Первичные измерительные преобразователи тока

Электромагнитный трансформатор тока. Измерительный транс­форматор тока представляет собой трансформатор, работающий прак­тически в режиме короткого замыкания (КЗ). Он снижает первичный ток до удобных для преобразования измерительными уст­ройствами номинальных значений (1 А или 5 А), одновременно обеспечивая гальваническое разделение электрических цепей, Со стороны первичной обмотки он оказывается включенным в цепь источника тока, а вторичная обмотка практически закора­чивается нагрузкой с малым сопротивлением _H. В общем виде выполнение трансформатора тока показано на рис. 2.9. На замкнутом магнитопроводе в виде собранного (шихтованного) из отдельных пластин (рис.2.9,а) или намотанного из ленты кольца (рис. 2,9, б) расположены первичная w₁ и вторичная обмотки. В целях сохранения фазы тока и предотвращения неправильного включения выводы первичной (линейной) и вторичной (измерительной) обмоток обозначаются как Л1, И1 – начала и Л2,И2 - концы, так чтобы сохранялось направление потока энергии.

Между первичной и вторичной обмотками проложена изоляция, рассчитанная на полное напряжение электроустановки.

Схема замещения и векторная₉ диаграмма. Особенности действия измерительного трансформаторного тока (в отличие от трансформатора вообще) обусловливаются лишь режимами его работы, например на малое комплексное сопротивление нагрузки. Принцип действия состоит в том, что потокосцепление трансформатора тока в первом приближении при отсутствии насыщения магнитопровода пропорционально преобразуемому току . Однако по мере его возрастания из-за нелинейности характеристики намагничивания наступает другое магнитное состояние магнитопровода, обусловливающее появление погрешностей преобразования. Это заслуживает особого рассмотрения в связи с большими Токами КЗ в электроэнергетических системах.

Рис 2.9. Иллюстрации устройства первичного измерительного электромагнитного трансформатора тока с шихтованным (а) и кольцевым ленточным (б) магнитопроводами.

Из рис 2.10 следуют уравнения, описывающие действие трансформатора тока:

 

(2.6)

 

Поскольку потокосцепление содержит составляющую обусловленную магнитными потоками рассеивания, т.е.

Где – магнитный поток в магнитопроводе, уравнения (2.6)

(2.7)

В соответствии с уравнениями (2.7) и схемой замещения измерительного трансформатора тока (рис 2.11а) получается следующие соотношения для комплексных действующих значений взаимодействующих величин:

(2.8)

Рис 2.10. Первичный измерительный трансформатор тока

 

Рис 2.11. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) первичного измерительного трансформатора тока.

(2.9)

 

Приведенный вторичный ток равен первичному только при Однако необходимый для намагничивания сердечника ток нелинейно зависит от магнитного потока и вследствие потерь мощности на перемагничивание не совпадает с ним по фазе (рис.2.11, б). Поэтому существуют погрешности и точность преоб­разования характеризуется погрешностью тока и угловой по­гнутостью . Из векторной диаграммы и особенно из схемы за­мещения видно, что параметры и не влияют на погрешности преобразования. Погрешность тока и угловая погрешность обусловливаются током намагничивания (холостого хода). На оба вида погрешностей влияют внутреннее падение напряжения на вторичной стороне и подключенная нагрузка (с соединительными проводами). Чтобы ток намагничивания и соответствующая ему внутренняя ЭДС (j ) были малы, необходимо иметь, как ука­зывалось, низкое сопротивление нагрузки.

Показатели и погрешности преобразования. Для трансформатора тока установлены такие же характеризующие его величины, как и для трансформатора напряжения [см. (2.1) - (2.5)]:

номинальный коэффициент трансформации

(2.10)

параметры нагрузки

; (2.11)

номинальная мощность

(2.12)

погрешности тока

; (2.13)

угловая погрешность

; (2.14)

Однако используются и дополнительные показатели, в частности полная погрешность

(2.15)

номинальная предельная кратность тока

(2.16)

Полная погрешность используется для трансформаторов тока устройств автоматики, особенно релейной защиты. Как видно из (2.15), полная погрешность определяется как среднеквадратичное значение разности умноженного на номинальный коэффициент трансформации мгновенного вторичного тока и мгновенного первичного тока при определенной кратности. Она учитывает влияние сдвига фаз, искажение формы кривой токов и может быть снижена выравниванием витков вторичной обмотки.

Номинальная предельная, кратность тока для трансформаторов, используемых для его измерения, представляет собой целое чис­ло (рис. 2.12, а, кривая 1), равное отношению первичного тока к его номинальному значению, при котором погрешность тока при номинальной нагрузке не превышает = 0,1 (рис. 2,12, а, кривая 1), Для трансформаторов тока устройств автоматики она определяется отношением токов (рис. 2.12,a, кривая 2), при котором — полная погрешность при номинальной нагрузке превышает = 0,05 или = 0,1 в зависимости от предъ­являемых требований. Известны и некоторые другие показатели первичных измерительных трансформаторов тока, например минимальный (граничный) ток, при котором полная погрешность не превышает = 0,1.

Влияние нагрузки на погрешности преобразования в установившихся режимах работы. Чтобы минимизировать погрешности преобразования, необходимо знать влияние на них нагрузки. Принципиальное представление дает векторная диаграмма (см. рис. 211, б), из которой видна целесообразность уменьшения тока намагничивания снижением нагрузки( → 0). Влияние мощности нагрузки на погрешность тока трансформатора, например класса 1, демонстрируются графиками на рис. 2.12, б. Кривые 1 и 2 соответствуют мощностям и трансформатора тока с полным чис­лом витков W₂ вторичной обмотки, а кривые 3 и 4 – мощностям

трансформатора с уменьшенными для снижения погрешности на витками вторичной обмотки; штриховкой показаны границы допустимой погрешности для трансформатора тока указанного класса точности. Как видно, выравниванием вит­ков отрицательная погрешность , обусловленная током намаг­ничивания, смещается в положительную область на ; поэтому погрешности не выходят за границы точности. Однако погреш­ность тока при этом не снижается. Угловая погрешность выравнивания витков не зависит.

При выборе трансформатора тока для устройств автоматики и особенно автоматической защиты особый интерес представляют соотношения значений передаваемого тока при больших его кратностях (сверхтоках). Из ранее изложенного следует, что они опре­деляются током намагничивания, который зависит от характерис-

Рис. 2.12. Зависимости вторичного тока (а) и токовой погрешности (б) от кратности первичного тока.

Рис. 2.13. Иллюстрация искажения кривой мгновенного вторичного тока из-за насыщения магнитопровода.

тики намагничивания В = f(H), показанной на рис. 2.13 в идеализи­рованном виде. Прямая пропорциональная зависимость тока от напряжения имеет место лишь до индукции насыщения , после чего наступает резкое возрастание тока и искажение формы его кривой, что ведет в соответствии с уравнением (2.9) к уменьшению вторичного тока и искажению формы кривой.

Решающим для ограничения погрешности тока при работе в области сверхтоков является падение напряжения на сопротив­лении нагрузки Z_H и сопротивлениях вторичной обмотки. Поэтому в качестве параметра при выборе трансформатора тока применяется напряжение U_K, соответствующее точке излома ха­рактеристики намагничивания и представляющее собой дейст­вующее значение синусоидального напряжения номинальной промышленной частоты со стороны вторичных зажимов при разомк­нутых первичных, при дальнейшем повышении которого на 10% ток намагничивания увеличивается на 50 % (рис. 2.13).

При изменении нагрузки ( одинаковая полная погрешность (в связи с искажением формы кривой вторичного тока используется именно полная погрешность) наступает при различной кратности вторичного тока, определяемый как

+ . (2.17)

При нагрузке кратность повышается, что ведет к увеличению линейного участка характеристики в установившемся режиме, а нагрузка приводит к противоположному результату (см. рис. 2.12,а).

На рис 2.14 представлена зависимость погрешности тока для одного из типов первичного измерительного трансформатора тока в некотором диапазоне 0≤ n при различных нагрузках.

Рис. 2.14. Зависимость токовой погрешности от кратности тока при различных нагрузках.