Трансформаторы тока

3.1. Основные сведения о трансформаторах тока.

Измерительные трансформаторы тока представляют собой аппараты для преобразования токов первичных цепей в стандартные токи 5 или 1А для измерительных приборов, устройств релейной защиты и автоматики.

Нормально трансформаторы тока работают в режиме, близком к режиму короткого замыкания вторичной обмотки при наличии тока в первичной цепи, т.е. возникновение режима холостого хода недопустимо, так как при этом из-за возникающих перенапряжений может быть повреждена изоляция трансформатора с вытекающими отсюда последствиями.

3.2. Устройство и принцип действия.

Первичная обмотка ТТ включается последовательно в цепь измерительного тока и, следовательно, через нее проходит весь ток нагрузки или к.з. Этот ток является для ТТ принужденным и проходит по его первичной обмотке независимо от состояния вторичной обмотки, т.е. от того, замкнуто она и нагрузку, закорочена или разомкнута.

ТТ состоит из двух обмоток и сердечника. Часто изготовляют ТТ из двух сердечников, первичная обмотка является у них общей для всех сердечников. Ток проходящий по первичной обмотке ТТ, называется первичным и обозначается I1, а ток во вторичной обмотке называется вторичным и обозначается I2.

Ток I1 создает в сердечнике ТТ магнитный поток Ф1, который пересекая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней вторичный ток I2, который также создает в сердечнике магнитный поток Ф2, но направленный противоположно магнитному потоку Ф1. Результирующий поток в сердечнике равен разности:

Фо=Ф1-Ф2 (3.1)

Величина магнитного потока зависит не только от величины создающего его тока, но и от количества витков обмотки, по которой этот ток проходит. Произведение тока на число витков F=I*w называется намагничивающей силой и выражается в ампер*витках (Ав), поэтому выражение (3.1) можно заменить выражением:

Fo=Fл-F2 (3.2.)

или

(3.3)

где Io или Iнам – ток намагничивания, являющийся частью первичного тока, обеспечивающий результирующий магнитный поток в сердечнике;

w1, w2 – число витков первичной и вторичной обмоток.

Разделив все члены выражения (3.3) на w2 получим:

(3.4)

Отношение называется коэффициентом трансформации ТТ.

Поскольку при величинах первичного тока близких к номинальному, Iнам не превышает 0,5-3% номинального тока, то в этих условиях можно с некоторым приближением считать Iнам=0. Тогда:

(3.5)

Согласно действующему стандарту отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току называется номинальным коэффициентом трансформации (600/5, 1000/1 и т.п.).

Все пересчеты с первичного тока на вторичный и со вторичного на первичный производится по этим номинальным коэффициентам трансформации:

(3.6)

Для правильного соединения трансформаторов тока между собой и правильного подключения к ним реле напряжения мощности, ваттметров и счетчиков, выводы обмоток ТТ обозначаются (маркируются) заводами следующим образом:

- начало первичной обмоток – Л1, начало вторичной обмотки – И1;

- конец первичной – Л2, конец вторичной - И2.

При монтаже ТТ располагаются так чтобы начала первичных обмоток Л1 были обращены к шинам, а Л2 – концы в линию (в сторону защищаемого объекта).

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). При этом Iр сохраняет направление I1.

3.3. Изображение векторов вторичных токов.

Направление векторов вторичного тока I2 на диаграмме зависит от положительного направления тока, принятого для вторичной обмотки.

Если положительное направление вторичного и первичного тока принять совпадающим, например направленным от начала к концу, то при прохождении по первичной обмотке тока положительного направления вторичный ток будет иметь отрицательный знак и изобразится на векторной диаграмме векторам, противоположным вектору первичного тока. Если же за положительное направление вторичного тока принять ток обратный первичному, проходящий от конца у началу вторичной, то знаки первичного и соответствующего ему вторичного тока будет одинаковы.

3.4. Условия работы ТТ в схемах защит.

ТТ работают как источники тока с заданным первичным током, представляющим ток защищаемого участка. Величина тока практически не зависит от нагрузки вторичной цепи ТТ, поскольку его сопротивление с нагрузкой, приведенное к числу витков первичной обмотки, ничтожно мало по сравнению с сопротивлением системы. Это делает работу ТТ отличной от работы силовых трансформаторов и трансформаторов напряжения.

Работа ТТ с присоединенной ко вторичным зажимам нагрузкой характеризуется соотношениями, вытекающими из схемы замещения и векторной диаграммы, соответствующей условным положительным направлением, принятым ниже.

За исходный при построении принимается вектор вторичного тока Iв. Все величины приведены к числу витков вторичной обмотки и обозначают следующее:

- напряжение на зажимах НК вторичной обмотки;

- ЭДС индуцируемые в первичной и вторичной обмоток;

a - угол между ;

- поток в магнитопроводе отстающий от на 90⁰, поскольку он имеет направление, противоположное определяемому правилом винта;

I’нам – ток намагничивания определяющий поток , проходящий через фиктивное сопротивление намагничивания ;

y - угол сопротивления Z’нам;

g - угол между , определяемый потерями в стали;

- первичный ток;

- напряжение на зажимах НК.

3.4. Схема замещения и векторная диаграмма ТТ.

Соотношение основных величин характеризующих работу ТТ могут быть установлены на основе его схемы замещения и векторной диаграммы. На схеме замещения показано сопротивление первичной обмотки, поскольку оно не влияет на работу ТТ.

Первичный ток I’1, ток намагничивания I’нам и полное сопротивление ветви намагничивания отмечены знаком “'“. Это означает, что их величины приведены к вторичной обмотке ТТ. Это приведение выполняется пересчетом по номинальному коэффициенту трансформации nт равному . Приведенные величины равны:

При рассмотрении работы ТТ следует иметь ввиду, что обычно сопротивления в схеме замещения ничтожно малы по сравнению с общим сопротивлением первичной цепи, в которую включен ТТ, поэтому они не влияют на величину первичного тока.

Необходимо также учитывать, что наличие в ТТ стального сердечника обуславливает нелинейность сопротивления ветви намагничивания Z’нам, вследствие этого токи I’нам и I’2, как правило, несинусоидальные. Сумма этих токов, как видно из схемы замещения равны I’1, который обычно синусоидален. Несинусоидальные токи и напряжения не могут изображаться векторами, поскольку их гармонические составляющие имеют разные частоты. При рассмотрении работы ТТ с помощью векторных диаграмм несинусоидальные токи и напряжения условно замещаются эквивалентными синусоидальными имеющими такие же действующие значения. При построении векторной диаграммы за исходный принят вектор тока I2. Вектор напряжения вторичной обмотки u2 построен как сумма падений напряжений от тока I2 в активном и индуктивном сопротивлениях нагрузки вторичной обмотки Zн. ЭДС E2 вторичной обмотки

(3.7)

Соответственно положительным направлением первичного и вторичного токов, принятым противоположными в первичной и вторичной обмотках, ЭДС первичной обмотки Е1 находится в противофазе с ЭДС Е2. Вектор рабочего магнитного потока Ф опережает на 90⁰ вектор ЭДС Е1, наведенной этим магнитным потоком. Вектор тока намагничивания I’нам опережает вектор магнитного потока Ф на угол g, обусловленный активными потерями в стали сердечника. Вектор первичного тока I1 построен на диаграмме как сумма векторов вторичного тока I2 и тока намагничивания I’нам:

Токам соответствуют противодействующие магнитные потоки первичной и вторичной обмоток поскольку эти токи в витках обмоток направлены встречно. Соответственно выражениюмагнитный поток первичной обмотки уравновешивается рабочим магнитным потоком создающимся током I’нам и размагничивающим действием тока I2.

3.5. Нормальная работа ТТ.

Во вторичной цепи ТТ циркулирует ток . Погрешность ТТ определяется наличием I’нам. Необходимая точность ТТ обеспечивается работой его в режиме, близком к короткому замыканию зажимов НК вторичной цепи, т.е. с небольшими значениями сопротивления нагрузки, вторичного напряжения u2, индукции Вм в сердечнике, а следовательно, и малыми значением тока намагничивания I’нам. При изменении в известных пределах сопротивления нагрузки вторичный тока I2 практически не изменяется, т.к. I’нам остается весьма малым по сравнению с не изменяющимся I’1. Поэтому при включении на один ТТ нескольких реле, их обмотки как правило соединяются последовательно.

3.6. Работа ТТ разомкнутой с вторичной обмоткой.

При размыкании вторичной обмотки весь первичный ток оказывается намагничивающим. Индукция резко возрастает, обуславливая сильный нагрев магнитопровода за счет повышенных потерь в стали. Индуцируемая в обмотке ЭДС определяется скоростью изменения потока во времени, имеющей наибольшие значения при прохождении трапециидального (за счет насыщения магнитопровода) потока через его нулевые значения. В указанные моменты ЭДС может достигнуть весьма больших значений.

Мгновенное значение вторичной ЭДС:

Наибольшее значение e_в имеет в момент времени, когда произведение производных максимально. Поэтому работа ТТ с разомкнутой вторичной обмотки, как и правило, является недопустимой уже при номинальных первичных рабочих токах. Особенно опасным для изоляции и обслуживания является момент к.з., когда мгновенные значения индуцируемых ЭДС могут достигать многих киловольт. Необходимо отметить возможность появления опасных перенапряжений на зажимах вторичных обмоток ТТ при больших сопротивлениях нагрузки.

Работа с разомкнутой вторичной обмоткой допускается иногда в релейной защите только для небольших промежуточных насыщающихся ТТ, используемых для питания работающих на переменном токе вспомогательных реле, например реле времени с синхронным двигателями, и катушек отключения выключателя. Это оказывается возможным за счет соответствующего конструктивного выполнения насыщающихся трансформаторов и шунтирования их вторичных обмоток емкостями.

3.7. Погрешности ТТ.

Под погрешностями ТТ подразумевается отличие вектора вторичного тока I2 от вектора приведенного первичного тока I’1 по величине и углу. Это отличие обусловлено наличием тока намагничивания I’нам создающего магнитный поток Ф в сердечнике ТТ. Из схемы замещения (рис. 3.6) видно, что величина тока намагничивания I’нам, а следовательно, и погрешности ТТ зависят от соотношения сопротивлений ветви намагничивания (Z’нам) и цепи вторичного тока (Z2+Zн). Чем больше ток ответвляется в сопротивление Z’нам, тем больше погрешности ТТ.

Установлены следующие погрешности ТТ:

Дата добавления: 2014-01-11