Трансформаторы тока

Измерительным трансформатором тока (ТТ) называют трансформатор, предназначенный для преобразования тока до значения, удобного для измерения, и выполненный так, что вторичный ток, увеличенный в раз, соответствует с требуемой точностью первичному току, как по модулю, так и по фазе. Множитель представляет собой номинальный коэффициент трансформации трансформатора тока.

Применение трансформаторов тока обеспечивает безопасность при работе с измерительными приборами и реле, поскольку цепи высшего и низшего напряжений разделены; позволяет унифицировать конструкции измерительных приборов для номинального вторичного тока 5 А (реже 1 или 2, 5 А), что упрощает их производство и снижает стоимость.

Первичную обмотку трансформатора тока включают последовательно в цепь измеряемого тока. Она имеет небольшое число витков (вплоть до одного витка) и выполняется из проводника относительно большого сечения. Вторичная обмотка рассчитана на значительно меньший ток и соответственно имеет большее число витков. Токовые катушки измерительных приборов или реле подключают к вторичной обмотке трансформатора тока последовательно. Поскольку сопротивление трансформатора тока вместе с присоединенными к нему приборами ничтожно мало, оно никак не влияет на значение первичного тока. Последний может изменяться в широких пределах: в нормальном режиме - от 0 до 1, 2-1, 3 номинального, а при КЗ может превысить номинальный в десятки раз [20].

В ТТ высокого напряжения первичная обмотка изолирована от вторичной (от земли) на полное рабочее напряжение. Один конец вторичной обмотки обычно заземляется. Поэтому она имеет потенциал, близкий к потенциалу земли. ТТ осуществляет:

1.преобразование переменного тока любого значения в переменный ток, приемлемый по значению для непосредственного измерения с помощью стандартных измерительных приборов или для работы реле защиты;

2.изоляцию измерительных приборов в защитных реле, к которым имеет доступ обслуживающий персонал, от цепи высокого напряжения.

ТТ в условиях высокого напряжения необходим даже в тех случаях, когда уменьшения тока не требуется[20, 21].

Класификация ТТ

Классификация ТТ производится по следующим основным признакам:

1. По месту установки:

а) на открытом воздухе (категория размещения 1 по ГОСТ 15150-69);

б) в закрытом помещении (категория размещения 3 и 4);

в) в полостях электрооборудования.

2. По способу установки:

а) проходные используемые в качестве вводов и устанавливаемые в проемах перегодородок, стен или потолков;

б) опорные, устанавливаемые на опорной плоскости;

в) встроенные, размещаемые в полостях различного электрооборудования.

3. По числу ступеней трансформации: одноступенчатые, каскадные (многоступенчатые).

4. По выполнению первичной обмотки: одновитковые, многовитковые.

5. По назначению вторичных обмоток: для измерения, для защиты, для измерения и защиты

6. По числу коэффициентов трансформации: с одним коэффициентом трансформации; с несколькими коэффициентами трансформации, получаемыми изменением числа витков первичной и вторичной обмотки или обеих обмоток либо применением нескольких вторичных обмоток с различным числом витков, соответствующих различным номинальным токам.

Характеристики измерительных трансформаторов тока

Основными параметрами и характеристиками ТТ в соответствии [19]:

1. Номинальное напряжение - действующее значение линейного напряжения, при котором предназначен работать ТТ, указываемое в паспортной таблице ТТ [19].

2. Номинальный первичный ток - указываемый в паспортной таблице ТТ ток, проходящий по первичной обмотке, при котором предусмотрена продолжительная работа ТТ. Он принят в качестве базисной величины, к которой отнесены другие характерные параметры. Стандартная шкала номинальных первичных токов содержит значения токов от 1 до 40000 А.

3. Номинальный вторичный ток - указываемый в паспортной таблице ТТ ток, проходящий по вторичной обмотке. Под номинальным вторичным током ТТ понимают ток, для которого предназначены приборы, подлежащие присоединению к его вторичной обмотке. Номинальный вторичный ток принимается равным 1 или 5 А, причем ток 1 А допускается только для ТТ только с номинальным первичным током до 4000 А. По согласованию с заказчиком допускается изготовление ТТ с номинальным вторичным током 2 или 2, 5 А.

4. Нагрузка ТТ – это полное сопротивление внешней цепи , выраженные в омах. Сопротивления и слагаются из сопротивлений приборов, соединительных проводов и контактов. Вместе с сопротивлением должен быть указан коэффициент мощности , где . Нагрузку ТТ можно характеризовать также полной мощностью, , при номинальном вторичном токе и коэффициенте мощности. Эти две величины и определяют сопротивление вторичной цепи. По мере увеличения числа последовательно включенных приборов нагрузка трансформатора растет, т.е. увеличиваются значения и . Под номинальной вторичной нагрузкой ТТ понимают нагрузку, при которой погрешности не выходят за пределы, установленные для трансформаторов рассматриваемого класса точности [4].

5. Коэффициент трансформации ТТ равен отношению первичного тока к вторичному току. В расчетах ТТ применяются две величины: действительный коэффициент трансформации и номинальный коэффициент трансформации . Под действительным коэффициентом трансформации понимается отношение действительного первичного тока к действительному вторичному току. Под номинальным коэффициентом трансформации понимается отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току . Отношение число витков вторичной и первичной обмоток выбирают несколько меньше номинального коэффициента трансформации, что позволяет компенсировать ток намагничивания и повысить точность измерения.

6. Классы точности. Измерительные ТТ разделены на девять классов точности (0, 1; 0, 2; 0, 2S; 0, 5; 0, 5S; 1; 3; 5; 10) в соответствии с предельными погрешностями при определенных условиях работы. Класс точности соответствует предельной токовой погрешности при первичном токе, равном 100-120% от номинального значения. Значения предельно допускаемых погрешностей ТТ различных классов точности приведены в таблице 3.2. Трансформаторы тока, предназначенные для лабораторных измерений, должны отвечать классу точности 0, 2; трансформаторы, предназначенные для присоединения счетчиков - классу 0, 5; 0, 5S; для присоединения щитовых приборов, могут быть использованы трансформаторы классов 1 и 3.

Таблица 3.2. Таблица погрешностей ТТ

Погрешности трансформаторов тока

Вторичный ток ТТ, увеличенный в раз, отличается от первичного тока как по модулю, так и по фазе вследствие потерь мощности в трансформаторе. Разность этих значений, отнесенное к первичному току, представляет собой токовую погрешность

. (3.3)

Погрешность может быть выражена в процентах. Ее считают положительной, если вектор вторичного тока опережает вектор первичного тока. Угловая погрешность может быть выражена в радианах или минутах.

Погрешности ТТ определяется током намагничивания, который зависит от конструкции трансформатора и магнитных свойств стали магнитопровода. При заданной конструкции трансформатора его погрешности зависит от первичного тока и нагрузки.

Понятие класс точности ТТ относится к множеству однотипных трансформаторов. Погрешности любого из трансформаторов, отнесённых к какому либо классу точности не должны превышать величин, приведённых в табл. 3.2. Регулярно проводятся поверки ТТ для подтверждения правильности отнесения к определённому классу точности. Поверки производятся по схеме, приведённой на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Схема поверки ТТ: 1- прибор сравнения КТ 0, 1; 2- регулируемый источник тока «РИТ-3000»; 3- эталонный двухступенчатый ТТ «ИТТ-3000.5»; 4- нагрузочное устройство «НТТ50.5»; 5-поверяемый ТТ

Поверяемый и образцовый трансформаторы включаются так, чтобы первичный ток в обоих трансформаторах протекал в одном направлении. Вторичные выводы ТТ присоединяются к одноименным выводам прибора сравнения токов. При плавном увеличении первичного тока, в случае правильной маркировки выводов, на приборе сравнения токов определяются погрешности, с которыми проверяемый трансформатор тока преобразует соответствующий первичный ток. При неправильном обозначении контактных зажимов и выводов ТТ не подлежат дальнейшей поверке и к применению не допускаются. Если при поверке погрешности ТТ выходят за границы табл. 3.2, то такой ТТ считается не прошедшем поверку. Типичные зависимости токовой погрешностей ТТ от первичного тока приведены на рис. 3.7 [21].

Рис. 3.7. Зависимость токовой погрешности ТТ от первичного тока

Каждый из ТТ имеет свою индивидуальную зависимость токовой погрешности от величины первичного тока. Из графиков рис. 3.7 следует, что возможен учет этой индивидуальной погрешности. По результатам поверки возможно проведение аппроксимирующей функции, как показано на рис. 3.7. Введение поправочного значения, индивидуального для каждого трансформатора, эквивалентно введению зависящего от первичного тока коэффициента трансформации. Определение первичного тока в этом случае должно производиться не по простой формуле вида:

, (3.4)

где k - коэффициент трансформации ТТ, I ₁ и I ₂ – первичный и вторичный токи ТТ, а по более сложной вида:

, (3.5)

где D - корректирующая добавка, определяемая по индивидуальным коэффициентам a, b, c, полученным при поверке ТТ:

. (3.6)

Вводом корректирующей функции можно поднять точность измерений электроэнергии. Фактически откалибровав ТТ по прецизионному калибровочному ТТ, мы снижаем погрешность измерений на ИТТ до величины, сравнимой с погрешностью эталонного ТТ. Используя подобную идеологию фирма АВВ производит ТТ с зависящим от первичного тока коэффициентом трансформации. Весь диапазон токов от 0, 1 до 1, 2 от номинального тока ТТ разбит на 8 поддиапазонов и для каждого из них программируется по результатам поверки множитель k ₁ к основному коэффициенту трансформации:

. (3.7)

Программная коррекция по (3.5) или (3.7) учитывает индивидуальную систематическую погрешность ТТ и повышает точность измерения как первичного тока, так и величины проходящей электроэнергии.