Трансформаторы тока и их погрешности

ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЙ

Трансформаторы тока являются очень важным элементом релейной защиты. Они питают цепи защиты током сети и выполняют роль датчика, через который поступает информация к измеритель­ным органам устройств релейной защиты. От точности этой ин­формации зависит надежная и правильная работа релейной защиты. Поэтому основным требованием к трансформаторам тока является точность трансформации с погрешностями, не превышающими допустимых значений. Принцип устройства трансформатора тока [Л. 19, 20, 89], схема его замещения и векторная диаграмма при­ведены на рис. 3-1. Напомним некоторые положения о работе трансформаторов тока и рассмотрим причины, вызывающие их погрешность.

Принцип действия. Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь контролируемого тока I₁ (рис. 3-1, а). Вторичная обмотка замыкается на сопротив­ление нагрузки z_Н, состоящее из последовательно вклю­ченных реле и различных приборов.

Ток I₁, проходящий по виткам первичной обмотки w₁, и ток I₂, индуктированный во вторичной обмотке w₂, создают намагни­чивающие силы (н. с), которые вызывают магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, замыкающиеся по стальному магнитопроводу 1. Намагничи­вающие силы и создаваемые ими магнитные потоки геометрически складываются, образуя результирующую н. с. I_намw₁ и результи­рующий магнитный поток трансформатора Ф_т:

Поток Ф_т, называемый рабочим или основным, пронизывает обе обмотки и наводит во вторичной обмотке э. д.с. Е₂, которая создает в замкнутой цепи вторичной обмотки ток I₂. Поток Ф_т создается н. с.. I_намw₁ следовательно, током I_нам. Последний

* Под номинальным коэффициентом трансформации подразумевается отношение номинального первичного тока трансформатора тока ко вторич­ному n_Т = I_1ном/I_{2ном .} В заводских материалах дается номинальный коэф­фициент трансформации, а не витковый. При /_Нам = 0 n_Т=n_B, поскольку согласно (3-2) 1₁/1_г = w₂1w₁ = n_B

Выражение (3-2) показывает, что при отсутствии намагничи­вающего тока вторичный ток I_II (расчетный ток) равен первичному току I₁, поделенному на коэффициент трансформации п_в и сдвинут относительно первичного тока по фазе на 180°. В этом случае первичный ток полностью трансформируется во вторичную об­мотку w₂ и трансформатор тока работает идеально без погреш­ностей и потерь.

Причины погрешности. В действительности ток намагничива­ния I_нам не может быть равен нулю, так как он создает рабочий магнитный ноток Ф_т, который осуществляет трансформацию пер­вичного тока во вторичную обмотку. При отсутствии тока I_нам, а следовательно, и потока Ф_т трансформация невозможна, так как во вторичной обмотке не будет наводиться э. д. с. Е₂ и ток I₂ будет равен нулю. С учетом этого ток I_нам ≠ 0 и тогда вторичный ток I₂ из уравнения (3-1) получается равным:

Таким образом, причиной, вызывающей погрешность в работе трансформаторов тока, является ток намагничивания.

Векторная диаграмма и виды погрешностей трансформаторов тока. Искажающее влияние тока намагничивания показано на векторной диаграмме рис. 3-1, в, в основу которой положена схема замещения (рис. 3-1, б). В схеме замещения магнитная связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора тока заменена электрической, а все величины первичной стороны приве­дены к виткам вторичной обмотки.

В выражениях (3-5) и (3-5а) коэффициент трансформации п_Т принимается равным номинальному коэффициенту трансформации. Погрешность по углу выражается в градусах и минутах, она счи­тается положительной, если I₂ опережает I₁ как показано на рис. 3-1, в. Относительные погрешности ε, ΔI и δ увеличиваются с увеличением тока намагничивания I_нам.

Чрезмерно большие погрешности могут вызвать неправильные действия устройств релейной защиты. Поэтому уменьшение погрешности трансформаторов тока является очень важной зада­чей, она сводится к уменьшению тока намагничивания трансфор­маторов тока ¹.

3-2. ПАРАМЕТРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УМЕНЬШЕНИЕ НАМАГНИЧИ­ВАЮЩЕГО ТОКА

Ток намагничивания (рис. 3-1, в) состоит из составляющей I´_a.нам, обусловленной активными потерями на гистерезис и от вихревых токов в магнитопроводе трансформатора тока, и состав­ляющей I´_р.нам создающей магнитный поток Ф_т, который индук­тирует во вторичной обмотке э. д. с. Е₂. Ток I´_р.нам» I´_a.нам.

Для уменьшения I´_a.нам магнитопровод трансформа­тора тока выполняется из шихтованной стали, имеющей небольшие активные потери.

Для уменьшения второй составляющей I_р.нам нужно уменьшать поток Ф_Т, связанный с I_р.нам известным соотношением

¹ Следует отметить, что на практике значение тока I₂ подсчитывается без учета погрешностей по выражению (3-2), согласно которому I₂ = I₁ / n_Т. Эго допустимо при малых значениях I_нам. Например, при токах I₁, близких к номинальному, когда I_нам составляет 0,5—3% расчетного тока I₂. При больших кратностях первичного тока и особенно при насыщении магнитопровода I_нам возрастает и расчет I₂ необходимо вести с учетом погрешностей по выражению (3-3).

где R_м — магнитное сопротивление стального сердечника 1 транс­форматора тока.

Графически эта зависимость представляется характеристикой намагничивания, изображенной па рис. 3-2.

В начальной части характеристики ток намагничивания почти пропорционален Ф_Т. При некотором значении потока Ф_Т = Ф'_Т происходит насыщение магнитопровода,

вследствие чего ток намагни­чивания возрастает значительно быстрее, чем поток Ф_т, что вызывает резкое увеличение погрешностей. Следовательно, для ограничения по­грешностей нужно ограничивать ве­личину магнитного потока Ф_Т или магнитной индукции В_Т = Ф_т/ Q, не допуская насыщения магнитопровода.

Из принципа работы трансформа­тора тока вытекает, что поток Ф_т должен иметь такую величину, при которой наведенная им вторичная э. д. с. Е₂ была бы достаточной для компенсации падения напряжения в цепи вторичной обмотки. Как известно, поток Ф_т связан с наведенной им э. д. с. Е₂ выражением

Поскольку вторичный ток I₂ = I₁ /n_T, то с увеличением I₁ и z_Н э. д. с. Е_г растет, а следовательно, растет магнитный поток Ф_т и намагничивающей ток I_нам.

Таким образом, для уменьшения Ф_т (а следовательно, и I_нам) нужно уменьшать Е₂, стремясь к тому, чтобы при максимальных значениях тока к. з. возникающий в трансформаторе поток Ф_т не насыщал магнитопровод. Уменьшение Е₂ достигается уменьше­нием z_Н и уменьшением вторичного тока I₂ путем повышения коэффициента трансформации трансформатора тока п_Т, или иначе говоря, путем снижения кратности максимального первичного тока I_1макс, проходящего через трансформатор тока по отношению к его номинальному току I_1ном:

Существенное влияние на величину на­магничивающего тока оказывают кон­структивные параметры.

Как вытекает из выражения (3-6), для уменьшения I_p.нам необходимо уменьшать магнитное сопротивление R_м и увеличивать число витков первичной обмотки w₁. Для уменьшения R_м =l/μQ нужно увеличивать сечение стали магнитопровода Q, сокращать путь l, по которому замыкается поток Ф_т, и применять сталь с вы­сокой магнитной проницаемостью μ, добиваясь увеличения пря­молинейной части характеристики намагничивания трансфор­матора тока и ее крутизны.

В качестве дополнительной меры по повышению точности транс­форматоров тока заводы-изготовители применяют компенсацию I_нам уменьшением числа витков w₂ вторичной обмотки против рас­четного значения w₂ = w₁n₁. В результате этой коррекции вто­ричный ток I₂ увеличивается на 1—3%, компенсируя, таким обра­зом, его уменьшение на 1—3% за счет I_нам. Такой способ дает результат при малых значениях I_нам, т.е. при токах, близких к номинальному. Следует заметить, что при коррекции витков витковый коэффициент трансформации становится меньше но­минального: п_в < п_Т.

Таким образом, для уменьшения погрешностей трансформатор тока должен иметь минимальную величину I_нам и работать в пря­молинейной части своей характеристики намагничивания. Это условие обеспечивается: а) конструктивными параметрами магни­топровода; б) правильным выбором нагрузки вторичной обмотки z_Н и в) снижением величины вторичного тока за счет уменьшения кратности первичного тока К_1макс, что достигается выбором соот­ветствующего коэффициента трансформации п_Т. В процессе проек­тирования и эксплуатации электрических установок ограничение погрешностей трансформаторов тока возможно только за счет уменьшения кратности первичного тока К_1макс и нагрузки вторичной обмотки z_H.

Погрешности трансформаторов тока резко возрастают в пер­вый момент к. з., когда в первичном токе имеется апериодическая составляющая (см. § 10-3); это необходимо учитывать при расчете быстродействующих защит.

Дата добавления: 2014-12-23