ВИМІРЮВАЛЬНІ ТРАНСФОРМАТОРИ
Розрізняють трансформатори струму (ТТ) і трансформатори напруги (ТН). Їх призначення:
зниження вимірюваних струмів і напруг до значень, які можуть бути виміряні стандартними вимірювальними приладами (з межами вимірювань по струму 5 А чи по напрузі 100 В);
безпеку вимірювань і зручність обслуговування приладів і реле, т. к. вторинні обмотки цих трансформаторів електрично не пов'язані з первинними.
З метою безпеки обслуговування вимірювальних приладів і реле вторинні обмотки ТТ і ТН заземляются. Цим усувається небезпека появи високої напруги у вторинних колах при пробої ізоляції високої напруги (переході високої напруги на вторинні кола). На рис. 1 пояснюється принцип захисту вторинних ланцюгів від високої напруги. Позначення: 1 - провідник первинної обмотки ТТ (число витків обмотки дорівнює 1); 2 - сердечник магнітопровода; 3 - вторинна обмотка; 4 - обмотка реле струму, включеного у вторинну ланцюг. При пробої ізоляції первинної обмотки на вторинну ланцюг струм КЗ або замикання на землю проходить через заземлювач і тому потенціал вторинної обмотки близький до потенціалу землі. Таким чином, на вторинному ланцюзі напругу мало і немає надмірної небезпеки поразки персоналу електричним струмом.
Малюнок 1. Призначення заземлення вторинної обмотки ТТ
Основні вимоги до вимірювальних трансформаторів - точність, іншими словами, мінімальні похибки. За точністю ТТ і ТН мають спеціальну характеристику - клас точності.
Під похибкою вимірювання розуміють різницю між струмом або напругою у вторинній ланцюга даного вимірювального трансформатора і цієї ж величиною ідеального вимірювального трансформатора (ідеальний трансформатор не має похибок).
Струм ТТ у вторинному ланцюзі позначають I2. а вторинний струм ідеального ТТ як I'1. Тому похибка ΔI = I2 - I'1.
Відносна похибка - похибка вимірювання, віднесена до будь-якої величини. В даному випадку
Відносна наведена похибка обчислюється по відношенню до номінального значення струму або напруги.
Класом точності вимірювального трансформатора називають найбільшу відносну приведену похибку, виражену у відсотках,
Припустимо, потрібно визначити клас точності ТТ, якщо найбільша різниця (I2 - I'1) наиб склала 0,1 А, I2ном = 5 А.
Підставами зазначені в умові значення в формулу для класу точності
Таким чином, клас точності ТТ дорівнює 2.
Вимірювальні трансформатори в міських мережах мають класи точності 0,5; 1,0; 3,0. ТТ в схемах релейного захисту та автоматики мають клас точності 10. Лічильники електричної енергії підключають до вимірювальних трансформаторів класів 0,5 і 1,0.
Трансформатор струму по суті являє собою малопотужний трансформатор з первинною і вторинною обмотками. Первинна обмотка має мале число витків (W1 = 1 ÷ З), а вторинна W2 - кілька сот витків. Завдяки цьому струм у вторинному ланцюзі в сотні разів менше струму в первинної ланцюга:
У вторинній ланцюга ТТ має бути включено незначний опір (зазвичай не більше одного Ома), так як нормальним для ТТ є режим короткого замикання. Режим короткого замикання небезпечний для генераторів, силових трансформаторів, оскільки він супроводжується великими струмами. Для ТТ режим КЗ у вторинному ланцюзі не небезпечний, що пояснюється рис. 2.
Малюнок 2. Схема підключення ТТ
ТТ включається в мережу послідовно з опором навантаження Zнг. тому струм в його первинному ланцюзі дорівнює
Струм у вторинному ланцюзі ТТ визначається коефіцієнтом трансформації К1 = W1 / W2 і становить I2 = I1 / К1. т. е. не є небезпечним для ТТ.
Режим холостого ходу (розімкнути вторинне коло) для ТТ є аварійним. Напруга на розімкнутої вторинної обмотці досягає небезпечних для життя значень. (Крім того, виникає підвищений нагрів сердечника вихровими струмами, що може привести до виходу ТТ з ладу.)
Кожен ТТ характеризується наступними параметрами:
1. Номінальна напруга Uном первинної ланцюга (в паспорті наводиться значення лінійної напруги).
2. Номінальні первинний I1ном і вторинний l2нoм струми.
3. Клас точності.
4. Номінальна потужність навантаження, В · А.
5. Властивості стійкості до струмів КЗ (електродинамічної і термічної).
Так як первинна обмотка ТТ включена послідовно з навантаженням (рис. 2), то при КЗ в ланцюзі навантаження по цій обмотці проходить струм КЗ електромережі.
Позначення ТТ складається з букв і цифр. Перша буква Т означає - трансформатор струму, наступні літери - спосіб установки (В - вбудований, П - прохідний); конструкцію первинної обмотки (О - одновитковая, Ш - у вигляді шини, К - катушечная, 3 - ланкова); основну ізоляцію (Л - лита, Ф - порцеляновий); рід установки (Н - зовнішня). Буквою М позначають модернізовану конструкцію. Перша група цифр - номінальна лінійна напруга; буква (букви) з цифрами - кліматичне виконання; друга група - первинний і вторинний номінальний струми; третя - клас точності (0, 5 або Р). Сердечники класу Р використовують для релейного захисту та електроавтоматики.
ПРИКЛАД 1. Розшифрувати позначення ТТ ТЛМ-6УЗ-400 / 5-0,5 / 10 Р.
Це трансформатор струму з литою ізоляцією, модернізованої конструкції, внутрішньої установки (немає літери Н в позначенні). Номінальна лінійна напруга - 6 кВ; кліматичне виконання У - помірний клімат; 3 - для закритих приміщень з природною вентиляцією. Номінальні струми 400 А - первинний і 5 А - вторинний. ТТ має два сердечника з вторинними обмотками - один класу 0,5, другий для релейного захисту та автоматики (Р). За довідковими даними, номінальна потужність навантаження сердечника класу 0,5 S2ном = 10 В · А. Номінальний опір навантаження цього сердечника ТТ можна обчислити за формулою
При підключенні вимірювальних приладів і реле потрібно звертати увагу на початку і кінці обмоток ТТ. Висновки первинної обмотки позначають буквами: Л1 - початок обмотки, Л2 - кінець її. Висновки вторинної обмотки позначають, відповідно, літерами И1 (початок) і И2 (кінець). Це особливо важливо для підключення електричних лічильників та ватметрів. При перевірках ТТ використовують правило: за початок вторинної обмотки приймають такий її висновок, з якого струм випливає, якщо на первинній стороні він втікає в початок первинної обмотки (рис. 3).
Малюнок 3. Початки і кінці обмоток ТТ
ТТ напругою вище 1 кВ встановлюються в осередках з вимикачами РП часто в двох (крайніх) фазах. Вони необхідні для обліку електричної енергії (до них підключають двоелементний електричні лічильники), вимірювання струму (при необхідності) і релейного захисту від КЗ. У третій фазі ТТ не встановлюється, т. К. Захист з ТТ в двох фазах реагує на всі види міжфазних КЗ, а замикання однієї фази на землю не супроводжується великим струмом. Останнє пояснюється тим, що нейтраль мережі напругою 6-10 кВ ізольована. Слід, однак, відзначити, що вкрай бажано встановлювати ТТ у всіх трьох фазах, це диктується необхідністю швидкого відключення подвійних і потрійних замикань на землю в кабельних мережах. Вторинні обмотки ТТ напругою 6-10 кВ з'єднують на різницю струмів фаз (рис. 4, а), в неповну зірку (рис. 4, б) або повну зірку (рис. 4, в), якщо ТТ встановлені у всіх фазах. На напрузі до 1 кВ при глухозаземленной нейтрали мережі необхідно встановлювати ТТ у всіх трьох фазах і застосовувати трьохелементні електричні лічильники. Трьохелементний лічильник відрізняється від двоелементною тим, що перший контролює споживання електричної енергії у всіх трьох фазах, а другий - тільки в двох. ТТ напругою до 1 кВ включають за схемою повної зірки (рис. 4, в).
Малюнок 4. Схема з'єднання вторинних обмоток ТТ
У схемах захисту від замикання на землю мереж напругою 6-35 кВ використовують ТТ нульової послідовності. Пристрій такого ТТ показано на рис. 5. В якості первинної обмотки використовуються струмопровідні частини всіх трьох фаз приєднання кабельної лінії, які проходять через вікно сердечника. На сердечник намотана вторинна обмотка. Теоретично доведено, що струм у вторинній обмотці дорівнює
де КI - коефіцієнт трансформації (дорівнює числу витків вторинної обмотки); ЗI0 - втричі більший струм нульової послідовності, рівний току замикання на землю, що проходить по лінії.
Малюнок 5. Трансформатор струму нульової послідовності
ТТ нульової послідовності бувають нероз'ємні і роз'ємні. Нероз'ємні одягають на кабель до виготовлення воронки. Роз'ємні одягають на кабель, що має воронку. Позначення цих ТТ: ТЗЛ і ТЗВ. Буква З позначає, що ТТ призначений для захисту від замикання на землю, а Р - роз'ємний.
Трансформатор напруги (ТН) являє собою малопотужний силовий понижуючий трансформатор, підключений паралельно навантаженні (рис. 6). Число витків його первинної W1 і вторинної W2 обмоток ставляться один до одного як
де U1 і U2 - напруги на первинної і вторинної обмотках ТН.
Малюнок 6. Схема підключення ТН
Точність роботи ТН залежить від навантаження вторинної обмотки. Один і той же ТН може мати класи точності 0,2; 0,5; 1,0; 3,0 в залежності від потужності навантаження. У документації вказується також гранична потужність, яка визначається допустимим нагріванням при тривалій роботі.
ТН типу НТМИ-10 може працювати в наступних класах точності:
Гранична потужність ТН за умовою нагріву
Аварійним режимом для ТН є КЗ у вторинному ланцюзі. При цьому по обмоткам ТН проходять великі струми, що призводять до перегріву і виходу з ладу ізоляції обмоток і, відповідно, до КЗ в самому ТН. Тому в первинних і вторинних ланцюгах ТН встановлюють апарати захисту (запобіжники і автомати).
Позначення ТН складається з букв і цифр. Перша літера Н - трансформатор напруги. Якщо один з висновків однофазного ТН заземлений, то першою літерою позначення є 3, а потім - Н. Наступні букви О або Т вказують на число фаз ТН (однофазний, трифазний). Далі йдуть літери, які позначають головну ізоляцію апарату: С - суха; М - масляна; Ф - порцеляновий; Л - лита (епоксидна основа). Остання буква позначення І - для мереж з ізольованою нейтраллю. У антіферрорезонансного ТН в позначенні є буква А.
Перша цифра після дефіса в позначенні - номінальна лінійна напруга первинної обмотки (6 або 10 кВ). Цифра після другого дефіса означає рік розробки апарату; літери після чисел: У - клімат помірний; цифра 3 - для роботи в закритих приміщеннях з природною вентиляцією.
ПРИКЛАД 2. Розшифрувати позначення НТМИ-10-66УЗ.
Трансформатор напруги, трифазний, з масляною ізоляцією, для роботи в мережах з ізольованою нейтраллю. Номінальна лінійна напруга 10 кВ. Рік розробки 1966. Кліматичне виконання - для помірного клімату. Призначений для роботи в закритих приміщеннях з природною вентиляцією.
Для роботи на відкритому повітрі потрібно використовувати апарати з цифрою 1 після букв У або ХП, а в приміщеннях з вільним доступом зовнішнього повітря - з цифрою 2.
номінальна лінійна напруга на стороні ВН U1ном;
номінальну напругу вторинних обмоток U2НОМ;
номінальні потужності вторинних обмоток S2HОM.
Так як ТН підключається паралельно навантаженню (рис. 6), то його обмотки НЕ обтекаются струмом при КЗ в ланцюзі навантаження. Тому ТН не повинен володіти електродинамічної і термічної стійкістю до току КЗ в електричній мережі.
ТН встановлюють в одній, двох і трьох фазах. Найпростіша схема з установкою ТН в одній фазі застосовується для пуску АВР (рис. 7, а). Схема з двома ТН з з'єднанням обмоток в неповний (відкритий) трикутник приведена на рис. 7, б. Вона застосовується для підключення двоелементний трифазних електричних лічильників і ватметрів (варметрів). Схема з трьома однофазними ТН або одним трифазним ТН приведена на рис. 7, ст. У цій схемі первинні обмотки W1 з'єднані в зірку; вторинні W2 - також в зірку. Є додаткові вторинні обмотки Wд. з'єднані в розімкнутий трикутник. Останні обмотки є фільтр напруги нульової послідовності, т. Е. Напруга на їх затискачах пекло і zд одно потроєному вторинному напрузі нульової послідовності
де KU = U2ном / U1ном коефіцієнт трансформації ТН (для додаткових обмоток);
U0 - напруга нульової послідовності на стороні ВН.
Малюнок 7. Схеми з'єднання трансформаторів напруги
Коефіцієнт трансформації для додаткових обмоток підбирається таким чином, щоб при замиканні фази на землю на стороні ВН напруга на висновках а й z становило 100 В.
Нейтраль первинних обмоток трифазного ТН серії НТМИ або НАМИ заземлена, щоб можна було виміряти фазні напруги, а найголовніше, - щоб виявляти замикання однієї фази на землю. Щоб такий ТН міг довго працювати при замиканні однієї фази в мережі ВН на землю, його магнітопровід виконаний пятістержневим, як це показано на рис. 8.
Малюнок 8. Трансформатор напруги серії НТМИ
Додаткові стрижні (на яких немає обмоток) необхідні для замикання магнітних потоків нульової послідовності. Останнє виключає появу підвищених значень струмів в первинних обмотках ТН при замиканнях на землю в мережі живлення.