Измерительные трансформаторы тока в схемах релейной защиты и автоматики

Энергетическое оборудование электрических подстанций организационно разделяется на два вида устройств:

1. силовые цепи, по которым передается вся мощность транспортируемой энергии;

2. вторичные устройства, позволяющие контролировать происходящие процессы в первичной схеме и управлять ими.

Силовое оборудование располагают на открытых площадках или закрытых распределительных устройствах, а вторичное — на релейных панелях, внутри специальных шкафов или отдельных ячеек.

Промежуточным звеном, выполняющим функцию передачи информации между силовой частью и органами измерения, контроля, защит и управления являются измерительные трансформаторы. Они, как и все подобные устройства, имеют две стороны с разным значением напряжения:

1. высоковольтную, которая соответствует параметрам первичной схемы;

2. низковольтную, позволяющую снизить опасность воздействия силового оборудования на обслуживающий персонал и материальные затраты на создание устройств управления и контроля.

Прилагательное «измерительные» отображает назначение этих электротехнических устройств, поскольку они очень точно моделируют все процессы, происходящие на силовом оборудовании, и разделяются на трансформаторы:

2. напряжения (ТН).

Они работают по общим физическим принципам трансформации, но обладают различным конструктивным исполнением и способами включения в первичную схему.

Как сделаны и работают трансформаторы тока

Принципы работы и устройства

В конструкцию измерительного трансформатора тока заложено преобразование векторных величин токов больших значений, протекающих по первичной схеме, в пропорционально уменьшенные по величине и точно так же направленные вектора во вторичных цепях.

Конструктивно трансформаторы тока, как и любой другой трансформатор, состоит из двух изолированных обмоток, расположенных вокруг общего магнитопровода. Он изготавливается шихтованными металлическими пластинами, для плавки которых используются специальные сорта электротехнических сталей. Это делается для того, чтобы снизить магнитное сопротивление на пути прохождения магнитных потоков, циркулирующих по замкнутому контуру вокруг обмоток и уменьшить потери на вихревые токи.

Трансформатор тока для схем релейных защит и автоматики может иметь не один магнитопровод, а два, отличающиеся количеством пластин и общим объемом используемого железа. Это делается для создания двух типов обмоток, которые могут надежно работать при:

1. номинальных условиях эксплуатации;

2. или при значительных перегрузках, вызванных токами коротких замыканий.

Первые конструкции используются для выполнения измерений, а вторые применяются для подключения защит, отключающих возникающие ненормальные режимы.

Устройство обмоток и клемм подключения

Обмотки трансформаторов тока, рассчитанные и изготовленные на постоянную работу в схеме электроустановки, отвечают требованиям безопасного прохождения тока и его теплового воздействия. Поэтому они выполняются из меди, стали или алюминия с площадью поперечного сечения, исключающей повышенный нагрев.

Поскольку первичный ток всегда больше вторичного, то обмотка для него значительно выделяется своими габаритами, как показано на картинке ниже для правого трансформатора.

На левой и средней конструкции силовой обмотки вообще нет. Вместо нее предусмотрено отверстие в корпусе, через которое пропускается питающий силовой электрический провод или стационарная шина. Такие модели используются, как правило, в электроустановках до 1000 вольт.

На выводах обмоток трансформаторов всегда предусмотрено стационарное крепление для подключения шин и соединительных проводов с помощью болтов и винтовых зажимов. Это одно из ответственных мест, где может быть нарушен электрический контакт, который способен привести к поломкам или нарушениям точной работы измерительной системы. Качеству его затяжки в первичной и вторичной схеме всегда обращается внимание при эксплуатационных проверках.

Клеммы трансформаторов тока маркируются на заводе во время изготовления и обозначаются:

Л1 и Л2 для входа и выхода первичного тока;

И1 и И2 — вторичного.

Эти индексы означают направление навивки витков относительно друг друга и влияют на правильность подключения силовых и моделируемых цепей, характеристику распределения векторов токов по схеме. На них обращают внимание при первичном монтаже трансформаторов или заменах неисправных устройств и даже исследуют различными методиками электрических проверок как до сборок устройств, так и после монтажа.

Количество витков в первичной W1 и вторичной W2 схеме не одинаково, а сильно отличается. Высоковольтные трансформаторы тока обычно имеют всего одну прямую шину, пропущенную сквозь магнитопровод, которая работает в качестве силовой обмотки. Вторичная же катушка имеет большее количество витков, которое влияет на коэффициент трансформации. Его для удобства эксплуатации записывают дробным выражением номинальных величин токов в обеих обмотках.

Например, запись 600/5 на шильдике корпуса означает, что трансформатор предназначен для включения в цепь высоковольтного оборудования с номинальным током 600 ампер, а во вторичной схеме будет трансформироваться только 5.

Каждый измерительный трансформатор тока включается в свою фазу первичной сети. Количество же вторичных обмоток для устройств релейной защиты и автоматики обычно увеличивается для раздельного использования в кернах токовых цепей для:

защит шин и ошиновок.

Такой способ позволяет исключить влияние менее ответственных цепочек на более значимые, упростить их обслуживание и проверки на действующем оборудовании, находящемся под рабочим напряжением.

С целью маркировки выводов таких вторичных обмоток применяют обозначение 1И1, 1И2, 1И3 для начал и 2И1, 2И2, 2И3 — концов.

Каждая модель трансформатора тока рассчитана для работы с определенной величиной высоковольтного напряжения на первичной обмотке. Слой изоляции, расположенный между обмотками и корпусом, должен длительно выдерживать потенциал силовой сети своего класса.

С внешней стороны изоляции высоковольтных трансформаторов тока в зависимости от назначения может применяться:

загустевшие эпоксидные смолы;

некоторые виды пластмасс.

Эти же материалы могут быть дополнены трансформаторной бумагой или маслом для изоляции внутренних пересечений проводов на обмотках и исключения межвитковых замыканий.

Класс точности ТТ

Идеально трансформатор теоретически должен работать точно, без внесения погрешностей. Однако, в реальных конструкциях происходят потери энергии на внутренний нагрев проводов, преодоление магнитного сопротивления, образование вихревых токов.

За счет этого хоть немного, но нарушается процесс трансформации, что сказывается на точности воспроизводства в масштабе первичных векторов тока их вторичными величинами с отклонениями ориентации в пространстве. Все трансформаторы тока имеют определенную погрешность измерения, которая нормируется процентным выражением отношения абсолютной погрешности к номинальному значению по амплитуде и углу.

Класс точности трансформаторов тока выражается числовыми значениями «0,2», «0,5», «1», «3», «5»,»10».

Трансформаторы с классом 0,2 работают для выполнения особо важных лабораторных замеров. Класс 0,5 предназначен для точных измерений токов, используемых приборами расчетных учетов 1-го уровня в коммерческих целях.

Измерения тока для работы реле и контрольных учетов 2-го уровня производится классом 1. К трансформаторам тока 10-го класса точности подключаются катушки отключения приводов. Они точно работают в режиме коротких замыканий первичной сети.

Схемы включения ТТ

В энергетике в основном применяются трех или черырехпроводные линии электропередач. Для контроля токов, проходящих по ним, используются разные схемы подключения измерительных трансформаторов.

1. Силовое оборудование

На фотографии показан вариант измерения токов трехпроводной силовой цепи 10 киловольт с помощью двух трансформаторов тока.

Здесь видно, что шины присоединения первичных фаз А и С подключены болтовым соединением к выводам трансформаторов тока, а вторичные цепи спрятаны за ограждение и выведены отдельным жгутом проводов в защитной трубе, которая направляется в релейный отсек для подключения цепей на клеммники.

Этот же принцип монтажа применяется и в других схемах высоковольтного оборудования, как показано на фотографии для сети 110 кВ.

Здесь корпуса измерительных трансформаторов смонтированы на высоте с помощью заземленной железобетонной платформы, что требуют правила безопасности. Подключение первичных обмоток к силовым проводам выполнено в рассечку, а все вторичные цепи выведены в рядом расположенный ящик с клеммной сборкой.

Кабельные соединения вторичных токовых цепей защищены от случайного внешнего механического воздействия металлическими чехлами и бетонными плитами.

2. Вторичные обмотки

Как уже отмечено выше, выходные керны трансформаторов тока собираются для работы с измерительными приборами или защитными устройствами. Это влияет на сборку схемы.

Если необходимо контролировать по амперметрам ток нагрузки в каждой фазе, то используется классический вариант подключения — схема полной звезды.

В этом случае каждый прибор показывает величину тока своей фазы с учетом угла между ними. Использование автоматических самописцев в этом режиме наиболее удобно позволяет отображать вид синусоид и строить по ним векторные диаграммы распределения нагрузок.

Часто на отходящих фидерах 6÷10 кВ в целях экономии устанавливают не три, а два измерительных трансформатора тока без задействования одной фазы В. Этот случай показан на расположенном выше фото. Он позволяет включить амперметры по схеме неполной звезды.

За счет перераспределения токов на дополнительном приборе получается отобразить векторную сумму фаз А и С, которая противоположно направлена вектору фазы В при симметричном режиме нагрузки сети.

Случай включения двух измерительных трансформаторов тока для контроля линейного тока с помощью реле показан на картинке ниже.

Схема полностью позволяет контролировать симметричную нагрузку и трехфазные короткие замыкания. При возникновении двухфазных КЗ, особенно АВ или ВС, чувствительность такого фильтра сильно занижена.

Распространенная схема контроля токов нулевой последовательности создается подключением измерительных трансформаторов тока в схему полной звезды, а обмотки контрольного реле к объединенному проводу нуля.

Ток, проходящий через обмотку создан сложением всех трех векторов фаз. При симметричном режиме он сбалансирован, а во время возникновения однофазных или двухфазных КЗ происходит выделение в реле составляющей дисбаланс величины.

Особенности эксплуатации измерительных трансформаторов тока и их вторичных цепей

При работе трансформатора тока создается баланс магнитных потоков, образованных токами в первичной и вторичной обмотке. В результате они уравновешены по величине, направлены встречно и компенсируют влияние созданных ЭДС в замкнутых цепях.

Если первичную обмотку разомкнуть, то по ней ток перестанет протекать и все вторичные схемы будут просто обесточены. А вот вторичную цепь при прохождении тока по первичной размыкать нельзя, иначе под действием магнитного потока во вторичной обмотке вырабатывается электродвижущая сила, которая не тратится на протекание тока в замкнутом контуре с малым сопротивлением, а используется в режиме холостого хода.

Это приводит к появлению на разомкнутых контактах высокого потенциала, который достигает несколько киловольт и способен пробить изоляцию вторичных цепей, нарушить работоспособность оборудования, нанести электрические травмы обслуживающему персоналу.

По этой причине все переключения во вторичных цепях трансформаторов тока производят по строго определенной технологии и всегда под надзором контролирующих лиц без разрыва токовых цепей. Для этого используют:

специальные виды клеммников, позволяющие устанавливать дополнительную закоротку на время разрыва выводимого из работы участка;

испытательные токовые блоки с закорачивающими перемычками;

специальные конструкции переключателей.

Регистраторы аварийных процессов

Измерительные приборы делят по виду фиксации параметров при:

номинальном режиме эксплуатации;

возникновении сверхтоков в системе.

Чувствительные элементы регистраторов прямо пропорционально воспринимают поступающий на них сигнал и также отображают его. Если величина тока поступила на их вход с искажением, то эта погрешность будет введена в показания.

По этой причине приборы, предназначенные для измерения аварийных токов, а не номинальных, подключают в керны защит трансформаторов тока, а не измерений.

Об устройстве и принципах работы измерительных трансформаторов напряжения читайте здесь: Измерительные трансформаторы напряжения в схемах релейной защиты и автоматики

Источник

Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Основные схемы включения

Ответ: Для расширения пределов измерения измерительных приборов в цепях переменного тока высокого напряжения используются трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Расширение пределов измерения с помощью добавочных резисторов и шунтов в этих цепях неприемлемо по той причине, что обмотки измерительных приборов находились бы под высоким напряжением и эксплуатация их представляла бы большую опасность для обслуживающего персонала. Возникли бы большие трудности по выполнению надежной изоляции измерительных приборов. Для защиты высоковольтных сетей и оборудования используются всякого рода реле защиты, которые включаются в сеть так же, как и измерительные приборы,— с помощью трансформаторов тока и напряжения. При использовании измерительных трансформаторов измерительные приборы и реле подключаются к вторичной обмотке измерительного трансформатора, надежно изолированной от первичной высоковольтной обмотки. Вторичные обмотки выполняются на малые напряжения, не опасные для обслуживающего персонала. Расширение пределов измерения амперметров при использовании шунтов в цепях переменного тока приводит к существенным погрешностям из-за индуктивностей обмотки амперметра и шунта. По этой причине для расширения пределов измерения амперметров всегда используются трансформаторы тока независимо от значения напряжения измеряемой цепи.

Схема включения вольтметра с трансформатором напряжения изображена на рис. 8.31. Трансформатор напряжения устроен так же, как и обычный трансформатор. Для него справедливы соотношения

U1	≈	E1	=	w1	= KU, откуда U2 ≈ U1	w2
U2	E2	w2	w1

Если трансформатор напряжения выполнен как обычный трансформатор, то возникают значительные погрешности измерения из-за того, что U₁ ≠ E₁ и U₂ ≠ Е₂ по причине падения напряжения в его обмотках. Для повышения точности измерения необходимо уменьшить падение напряжения в обмотках трансформатора. Достигается это следующим образом. К вторичной обмотке трансформатора напряжения подключаются обмотки вольтметров, обмотки напряжения ваттметров и счетчиков, обмотки реле защиты. Указанные обмотки обладают значительными сопротивлениями, и если их количество ограничено, то трансформатор работает практически в режиме холостого хода. Падение напряжения во вторичной обмотке столь мало, что U₂ = Е₂. Так как I₂ ≈ 0, падение напряжения в первичной обмотке обусловлено только током холостого хода

Таким образом, повышение точности измерений сводится к уменьшению тока холостого хода трансформатора. Реактивная составляющая тока холостого хода I_р определяется из уравнения I_pw₁ = H_стl_ст + H₀l₀. Ее уменьшение достигается тем, что магнитопровод выполняется из высококачественной электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью μ_аст . Кроме того, трансформатор рассчитывается для работы с малым значением амплитуды магнитной индукцииВ_m — около 0,4 — 0,8 Тл. Все это существенно снижает напряженность магнитного поля в стали Н_ст = В/μ_аст и в воздушном зазоре Н₀ = В/μ₀ магнитопровода и, естественно, снижает реактивную составляющую тока холостого хода. С той же целью магнитопровод трансформатора выполняется с минимальным значением воздушного зазора, что достигается высококачественной обработкой пластин и сборкой магнитопровода. Активная составляющая I_а обусловлена потерями в стали магнитопровода. Ее уменьшение достигается тем, что для магнитопровода используется сталь с малыми значениями удельных потерь ΔP₁₀, ΔP₁₅ и, как уже было сказано, трансформатор работает при малых значениях В_m.

При выполнении указанных выше условий вторичное напряжение трансформатора пропорционально первичному:

U2 = U1	w2	=	U1	.
w1	КU

Однако абсолютной точности получить невозможно, и трансформаторы напряжения имеют определенную погрешность, так же как и измерительные приборы. По точности измерений трансформаторы делятся на классы точности: 0,2; 0,5; 1 и 3. Трансформаторы напряжения бывают однофазные и трехфазные. На паспорте трансформатора указываются номинальная мощность, номинальное первичное U_1ном и вторичноеU_2ном напряжения, класс точности. Вторичное напряжение (у трехфазных линейное) всех трансформаторов 100 В. Начало первичной обмотки обозначено буквой А, конец — X, начало — вторичной а, конец — х.

Рис. 8.31. Схема включения вольтметра с трансформатором напряжения

Схема включения амперметра с трансформатором тока изображена на рис. 8.32, в. Первичная обмотка трансформатора включена в электрическую цепь, и ток в ней определяется сопротивлением приемников и, естественно, не зависит от тока во вторичной цепи, где включен амперметр. Обмотка имеет несколько витков и выполнена из провода значительного сечения (соответственно току цепи). К выводам вторичной обмотки, имеющей значительно большее количество витков, чем первичная, и рассчитанной на ток 5 А, подключаются последовательно обмотки амперметра, токовые обмотки ваттметра, счетчика, реле защиты. Сопротивление обмоток незначительное, и если их количество невелико, то трансформатор работает в режиме короткого замыкания. Из уравнения МДС:

I1w1 = I2w2 и I2 = I1	w1	= I1KI .
w2

Так как трансформатор тока работает в режиме короткого замыкания, то для создания тока во вторичной цепи 5 А требуется небольшая ЭДС и, следовательно, небольшой магнитный поток и создающий его намагничивающий ток. Однако для повышения точности измерения принимаются дополнительные меры к его снижению. Эти меры аналогичны тем, что были рассмотрены применительно к трансформатору напряжения, но в этом случае достаточная точность измерений при выполнении рассмотренных выше мер получается, если амплитуда магнитной индукции для трансформатора тока выбирается в пределах 0,06 — 0,1 Тл.

Рис. 8.32. Трансформатор тока (а), обозначение трансформатора тока (б), схема включения амперметра с трансформатором тока (в)

Необходимо отметить, что точность измерений существенно снижается при возрастании сопротивления вторичной цепи трансформатора. Действительно, для создания того же тока во вторичной обмотке потребуются большие ЭДС и, следовательно, магнитный поток и намагничивающий ток. Возросший намагничивающий ток нарушит пропорциональность между первичным и вторичным токами. Обрыв вторичной цепи представляет серьезную опасность для обслуживающего персонала вследствие появления на вторичной обмотке большого напряжения и возможности выхода из строя трансформатора.

Рис. 8.33. К пояснению работы трансформатора тока при разомкнутой вторичной обмотке

Это объясняется тем, что МДС первичной обмотки определяется током приемников энергии и не зависит от того, замкнута или разомк­нута вторичная обмотка. Когда вторичная обмотка замкнута, она соз­дает МДС I₂w₂, направленную противI₁w₁, и результирующая МДС, которая практически равна их разности, будет создавать магнитную индукцию всего в 0,06 — 0,1 Тл (точка а, рис. 8.33). При разомкнутой вторичной обмотке (I₂w₂ = 0) магнитная индукция возрастает до значений 1,5 — 2,0 Тл, что соответствует точке б. Магнитная индукция возрастает в 10 — 20 раз, что приведет к появлению большого напряжения на вторичной обмотке и резкому возрастанию (в 100 — 400 раз) потерь в магнитопроводе. Для предотвращения отмеченных неприятностей перед тем как отсоединить на ремонт или проверку измерительный прибор, вторичную обмотку трансформатора тока необходимо замкнуть накоротко перемычкой.

В паспорте трансформатора тока указываются номинальные токи первичной I_1ном и вторичной I_2ном (он обычно 5 А) обмоток, класс точности, максимальное значение сопротивления и минимальное значение коэффициента мощности обмоток приборов, включаемых во вторичную обмотку, при которых гарантируется указанный класс точности, а также напряжение, на которое рассчитана его изоляция. Начало первичной обмотки трансформатора тока обозначается буквойЛ₁, конец — буквой Л₂, вторичной: начало — И₁, конец — И₂.

Рис 8.34 Схема включения амперметра, вольтметра, ваттметра с трансформаторами напряжения и тока

Необходимо отметить, что кроме погрешности измерения по коэффициенту трансформации (по модулю измеряемой величины) есть и погрешность по углу по той же причине: падение напряжения в обмотках. Погрешность объясняется тем, что направление вектора приведенного вторичного напряжения не совпадает с направлением вектора первичного напряжения трансформатора напряжения и направление вектора приведенного тока вторичной обмотки не совпадает с направлением вектора первичного тока трансформатора. Угловая погрешность составляет всего несколько минут и проявляет себя только при измерении мощности, энергии и фазы. На рис 8.34 изображена схема включения измерительных приборов и измерительных трансформаторов для измерения тока, напряжения и активной мощности. Для защиты обслуживающего персонала от действия высокого напряжения в случае пробоя изоляции между обмотками или высоковольтной обмоткой и корпусом корпус и один конец вторичной обмотки измерительных трансформаторов надежно заземляются. Цена деления измерительных приборов определяется следующим образом.

Источник