Токовые трансформаторы. Оборудование РП и ТП

Различают трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН). Их назначение:

снижение измеряемых токов и напряжений до значений, которые могут быть измерены стандартными измерительными приборами (с пределами измерений по току 5 А или по напряжению 100 В);

безопасность измерений и удобство обслуживания приборов и реле, т. к. вторичные обмотки этих трансформаторов электрически не связаны с первичными.

В целях безопасности обслуживания измерительных приборов и реле вторичные обмотки ТТ и ТН заземляются. Этим устраняется опасность появления высокого напряжения на вторичных цепях при пробое изоляции высокого напряжения (переходе высокого напряжения на вторичные цепи). На рис. 1 поясняется принцип защиты вторичных цепей от высокого напряжения. Обозначения: 1 - проводник первичной обмотки ТТ (число витков обмотки равно 1); 2 - сердечник магнитопровода; 3 - вторичная обмотка; 4 - обмотка реле тока, включенного во вторичную цепь. При пробое изоляции первичной обмотки на вторичную цепь ток КЗ или замыкания на землю проходит через заземлитель и поэтому потенциал вторичной обмотки близок к потенциалу земли. Таким образом, на вторичной цепи напряжение мало и нет чрезмерной опасности поражения персонала электрическим током.

Рисунок 1.

Основные требования к измерительным трансформаторам - точность, иными словами, минимальные погрешности. По точности ТТ и ТН имеют специальную характеристику - класс точности.

Под погрешностью измерения понимают разность между током или напряжением во вторичной цепи данного измерительного трансформатора и этой же величиной идеального измерительного трансформатора (идеальный трансформатор не имеет погрешностей).

Ток ТТ во вторичной цепи обозначают I 2 , а вторичный ток идеального ТТ как I′ 1 . Поэтому погрешность ∆I = I 2 - I′ 1 .

Относительная погрешность - погрешность измерения, отнесенная к какой-либо величине. В данном случае

Относительная приведенная погрешность вычисляется по отношению к номинальному значению тока или напряжения.

Классом точности измерительного трансформатора называют наибольшую относительную приведенную погрешность, выраженную в процентах,

Допустим, требуется определить класс точности ТТ, если наибольшая разность (I 2 - I′ 1) наиб составила 0,1 А, I 2ном = 5 А.

Подставим указанные в условии значения в формулу для класса точности

Таким образом, класс точности ТТ равен 2.

Измерительные трансформаторы в городских сетях имеют классы точности 0,5; 1,0; 3,0. ТТ в схемах релейной защиты и автоматики имеют класс точности 10. Счетчики электрической энергии подключают к измерительным трансформаторам классов 0,5 и 1,0.

Трансформатор тока по существу представляет собой маломощный трансформатор с первичной и вторичной обмотками. Первичная обмотка имеет малое число витков (W 1 = 1÷З), а вторичная W 2 - несколько сот витков. Благодаря этому ток во вторичной цепи в сотни раз меньше тока в первичной цепи:

Во вторичной цепи ТТ должно быть включено незначительное сопротивление (обычно не более одного Ома), так как нормальным для ТТ является режим короткого замыкания. Режим короткого замыкания опасен для генераторов, силовых трансформаторов, поскольку он сопровождается большими токами. Для ТТ режим КЗ во вторичной цепи не опасен, что поясняется рис. 2.

Рисунок 2.

ТТ включается в сеть последовательно с сопротивлением нагрузки Z нг, поэтому ток в его первичной цепи равен

Ток во вторичной цепи ТТ определяется коэффициентом трансформации К 1 = W 1 /W 2 и составляет I 2 = I 1 /К 1 , т. е. не опасен для ТТ.

Режим холостого хода (разомкнута вторичная цепь) для ТТ является аварийным. Напряжение на разомкнутой вторичной обмотке достигает опасных для жизни значений. (Кроме того, возникает повышенный нагрев сердечника вихревыми токами, что может привести к выходу ТТ из строя.)

Каждый ТТ характеризуется следующими параметрами:

1. Номинальное напряжение U ном первичной цепи (в паспорте приводится значение линейного напряжения).

2. Номинальные первичный I 1ном и вторичный l 2н o м токи.

3. Класс точности.

4. Номинальная мощность нагрузки, В·А.

5. Свойства стойкости к токам КЗ (электродинамической и термической).

Так как первичная обмотка ТТ включена последовательно с нагрузкой (рис. 2), то при КЗ в цепи нагрузки по этой обмотке проходит ток КЗ электрической сети.

Обозначение ТТ состоит из букв и цифр. Первая буква Т обозначает - трансформатор тока, последующие буквы - способ установки (В - встроенный, П - проходной); конструкцию первичной обмотки (О - одновитковая, Ш - в виде шины, К - катушечная, 3 - звеньевая); основную изоляцию (Л - литая, Ф - фарфоровая); род установки (Н - наружная). Буквой М обозначают модернизированную конструкцию. Первая группа цифр - номинальное линейное напряжение; буква (буквы) с цифрами - климатическое исполнение; вторая группа - первичный и вторичный номинальный токи; третья - класс точности (0, 5 или Р). Сердечники класса Р используют для релейной защиты и электроавтоматики.

ПРИМЕР 1. Расшифровать обозначение ТТ ТЛМ-6УЗ-400/5-0,5/10 Р.

Это трансформатор тока с литой изоляцией, модернизированной конструкции, внутренней установки (нет буквы Н в обозначении). Номинальное линейное напряжение - 6 кВ; климатическое исполнение У - умеренный климат; 3 - для закрытых помещений с естественной вентиляцией. Номинальные токи 400 А - первичный и 5 А - вторичный. ТТ имеет два сердечника со вторичными обмотками - один класса 0,5, второй для релейной защиты и автоматики (Р). По справочным данным, номинальная мощность нагрузки сердечника класса 0,5 S 2ном = 10 В·А. Номинальное сопротивление нагрузки этого сердечника ТТ можно вычислить по формуле

При подключении измерительных приборов и реле нужно обращать внимание на начала и концы обмоток ТТ. Выводы первичной обмотки обозначают буквами: Л1 - начало обмотки, Л2 - конец ее. Выводы вторичной обмотки обозначают, соответственно, буквами И1 (начало) и И2 (конец). Это особенно важно для подключения электрических счетчиков и ваттметров. При проверках ТТ используют правило: за начало вторичной обмотки принимают такой ее вывод, из которого ток вытекает, если на первичной стороне он втекает в начало первичной обмотки (рис. 3).

Рисунок 3.

ТТ напряжением выше 1 кВ устанавливаются в ячейках с выключателями РП часто в двух (крайних) фазах. Они необходимы для учета электрической энергии (к ним подключают двухэлементные электрические счетчики), измерения тока (при необходимости) и релейной защиты от КЗ. В третьей фазе ТТ не устанавливается, т. к. защита с ТТ в двух фазах реагирует на все виды междуфазных КЗ, а замыкание одной фазы на землю не сопровождается большим током. Последнее объясняется тем, что нейтраль сети напряжением 6-10 кВ изолирована. Следует, однако, отметить, что крайне желательно устанавливать ТТ во всех трех фазах, это диктуется необходимостью быстрого отключения двойных и тройных замыканий на землю в кабельных сетях. Вторичные обмотки ТТ напряжением 6-10 кВ соединяют на разность токов фаз (рис. 4, а), в неполную звезду (рис. 4, б) или полную звезду (рис. 4, в), если ТТ установлены во всех фазах. На напряжении до 1 кВ при глухозаземленной нейтрали сети необходимо устанавливать ТТ во всех трех фазах и применять трехэлементные электрические счетчики. Трехэлементный счетчик отличается от двухэлементного тем, что первый контролирует потребление электрической энергии во всех трех фазах, а второй - только в двух. ТТ напряжением до 1 кВ включают по схеме полной звезды (рис. 4, в).

Рисунок 4.

В схемах защиты от замыкания на землю сетей напряжением 6-35 кВ используют ТТ нулевой последовательности. Устройство такого ТТ показано на рис. 5. В качестве первичной обмотки используются токоведущие части всех трех фаз присоединения кабельной линии, которые проходят через окно сердечника. На сердечник намотана вторичная обмотка. Теоретически доказано, что ток во вторичной обмотке равен

где К I - коэффициент трансформации (равен числу витков вторичной обмотки); ЗI 0 - утроенный ток нулевой последовательности, равный току замыкания на землю, проходящему по линии.

Рисунок 5.

ТТ нулевой последовательности бывают неразъемные и разъемные. Неразъемные одевают на кабель до изготовления воронки. Разъемные одевают на кабель, имеющий воронку. Обозначение этих ТТ: ТЗЛ и ТЗР. Буква З обозначает, что ТТ предназначен для защиты от замыкания на землю, а Р - разъемный.

Трансформатор напряжения (ТН) представляет собой маломощный силовой понижающий трансформатор, подключенный параллельно нагрузке (рис. 6). Число витков его первичной W 1 и вторичной W 2 обмоток относятся друг к другу как

Рисунок 6.

Точность работы ТН зависит от нагрузки вторичной обмотки. Один и тот же ТН может иметь классы точности 0,2; 0,5; 1,0; 3,0 в зависимости от мощности нагрузки. В документации указывается также предельная мощность, определяемая допустимым нагревом при длительной работе.

ТН типа НТМИ-10 может работать в следующих классах точности:

Предельная мощность ТН по условию нагрева

Аварийным режимом для ТН является КЗ во вторичной цепи. При этом по обмоткам ТН проходят большие токи, приводящие к перегреву и выходу из строя изоляции обмоток и, соответственно, к КЗ в самом ТН. Поэтому в первичных и вторичных цепях ТН устанавливают аппараты зашиты (предохранители и автоматы).

Обозначение ТН состоит из букв и цифр. Первая буква Н - трансформатор напряжения. Если один из выводов однофазного ТН заземлен, то первой буквой обозначения является 3, а затем - Н. Следующие буквы О или Т указывают на число фаз ТН (однофазный, трехфазный). Далее идут буквы, обозначающие главную изоляцию аппарата: С - сухая; М - масляная; Ф - фарфоровая; Л - литая (эпоксидная основа). Последняя буква обозначения И - для сетей с изолированной нейтралью. У антиферрорезонансного ТН в обозначении имеется буква А.

Первая цифра после дефиса в обозначении - номинальное линейное напряжение первичной обмотки (6 или 10 кВ). Цифра после второго дефиса обозначает год разработки аппарата; буквы после чисел: У - климат умеренный; цифра 3 - для работы в закрытых помещениях с естественной вентиляцией.

ПРИМЕР 2. Расшифровать обозначение НТМИ-10-66УЗ.

Трансформатор напряжения, трехфазный, с масляной изоляцией, для работы в сетях с изолированной нейтралью. Номинальное линейное напряжение 10 кВ. Год разработки 1966. Климатическое исполнение - для умеренного климата. Предназначен для работы в закрытых помещениях с естественной вентиляцией.

Для работы на открытом воздухе нужно использовать аппараты с цифрой 1 после букв У или ХП, а в помещениях со свободным доступом наружного воздуха - с цифрой 2.

Параметры ТН:

номинальное линейное напряжение на стороне ВН U 1 НОМ;

номинальные напряжения вторичных обмоток U 2 НОМ;

номинальные мощности вторичных обмоток S 2 H О M .

Так как ТН подключается параллельно нагрузке (рис. 6), то его обмотки не обтекаются током при КЗ в цепи нагрузки. Поэтому ТН не должен обладать электродинамической и термической стойкостью к току КЗ в электрической сети.

ТН устанавливают в одной, двух и трех фазах. Простейшая схема с установкой ТН в одной фазе применяется для пуска АВР (рис. 7, а). Схема с двумя ТН с соединением обмоток в неполный (открытый) треугольник приведена на рис. 7, б. Она применяется для подключения двухэлементных трехфазных электрических счетчиков и ваттметров (варметров). Схема с тремя однофазными ТН или одним трехфазным ТН приведена на рис. 7, в. В этой схеме первичные обмотки W 1 соединены в звезду; вторичные W 2 - также в звезду. Имеются дополнительные вторичные обмотки W Д, соединенные в разомкнутый треугольник. Последние обмотки представляют собой фильтр напряжения нулевой последовательности, т. е. напряжение на их зажимах а д и z д равно утроенному вторичному напряжению нулевой последовательности

где K U = U 2ном /U 1 ном коэффициент трансформации ТН (для дополнительных обмоток);

Рисунок 7.

Коэффициент трансформации для дополнительных обмоток подбирается таким образом, чтобы при замыкании фазы на землю на стороне ВН напряжение на выводах а и z составляло 100 В.

Нейтраль первичных обмоток трехфазного ТН серии НТМИ или НАМИ заземлена, чтобы можно было измерить фазные напряжения, а самое главное, - чтобы обнаруживать замыкания одной фазы на землю. Чтобы такой ТН мог длительно работать при замыкании одной фазы в сети ВН на землю, его магнитопровод выполнен пятистержневым, как это показано на рис. 8.

Рисунок 8.

Дополнительные стержни (на которых нет обмоток) необходимы для замыкания магнитных потоков нулевой последовательности. Последнее исключает появление повышенных значений токов в первичных обмотках ТН при замыканиях на землю в питающей сети.

1. Номинальное напряжение трансформатора тока

Первым основным параметром трансформатора тока является его номинальное напряжение. Под номинальным напряжением понимается действующая величина напряжения, при которой может работать ТТ. Это напряжение можно найти в паспорте на конкретный трансформатор тока.

Существует стандартный ряд номинальных значений напряжения у трансформаторов тока:

2. Номинальный ток первичной цепи трансформатора тока

Номинальный ток первичной цепи, или можно сказать, номинальный первичный ток - это ток, протекающий по первичной обмотке трансформатора тока, при котором предусмотрена его длительная работа. Значение первичного номинального тока также указывается в паспорте на конкретный трансформатор тока.

Обозначается этот параметр I 1н

Существует стандартный ряд номинальных значений первичных токов у выпускаемых трансформаторов тока:

Следует обратить внимание на то, что ТТ со значением номинального первичного тока 15, 30, 75, 150, 300, 600, 750, 1200, 1500, 3000 и 6000 (А) в обязательном порядке должны выдерживать наибольший рабочий первичный ток, равный соответственно, 16, 32, 80, 160, 320, 630, 800, 1250, 1600, 3200 и 6300 (А). В остальных случаях наибольший первичный ток не должен быть больше номинального значения первичного тока.

Ниже на фото показан трансформатор тока с номинальным первичным током равным 300 (А).

3. Номинальный ток вторичной цепи трансформатора тока

Еще одним параметром трансформатора тока является номинальный ток вторичной цепи, или номинальный вторичный ток - это ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока.

Значение номинального вторичного тока, тоже отображается в паспорте на трансформатор тока и оно всегда равно 1 (А) или 5 (А).

Обозначается этот параметр I 2н

Под вторичной нагрузкой трансформатора тока понимается полное сопротивление его внешней вторичной цепи (амперметры, обмотки счетчиков электрической энергии, токовые реле релейной защиты, различные токовые преобразователи). Это значение измеряется в омах (Ом).

Обозначается Z 2н

Также вторичную нагрузку трансформатора тока можно выразить через полную мощность, измеряемую в вольт-амперах (В*А) при определенном коэффициенте мощности и номинальном вторичном токе.

Если сказать точно по определению, то вторичная нагрузка трансформатора тока - это вторичная нагрузка с коэффициентом мощности (cos=0,8), при которой сохраняется установленный класс точности трансформатора тока или предельная кратность первичного тока относительно его номинального значения.

Обозначается S 2н.ном

И здесь тоже существует ряд стандартных значений номинальной вторичной нагрузки трансформаторов тока, выраженных через вольт-амперы при cos=0,8:

Чтобы выразить эти значения в омах, нужно воспользоваться следующей формулой:

5. Коэффициент трансформации трансформатора тока

Еще одним из основных параметров трансформатора тока является коэффициент трансформации. Коэффициент трансформации трансформатора тока - это отношение величины первичного тока к величине вторичного тока.

При расчетах коэффициент трансформации разделяют на:

действительный (N)

номинальный (N н)

Действительный коэффициент трансформации - это отношение действительного первичного тока к действительному вторичному току. А номинальный - это отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току.

Вот примеры коэффициентов трансформации трансформаторов тока:

6. Электродинамическая стойкость

Ток электродинамической стойкости - это максимальное значение амплитуды тока короткого замыкания за все время его протекания, которое трансформатор тока выдерживает без каких-либо повреждений, препятствующих дальнейшей его исправной работе.

Другими словами, это способность трансформатора тока противостоять механическим и разрушающим воздействиям тока короткого замыкания.

Ток электродинамической стойкости обозначается I д.

Есть такое понятие, как кратность электродинамической стойкости. Обозначается индексом К д и является отношением тока электродинамической стойкости I д к амплитуде номинального первичного тока I 1н.

Требования электродинамической стойкости не распространяются на шинные, встроенные и разъемные трансформаторы тока. По другим типам трансформаторов тока данные о токе электродинамической стойкости можно найти все в том же паспорте.

7. Термическая стойкость

Ток термической стойкости - это максимальное действующее значение тока короткого замыкания за промежуток времени t, которое трансформатор тока выдерживает без нагрева токоведущих частей до температур, превышающих допустимые, и без повреждений, препятствующих дальнейшей его исправной работе. Температура токоведущих частей трансформатора тока, выполненных из меди, не должна быть больше 250 градусов, из алюминия - 200.

Ток термической стойкости обозначается I tT .

Другими словами это способность трансформатора тока противостоять тепловым воздействиям тока короткого замыкания за определенный промежуток времени.

Существует также понятие кратности тока термической стойкости. Обозначается индексом К T и является отношением тока термической стойкости I tT к действующему значению номинального первичного тока I 1н.

Все данные о токе термической стойкости можно найти в паспорте на трансформатор тока.

Ниже представлена скан-копия этикетки на трансформатор тока типа ТШП-0,66-5-0,5-300/5 У3, где указаны все его вышеперечисленные основные параметры и характеристики.

Контрольные вопросы

1. Что такое трансформатор тока?

2. Как классифицируются трансформаторы тока по назначению?

3. Как определить тип трансформатора тока по способу установки?

4. В чём разница между шинным и встроенным трансформатором тока?

5. Что такое вторичная нагрузка трансформатора тока и как её вычислить?

6. Что такое электродинамическая стойкость трансформатора тока и чем она отличается от термической стойкости?

Назначение трансформаторов тока заключается в преобразовании (пропорциональном уменьшении) измеряемого тока до значений, безопасных для его измерения. Другими словами, трансформаторы тока расширяют пределы измерения измерительных приборов – электросчётчиков.

Простой пример необходимости использования трансформаторов тока – когда ввиду большой потребляемой мощности, значение измеряемого тока превышает допустимое, безопасное для прибора учёта. Т. е. при прямом включении нагрузки такой потребляемой мощности, токовые катушки счётчика попросту сгорят, что приведёт к его выходу из строя.

В этом случае электросчётчик подключается через трансформаторы тока. См. ПОДКЛЮЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКОВ .

Устройство и схема трансформатора тока . Основной элемент конструкции трансформатора тока – это магнитопровод с двумя несвязанными между собой обмотками (первичная W1 и вторичная W2 ).

Первичная обмотка – имеет большее сечение и меньшее количество витков, включается последовательно – в разрыв цепи (контакты Л1 и Л2 ), вторичная – к токовым катушкам электросчётчика (контакты И1 , И2 ).

Первичная обмотка трансформатора тока может быть рассчитана на ток от 5 до 15 000 А. Вторичная, включаемая в измерительную цепь – обычно, на 5 А. Их отношение (тока первичной обмотки к токам вторичной) называют коэффициентом трансформации.

Таким образом, для правильного расчёта потреблённой электроэнергии разницу в показаниях электросчётчика нужно умножить на коэффициент трансформации. Например, для трансформаторов тока 100/5, коэффициент трансформации будет равен 20.

Стоит заметить, что по исполнению и способу подключения в качестве первичной обмотки трансформатор тока может иметь проходную шину, которая проходит через его корпус, или-же отсутствовать вовсе. В этом случае имеется «окно» - отверстие, в которое пропускается питающий провод или шина.

Применение трансформаторов тока должно быть обоснованным, т. к. предполагает дополнительные материальные расходы, помимо затрат на их приобретение.

Согласно новых правил , при наличии в измерительном комплексе трансформаторов тока и трансформаторов напряжения для ввода в эксплуатацию электроустановки необходим паспорт-протокол измерительного комплекса .

Паспорт-протокол измерительного комплексадолженвыдаваться после соответствующей проверки лицензированной организацией – электролабораторией, зарегистрированной в Ростехнадзоре.

Документ этот далеко не бесплатный, кроме того, периодически требующий продление. Таким образом, применение трансформаторов тока в измерительных цепях электроустановок целесообразно, скорее, на крупных предприятиях с действительно большой нагрузкой.

В быту же, проще всего установить электросчётчик прямого включения , т. е. обойтись без трансформаторов тока. В настоящее время выпускаются трёхфазные электросчётчики с номинальным электрическим током до 100 А.

Электросчётчик с таким резервом по амперажу способен выдержать практическую любую нагрузку, применяемую в быту. Никакой дополнительной документации и измерений и в этом случае не требуется.