Измерительные трансформаторы переменного тока.

Измерительные трансформаторы, разделяемые на трансформаторы тока и напряжения, используются как преобразователи больших переменных токов и напряжений в относительно малые токи и напряжения, допустимые для измерений приборами с небольшими стандартными пределами измерения (например, 5 А, 100 В). Применением измерительных трансформаторов в цепях высокого напряжения достигается безопасность для персонала, обслуживающего приборы, так как приборы включаются в заземляемую цепь низкого напряжения. Упрощаются и конструкции приборов, так как они применяются в цепях низкого напряжения, и при этом отсутствует гальваническая связь между первичной (высоковольтной) цепью и приборами.

Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных друг от друга обмоток, первичной обмотки с числом витков w₁ и вторичной - w₂, помещенных на ферромагнитный сердечник (рис. 3.13, а и б). В трансформаторах тока, как правило, первичный ток I₁ больше вторичного I₂, поэтому в них w₁<w₂. Первичная обмотка выполняется из провода различного сечения в зависимости от номинального первичного тока I_1н. В трансформаторах тока с I_1н свыше 500А она может состоять из одного витка в виде прямой медной шины (или стержня), проходящей через окно сердечника.

По нормам вторичный номинальный ток I_2н у стандартных трансформаторов тока составляет 1 или 5 A при различном значении первичного номинального тока I_1н.

 

Рис. 3.13. Схемы включения измерительных трансформаторов тока (а) и напряжения (б).

 

В трансформаторах напряжения первичное напряжение U₁ больше вторичного U₂, поэтому в них w₁>w₂. Обе обмотки выполняются из относительно тонкого проводника. По нормам вторичное номинальное напряжение U_2н у стандартных трансформаторов составляет 100 и 100/ В при различном значении первичного номинального напряжения U_1н.

По схемам включения в измеряемую цепь и по условию работы трансформаторы тока и напряжения отличаются друг от друга. У трансформаторов тока первичная обмотка включается в измеряемую цепь последовательно. Первичная обмотка трансформатора напряжения включается в измеряемую цепь параллельно. Измерительные приборы включаются во вторичную обмотку трансформаторов.

По показаниям приборов, включенных во вторичные обмотки, можно определить значения измеряемых величин. Для этого необходимо их показания умножить соответственно на коэффициенты К_I и К_U.

Для трансформатора тока

для трансформатора напряжения

Коэффициенты К_I и К_U называются действительными коэффициентами трансформации.

Таким образом, зная показания амперметра I₂ и вольтметра U₂, измеряемый ток I₁ и напряжение U₂ можно подсчитать по формулам:

I₁ = K_I I₂ и U₁ = K_U U₂ .

Значения вторичных величин изменяются не пропорционально изменению первичных, т. е. К_I и К_U не остаются постоянными. Они зависят от режима работы трансформатора, т. е. от значения токов и напряжений, характера и значения нагрузки вторичной цепи, частоты тока, а также от конструктивных данных трансформатора и качества материала сердечника.

Обычно показание прибора умножается не на действительный, а на номинальный коэффициент трансформации. Последний всегда указывается на щитке трансформатора в виде дроби, числитель которой есть номинальное значение первичной, а знаменатель - вторичной величины. Номинальный коэффициент трансформации для данного трансформатора является постоянной величиной.

Для трансформаторов тока номинальный коэффициент трансформации будем обозначать К_Iн и для трансформаторов напряжения - К_Uн.

Определение измеряемых величин по номинальным коэффициентам трансформации приводит к погрешностям. Относительная погрешность вследствие неравенства действительного и номинального коэффициентов трансформации может быть определена (в процентах):

для трансформатора тока

для трансформатора напряжения

Погрешность f_I называется токовой погрешностью, а f_U - погрешностью напряжения. Кроме этих погрешностей, у измерительных трансформаторов имеется еще так называемая угловая погрешность. Она получается из-за неточности передачи фазы вторичной величины по сравнению с первичной. Угловая погрешность измерительных трансформаторов оказывает влияние на показания только таких приборов, отклонение подвижной части которых зависит от фазы между токами в цепях этих приборов. К ним относятся ваттметры, счетчики энергии, фазометры.

Измерительный трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с малым сопротивлением. Полное суммарное сопротивление Z = R + jХ приборов и подводящих проводов является нагрузкой трансформатора тока.

Если измерительные трансформаторы тока работают в режиме, близком к короткому замыканию вторичной цепи, то измерительные трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к холостому ходу, так как во вторичную обмотку включаются приборы с относительно большим внутренним сопротивлением.