями удельных потерь Δ P ₁₀, Δ P ₁₅ и, как уже было сказано, трансформатор работает при малых значениях В_m.

При выполнении указанных выше условий вторичное напряжение трансформатора пропорционально первичному:

Однако абсолютной точности получить невозможно, и трансформаторы напряжения имеют определенную погрешность, так же как и измерительные приборы. По точности измерений трансформаторы делятся на классы точности: 0,2; 0,5; 1 и 3. Трансформаторы напряжения бывают однофазные и трехфазные. На паспорте трансформатора указываются номинальная мощность, номинальное первичное U _1ном и вторичное U _2ном напряжения, класс точности. Вторичное напряжение (у трехфазных линейное) всех трансформаторов 100 В. Начало первичной обмотки обозначено буквой А, конец — X, начало — вторичной а, конец — х.

Рис. 8.31. Схема включения вольтметра с трансформатором напряжения

Схема включения амперметра с трансформатором тока изображена на рис. 8.32, в. Первичная обмотка трансформатора включена в электрическую цепь, и ток в ней определяется сопротивлением приемников и, естественно, не зависит от тока во вторичной цепи, где включен амперметр. Обмотка имеет несколько витков и выполнена из провода значительного сечения (соответственно току цепи). К выводам вторичной обмотки, имеющей значительно большее количество витков, чем первичная, и рассчитанной на ток 5 А, подключаются последовательно обмотки амперметра, токовые обмотки ваттметра, счетчика, реле защиты. Сопротивление обмоток незначительное, и если их количество невелико, то трансформатор работает в режиме короткого замыкания. Из уравнения МДС:

I ₁ w ₁ + I ₂ w ₂ = I ₁₀ w ₁ следует, что если бы намагничивающий ток I ₁₀ был равен нулю, то:

Так как трансформатор тока работает в режиме короткого замыкания, то для создания тока во вторичной цепи 5 А требуется небольшая ЭДС и, следовательно, небольшой магнитный поток и создающий его намагничивающий ток. Однако для повышения точности измерения принимаются дополнительные меры к его снижению. Эти меры аналогичны тем, что были рассмотрены применительно к трансформатору напряжения, но в этом случае достаточная точность измерений при выполнении рассмотренных выше мер получается, если амплитуда магнитной индукции для трансформатора тока выбирается в пределах 0,06 — 0,1 Тл.

Рис. 8.32. Трансформатор тока (а), обозначение трансформатора тока (б), схема включения амперметра с трансформатором тока (в)

Необходимо отметить, что точность измерений существенно снижается при возрастании сопротивления вторичной цепи трансформатора. Действительно, для создания того же тока во вторичной обмотке потребуются большие ЭДС и, следовательно, магнитный поток и намагничивающий ток. Возросший намагничивающий ток нарушит пропорциональность между первичным и вторичным токами. Обрыв вторичной цепи представляет серьезную опасность для обслуживающего персонала вследствие появления на вторичной обмотке большого напряжения и возможности выхода из строя трансформатора.

Рис. 8.33. К пояснению работы трансформатора тока при разомкнутой вторичной обмотке

Это объясняется тем, что МДС первичной обмотки определяется током приемников энергии и не зависит от того, замкнута или разомк­нута вторичная обмотка. Когда вторичная обмотка замкнута, она соз­дает МДС I ₂ w ₂, направленную против I ₁ w ₁, и результирующая МДС, которая практически равна их разности, будет создавать магнитную индукцию всего в 0,06 — 0,1 Тл (точка а, рис. 8.33). При разомкнутой вторичной обмотке (I ₂ w ₂ = 0) магнитная индукция возрастает до значений 1,5 — 2,0 Тл, что соответствует точке б. Магнитная индукция возрастает в 10 — 20 раз, что приведет к появлению большого напряжения на вторичной обмотке и резкому возрастанию (в 100 — 400 раз) потерь в магнитопроводе. Для предотвращения отмеченных неприятностей перед тем как отсоединить на ремонт или проверку измерительный прибор, вторичную обмотку трансформатора тока необходимо замкнуть накоротко перемычкой.

В паспорте трансформатора тока указываются номинальные токи первичной I _1ном и вторичной I _2ном (он обычно 5 А) обмоток, класс точности, максимальное значение сопротивления и минимальное значение коэффициента мощности обмоток приборов, включаемых во вторичную обмотку, при которых гарантируется указанный класс точности, а также напряжение, на которое рассчитана его изоляция. Начало первичной обмотки трансформатора тока обозначается буквой Л ₁, конец — буквой Л ₂, вторичной: начало — И ₁, конец — И ₂.

Рис 8.34 Схема включения амперметра, вольтметра, ваттметра с трансформаторами напряжения и тока

Необходимо отметить, что кроме погрешности измерения по коэффициенту трансформации (по модулю измеряемой величины) есть и погрешность по углу по той же причине: падение напряжения в обмотках. Погрешность объясняется тем, что направление вектора приведенного вторичного напряжения не совпадает с направлением вектора первичного напряжения трансформатора напряжения и направление вектора приведенного тока вторичной обмотки не совпадает с направлением вектора первичного тока трансформатора. Угловая погрешность составляет всего несколько минут и проявляет себя только при измерении мощности, энергии и фазы. На рис 8.34 изображена схема включения измерительных приборов и измерительных трансформаторов для измерения тока, напряжения и активной мощности. Для защиты обслуживающего персонала от действия высокого напряжения в случае пробоя изоляции между обмотками или высоковольтной обмоткой и корпусом корпус и один конец вторичной обмотки измерительных трансформаторов надежно заземляются. Цена деления измерительных приборов определяется следующим образом.