Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Приложение к разделу 2. Электромагнитные измерительные трансформаторы и преобразователи тока (глава книги)

Трансформатор (от лат. transformare превращать, преобразовывать) -устройство для преобразования энергии из одной формы в другую или для изменения физической величины в заданное число раз»

Словарь иностранных слов, 1988г.

Общие понятия

Измерение электрической энергии в однофазных и трехфазных электрических сетях переменного тока осуществляется различными средствами измерительной техники, к которым, в частности, относят измерительные преобразователи (ИП). Согласно метрологическим документам [3.1, 3.2], ИП определяют как техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал*, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи». По месту размещения ИП в измерительной цепи* различают первичные (ПИП), т.е. первые в цепи преобразователи, на которые непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, и промежуточные преобразователи, а по характеру преобразования измеряемой величины в измерительный сигнал – аналоговые (АП), аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. Конструктивно обособленные ПИП называют датчиками (Д). ИП или Д функционально входят в состав измерительных устройств (ИУ), измерительных приборов (ПР) или измерительных систем (ИС).*

*Согласно [3.1], измерительный сигнал определяют как сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине», измерительную цепь – как совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода» (измерительную цепь ИС называют измерительным каналом»), измерительное устройство – как часть измерительного прибора (установки или системы), связанную с измерительным сигналом и имеющим обособленную конструкцию и назначение» (в частности, измерительным устройством может быть ИП), измерительный прибор – как средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне», измерительную систему – как совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях».

Среди ИП выделяют масштабные преобразователи, которые преобразуют масштаб измеряемой величины в измерительный сигнал того же рода и вида, что и измеряемая величина (например, преобразователи переменного тока в переменный ток той же частоты, но меньшего масштаба), и передающие преобразователи, измерительный сигнал которых отличается по роду или виду от измеряемой величины (например, преобразователи переменного тока в унифицированный токовый сигнал 4-20 mA). ИП, предназначенные для преобразования силы тока в измерительный сигнал, относят к измерительным преобразователям тока (ПТ) или датчикам тока (ДТ). Масштабные ПТ называют измерительными трансформаторами тока (ТТ). ПТ, ДТ и ТТ используются в качестве ПИП в электрических сетях переменного тока для подключения к ним измерительных приборов во всех тех случаях, когда непосредственное подключение этих приборов в точки измерений электрической энергии невозможно из-за больших токов или напряжений в этих точках.

Согласно терминологическим стандартам [3.3,3.4], трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока». Под трансформатором тока понимают трансформатор, в котором при нормальных условиях применения вторичный ток практически пропорционален первичному току и при правильном включении сдвинут относительно него по фазе на угол, близкий к нулю» [3.4]. Под первичным током I1 понимают ток, протекающий по первичной обмотке трансформатора тока и подлежащий трансформации», а под вторичным током I2 – ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока» [3.3]. Ко вторичной обмотке ТТ подключают вторичную цепь, т.е. внешнюю цепь, получающую сигналы измерительной информации от вторичной обмотки ТТ». Вторичная цепь содержит, как правило, измерительный прибор. Данные определения относятся к традиционному и наиболее массовому виду трансформаторов, в основе действия которого лежит явление электромагнитной индукции - к электромагнитному трансформатору.

Основное назначение ТТ - это масштабное преобразование силы I1 первичного переменного тока в силу I2 вторичного тока. Отношение действительного первичного тока к действительному вторичному току в любой точке диапазона их изменений называют действительным (истинным) коэффициентом трансформации:

       
 

Действительный коэффициент трансформации ТТ :

n=I1/I2

   

(3.1.1)

 

 

Для ТТ, как правило, n >>1, т.е. трансформатор понижает величину первичного тока в n раз до величины вторичного тока, что дает возможность свести реальный процесс измерения первичного тока большой величины к процессу измерения вторичного тока относительно малой величины. Измерив I2 и зная n, можно вычислить I1:

I1=n·I2 . (3.1.2)

Вычисление по (3.1.2) дает правильные значения первичного тока только при условии, что коэффициент n имеет неизменное значение во всем рабочем диапазоне изменения этого тока. Такой диапазон всегда конкретен и ограничен наименьшим I1мин и наибольшим I1макс рабочими значениями тока (согласно [3.5], наибольшее (наименьшее) рабочее значение – это допускаемый верхний (нижний) предел изменения рабочего значения параметра электротехнического устройства»), так как пока невозможно создать техническое устройство, работающее в неограниченном диапазоне изменения измеряемой физической величины. Таким образом, для ТТ всегда полагают, что в рабочем диапазоне I1мин ≤I1≤ I1макс.

При нормировании любого диапазона изменения того или иного параметра электротехнического изделия, включая ток ТТ, используют номинальное значение параметра, которое согласно [3.5] определяют как значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений». Зная это значение, в частности, номинальный первичный ток I1ном ТТ, рабочий диапазон его изменения задают в процентах от этого тока, например, как 1-120% I1ном. При выполнении изготовителем трансформатора всех технических условий на свое изделие, гарантируется, что в рабочем диапазоне коэффициент трансформации n будет иметь установленное значение с определенной погрешностью, зависящей от класса точности трансформатора (как правило, эта погрешность постоянна или линейно меняется в границах отдельных частей рабочего диапазона, например, для ТТ класса точности с литерой S она различна в поддиапазонах 1-5,5-20 и 20-120 % I1ном).

Для измерения вторичного тока ТТ используют те или иные стандартные измерительные приборы, и поэтому для ТТ нормируют не только первичный, но и вторичный ток, задавая его номинальную величину – номинальный вторичный ток I2ном. Под эту величину подбирают и номинальный ток измерительного прибора: IПРном=I2ном. Отношение номинальных первичного и вторичного токов ТТ называют номинальным коэффициентом трансформации:

       
 

Номинальный коэффициент трансформации ТТ :

nном=I1ном/I2ном

   

(3.1.3)

 

 

 

Например, при I1ном=1000А и I2ном=5А nном=1000/5=200,т.е. вторичный номинальный ток в 200 раз меньше первичного номинального тока. Коэффициент nном, в отличие от n, определяет отношение токов не в любой точке рабочего диапазона изменения первичного тока, а только в одной конкретной точке - при номинальном значении. Его можно рассматривать как тот предел, к которому должен стремиться коэффициент n во всех точках диапазона измерения первичного тока: n≈nном. В соответствии с этим, приближенную величину первичного тока I*1 вычисляют не по выражению (3.1.2), а по формуле:

I*1=nном·I2 . (3.1.4)

Детально вопросы достижения требуемой метрологической точности коэффициентов трансформации электромагнитных ТТ и оценки в целом их погрешностей рассматриваются в следующем параграфе.*

* Иногда возникает вопрос: “Являются ли ТТ средством измерений и должны ли они в связи с этим подвергаться периодической поверке?” Согласно [3.1], средством измерений (СИ) называют “техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени”. Ключевыми в этом определении являются понятия измерения (“совокупности операций,… обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины”) и единицы измерения: если техническое средство не выдает значения величины и не хранит или не воспроизводит единицу измерения, что характерно для ТТ, то, следовательно, оно не может быть признано в качестве СИ. Однако, в [3.1] измерение рассматривается не только как абсолютное, основанное на прямых измерениях физической величины, но и как относительное, т.е. “измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы…”. ТТ осуществляет в неявном виде относительное измерение вторичного тока как доли первичного тока (I2=I1/nном), равной номинальному коэффициенту трансформации. Эта доля хранится в конструкции ТТ, что превращает его как масштабный преобразователь в СИ (со всеми вытекающими из этого обстоятельства последствиями, включая поверку).

На практике необходимость использования ТТ возникает как в низковольтных (напряжением до 1 кВ), так и в высоковольтных электрических сетях переменного тока. В низковольтных сетях ТТ применяют при условии I1>(0.8-0.9)·IПРмакс, где IПРмакс – наибольшее рабочее значение тока измерительного прибора. Коэффициент (0.8-0.9) вводится с целью уменьшения наибольшего значения первичного тока до величины, при которой прибор может длительно функционировать без опасности перегрева и выхода из строя (для многих приборов их наибольший ток допускается только в течение достаточно ограниченного интервала времени). В сетях 0,4 кВ при выполнении обратного условия I1<(0.8-0.9)·IПРмакс нет необходимости применять ТТ, и приборы включают в сеть для измерения тока I1 без ТТ, т.е. непосредственно.

В высоковольтных сетях ТТ применяют при любых значениях тока I1, что требуется по условиям обеспечения безопасности измерений. Выполнение этой задачи является важной дополнительной функцией ТТ, которая реализуется в них за счет гальванической развязки первичной и вторичной цепей, т.е. исключением контактной электрической связи между ними с заменой ее бесконтактной магнитной связью. При этом дополнительно используют и другие меры обеспечения безопасности (например, заземление вторичной обмотки ТТ).

Большинство действующих стандартов на трансформаторы, включая ТТ, а также существующая в этой области терминология, исторически ориентированы на электромагнитные трансформаторы. Однако в последние годы в связи с развитием новых технологий выходят на стадию серийного производства и широкого применения трансформаторы иного вида, работа которых основана не на принципе электромагнитной индукции, а использовании других эффектов магнитного поля, окружающего проводник с током, в частности, эффект Фарадея [3.6] .

Эффект Фарадея является одним из эффектов магнитооптики, раздела оптики, изучающей явления, связанные с испусканием, распространением и поглощением света в веществе (например, в оптоволоконном кабеле), помещенном в магнитное поле. Эффект заключается во вращении плоскости поляризации предварительно линейно поляризованного света под воздействием внешнего магнитного поля, причем угол поворота Θ плоскости поляризации линейно зависит от величины напряженности магнитного поля Θ~Н, а последняя – от величины тока в проводнике Н~I1, создающего это поле. Таким образом, зная соотношение Θ~I1 и, измерив Θ, можно по обратной зависимости определить I1.

Преобразователи, реализующие эффект Фарадея, применяют для измерений больших токов в высоковольтных электрических сетях напряжением 110 кВ и выше. Терминология по устройствам этого вида еще не установилась и поэтому в технической литературе для них встречаются различные наименования: оптические», магнитооптические», оптоэлектронные», оптоволоконные», волоконнооптические», оптикоэлектрические» ТТ, ПТ или ДТ. Строго говоря, указанные устройства не являются ТТ в традиционном смысле, а относятся к виду передающих преобразователей, преобразующих переменный или постоянный ток большого масштаба в соответствующий ему измерительный сигнал иного рода и/или вида (например, сигнал тока, напряжения и т.п.).

Ниже подробно рассматривается классификация современных электромагнитных ТТ, их технические и метрологические параметры, принципы конструкции и работы, особенности эксплуатации, сравнительные достоинства и недостатки.

Электромагнитные трансформаторы тока.

Термины и определения. Классификация

Основными конструктивными элементами электромагнитного ТТ являются первичная обмотка (через нее протекает первичный ток, подлежащий трансформации), вторичная обмотка (через нее протекает трансформированный, вторичный ток), магнитная система (комплект элементов определенной геометрической формы из ферромагнитного магнитомягкого материала, предназначенный для локализации в нем основного магнитного поля трансформатора), изоляция (совокупность изоляционных деталей и изоляционной среды, исключающая замыкания металлических частей трансформатора, находящихся под разными потенциалами, между собой и с заземленными частями) и корпус (оформляет ТТ как отдельное законченное изделие с заданными эксплуатационными характеристиками).

Стандарт [3.7] определяет общие технические требования к электромагнитным ТТ на номинальное напряжение от 0,66 до 750 кВ включительно (не распространяется на ТТ нулевой последовательности, лабораторные, суммирующие, блокирующие и насыщающиеся).

Согласно стандарту, ТТ классифицируют по следующим основным признакам:

- по роду установки (климатическому исполнению и категории размещения) по стандарту [3.8]; например, трансформатор с обозначением У3 предназначен для эксплуатации в макроклиматическом районе с умеренным климатом (У) и размещением в закрытых помещениях с естественной вентиляцией (категория 3), а с обозначением УХЛ1 – в районе с умеренным и холодным климатом на открытом воздухе (категория 1);

- по принципу конструкции: опорные (О) - для установки на опорной плоскости, проходные (П) - для использования в качестве ввода*, шинные (Ш) - первичной обмоткой служит шина распределительного устройства, разъемные (Р) - без первичной обмотки, с магнитной системой, которая может размыкаться и замыкаться вокруг проводника с измеряемым током, встроенные (В) - первичной обмоткой у них служит ввод электротехнического устройства**; допускается сочетание в конструкции ТТ нескольких перечисленных признаков (например, втулочный трансформатор является одновременно проходным и шинным), а также специальное конструктивное исполнение (рис.3.2.1);

- по виду изоляции: с литой изоляцией (Л) - изоляцией из литьевого органического материала, например, полиуретана или эпоксидной смолы, с фарфоровой покрышкой (Ф), в пластмассовом корпусе (П), маслонаполненные (М), газонаполненные (Г), с твердой изоляцией (кроме фарфоровой и литой) или с полимерной покрышкой;

- по числу ступеней трансформации: одноступенчатые - с одной ступенью трансформации тока, каскадные (К) - с несколькими последовательными ступенями трансформации тока;

- по числу вторичных обмоток: с одной, с несколькими обмотками;

- по назначению вторичных обмоток: для измерения и учета (для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам), для защиты (для передачи сигнала измерительной информации на устройства защиты и управления), для измерения и защиты, для работы с нормированной точностью в переходных режимах;

- по числу коэффициентов трансформации: с одним коэффициентом (согласно [3.3], однодиапазонный ТТ), с несколькими коэффициентами (согласно [3.3], многодиапазонный ТТ; получаются путем изменения числа витков первичной и/или вторичной обмотки, а также путем применения нескольких вторичных обмоток с различными числами витков, соответствующих различным значениям номинального вторичного тока).

Примеры условных обозначений ТТ: ТОП-0,66-100/5 У3 – трансформатор опорный в пластмассовом корпусе на напряжение сети 0,66 кВ с номинальными первичным 100А и вторичным 5А токами исполнения У3; ТЛП-10-1-0,2S/0,5/10Р-1000/1- трансформатор проходной с литой изоляцией на напряжение сети 10 кВ конструктивного варианта 1 с двумя вторичными обмотками для измерения и учета классов точности 0,2S и 0,5 и одной вторичной обмоткой для защиты класса 10Р на номинальные первичный 1000 А и вторичный 1А токи.

*ввод – проходной изолятор (изолятор, предназначенный для провода токоведущих элементов через стенку сооружения, имеющую иной электрический потенциал) с внутренней изоляцией из жидкого, твердого, газообразного диэлектрического материала или их комбинации [3.9];

** электротехническое устройство – совокупность взаимосвязанных электротехнических изделий (изделий, предназначенных для производства или преобразования, передачи, распределения или потребления электроэнергии), находящихся в конструктивном и/или функциональном единстве [3.10].

Стандарт [3.3] дополнительно определяет еще несколько видов ТТ:

- образцовый ТТ – трансформатор, служащий для поверки по нему других ТТ или расширения пределов измерения образцовых измерительных приборов и утвержденный в качестве образцового органами государственной метрологической службы»;

- лабораторный ТТ – трансформатор, предназначенный для эпизодического использования при электрических измерениях и поверке измерительных приборов и ТТ»;

- компенсированный ТТ – трансформатор, точность трансформации тока которого в определенном диапазоне первичного тока обеспечивается с помощью специальных средств» (например, дополнительной обмотки подмагничивания);

- насыщающийся ТТ – трансформатор с малой кратностью насыщения»;

- ТТ нулевой последовательности – трансформатор, предназначенный для определения тока нулевой последовательности в трехфазных цепях» (предназначен для питания схем защиты от замыкания на землю отдельных жил трехфазного кабеля путем трансформации появляющихся при замыкании токов нулевой последовательности);

- суммирующий ТТ – трансформатор, предназначенный для суммирования токов нескольких электрических цепей»;

- промежуточный ТТ – трансформатор, предназначенный для включения во вторичную цепь основного ТТ для получения требуемого коэффициента трансформации или разделения электрических цепей»;

- комбинированный трансформатор тока и напряжения (ТТН) – сочетание ТТ и ТН, объединенных в одном конструктивном исполнении»;

Стандарт [3.4] дополнительно определяет однофазный трансформатор как трансформатор, в магнитной системе которого создается однофазное магнитное поле», и трехфазный трансформатор как трансформатор, в магнитной системе которого создается трехфазное магнитное поле». ТТ изготавливают в виде однофазных трансформаторов.

В дополнение к приведенной стандартной классификации первичную обмотку ТТ по исполнению подразделяют на одновитковую и многовитковую. В свою очередь одновитковая обмотка может быть как собственной, так и внешней. В первом случае она может иметь стержневую (стержень, или шинка, круглой или прямоугольной формы) или U-образную форму. Внешнюю одновитковую первичную обмотку имеют шинные (роль первичной обмотки выполняет шина электроустановки, пропускаемая при монтаже ТТ сквозь его внутреннее отверстие прямоугольной, крестообразной – для горизонтальной или вертикальной установки ТТ - или иной формы), разъемные (их магнитопровод состоит из двух соединяемых друг с другом при монтаже частей, одеваемых» на токопровод), проходные (роль первичной обмотки выполняет неизолированный ввод) и встроенные (роль первичной обмотки выполняет токопровод проходного изолятора, изоляция которого одновременно изолирует вторичную обмотку от первичной) трансформаторы. Многовитковые ТТ выполняют с катушечной первичной обмоткой, с петлевой, со звеньевой и другими типами обмоток [3.3].

Детальнее рассмотрим встроенные трансформаторы (ТВ) [3.11-3.13]. Они являются широко распространенной разновидностью ТТ и характеризуются отсутствием собственной первичной обмотки и собственной высоковольтной изоляции. ТВ встраивают в высоковольтные силовые трансформаторы и выключатели, ввода которых, как отмечено выше, выполняют роль первичной одновитковой обмотки и одновременно высоковольтной изоляции вторичной обмотки ТВ (в этом плане ТВ отличаются от проходных ТТ, которые реализуют дополнительно функцию высоковольтной изоляции неизолированного ввода). По виду установки ТВ подразделяют на внутренней и наружной установки, а ТВ внутренней установки - для работы в масляной, газовой или воздушной средах. Типичные конструкции различных ТВ приведены на рис. 3.2.2: на фото представлены ТВ известного европейского производителя - австрийской компании ЭПРО Галлспах Гмбх (а-д) и крупнейшего российского изготовителя ОАО СЗТТ», г.Екатеринбург, (е).

Хотя конструкция ТВ проста (это медный провод, намотанный на изолированный кольцевой магнитопровод), но к ней предъявляются специфические требования, связанные как с ограничениями габаритов ТВ (по высоте, внутреннему и внешнему диаметрам), так и со средой размещения, способами защиты и крепления ТВ.

Подавляющее большинство ТВ предназначено для работы в масляной среде, температура которой может достигать ста и выше градусов Цельсия. При этом необходимо обеспечить долговременную стабильность метрологических характеристик ТВ и защиту таблички с паспортными данными от ее разрушения. В этих целях производители применяют для магнитопроводов ТВ специальные высококачественные сорта электротехнической стали, а для защиты от горячей масляной среды - полимерные пленки (например, полиэфирную или целлофановую ленту), которые наматывают на ТВ в виде бандажа и которые при помещении в горячую среду подвергаются термоусадке, тем самым полностью защищая ТВ от механических и химических повреждений и загрязнений (см. рис.3.2.2, а,в). ТВ для работы в газовой или воздушной среде конструктивно не отличаются от масляных», но их бандаж подвергается дополнительной смоляной пропитке.

После установки ТВ внутрь силовых трансформаторов или масляных выключателей они становятся малодоступны для каких-либо оперативных изменений. Поэтому обмотки ТВ выполняют, как правило, с несколькими внешними отводами, позволяющими в процессе эксплуатации менять дискретно значение коэффициента трансформации. Отводы делают в виде гибкого многожильного изолированного медного провода необходимой длины. Кроме того, для дополнительной поверки ТВ на месте установки его часто снабжают проверочной обмоткой, которая имитирует первичный ввод (сразу после проведения испытаний концы этой обмотки обрезают). Поскольку ТВ выполняют одновременно, как правило, функции измерения и защиты, то конструктивно они могут выполняться на нескольких аксиальных или коаксиальных сердечниках: одни из них используются для защиты, а другие для измерений (например, в ТВ на рис. 3.2.2, б внешний сердечник используется для целей защиты, а внутренний для измерений). ВТ для наружной установки (на наружную часть ввода) имеют усиленную защиту от воздействий внешней среды и выполняют, как правило, в литом корпусе из полимера и со специальным крепежом для фиксации ВТ на вводе. По требованию заказчика производители изготавливают специальные конструкции ВТ, например, в корпусе из алюминия (рис. 3.2.2, г) или со специальными подставками (рис. 3.2.2, е).

Номинальные, метрологические и технические параметры

К основным параметрам ТТ стандарт [3.7] относит номинальные параметры:

а) номинальное напряжение Uном[кВ] (кроме встроенных ТТ); выбирается из значений 0,66; 3; 6; 15; 20; 24; 27; 35; 110; 150; 220; 330: 500 и 750;

б) номинальный первичный ток I1ном[А]; выбирается из значений 1; 5; 10; 15; 20 и т.д. (до 40000 А);

в) номинальный вторичный ток I2ном[А] ; выбирается из значений 1; 2 и 5;

г) номинальный коэффициент трансформации nном=I1ном/I2ном (несократимая дробь); например, 1000/5;

д) номинальная вторичная нагрузка S2ном [В·А] с коэффициентом мощности cosφ2=1 (активная нагрузка) или cosφ2=0,8 (активно-индуктивная нагрузка); допускается обозначение вторичной нагрузки Z2ном=S2ном/I22ном [Ом]*; при cosφ2=1 выбирается из значений 1; 2 и 2,5, а при cosφ2=0,8 – из значений 3; 5; 10; 15; 20; 25; 30; 50; 60; 75 и 100 [В·А];

е) класс точности ТТ (для ТТ с одной вторичной обмоткой) или вторичных обмоток (для ТТ с несколькими вторичными обмотками); выбирается для обмотки измерений и учета из значений 0,1; 0,2; 0,2S; 0,5; 0,5S; 1; 3; 5 и 10, а для обмотки защиты – из значений 5Р и 10Р;

ж) номинальная предельная кратность вторичной обмотки, предназначенной для защиты, Kном** выбирается из значений от 5 до 30 (по требованию потребителя в стандартах на ТТ конкретных типов допускается устанавливать другие значения);

з) номинальный коэффициент безопасности приборов вторичной обмотки, предназначенной для измерений, KБном *** значения устанавливается в стандартах на ТТ конкретных типов (обычно в диапазоне от 1,5 до 10);

и) номинальная частота напряжения сети fном, равная 50 или 60 Гц;

* согласно [3.3], вторичная нагрузка ТТ определяется как “полное сопротивление внешней вторичной цепи ТТ, выраженное в омах, с указанием коэффициента мощности… может характеризоваться также кажущейся мощностью в вольтамперах, потребляемой ею при данном коэффициенте мощности при номинальном вторичном токе»;

** согласно [3.3], под предельной кратностью ТТ понимается наибольшее значение кратности первичного тока (отношения первичного тока к его номинальному значению), при котором полная погрешность при заданной вторичной нагрузке не превышает 10%», а под номинальной предельной кратностью – гарантируемая ТТ предельная кратность при номинальной вторичной нагрузке» (для срабатывания защиты при резком возрастании тока I1 , т.е. в режиме короткого замыкания первичной цепи, важно, чтобы защита успела, до вхождения магнитной системы ТТ в насыщение при дальнейшем, сверх предельной кратности увеличении I1 , измерить I2 хотя бы с погрешностью не более 10%);

*** этот параметр определяется как “отношение номинального тока безопасности приборов к номинальному первичному току ТТ” и означает, что при превышении кратности первичного тока выше заданного коэффициента безопасности, токовая погрешность вторичной обмотки для измерений должна превысить 10%, т.е. ТТ должен выполнить функцию ограничения тока во вторичной цепи (за счет вхождения его магнитной системы в состояние насыщения), предохраняя тем самым от повреждений измерительные приборы, включенные в эту цепь; очевидно, что требования к ТТ по предельной кратности вторичной обмотки и коэффициенту безопасности противоречивы и поэтому реализуются для раздельных обмоток (измерения и защиты) одного и того же ТТ или для отдельных ТТ.

Согласно [3.3], класс точности ТТ - это ”обобщенная характеристика, определяемая установленными пределами допускаемых погрешностей при заданных условиях работы”, и он обозначается числом, которое равно пределу допускаемой токовой погрешности в процентах при номинальном первичном токе. Номинальный класс точности ТТ – это ”класс точности, гарантируемый для ТТ при номинальной вторичной нагрузке и указываемый на его паспортной табличке”, т.е. он определяется при номинальных первичном токе и вторичной нагрузке. Как правило, значение номинального класса точности ТТ сохраняется не только при номинальных значениях параметров, но и при их изменении в определенном диапазоне.

В [3.3] токовая погрешность δТТ определяется как “погрешность, которую ТТ вносит в измерение тока, возникающая вследствие того, что действительный коэффициент трансформации не равен номинальному”, т.е. n≠nном. Эта погрешность является относительной погрешностью и выражается в процентах от текущего или номинального значения параметра (первичного или вторичного тока, номинального коэффициента трансформации). Если I1 – действительный, истинный первичный ток (его значение зависит только от нагрузки первичной цепи и величина вторичного тока I2 на него не влияет), а I*1 – его приближенное значение, найденное по действительному, измеренному значению I2 и номинальному коэффициенту трансформации nном (см.формулу 3.1.4), то токовая погрешность трансформатора определится из выражения:

δ=((I*1-I1)/I1)∙100%=((nномI2-nI2)/nI2)∙100%=((nном-n)/n)∙100% (3.2.1)

Поскольку точное значение n, как и точное значение I1, неизвестно, но n≈nном, то от (3.2.1) можно перейти к приближенному равенству

δ≈((nном-n)/nном)∙100% , (3.2.2),

которое определяет искомую токовую погрешность через разность и отношение номинального и действительного коэффициентов трансформации ТТ. В случае, если I*1 <I1 или nном<n, то δ<0, т.е. токовая погрешность отрицательна.

На практике токовую погрешность ТТ обычно задают не как погрешность коэффициента трансформации, а в виде эквивалентной погрешности вторичного тока, определяемой как “арифметическая разность между действительным вторичным током I2 и приведенным к вторичной цепи действительным первичным током, выраженная в процентах к этому приведенному первичному току” [3.3]. Согласно данному определению токовая погрешность ТТ представляется в виде:

       
 

Токовая погрешность ТТ :

δ=((I2-I1/nном)/(I1/nном))∙100% ≈ ((I2-I1/nном)/I2)∙100% =(1-n/nном)∙100%

   

(3.2.3)

 

 

Данная формула эквивалентна двум предыдущим (для доказательства достаточно умножить числитель и знаменатель дроби 3.2.3 на nном с заменой nном·I2=I*1).

Кроме токовой погрешности, ТТ вносит в процесс измерения первичного тока еще и угловую погрешность Θ, которая по [3.3] определяется как ”угол между векторами первичного и вторичного токов при таком выборе их направлений, чтобы для идеального трансформатора тока этот угол равнялся нулю”. Угловая погрешность образуется из-за сдвига фазы вторичного тока относительно фазы первичного тока в процессе передачи электромагнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и ее использования во вторичной цепи. Угловая погрешность выражается в минутах или сантирадианах* и считается положительной, когда вектор вторичного тока опережает вектор первичного тока. Угловая погрешность, как и токовая, в общем случае может быть как положительна, так и отрицательна. Физический смысл угловой погрешности подробно рассматривается в следующем параграфе при анализе векторной диаграммы ТТ.

* Один градус плоского угла содержит 60 мин (') или 360 сек (''). Полный угол окружности равен 3600= 21600'=2π радиан (радиан – центральный угол окружности, соответствующий длине дуги, равной радиусу этой окружности; радиан содержит примерно 57017'45''). Отсюда, одна минута равна 2,909·10-4 радиан=2,909·10-2 сантирадиан (срад) и составляет 0,029% от полного угла (эта величина используется для перевода абсолютной угловой погрешности, выраженной в минутах, в относительную погрешность, выраженную в процентах).

Пределы допускаемых токовой и угловой погрешностей вторичных обмоток для измерений и учета в рабочих условиях применения ТТ при установившемся режиме должны соответствовать значениям, указанным ниже в таблице 3.2.1[3.7]. График допускаемой области погрешностей, т.е. области, за пределы которой они не должны выходить, приведен для ТТ классов точности 0,5S и 0,5 по токовой погрешности на рис.3.2.3. Из таблицы и графика следует, что для ТТ без литеры “S” допускаемые погрешности нормируются для поддиапазонов первичного тока 5-20, 20-100 и 100-120 I1/I1ном% , а с литерой “S”(обозначим такие ТТ как ТТs) – для поддиапазонов 1-5, 5-20 и 20-120 I1/I1ном% (ТТs обладают меньшей погрешностью в диапазоне первичного тока меньше номинального). Вне указанных границ диапазонов (5-120% для ТТ и 1-120% для ТТs) погрешности не определены и могут, вообще говоря, принимать любые значения.

Отметим, что погрешности ТТ нормируются в заданных поддиапазонах первичного тока с учетом допускаемого диапазона изменения вторичной нагрузки ТТ: 25-100 % от S2ном (при cosφ2=1и cosφ2=0,8). Кроме того, стандарт [3.7] устанавливает повышенный (более, чем 25% от номинальной нагрузки) нижний предел вторичных нагрузок в абсолютных величинах для нагрузок, не превышающих 10В·А (нагрузка/нижний предел): 1/0,8: 2/1,25; 2,5/1,5; 3/1,75; 5/3,75 и 10/3,75. Подробно вопросы работы ТТ при перегрузке или недогрузке вторичной обмотки рассматриваются в следующем параграфе .

Пределы допускаемых погрешностей вторичных обмоток для защиты в рабочих условиях применения при установившемся режиме и номинальной вторичной нагрузке должны быть по токовой/ угловой погрешностях не более ±1%/±60'(±1,8 срад) для класса точности 5Р и ±3%/не нормируется – для класса точности 10Р (соответственно при Кном= 5 и 10).

При эксплуатации ТТ вышеуказанных параметров бывает недостаточно для оценки действительных погрешностей ТТ. Поэтому стандарт [3.7] устанавливает, что “по согласованию между потребителем и изготовителем в эксплуатационной документации на трансформаторы должны быть указаны зависимости погрешностей от влияющих факторов: первичного тока, вторичной нагрузки, частоты и температуры, а также динамические характеристики. Зависимости погрешностей от каждого влияющего фактора определяют при номинальном значении всех остальных влияющих факторов и с указанием точности определения”.

Таблица 3.2.1

Допускаемые области погрешностей ТТ для классов точности 0,1; 0,2; 0,2S; 0,5; 0,5S

Класс точности

Первичный ток в % от I1ном

Предел допускаемой погрешности

Предел вторичной нагрузки в % от номинальной

токовой, δ, %

Угловой Θ

мин, (')

срад

0,1

5

± 0,4

±15

±0,45

25-100

при cos φ2=0,8

(активно-индуктивная нагрузка)

20

±0,2

±8

±0,24

100-120

±0,1

±5

±0,15

0,2

5

±0,75

±30

±0,9

20

±0,35

±15

±0,45

100-120

±0,2

±10

±0,3

0,2S

1

±0,75

±30

±0,9

5

±0,35

±15

±0,45

20

±0,2

±10

±0,3

100

±0,2

±10

±0,3

120

±0,2

±10

±0,3

0,5

5

±1,5

±90

±2,7

20

±0,75

±45

±1,35

100-120

±0,5

±30

±0,9

0,5S

1

±1,5

±90

±2,7

5

±0,75

±45

±1,35

20

±0,5

±30

±0,9

100

±0,5

±30

±0,9

120

±1,0

±30

±0,9

 

Рис.3.2.3 График допускаемой области погрешностей для ТТ классов точности 0,5S (а) и 0,5 (б)

Токовая и угловая погрешности рассчитываются по действующими значениям первичного и вторичного токов и используются для оценки точности ТТ в установившемся режиме работы. В переходном режиме (например, при КЗ в первичной цепи) для этой цели используют полную погрешность, которую, согласно [3.3], определяют как “действующее значение разности между произведением номинального коэффициента трансформации на мгновенное действительное значение вторичного тока и мгновенным значением первичного тока в установившемся режиме”. Эту погрешность выражают обычно в процентах действующего значения первичного тока и используют при расчете защит.

Стандарт [3.7] выдвигает к ТТ, помимо вышерассмотренных номинальных и метрологических требований, технические требования, включая общие требования по климатическому исполнению и категории размещения, по изоляции, по нагреву и стойкости при токах короткого замыкания (КЗ), по обозначению выводов обмоток. Так, например, изоляция первичной обмотки (первичной цепи) ТТ на номинальное напряжение 0,66 кВ должна выдерживать воздействие испытательного напряжения 3 кВ частотой 50 Гц в течение 1 мин, а для ТТ на номинальное напряжение от 3 до 500 кВ должна соответствовать стандарту [3.14]. Важной характеристикой прочности изоляции высоковольтных ТТ является уровень частичных разрядов* изоляции первичной обмотки, который измеряется в пикокулонах (пКл) и не должен превышать для ТТ с бумажно-масляной или газовой изоляцией 10 пКл, а для ТТ с твердой изоляцией – 20 пКл.

* Частичный разряд (ЧР) – это искровой разряд малой мощности, который образуется внутри газовых включений изоляции или на ее поверхности (как правило, загрязненной или увлажненной) в оборудовании среднего и высокого напряжения. С течением времени повторяющиеся ЧР вызывают старение изоляции, ее разрушение и, в конечном счете, ее электрический пробой. Разрушение изоляции под действием ЧР происходит длительно, в течение месяцев или лет. Чем меньше уровень ЧР, тем прочнее изоляция. Например, для уменьшения уровня ЧР при изготовлении ТТ с литой изоляцией используют литье компаундов (эпоксидной смолы, полиуретана) в вакууме.

Требования по нагреву ограничивают наибольшие рабочие первичные токи I1нр (номинальные токи длительного режима) ТТ и допустимую наибольшую температуру нагрева конструктивных элементов трансформаторов. ТТ на номинальное напряжение 0,66 кВ при продолжительном режиме протекания таких токов должны соответствовать стандарту [3.15], а ТТ на более высокие напряжения (за исключением встроенных ТТ, работающих на трансформаторном масле) – стандарту [3.16]. Допустимые значения наибольших рабочих первичных токов ТТ в диапазоне до 10 кА равны, как правило, номинальным или не превышают их более, чем на 4-7% (например, для I1ном=300А I1нр=320А).

Требования к стойкости при токах КЗ для ТТ на напряжение свыше 0,66 кВ определяют их устойчивость к нормированным токам, действие которых трансформатор способен выдержать при КЗ в течение нормированного времени, - электродинамическому (для шинных, встроенных и разъемных ТТ не определяется) и термическому воздействиям токов КЗ, параметры которых не превышают установленных значений*: а) тока электродинамической стойкости iд или его кратности Кд по отношению к амплитуде I1ном; б) тока термической стойкости Iт или его кратности Кт по отношению к I1ном; в) времени протекания тока tк, равного 1 или 3с для ТТ с Uном≤220 кВ и 1 или 2с для ТТ с Uном≥330 кВ. Указанные величины устанавливаются в стандартах на ТТ конкретных типов.

*согласно [3.3], ток электродинамической стойкости определяется как наибольшее амплитудное значение тока КЗ за все время его протекания, которое ТТ выдерживает без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе» (этот ток характеризует способность ТТ противостоять механическим воздействиям тока КЗ), а ток термической стойкости – как наибольшее действующее значение тока КЗ за промежуток времени, которое ТТ выдерживает в течение этого промежутка времени без нагрева токоведущих частей до температур, превышающих допустимые при токах КЗ, и без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе».

Выводы первичных и вторичных обмоток ТТ должны обозначаться, согласно [3.7], соответственно как Л1,Л2 и И1,И2 (1И1-1И2, 2И1-2И2 и т.д. в случае нескольких вторичных обмоток), где индексом 1 обозначают начало, а индексом 2 – конец обмотки (при направлении тока в первичной обмотке от Л1 к Л2 ток во вторичной обмотке в тот же момент времени должен быть направлен через вторичную цепь от И1 к И2).

Магнитные свойства магнитопровода трансформатора

Технические, метрологические и другие параметры современных электромагнитных ТТ определяются в первую очередь характеристиками их магнитных систем – магнитопроводов (сердечников). Эти характеристики зависят не только от конструкции магнитопроводов (их структуры, размера и формы), но, главным образом, - от типа и марки используемого магнитного материала, его электромагнитных свойств. В качестве материала для магнитопроводов современных ТТ используют, как правило, три группы различных ферромагнитных магнитомягких сплавов: а) электротехническую сталь (ЭТС)*, б) пермаллой (ПМ)**, б) нанокристаллические сплавы (НКС)*** [3.17-3.20].

*ЭТС (сталь - сплав железа с углеродом до 2% С) содержит добавки кремния (до 4,8% Si), который увеличивает ее магнитную проницаемость и электросопротивление, снижая удельные потери энергии в материале. ЭТС подразделяют по видам продукции на листовую, рулонную и ленту, а тонколистовую ЭТС классифицируют: а) по структурному состоянию и виду прокатки на три класса: 1- горячекатаную изотропную, 2 - холоднокатаную изотропную, 3- холоднокатаную анизотропную с ребровой текстурой (с выраженным ориентированным зерном); б) по содержанию кремния на шесть типов (например, тип 4 содержит 2,8-3,8 Si); в) по основной нормируемой характеристике – удельным магнитным потерям Р[Вт/кг] – при заданной индукции В[Тл]/частотеf[Гц] на пять групп: 0 - (Р1,7/50), т.е. при В=1,7 Тл и f=50 Гц; 1 – (Р1,5/50) и другие [3.20]. По содержанию кремния ЭТС подразделяют на динамную (<2,8%Si - типы 0-3, обладает повышенной механической прочностью) и трансформаторную (>2,8% Si - типы 4 и 5, обладает повышенными магнитными свойствами). Для изготовления магнитопроводов ТТ, работающих в электрической сети 50-60 Гц, используют чаще всего высококачественную тонколистовую трансформаторную сталь класса 3, типа 4, группы 0 или 1, т.е. марок 340х (например, 3408) или 341х, изготавливаемую толщиной 0,27-0,35мм, шириной 650-1000мм и поставляемую сталепрокатным предприятием изготовителю трансформаторов в виде рулонов весом до 5 т.

**ПМ – железоникелевый сплав, содержащий 45-80% никеля (Ni), железо (Fe), хром, кремний, молибден (Mo) (ПМ относится по [3.21] к первой группе прецизионных высоколегированных деформируемых сплавов - магнитомягким сплавам с высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой в слабых полях). Различают низконикелевые (40-50% Ni) и высоконикелевые (70-83% Ni) пермаллои (с ростом процента никеля возрастают величины магнитной проницаемости и удельных магнитных потерь, уменьшается индукция насыщения). Наиболее высокими магнитными свойствами обладают супермаллои, например, марки 80НМ (80% Ni, 15% Fe, 5% Mo). ПМ производят в виде лент или листов толщиной соответственно 0,02-2,5 мм и 3-22 мм.

*** НКС (аморфные сплавы, или металлические стекла) – это быстрозакаленные ферромагнитные сплавы на основе железа, кремния, бора (B), ниобия (Nb) и меди (Cu), получаемые путем разлива расплава на поверхность вращающегося с большой скоростью валка-холодильника. При высокой скорости охлаждения (до 1 млн. 0С/с) в сплаве толщиной 0,025-0,03 мм резко замедляется тепловое движение атомов, они теряют способность менять своих соседей и формировать крупнокристаллическую решетку (кристаллы и домены не успевают вырасти, их линейные размеры в тысячи раз меньше обычных - не более 10-20 нм), сплав приобретает аморфный, стекловидный характер. К настоящему время получены сотни различных сплавов в аморфном состоянии (одни из первых - сплавы под торговой маркой “Finemet” состава 73,5%Fe,13,5%Si, 9%В, 3%Nb,1%Cu), причем у некоторых из них процесс кристаллизации удается подавить при существенно меньших (тысячи и даже сотни 0С/с) скоростях охлаждения. Состав и свойства НКС регламентируются техническими условиями их изготовителей.

Основные характеристики образцов ферромагнетиков (например, в виде ленточных кольцевых магнитопроводов) определяют по кривым намагничивания – зависимостям магнитной индукции В (или намагниченности J, см. параграф 2.3) от напряженности магнитного поля Н, в котором исследуются эти образцы (рис. 3.2.4)*. Такие кривые имеют вид петли магнитного гистерезиса - замкнутой кривой, выражающей зависимость магнитной индукции (намагниченности) материала от амплитуды напряженности магнитного поля при его периодическом достаточно медленном изменении [3.19]. Гистерезис (от греч. hysteresis отставание, запаздывание) характеризует неоднозначную связь между физическими величинами: значение одной величины зависит не только от текущего значения другой величины, но и от ее предыдущих значений, от истории процесса изменения величин. При магнитном гистерезисе одному и тому же значению Н соответствуют разные значения В (или J).**

*На тороиде с внутренним радиусом r находится равномерно и плотно навитая обмотка провода с числом витков w. При этом силовые магнитные линии в ферромагнетике представляют собой окружности, а векторы напряженности и индукции магнитного поля направлены по касательным к ним. Для тонкостенного тороида, в котором Δr<<r , можно принять длину всех магнитных линий одинаковой и равной L=2π·r. Тогда напряженность магнитного поля равна H=F/L=I·w/2π·r, где F=I·w – магнитодвижущая сила (см. параграф 2.3). Каждому значению напряженности Н магнитного поля в тороиде соответствует определенная намагниченность ферромагнитного материала, а следовательно, и соответствующее значение магнитной индукции В.

** Помимо магнитного известны и другие виды гистерезиса (например, диэлектрический, упругий). Магнитный гистерезис обусловлен доменной структурой ферромагнетика (домены – области с пространственно однородными упорядоченными магнитными моментами атомов или ионов, т.е. области спонтанной намагниченности). В однородном многодоменном ферромагнетике в отсутствие внешнего поля его суммарная намагниченность близка к нулю, так как домены имеют одинаковую величину намагниченности, но разное направление. Под действием внешнего поля магнитный момент ферромагнетика увеличивается за счет поворота разноориентированных доменов по полю и их смещения - увеличения числа и размеров намагниченных по полю доменов за счет поглощения ими других доменов. Вращение и смещение доменов связаны с изменением их границ (стенок), которое затруднено из-за наличия в материале дефектов (дислокаций, примесей, неоднородностей), препятствующих движению доменов и требующих затрат энергии на преодоление сопротивления дефектов. Поэтому перемагничивание материала всегда приводит к магнитным потерям на гистерезис (они являются частью общих удельных магнитных потерь – потерь мощности, поглощаемой в единице массы ферромагнетика и рассеиваемой в виде тепла при воздействии на него меняющегося во времени магнитного поля; другой частью таких потерь в быстроменяющихся полях являются удельные магнитные потери на вихревые токи [3.19]). Доменная память запоминает историю изменения внешнего магнитного поля, создавая в ферромагнетике соответствующие магнитные структуры с адекватными значениями магнитной индукции.

 

Среди кривых намагничивания различают, согласно [3.19], начальную кривую намагничивания (определяет зависимость В (или J) от Н в процессе намагничивания предварительно размагниченного ферромагнетика при последовательном возрастании Н), симметричную петлю магнитного гистерезиса (петлю, получаемую при циклическом изменение Н между равными по абсолютному значению максимальным Hmax и минимальным Hmin значениями Н и симметричную относительно начала координат; если поле изменять в пределах, меньших чем насыщение, то получают непредельную, или частную симметричную петлю), предельную петлю магнитного гистерезиса (симметричную петлю, максимальное значение намагниченности которой соответствует намагниченности технического насыщения (НТН), под которой понимается такая намагниченность, которая не может быть существенно повышена при дальнейшем увеличении Н; при этом образец состоит из одного домена с магнитным моментом насыщения, направленным по полю) и основную кривую намагничивания (кривую, представляющую собой геометрическое место вершин симметричных петель магнитного гистерезиса, которые получаются при последовательно возрастающих максимальных значениях Н).

Кривые намагничивания используют для определения магнитных характеристик ферромагнетиков: индукции технического насыщения Bs (определяется экстраполяцией из области Н, соответствующей НТН, к Н=0); остаточной индукции Br (сохраняется в ферромагнетике после намагничивания его до НТН и уменьшения Н до нуля); коэрцитивной силы по индукции Нс (равна Н, необходимой для изменения магнитной индукции от Br до нуля, т.е. полного размагничивания материала); начальной магнитной проницаемости µн (значении µ на начальной или основной кривой намагничивания по индукции при стремлении Н к нулю, деленном на значение магнитной постоянной µ0=1,2566·10-6 Гн/м) и максимальной магнитной проницаемости µmax (максимальном значении µ как функции Н на основной кривой намагничивания по индукции).

Вид, размеры и параметры петли магнитного гистерезиса разных ферромагнетиков различаются в широких пределах. На петлю сильно влияет, помимо вида и марки материала, его термическая, химическая и механическая обработки, изменяющие количество дефектов в материале (после обработки материал всегда, в целях снятия внутренних напряжений, подвергается отжигу – термической обработке с последовательным нагревом, выдержкой и медленным охлаждением). Коэффициент прямоугольности, равный отношению Кп=Br/Bs, задает форму петли: прямоугольную (при Кп≥0,85) или округлую (при Кп<0,85). Площадь петли определяет энергию, теряемую в образце за один цикл перемагничивания – магнитные потери на гистерезис. Эта площадь существенно зависит от коэрцитивной силы: чем меньше величина Нс, тем меньше площадь и, следовательно, меньше потери энергии. По величине Нс ферромагнетики подразделяют на магнитомягкие (Нс<4 кА/м) и магнитотвердые (Нс≥4 кА/м) [3.19]. Для магнитопроводов ТТ используют магнитомягкие материалы с узкой петлей гистерезиса, которые работают, как правило, в диапазоне изменения напряженности магнитного поля до Н=800А/м с Нс=0,4-12А/м и с минимальными потерями на перемагничивание (например, удельные магнитные потери для ЭТС марок 340х, нормируемые при f=50Гц, Н=100А/м,В=1,7 Тл, составляют 1,1-1,6 Вт/кг [3.20]).

С ростом частоты f переменного магнитного поля, т.е. числа циклов перемагничивания в единицу времени, к гистерезисным потерям в материале добавляются другие потери, связанные с вихревыми токами (“электрическими токами в проводящем теле, вызванными электромагнитной индукцией, замыкающимися по контурам, образующим односвязную область” [3.22]) и магнитной вязкостью (реакцией материала, зависящей от длительности воздействия поля и проявляющейся магнитным последействием - дополнительным по отношению к гистерезису запаздыванием). При этом площадь петли на высоких частотах перемагничивания существенно увеличивается: статическая петля гистерезиса (образуется при медленных изменениях напряженности квазипостоянного магнитного поля) превращается в динамическую петлю гистерезиса (образуется при намагничивании материала переменным магнитным полем). В общем случае, удельные магнитные потери тем меньше, чем меньше площадь динамической петли гистерезиса и частота перемагничивания, но больше удельное электрическое сопротивление ρ материала (типичная величина ρ для ЭТС и ПМ составляет 0,5-0,6, а для НКС – 1,3-1,6 мкОм·м).

На рис. 3.2.5 в качестве примера приведены основные кривые намагничивания для ленточных кольцевых магнитопроводов низковольтных ТТ класса 0,5S из ЭТС, НКС и их комбинации. Для обеспечения работы ТТ с заданной точностью важны в первую очередь линейные участки этих кривых, находящиеся на графиках до области насыщения, и их крутизна. При обеспечении линейности сохраняется пропорциональность между первичным и вторичным токами ТТ, позволяющая по измеренному вторичному току правильно, с допустимыми погрешностями определить первичный ток, а необходимая крутизна кривой дает возможность правильно отслеживать даже небольшие изменения первичного тока.

Из кривых намагничивания следует, что для магнитопроводов из НКС они обладают линейностью и максимальной крутизной не только на основном, но и на начальном участке намагничивания, в котором магнитопроводы работают при токах 1-5%I1ном. Большая крутизна кривой на этих участках свидетельствует о высоких значениях начальной µн и максимальной µmax магнитных проницаемостей. Для сравнения, µн и µmax большинства НКС находятся соответственно в диапазонах (104 - 2·105) и (105 -1,5·106), а для ЭТС – в диапазонах (102 - 103) и (103 - 5·104). Вместе с тем, в магнитопроводах из НКС быстрее (при меньших значениях Н) достигается уровень технического насыщения, а индукция насыщения имеет меньшие значения, чем для ЭТС.

Рис.3.2.5. Основные кривые намагничивания ленточных кольцевых магнитопроводов из различных сплавов: а) 1- НКС 5БДСР (Ашинский металлургический завод), 2 - комбинированный магнитопровод (20% 5БДСР и 80% ЭТС 3425), 3– ЭТС 3405; б) начальные участки основных кривых намагничивания: 4- НКС (Германия), 5 – ЭТС 3407

В силу этих особенностей, магнитопроводы из НКС позволяют для ТТ высокого класса точности (с литерой “S”) обеспечить требуемый уровень погрешностей не только при малых первичных токах, но и во всем диапазоне 1-120% I1ном. Из-за возможности быстрого вхождения в режим насыщения такие ТТ имеют, как правило, малое значение номинального коэффициента безопасности (КБном=1,5-3) и чувствительны к перегрузкам по первичному току Поэтому при их эксплуатации необходимо обеспечить работу ТТ строго в установленном диапазоне первичного тока. Магнитопроводы из ЭТС, наоборот, характеризуются нелинейным характером начального участка кривой намагничивания, меньшей его крутизной и поэтому для них труднее обеспечить правильную работу ТТ при первичных токах, меньших 5%I1ном (особенно в процессе эксплуатации и магнитного старения материала). Зато такие магнитопроводы позволяют сохранить погрешности в допустимых пределах при первичных токах, значительно больших номинальных, и имеют более высокий коэффициент безопасности (КБном=5-10). ТТ с комбинированными сердечниками (см.рис.3.2.4,а,кривая2) позволяют объединить эксплуатационные достоинства магнитопроводов из НКС и ЭТС, скомпенсировав одновременно их недостатки.

Дополнительные преимущества магнитопроводов из НКС связаны с их высоким удельным сопротивлением (в 3-4 раза выше, чем у ЭТС), позволяющем снизить удельные магнитные потери на вихревые токи до 0,3-0,4 Вт/кг при f=50 Гц, до 5-6 Вт/кг при f=20 кГц или 100-120 Вт/кг при f=100 кГц (в анизотропной ЭТС такие потери могут достигать 90% всех магнитных потерь). Это же свойство НКС позволяет упростить и удешевить изготовление ленточных сердечников, так как снимает необходимость изоляции слоев ленты лаком: для этого достаточна естественная оксидная пленка на поверхности лент. Магнитопроводы из НКС обладают устойчивостью к магнитному старению и расчетной стабильностью своих электромагнитных характеристик на 50-100 лет, что важно для длительной эксплуатации ТТ. За счет высоких магнитных свойств сердечников можно снизить их габариты и затраты провода на вторичную обмотку, что дополнительно уменьшает электрические потери в меди ТТ.

Температура точки Кюри (“критической температуры, выше которой ферромагнетик становится парамагнетиком”[3.19], т.е. теряет свою спонтанную намагниченность) для ряда НКС, например, типа Finemet составляет 5700С (для сплава 5БДСР - 3500С), а максимальная температура их длительного применения не менее 240 0С. Аморфные сплавы характеризуются минимальным уровнем внутренних дефектов (дислокаций), что обеспечивает изделиям из НКС высокую прочность и твердость, стойкость к износу и коррозии, но вместе с тем пониженную пластичность (носителями пластичности являются дислокации, отсутствующие в НКС) и более высокую хрупкость. Поэтому сердечники из НКС следует предохранять и защищать от ударов (с этой целью их помещают в защитный полимерный корпус или заливают компаундом в ТТ с литой изоляцией). Суммируя, следует отметить, что по своим электромагнитным свойствам НКС существенно превосходят ЭТС, сопоставимы с лучшими марками пермаллоя, отличаясь от последних более низкой стоимостью, а от обоих своих предшественников - большей стойкостью и стабильностью своих магнитных характеристик.

Теория электромагнитного трансформатора тока

Типовая структурная схема ТТ, присоединенного к фазе электрической сети, приведена на рис.3.2.6 [3.17]. Первичная обмотка ТТ включается в фазу последовательно (в рассечку токопровода), а вторичная обмотка замыкается через линии связи (провода длиной l2п) на вторичную нагрузку Z2ПР, которая моделирует входное полное сопротивление измерительного прибора. Первичная и вторичная обмотки электрически изолированы друг от друга, но взаимосвязаны магнитопроводом, который локализует и в µ раз усиливает магнитный поток Ф1=B·S, создаваемый мдс F1=I1·w1, где В=µ0µН1 – магнитная индукция в магнитопроводе, S - площадь его сечения, а Н1=f(I1) - напряженность магнитного поля первичного тока (для одновитковой первичной обмотки F1=I1)*.

*Вообще говоря, магнитную связь между первичной и вторичной обмоткой можно организовать и без магнитопровода, например, путем намотки вторичной обмотки поверх первичной, как это делается в так называемых воздушных» ТТ (их преимущество перед обычными ТТ – высокая линейность зависимости вторичного тока от первичного). Но, при этом, во-первых, трудно обеспечить требуемую изоляцию низковольтной вторичной цепи относительно высоковольтной первичной цепи (особенно при токах КЗ в первичной цепи), и, во-вторых, величины вторичной эдс и тока окажутся в тысячи раз меньше (в силу уменьшения магнитного потока и величины мощности, передаваемой с ним во вторичную цепь), что потребует их предварительного усиления для обеспечения срабатывания измерительных приборов, подключенных к вторичной обмотке ТТ.

Рис.3.2.6 Типовая структурная схема трансформатора тока, включенного в электрическую сеть, с присоединенной вторичной нагрузкой

Величина тока I1 в первичной цепи ТТ не зависит от тока его вторичной цепи и определяется первичной нагрузкой Z1 - совокупностью электроприемников (ЭП), подключенных к электросети, которая в процессе работы может скачкообразно (из-за процессов включения/отключения отдельных ЭП) или плавно (при изменения режимов работы ЭП) изменяться в больших пределах. Напомним, что работа ТТ по первичному току нормируется стандартами в диапазоне 5-120% или 1-120% I1ном (для ТТ класса точности с литерой S; ТТ отдельных изготовителей обладают возможностью работать в классе и в более широком диапазоне первичного тока). В силу того, что сопротивление первичной обмотки ТТ, как правило, ничтожно мало (например, для одновитковой стержневой обмотки в виде медной шинки оно составляет миллионные доли ома), падение напряжения на ней не превышает сотых-тысячных долей вольта при любых номинальных первичных токах.

Нормальным режимом работы ТТ является режим, близкий к режиму КЗ его вторичной цепи [3.17, 3.23-3.27]. Например, для ТТ с номинальной мощностью вторичной нагрузки S2ном=5ВА и номинальным вторичным током I2ном=5А, максимальная нагрузка вторичной цепи не должна превышать номинальную: Z2max<Z2ном=S2ном/I22ном=5/52=0,2Ом. Максимальная нагрузка вторичной цепи Z2max равна сумме сопротивлений проводов Z2п (на объектах учета измерительные приборы нередко размещаются на удалении в десятки-сотни метров от ТТ, и в этих условиях нельзя пренебрегать сопротивлением соединительных проводов) и сопротивления Z2ПР последовательных цепей подключаемых к ТТ измерительных приборов: Z2max=Z2п+Z2ПР.

Работа ТТ в нормальном режиме происходит следующим образом. При появлении первичного тока изменяющийся вместе с ним магнитный поток Ф1 начинает циркулировать по замкнутому магнитопроводу, индуцируя во вторичной обмотке эдс е2=-w2dФ1/dt, которая создает в этой же обмотке и во вторичной цепи, на которую она замкнута, ток i2. В соответствии с правилом Ленца (см. параграф 2.5), этот ток своим магнитным полем противодействует изменению магнитного потока Ф1, т.е. создаваемый током i2 магнитный поток Ф2 в каждый момент времени направлен против потока Ф1. В результате взаимодействия встречных магнитных потоков в магнитопроводе в стационарном режиме устанавливается уменьшенный суммарный магнитный поток Ф0=Ф1-Ф2 (в векторном виде Ф0=Ф1+Ф2), направление которого совпадает с направлением Ф1, а величина не превышает, как правило, одного процента Ф1. Этот результирующий нормальный поток Ф0 индуцирует во вторичной обмотке небольшую эдс е02=-w2dФ0/dt (ее величина, например, при I2ном=5А и Z2ном=0,2Ом равна 1В), поддерживающую во вторичной цепи ток, пропорциональный значению тока первичной цепи.

В случае КЗ в первичной цепи, когда Z1 стремится к нулю и первичный ток в десятки-сотни раз превышает номинальный (длительность протекания тока КЗ определяется быстродействием защиты и не превышает, как правило, долей секунды), безопасность вторичной цепи ТТ и включенных в нее измерительных приборов обеспечивается за счет вхождения магнитопровода в насыщение. При этом, несмотря на возрастание первичного тока, магнитный поток в сердечнике ограничен, и, следовательно, ограничены вторичные эдс и ток*. В таком режиме возможная кратковременная перегрузка по вторичному току определяется номинальным коэффициентом безопасности KБном приборов измерительной обмотки ТТ.

*в воздушных ТТ, из-за отсутствия в них сердечника, выполняющего функции ограничения магнитного потока, при КЗ в первичной цепи возможен выход из строя элементов, включенных во вторичную цепь.

Не нормальным, или аварийным режимом работы ТТ, является режим разомкнутой вторичной цепи. При исчезновении из-за обрыва вторичной цепи тока i2 и созданного им магнитного потока Ф2 нормальный поток Ф0 возрастает до Ф1. При этом, во-первых, во вторичной обмотке индуцируется большая эдс e2 (до нескольких киловольт, в зависимости от силы тока в первичной цепи), которая может вызвать пробой изоляции и поражение электрическим током обслуживающего персонала, и, во-вторых, из-за большого увеличения магнитной индукции в сердечнике значительно возрастают в нем удельные магнитные потери, что приводит к нагреву и вибрации сердечника, и в конечном счете к его преждевременному магнитному старению и метрологическому отказу ТТ. Поэтому при эксплуатации ТТ нельзя допускать размыкания его вторичной цепи при наличии ненулевого первичного тока. В случае замены измерительного прибора, подключенного к вторичной обмотке работающего ТТ, эту обмотку необходимо предварительно закоротить», а после переподключения прибора убрать закоротку»*. Для защиты от поражения электрическим током персонала, манипулирующего с вторичными цепями ТТ, в случаях размыкания вторичной цепи или пробоя и попадания на нее высокого напряжения первичной цепи, начало вторичной обмотки ТТ заземляют.

*Закоротка» вторичной обмотки ТТ возможна, как правило, двумя способами: а) с использованием спаренных клемм вторичной обмотки, расположенных непосредственно на корпусе ТТ (к одной паре клемм подключается прибор, а вторая пара клемм может быть при необходимости закорочена), б) с использованием испытательной колодки, через которую прибор дистанционно проводами присоединяется к вторичной обмотке ТТ (колодка имеет реконфигурируемые, фиксируемые винтами, плоские металлические полоски-замыкатели, с помощью которых можно перемкнуть контакты, от которых идут провода к вторичной обмотке ТТ).

Для более детального анализа работы ТТ и его погрешностей построим векторную диаграмму для действующих значений электрических и магнитных величин ТТ [3.23,3.26,3.28] (рис.3.2.7).

Рис.3.2.7 Векторная диаграмма реального электромагнитного ТТ

Диаграмма детализирована для вторичной обмотки реального ТТ, имеющего активно-реактивные потери в магнитопроводе (потери в стали») и активные потери в обмотках (потери в меди»). Построение диаграммы начато с вектора вторичного тока I2, вызываемой им мдс F2=I2w2 и активной составляющей падения напряжения U2rт=I2R2т на активном сопротивлении R2т вторичной обмотки ТТ. Все эти векторы коллинеарны и направлены вдоль оси абсцисс. Вектор индуктивной составляющей падения напряжения на вторичной обмотке U2xт=I2X2т опережает на 900 вторичный ток I2 и поэтому направлен к нему перпендикулярно вверх. Аналогичным образом строятся векторы активной U2rн=I2R2н и индуктивной U2xн=I2X2н составляющих падения напряжения на вторичной активной R2н и индуктивной X2н нагрузках. Векторная сумма падений напряжения на вторичной обмотке U2т и нагрузке U2н равна вектору эдс Е2.Угол φ2 отражает факт наличия реактивных сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки и определяет сдвиг фаз между векторами эдс Е2 и током I2. Соответственно угол φ2н определяет сдвиг фаз между векторами напряжения U2н и тока I2н вторичной нагрузки, а cos φ2н задает коэффициент мощности (КМ) нагрузки*.

*Напомним, что все погрешности ТТ нормируются при 25-100%S2ном при активно-индуктивной вторичной нагрузке с cos φ2н=0,8 (угол φ2н≈36,80). Если бы реальная вторичная нагрузка была активно-емкостной, то вектор реактивной составляющей U2xн следовало бы направлять относительно вектора активной составляющей U2rн перпендикулярно вниз, так как емкостной ток опережает на 900 напряжение на емкости (при этом угол φ2н становится отрицательным, а полярность угла φ2 может быть как положительна, так и отрицательна, в зависимости от соотношения реактивных сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки).

Эдс Е2 генерируется во вторичной обмотке ТТ под влиянием магнитного потока Ф0, который опережает эту эдс на угол φ=900 и поэтому направлен к вектору Е2 перпендикулярно влево. Поток Ф0 производится мдс F0, равной векторной сумме F0= F1+F2=I1w1+I2w2=I0w1, величина которой не превышает в нормальном режиме работы ТТ, как правило, одного процента F1 (на диаграмме масштаб F0 преувеличен). Мдс F0 опережает поток Ф0 на угол φ0, называемым углом потерь, и характеризуется реактивной (индуктивной) F0р составляющей, создающей магнитный поток Ф0, и активной F0а составляющей, которая затрачивается на магнитные потери в сердечнике. Реактивная составляющая коллинеарна потоку Ф0, а активная перпендикулярна к нему.

Вектор F1 строится как векторная сумма F0 и -F2 (очевидно, что всегда F1≥F2). Угол Θ между векторами F1 и -F2 (или токами I1 и -I2) представляет собой угловую погрешность ТТ, которая, как следует из табл.3.2.1, не должна превышать, например, для ТТ класса точности 0,5 или 0,5S, величины 90 мин, или 1,50 на нижней нормируемой границе первичного тока (на диаграмме масштаб Θ преувеличен). Эта погрешность считается положительной, когда вектор -F2 опережает вектор F1 (в общем случае угол Θ может быть как положительным, так и отрицательным, что определяется соотношением углов φ2 и φ0).

Качественный анализ векторной диаграммы показывает, что угол φ2 между вторичными током и эдс тем больше, чем меньше сумма потерь в меди» (R2т+R2н) и/или больше сумма реактивных сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки (X2т+X2н). Максимальное значение φ2=900 угол имеет, если потери в меди» равны нулю. При этом вектор эдс Е2 перпендикулярен вектору I2 и соответственно вектор Ф0 коллинеарен вектору -F2 (или -I2). Если при этом потери в стали» равны нулю (F0а=0), то данным векторам коллинеарен и вектор F0, а, следовательно, и вектор F1, равный геометрической сумме векторов F0 и -F2. Таким образом, в идеальном ТТ (без потерь в стали и меди») угловая погрешность равна нулю:Θ=0. Можно показать (см. ниже), что в таком ТТ равен нулю и вектор F0=0. Тогда F1=-F2 и по модулю I1w1=I2w2. Из этого равенства следует:

I1=nw·I2 , (3.2.4)

где nw - витковый коэффициент трансформации (этот коэффициент дополняет ранее введенные действительный и номинальный коэффициенты трансформации).

       
 

Витковый коэффициент трансформации ТТ :

nw=w2/w1

   

(3.2.5)

 

В идеальном ТТ угловая и токовая погрешности равны нулю, а токи в обмотках обратно пропорциональны числам витков во всем диапазоне изменения токов. В реальном же ТТ всегда F0≠0 (или I0≠0) и Θ≠0. Кроме того, реальный ТТ может работать только в определенном диапазоне первичных и вторичных токов, выбор которого привязан к их номинальным значениям.

Значения токовой δ и угловой Θ погрешностей ТТ зависят сложным образом от соотношения величин I0, I2, nw, nном, φ0 и φ2. Для количественного анализа погрешностей составим их уравнения на основе векторной диаграммы [3.25,3.26,3.28]. Из диаграммы видно, что cosΘ=(F2+F0·cosφ02)/F1, откуда следует, что I1w1=(I2w2+I0w1·cosφ02)/cosΘ. Поскольку Θ мал (менее 1,50), то можно положить cosΘ≈1.Тогда для I1 получим I1=(I2w2+ I0w1·cos φ02)/w1, а действительный коэффициент трансформации равен:

n=I1/I2= w2/w1+ I0·cos φ02/I2=nw+I0·cos φ02/I2 . (3.2.6)

Из формулы (3.2.6) видно, что для идеального ТТ, в котором I0=0, действительный коэффициент всегда равен витковому коэффициенту трансформации n=nw. Для реального же ТТ всегда n>nw на величину второго члена уравнения. Иными словами, при расчете первичного тока I*1 по формуле (3.2.4) его значение всегда будет получаться с недостатком, т.е. с отрицательной угловой погрешностью δ: I*1< I1 . Если принять условие:

nном= nw , (3.2.7)

то как следует из (3.2.6), n>nном, т.е. и в этом случае токовая погрешность будет отрицательна во всем диапазоне изменения I1 (тем более это сохранится при nw>nном). Если принять противоположное условие:

nном > nw , (3.2.8),

то в зависимости от величины Δn=nном-nw и ее соотношения с величиной второго члена уравнения (3.2.6), токовая погрешность может быть отрицательна при одних значениях тока I1 и положительна при других его значениях, обращаясь в ноль при изменении знака. Уменьшить значение nw при заданном nном можно за счет уменьшения на Δw2 количества витков вторичной обмотки: при неизменных I1, w1 с уменьшением nw увеличивается I2, т.е. уменьшается отрицательная токовая погрешность. Уменьшение токовой погрешности ТТ путем изменения числа витков вторичной обмотки называют витковой коррекцией [3.3].

Токовая погрешность реального ТТ, с учетом формул (3.2.3), (3.2.6), равенства углов φ02=(π/2-(φ0+φ2)), которое следует из векторной диаграммы, и формулы приведения cos(π/2-α)=sin α имеет вид [3.28]:

δ=(1 - nw/nном - I0 sin(φ0+φ2)/nномI2)·100% . (3.2.9),

При выводе уравнения угловой погрешности из временной диаграммы можно определить тангенс Θ как отношение tg Θ=I0w1·sin φ02/(I2w2+I0w1·cosφ02). Величиной второго слагаемого в знаменателе дроби в сравнении с первым слагаемым можно пренебречь. Кроме того, в силу малости угла Θ тангенс можно заменить самим углом (для Θ≤1,50 относительная погрешность такой замены меньше 0,02%). Тогда, с учетом замены угла φ02=(π/2-(φ0+φ2)) и формулой приведения, получим:

Θ≈I0w1cos(φ0+φ2)/w2I2=I0cos(φ0+φ2)/nwI2. (3.2.10).

Токовая δ и угловая Θ погрешности ТТ при условии nном= nw :

δ=(- I0 sin(φ0+φ2)/nномI2)∙100% = (- I0 sin(φ0+φ2)/I*1)∙100%

Θ≈ I0 cos(φ0+φ2)/nномI2= I0 cos(φ0+φ2)/ I*1

Из (3.2.9) и (3.2.10) при выполнении условия (3.2.7), с учетом формулы (3.1.4), следует:

(3.2.11)

Из (3.2.11) следует, что при nном=nw и активно-индуктивной вторичной нагрузке ТТ токовая погрешность всегда отрицательна (так как 0<(φ0+φ2)<π), а угловая погрешность может быть как положительна (при (φ0+φ2)<π/2), так и отрицательна (при (φ0+φ2)>π/2, что маловероятно, так как для этого требуются очень большие потери в стали» - большой угол φ0 и очень малые потери в меди» - большой угол φ2).

Для идеального ТТ, в котором I0=0, обе погрешности равны нулю, независимо от значений других величин, входящих в формулы (в этом случае на векторной диаграмме вектор F1 совпадает с вектором -F2). В реальном ТТ всегда I0≠0 и на значения погрешностей влияют все величины, входящие в их уравнения. В целях упрощения анализа, для конкретных ТТ можно исключить из рассмотрения величину φ0, считая ее фиксированной в конструкции ТТ, а составляющую φ2 - свести к составляющей φ2н=φ2-φ2т (φ2т также фиксирована). Тогда погрешности ТТ определятся тремя основными величинами: I0, I*1 (или I2) и φ2н (φ2н зависит от соотношения реактивного X2н и активного R2н сопротивлений вторичной нагрузки Z2н). Графики токовой и угловой погрешностей ТТ принято изображать в виде их функциональной зависимости от процента отношения первичного тока к его номинальному значению. Типовые совмещенные графики погрешностей приведены на рис. 3.2.8 на примере ТТ класса точности 0,5S.

Из графиков видно, что, в соответствии с формулами (3.2.11), наибольшие значения токовая и угловая погрешности имеют при минимальных значениях первичного тока, а с его увеличением они, наоборот, уменьшаются, причем отрицательная токовая погрешность становится при этом менее отрицательной, не достигая нуля и не пересекая оси абсцисс. Такое поведение погрешностей при малом первичном токе связано с пологим нелинейным характером начального участка основной кривой намагничивания сердечника из ЭТС (см. рис.3.2.5,б) и его низкой начальной магнитной проницаемостью. Как результат, при значительном уменьшении первичного тока магнитная индукция в сердечнике и связанный с ней ток намагничивания I0 сохраняются непропорционально большими, что ведет к увеличению отношения I0/I*1(для сердечника из ПМ или НКС погрешности ТТ при минимальном первичном токе увеличиваются в гораздо меньшей степени).

При разомкнутой вторичной цепи ТТ, когда Z2н=, I2=0 и погрешности δ,Θ, как следует из (3.2.11), из-за операции деления на нуль не определены. В нормальном режиме, когда Z2н≤Z2ном и ток I0≈1%I1, погрешности зависят от I2, X2н и R2н и меняются следующим образом:

а) при уменьшении значения Z2н (вплоть до нуля, когда φ2н=0 и cos φ2н=1) ток I2 соответственно возрастает, а I0, φ2 и sin(φ0+φ2) уменьшаются, что ведет к уменьшению величины δ: она становится более положительной, т.е. ее график смещается вверх; аналогично, уменьшается величина Θ: она становится менее положительной, т.е. ее график смещается вниз, хотя и в меньшей степени, чем график δ, что связано с одновременным увеличением cos(φ0+φ2) при уменьшения I0;

б) при сохранении значения Z2н, но увеличении cos φ2н за счет снижения реактивной составляющей нагрузки, величины токов I0, I2 сохраняются, sin(φ0+φ2) уменьшается, cos(φ0+φ2) возрастает, и в результате δ становится менее отрицательной, т.е. ее график смещается вверх, а Θ, наоборот, увеличивается и ее график смещается также вверх;

в) в случае гипотетического полного исключения активных составляющих вторичной обмотки ТТ и ее нагрузки, очевидно, что φ2=900, вектор потока Ф0 совпадает по направлению с вектором -F2, а вектор F1 опережает -F2, т.е. угловая погрешность становится отрицательной.

Примеры рассмотренного смещения графиков δ и Θ для конкретных типов ТТ при изменении величины и характера их вторичной нагрузки приведены в [3.28-3.30] и на рис.3.2.9.

Из (3.2.9) и (3.2.10) при выполнении условия (3.2.8), т.е. использовании витковой коррекции, с учетом того, что nw=(w2-Δw2)/w1=w2/w1-Δw2/w1=nном-Δnw, где Δw2 – абсолютная витковая коррекция, Δnw=Δw2/w1, Δnw<<nном, следует:

Витковая коррекция уменьшает витковый коэффициент, увеличивая тем самым при неизменном первичном токе вторичный ток и уменьшая токовую погрешность первичного тока, рассчитываемого не по витковому, а по номинальному коэффициенту трансформации. Если в отсутствие витковой коррекции пределом, к которому стремится отрицательная токовая погрешность является ось абсцисс (нуль), то с введением витковой коррекции таким пределом становится, как следует из формулы (3.2.12), положительная величина δw, которая определяет прямую, параллельную оси абсцисс, расположенную в первом квадранте координатной плоскости. При наличии в ТТ витковой коррекции график δ смещается вверх, пересекая в некоторой точке ось абсцисс. Тем самым токовая погрешность при одних (минимальных) значениях первичного тока остается по-прежнему отрицательной, но при других (больших) значениях этого тока становится положительной. В точке пересечения оси абсцисс она равна нулю.

Как следствие, токовая погрешность меняет свой характер, превращаясь из систематической (отрицательной) в случайную, т.е. имеющую разную полярность и различные значения в зависимости от величины первичного тока. Это обстоятельство является одной из причин широкого применения в большинстве ТТ витковой коррекции*. Другая причина связана с трудностями обеспечения без витковой коррекции точной работы ТТ класса точности 0,2S и 0,5S с сердечниками из ЭТС в области минимальных первичных токов.

* В ТТ без витковой коррекции токовая погрешность всегда отрицательна, т.е. трансформатор постоянно недоучитывает электроэнергию, что дает необоснованные экономические преимущества одной из сторон, участвующих в коммерческих расчетах по электроэнергии. При этом ущерб всегда несет продавец электроэнергии (энергоснабжающая организация), а выгоду получает покупатель (потребитель). В некоторых странах принято, что если погрешность ТТ носит систематический характер (хотя и остается в рамках своего класса точности), то такому ТТ присваивают более низкий класс точности.

Токовая погрешность ТТ ограничивается в рамках соответствующего класса точности, как это следует из табл.3.2.1, допустимыми пределами ±δдоп. Например, для ТТ класса точности 0,5 (см. рис.3.2.3,б) δдоп=±0,5% при первичном токе 100-120% I1ном и вторичной нагрузке 0,25-100%S2ном. Витковая коррекция приводит к тому, что в соответствии с формулой (3.2.12) значение δw, ограничивающее возможный абсолютный положительный рост токовой погрешности, может превысить допустимые границы класса точности: δw>δдоп. Обычно Δw2=0,5-1, т.е. абсолютная коррекция проводится на виток или полвитка. Например, для ТЛМ-10-0,5-300/5, рассмотренного в [3.30], w1=2, w2=119 (с учетом сделанной коррекции; без коррекции w2=120 и nw=120/2=60) и nном=300/5=60. В этом случае Δw2=1, Δnw=1/2=0,5 и δw=Δw2/w2=1/120=0,83%, что превышает допустимую границу 0,5% класса точности. Это не имеет особого значения, если вторичная нагрузка ТТ остается в рамках стандартного диапазона, так как все ТТ должны работать в классе при уменьшении вторичной нагрузки до 25%. S2ном. Но если в реальных условиях эксплуатации ТТ возможно понижение этой нагрузки меньше 25% S2ном, то реален выход ТТ за пределы допуска своего класса точности (рис.3.2.10).

Действительно, при уменьшении величины вторичной нагрузки, как следует из (3.2.12) и выше проведенного анализа аналогичной ситуации в случае ТТ без коррекции, величина второго слагаемого (вычитаемого) уменьшается (оно становится менее отрицательным, продолжая быть меньше нуля), но разность, т.е. значение δ, увеличивается: график погрешности смещается вверх в сторону ее верхней границы. Наоборот, при увеличении вторичной нагрузки увеличивается вычитаемое, а разность, т.е. значение δ, уменьшается. Не исключено, что при определенном уменьшении вторичной нагрузки, δ приблизится к δw и тем самым выйдет за пределы класса точности. Чтобы такого при любом самом низком значении вторичной нагрузки гарантированно не произошло, достаточно потребовать выполнения условия:

δw< δдоп, (3.2.13)

т.е. относительная витковая коррекция не должна превышать по токовой погрешности допустимой границы класса точности δдоп.

Поведение угловой погрешности для ТТ с витковой коррекцией, как следует из (3.2.12), аналогично ее поведению для случая ТТ без витковой коррекции: она остается в классе, независимо от величины снижения вторичной нагрузки.

Рассмотренная прикладная теория работы электромагнитного ТТ позволяет обоснованно отнестись в выбору трансформаторов и анализу их работы в реальных условиях эксплуатации с целью обеспечения точного и достоверного учета электроэнергии.

Выбор и эксплуатация трансформаторов тока

Оптимальный выбор электромагнитного ТТ для установки и эксплуатации в конкретном месте электросети определяется рядом основных факторов, важных для такого выбора. Главные эксплуатационные параметры ТТ и решающие факторы их выбора для обеспечения правильного измерения и учета электроэнергии приведены в табл. 3.2.2.

Таблица 3.2.2. Факторы оптимального выбора ТТ

Параметры ТТ

Факторы выбора

1

Номинальное и наибольшее рабочее напряжение,

U1ном, U1наиб, кВ

Выбор производят по номинальному и наибольшему напряжению электросети, в которой необходимо выполнять измерение и учет электроэнергии. Для сети 0,4 кВ используют ТТ на 0,66 или 0,72 кВ.

2

Номинальная частота переменного тока,

f, Гц

Выбор производят из значений 50 Гц или 60 Гц с учетом частоты электросети

3

Номинальные первичный и вторичный токи,*

I1ном, I2ном, А

Выбор I1ном производят по среднему I1ср и максимальному I1мр рабочим значениям первичного тока в точке измерения таким образом, чтобы I1ср<I1ном ≤ 120%I1мр (ТТ должен работать в целях сохранения максимальной точности учета преимущественно при I1ср >20%I1ном для ТТ с литерой S и I1ср ≥100%I1ном для ТТ без литеры S). Выбор I2ном производят по номинальному току используемых измерительных приборов или приборов учета из значений 1, 2 или 5 А.

4

Количество и вид вторичных обмоток, класс точности, номинальная вторичная нагрузка, В·А**

Количество и вид вторичных обмоток (для измерения и учета, для защиты) определяется системным использованием ТТ. Если ТТ применяют только для измерений и учета, то он содержит одну или более обмоток для измерения и учета, к которым могут подключаться раздельно измерительные приборы и приборы учета. Класс точности вторичных обмоток определяется требованиями продавца электроэнергии. Как правило, для коммерческого учета электроэнергии используют ТТ класса не ниже 0,5S. В точках измерения сети, которые имеют особый статус (например, межгосударственных или межсистемных перетоков) или через которые проходят большие потоки электроэнергии, устанавливают, как правило, ТТ класса 0,2S. На крупных межсистемных перетоках возможна установка ТТ с двумя высокоточными вторичными обмотками для независимого подключения основного и дублирующего счетчиков электроэнергии в целях повышения достоверности и надежности коммерческого учета электроэнергии.

5

Условия эксплуатации

Определяют выбор ТТ по климатическим факторам (диапазонам температуры, давления, влажности) и местам установки (на открытом воздухе, в помещениях с различными условиями). По согласованию потребителя с изготовителем можно изготовить ТТ для специфических условий применения.

6

Электродинамическая и термическая стойкость

Величины токов электродинамической и термической стойкости определяют устойчивость ТТ, используемых в сетях напряжением более 0,66 кВ, к механическим повреждениям при токах КЗ и их устойчивость к возгоранию. Они должны быть рассчитаны по месту установки ТТ и использоваться по этим величинам для его выбора. ТТ с более высокими значениями этих величин обладают большей стойкостью (она обеспечивается, в частности, за счет использования в ТТ корпуса или изоляции из самозатухающих полимеров с высоким классом нагревостойкости).

7

Номинальная предельная кратность вторичной обмотки для защиты и номинальный коэффициент безопасности приборов обмотки для измерений и учета, Кном, КБном

Кном выбирают обычно из значений 2-30 исходя из требований автоматической защиты в электроустановке. КБном выбирают из значений 2-30 исходя из требований безопасности по кратковременной токовой перегрузке для используемых измерительных приборов или приборов учета. Чем меньше этот коэффициент, тем больше безопасность прибора и меньше вероятность его повреждения при возникновении тока КЗ в первичной цепи ТТ. Но для обеспечения малого КБном, например, 1,5-2, необходимо вхождение сердечника ТТ в насыщение уже при первичном токе, равном 150-200% I1ном. Такой подход требует очень строгого выбора номинального тока ТТ относительно наибольшего первичного рабочего тока. Современные ТТ могут работать в классе даже при 200-300% I1ном, что автоматически требует увеличения КБном.

8

Метрологическая надежность

ТТ должен обеспечить стабильность своих метрологических характеристик в процессе действия влияющих факторов (перепадов температуры, влажности, вибрации, радиации и т.д.) в течение всего своего срока службы. На метрологическую надежность влияет прежде всего качество магнитной системы и изоляции ТТ. Метрологически более надежны магнитопроводы из НКС (или комбинации НКС с ЭТС) и ТТ с литой изоляцией, имеющие минимальный уровень частичных разрядов (менее 10 пКл). При выборе ТТ оценить их метрологическую надежность можно на основе статистики по метрологическим отказам, имеющейся, как правило, у производителя и в энергосистемах (крупных потребителей ТТ).

9

Защита от хищений

ТТ для сетей низкого напряжения (0,4-10 кВ) могут подвергаться манипуляциям со стороны отдельных физических лиц с целью хищения электроэнергии. Для защиты от таких действий ТТ должны иметь четкую, не изменяемую в процессе эксплуатации маркировку своих параметров на корпусе и табличке-шильдике (или саморазрушающуюся наклейку-маркировку с фиксацией следов взлома), защиту от несанкционированного доступа к контактам вторичных обмоток (например, путем использования прозрачной защитной крышки, ограничивающей доступ к вторичным контактам и защищающей табличку и клеймо, раздельным пломбированием вторичных обмоток), неразъемный или пломбируемый контакт клеммы напряжения на шинке или шине ТТ и другие защиты от несанкционированного доступа.

10

Конструктивные особенности

Конструктивные особенности ТТ должны соответствовать конструктивным особенностям электроустановки, в которой ТТ устанавливают (например, по габаритам, по унифицированным установочным и присоединяемым размерам, по унифицированному отверстию для ориентации шины и использования как шин различного сечения, так и кабеля, по контактной поверхности шинки ТТ, обеспечивающей надежность ее соединения с медными или алюминиевыми шинами электроустановки и т.п.). Конструкция ТТ должна обеспечивать удобство его установки, доступа к клеммам и к шильдику ТТ.

11

Сервис

В комплект ТТ должны входить метизы для крепления ТТ на месте его установки и набор документации, позволяющий потребителю получить представление о всех метрологических и технических параметрах ТТ, а также о доступном эксплуатационном сервисе, включая поверку и ремонт ТТ (адреса и телефоны соответствующих организаций).

12

Цена

Цена имеет решающее значение только после оценки параметров по п.1-11 и при их относительном равенстве по аналогичным моделям ТТ от разных изготовителей (поставщиков), участвующих в тендерном отборе. Цена ТТ зависит от уровня напряжения, на который они устанавливаются, и возрастает прямо пропорционально этому уровню.

* Определение I1ср и I1мр производят по присоединенной в точке измерения электрической мощности электроустановок с учетом расписания и режимов их работы, путем разовых прямых замеров рабочих токов или на основании их непрерывного мониторинга за определенный промежуток времени (сутки, рабочая неделя) [3.32];

**При выборе номинальной вторичной нагрузки обмотки для измерения и учета необходимо оценить как максимальное (при включении в эту обмотку последовательно нескольких токовых цепей измерительных приборов), так и минимальное значение вторичной нагрузки, при которой этот класс еще сохраняется. В первом случае номинальная вторичная нагрузка должна быть не меньше суммы нагрузок всех измерительных приборов, включаемых во вторичную цепь обмотки. Во втором случае во вторичную цепь включается, как правило, один универсальный прибор учета, для которого достаточно минимальное значение номинальной нагрузки обмотки. В современном учете массово используются электронные счетчики электроэнергии, токовые цепи которых, подключаемые к ТТ, имеют мощность, в десятки-сотни раз меньше, чем 0,25%S2ном большинства ТТ [3.28]. Если при этом используют ТТ с такой относительной витковой коррекцией, при которой δw>δдоп, то при малой вторичной нагрузке ТТ может выйти из класса. Поэтому при выборе ТТ необходимо знать относительную витковую коррекцию ТТ (этот показатель в эксплуатационной документации обычно отсутствует) или требовать от изготовителя ТТ предоставления соответствующих графиков погрешностей ТТ с учетом величины вторичной нагрузки.

При эксплуатации электромагнитных ТТ необходимо обеспечить их максимальную защиту от действия влияющих факторов, способных вызвать метрологический отказ ТТ или повреждение и требующих последующего их ремонта или замены. Такая защита может быть обеспечена путем правильного выбора ТТ при его заказе и покупке (например, за счет формирования адекватного набора требований к параметрам ТТ), использованием дополнительных защитных мер на месте его установки (например, путем размещения в шкафу, щите или щитке), но, главное, - за счет обеспечения правильного режима функционирования ТТ, под которым понимается следующее:

а) исключение работы ТТ в условиях перегрузки его вторичной цепи (при ошибочном выборе длины и сечения соединительных проводов, избыточного количества и видов измерительных приборов или приборов учета, подключаемых к вторичной обмотке) и тем более при ее разрыве (при отключении измерительных приборов или соединительных проводов без предварительного закорачивания вторичной обмотки);

б) заземление входной клеммы вторичной обмотки ТТ;

в) правильный выбор номинального первичного тока ТТ, адекватный реальной нагрузке в точке измерения;

г) минимизация условий перегрева (обеспечение естественной вентиляции), вибраций конструкции, на которые устанавливается ТТ, и воздействий сильных электромагнитных полей высокой частоты (например, от рядом расположенных антенн локационных или других станций);

д) минимизация условий возникновения токов КЗ в первичных цепях ТТ*;

е) использование быстродействующих автоматических защит для отключения электроустановок при возникновении КЗ в первичных цепях ТТ.

*В [3.18] описан процесс сезонных изменений точности сведения баланса электроэнергии и мощности по показаниям приборов учета по району электрических сетей (РЭС): зимой баланс сводился с точностью до 1%, а летом расходился на несколько процентов. И так несколько сезонов подряд. Исследования выявили, что причиной этого стал летний рост деревьев, который приводил к учащению КЗ на линиях 0,4-10 кВ, проходивших в лесных чащобах (летний рост количества КЗ на линиях электропередач связан также с грозами и миграцией птиц). Как показано в [3.17,3.31], намагничивание сердечников ТТ из ЭТС постоянным магнитом, постоянным током или токами КЗ (они имеют апериодическую составляющую, которая по действию эквивалентна постоянному току), приводит к существенному, в 2-3 раза, возрастанию токовой погрешности ТТ в диапазоне первичного тока 1-40%I1ном. Сердечник возвращается в нормальное размагниченное состояние только при возрастании первичного переменного тока сверх 40-50%I1ном (для сердечников из НКС восстановление происходит уже при 1-3%I1ном). Поскольку в РЭС летние нагрузки были ниже зимних, то ТТ оставались в намагниченном состоянии вплоть до зимы, когда нагрузки возрастали, первичные токи увеличивались и перемагничивали ТТ, возвращая их нормальное состояние. После выяснения этого факта и проведения дополнительной вырубки деревьев вдоль линий электропередачи, сезонные колебания небаланса уменьшились.

В работе [3.18] дополнительно приведена статистика метрологических отказов по устаревшим типам ТТ с открытым сердечником и с бумажной изоляцией, установленных в сетях 0,4 кВ-0,66: отказы на объектах энергосистемы достигали 25- 80% у ТТ, срок службы которых составил 8-15 лет, а у потребителей - менее 8%. Предположительно, значительно более высокая частота отказов у ТТ энергосистем связана с более высокой частотой появления токов КЗ (в энергосистеме по сети 0,4 кВ частота КЗ суммируется по отдельным потребителям).

Соблюдение вышеприведенных требований к выбору и эксплуатации ТТ позволяет продлить их срок службы и сократить эксплуатационные издержки.

Литература к главе 3

3.1 РМГ 29-99. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения. – Минск, Госстандарт, 2002.

3.2 СТБ П 8021-2003 (РМГ 29-99). Система обеспечения единства измерений Республики Беларусь. Метрология. Основные термины и определения. - Минск, Госстандарт, 2003.

3.3 ГОСТ 18685-73 (2004). Межгосударственный стандарт. Трансформаторы тока и напряжения. Термины и определения. – М., Издательство стандартов, 1974.

3.4 ГОСТ 16110-82. Трансформаторы силовые. Термины и определения. – М., Издательство стандартов , 1982.

3.5 ГОСТ 18311-80. Межгосударственный стандарт. Изделия электротехнические. Термины и определения основных понятий. – М., Издательство стандартов , 1980.

3.6 Физика/Большой энциклопедический словарь. – М.: Большая российская энциклопедия, 1999.

3.7 ГОСТ 7746-2001. Межгосударственный стандарт. Трансформаторы тока. Общие технические условия. – Минск, Госстандарт, 2003.

3.8 ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды. – М., Издательство стандартов, 1971.

3.9 ГОСТ 27744-88. Изоляторы. Термины и определения. – М., Издательство стандартов, 1988.

3.10 ГОСТ 18311-80. Межгосударственный стандарт. Изделия электротехнические. Термины и определения основных понятий. – М., Издательство стандартов, 1989.

3.11 Аничкин А.Н., Раскулов Р.Ф.,Эткинд Л.Л. Применение встроенных трансформаторов тока для учета электрической энергии. – Электро, №6, 2005.

3.12 Демидов А.И. Встроенные трансформаторы тока производства компании ЭПРО Галлспах гмбх, Австрия. – Сборник докладов 11-ой научно-практической конференции-выставки Метрология электрических измерений в электроэнергетике», 31 марта-4 апреля 2008г.,М., Диалог-Электро.

3.13 Аничкин А.,Смирнов А. Применение встроенных трансформаторов тока в современных условиях. – Энергетика и ТЭК, №3, 2009.

3.14 ГОСТ 1516.1-76. Межгосударственный стандарт. Электрооборудование переменного тока на напряжение от 3 до 500 кВ. Требования к электрической прочности изоляции. - М., Издательство стандартов, 1997.

3.15 ГОСТ 403-73. Аппараты электрические на напряжение до 1000 В. Допустимые температуры нагрева частей аппаратов. - М., Издательство стандартов, 2003.

3.16 ГОСТ 8024-90 Аппараты и электротехнические устройства переменного тока на напряжение свыше 1000 В. Нормы нагшрева при продолжительном режиме работы и методы испытаний. - М., Издательство стандартов, 1991.

3.17 Гуртовцев А.Л., Бордаев В.В., Чижонок В.И. Измерительные трансформаторы тока на 0,4 кВ. Испытания, выбор, применение. – Новости ЭлектроТехники, №1,2, 2004.

3.18 Гуртовцев А.Л. Измерительные трансформаторы тока 0,4-10 кВ. Возможности улучшения характеристик. – Новости ЭлектроТехники, №1, 2008.

3.19 ГОСТ 19693-74. Материалы магнитные. Термины и определения. - М., Издательство стандартов, 1986.

3.20 ГОСТ 21427.1-83. Сталь электротехническая тонколистовая. Технические условия. – М., Издательство стандартов , 1992.

3.21 ГОСТ 10994-74. Сплавы прецизионные. Марки. – М., Издательство стандартов, 2004.

3.22 ГОСТ Р 52002-2003. Электротехника. Термины и определения основных понятий. - М., Издательство стандартов, 2003.

3.23 Трансформаторы тока/В.В.Афанасьев, Н.М.Адоньев, Л.В.Жалалис и др. – Л., Энергия, 1980.

3.24 Электрические измерения: Учебник для вузов/ Л.И.Байда, Н.С. Добротворский, Е.М. Душин и др.- Л., Энергия, 1980.

3.25 Попов В.С. Электротехнические измерения: Учебник для техникумов. – М., Энергия, 1968.

3.26 Арутюнов В.О. Электрические измерительные приборы и измерения. –М.-Л., Госэнергоиздат, 1958.

3.27 Вострокнутов Н.Г. Электрические счетчики и их эксплоатация. - М.-Л., Госэнергоиздат, 1950.

3.28 Гуртовцев А.Л. Измерительные трансформаторы тока. Проблема нижней границы вторичной нагрузки. – Новости ЭлектроТехники, №2, 2008.

3.29 Раскулов Р.Ф. Влияние вторичной нагрузки на погрешности трансформаторов тока. – Электрические станции, №7,2003.

3.30 Сопьяник В.Х. Погрешности измерительных трансформаторов тока: исследования, особенности, рекомендации. – Новости ЭлектроТехники, №6,2004.

3.31 Раскулов Р.Ф. Погрешности трансформаторов тока. Влияние токов короткого замыкания. – Новости ЭлектроТехники, № 2, 2005.

3.32 Метрологическая готовность измерительных трансформаторов тока к эксплуатации в составе АСКУЭ/ Титов Н.Н., Прохватилов В.Ю., Мураховский О.Д. и др. – Электрические сети и системы, №2,2008.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252