|
Рнс. 3 6. Схемы включения измерительных трансформаторов. а — трансформатора тока; б — трансформатора напряжения. |
значаются буквами Яь #2 (измерение), последовательно подключают амперметры, последовательные обмотки ваттметров, счетчиков и других приборов. Первичная обмотка трансформатора напряжения, выводы которой обозначаются буквами А, X (начало — конец), включается в измеряемую цепь параллельно, а к выводам вторичной обмотки, обозначаемой соответственно буквами а, х, подключают параллельно вольтметры, параллельные цепи ваттметров, счетчиков и других приборов.
По показаниям приборов, включенных во вторичные обмотки, можно определить значения измеряемых величин. Для этого их показания надо умножить на действительные коэффициенты трансформации Ki и Ки- Для трансформатора тока Ki=hlh■ Для трансформатора напряжения Ku = Ui/U2.
Действительные коэффициенты трансформации обычно неизвестны, так как они зависят от режима работы трансформатора, т. е. от значений токов и напряжений, характера и значения сопротивления нагрузки вторичной цепн и частоты тока; поэтому показания прибора умножают не на действительные, а на номинальные коэффициенты трансформации. Они указаны на щитке трансформатора в виде дроби, числитель которой есть номинальное значение первичной, а знаменатель — вторичной величины. Номинальный коэффициент трансформации для данного трансформатора имеет постоянное значение. Для трансформаторов тока обозначим его Kimm, для трансформаторов напряжения — Кином-
Относительная погрешность в процентах из-за неравенства действительного и номинального коэффициентов трансформации определяется выражениями:
для трансформатора тока
~7i 1ПЛ Кгтм — Ki
у, — -------------- 100 = -------- 77------- 100,
17 h Kj
где I[—Klw№ /2, lf I,/2;
для трансформатора напряжения
Vl~Ul KUnou Kl
где u[=KUll(JJ2, игКаи2.
Погрешность yi называется токовой погрешностью, a yv — погрешностью напряжения. Кроме этих погрешностей у измерительных трансформаторов имеется еще так называемая угловая погрешность. Она возникает вследствие фазовых сдвигов между первичной и вторичной величиной, вносимых трансформатором.
В идеальном трансформаторе вектор вторичного тока /2 сдвинут по фазе относительно вектора первичного тока на 180°. Такой же сдвиг по фазе должен быть между векторами вторичного U2 и первичного U1 напряжений в трансформаторе напряжения. В реальном трансформаторе угол между повернутым на 180° вектором вторичной величины и соответствующим вектором первичной величины не равен нулю, а составляет угол б, который называется угловой погрешностью трансформатора. Погрешность считается положительной, если повернутый на 180° вектор вторичной величины опережает вектор первичной величины.
Угловая погрешность измерительных трансформаторов влияет только на показания приборов, отклонение подвижной части которых зависит от сдвига фаз между токами в цепях этих приборов. К ним относятся ваттметры, счетчики энергии и фазометры.
3.3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА
Трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с малым сопротивлением. Полное суммарное сопротивление Z=jR + +jX приборов и подводящих проводов является нагрузкой трансформатора тока.
На рис. 3.7 приведена векторная диаграмма трансформатора тока, построение которой начинают с вектора low2 — магнитодвижущей силы (МДС) вторичной обмотки. Вектор напряжения U2 получают как сумму векторов напряжений izr и 12х на активном r и реактивном X сопротивлениях нагрузки прн токе /2 во вторичной цепи трансформатора.
Электродвижущая сила Е2, наводимая во вторичной обмотке потоком Ф0 в магннтопроводе, получена в результате сложения вектора u2 с векторами i2r2 и 12х2 напряжений на активном r2 сопротивлении вторичной обмотки и его реактивном сопротивлении х2, обусловленном потоком рассеяния.
Выше отмечалось, что вектор МДС /2ш2 сдвинут по фазе относительно вектора МДС 'hwi почти на 180°, т. е. МДС /2ш2 оказывает размагничивающее действие.
Вследствие этого магнитный поток Ф0 в магннтопроводе создается результирующей МДС /0к>1, называемой полной МДС трансформатора.
Магнитодвижущая сила IgWi создается намагничивающим током /0, практически равным току холостого хода трансформатора. Под током холостого хода понимают ток первичной обмотки, который при разомкнутой вторичной обмотке создает в магннтопроводе номинальный для данного режима магнитный поток.
Магнитодвижущая сила I0w 1 состоит из реактивной составляющей шь непосредственно
создающей поток Ф0 и совпадающей с ним по фазе, и активной составляющей Iawu опережающей Фо на 90° и определяемой потерями на гистерезис и вихревые токи в магннтопроводе.
Вектор МДС IiWi получен путем сложения вектора МДС I0Wi с повернутым на 180° вектором МДС /2оь, т. е.
/„ Щ = h Щ + /2 ш2. (3.1)
При номинальном режиме работы трансформатора тока значение l0w 1 обычно составляет не более 1% (или /2ш2).
При достаточной мощности цепи первичного тока размыкание вторичной цепи трансформатора тока вызовет значительное увеличение Ф0, поскольку в этом случае /0Ш1=/1Ш1. Это может привести к аварии, так как возрастание потока в магннтопроводе приводит к большому увеличению ЭДС (до нескольких сотен вольт), что опасно для обслуживающего персонала и может вызвать электрический пробой изоляции обмоток. Кроме того, увеличение потока сопровождается ростом потерь на перемагничивание и вихревые токн, повышением температуры магнитопровода, а следовательно, и обмоток и может служить причиной термического разрушения их изоляции.
Из векторной диаграммы и уравнения (3.1) можно сделать следующие выводы.
iDw7 |
1гЩ |
Рис. 3.7. Векторная диаграмма трансформатора тока. |
4—970 49
Токовую погрешность для одного значения h можно свести к нулю подбором числа витков ш2 вторичной обмотки. Для других значений тока /2 погрешность не будет равна нулю, так как ток /0 не пропорционален току У2.
Погрешности трансформатора тока увеличиваются по мере возрастания МДС IqW\.
Увеличение сопротивления вторичной обмотки и возрастание нагрузки, т. е. включение большого числа приборов, приводят к повышению ЭДС £2, а следовательно, к увеличению потока Ф0 и МДС lDw 1. Поэтому для каждого трансформатора указывается его номинальная вторичная нагрузка в омах или номинальная мощность в вольт-амперах. Номинальной нагрузкой трансформатора тока называется наибольшее сопротивление, на которое можно замыкать его вторичную обмотку, не вызывая, увеличения погрешностей выше допустимых для соответствующего класса точности.
Номинальная нагрузка 2н0м и номинальная мощность трансформатора тока Оном связаны между собой соотношением
|
г г
S, |
= / |
г, |
ZUOM ном
|
Значение /о будет тем меньше, чем выше магнитная проницаемость материала магнитопровода и чем меньше в нем потери на гистерезис и вихревые токи. При неизменном значении Ф0 ток /0 будет уменьшаться с сокращением длины магнитопровода и увеличением его сечения, так как при этом уменьшается магнитное сопротивление магнитопровода.
Уменьшение.магнитной индукции также приводит к уменьшению Iо, поэтому в трансформаторах тока значения индукции значительно меньше, чем в силовых трансформаторах, и составляют 0,05—0,15 Тл.
При неизменной нагрузке z2 и уменьшении измеряемого тока погрешности трансформатора увеличиваются из-за относительного увеличения намагничивающего тока (рис. 3.8).
Магнитопроводы трансформаторов тока изготовляются из тонкой листовой высокосортной трансформаторной стали, а для особо
|
Рис. 3.8. Кривые погрешностей трансформатора тока при разных cos ф2. |
V/o Sj 7,0 - wd €rS - 80'
Рис. 3.9. Измерительные клещи.
точных трансформаторов — из железоникелевых сплавов типа пермаллоя. Для уменьшения потерь на вихревые токи листы изолируются друг от друга. Чаще всего применяются магнитопроводы стержневого и круглого (кольцевого) типов.
Для уменьшения (компенсации) погрешностей в трансформаторах тока используют искусственное подмагничивание магнитопровода дополнительными полями до значения, при котором материал магнитопровода имеет наибольшую магнитную проницаемость. Это приводит к относительному уменьшению намагничивающего тока /0.
Практически компенсация подмагничиванием осуществляется вторичным током при прохождении его по дополнительным обмоткам или подмагничиванием за счет потоков рассеяния. Такие трансформаторы называются компенсированными.
В установках с большими токами короткого замыкания при недостаточно надежной конструкции трансформатора возможны его механические и термические повреждения. Механические повреждения получаются вследствие электродинамического взаимодействия проводников с токами.
Электродинамической стойкостью трансформатора тока называют отношение амплитуды тока, которую он может выдержать без изменения своих механических и электрических свойств в течение одного полупериода, к амплитуде номинального тока трансформатора.
Термической стойкостью трансформатора тока называется отношение действующего (среднеквадратического) значения тока, который трансформатор может выдерживать в течение 1 с без изменения своих свойств, к действующему значению номинального первичного тока трансформатора.
В установках с большими токами короткого замыкания применяются трансформаторы тока с высокой термической и электродинамической стойкостью.
На рис. 3.9 представлен переносный трансформатор тока в виде клещей. Она используется в тех случаях, когда необходимо производить измерения без разрыва проводника с измеряемым током. Магни- топровод трансформатора тока разъемный (на шарнирах), благодаря чему он может охватывать провод, образующий первичную обмотку. Для удобства измерения амперметр часто укрепляется иа корпусе трансформатора. Точность таких трансформаторов невелика, но достаточна для ориентировочных измерений
В зависимости от области применения измерительные трансформаторы изготовляются стационарными, предназначенными для установки на открытых площадках распределительных устройств, станций и подстанций и в закрытых помещениях, и переносными — для использования в лабораториях. Стационарные трансформаторы, как правило, имеют один предел измерения, а переносные — несколько пределов. Например, переносный трансформатор тока типа И-54 класса точности 0,2 имеет номинальные первичные токи 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0 и 50,0 А, вторичный ток 5А и номинальную нагрузку 0,4 Ом.
На рис. 3.10, а, б даны схема и внешний вид универсального трансформатора типа УТТ-5М. Он имеет магннтопровод из пермаллоя и две обмотки: вторичную (выводы И и Иг) с номинальным током /2ном=5 А и первичную, состоящую из двух секций с номинальными токами 15 и 50 А. При измеряемых токах 100—600 А первичная обмотка создается витками гибкого провода, проходящими через
4*
окно в трансформаторе. Необходимое число витков в этом случае должно быть таким, чтобы сохранялось постоянство значения /ihom^i.
ГЖ |
Рис. З.Ю. Трансформатор тока типа УТТ-5М. а — схема; б — внешнкй вид. |
IzH |
Рис. 3.11. Векторная диаграмма трансформатора напряжения. |
По точности трансформаторы тока подразделяются на десять классов: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2: 0,5; 1; 3; 5 и 10. Основные требования к трансформаторам тока установлены ГОСТ 7746-78Е и ГОСТ 23624-79.
Витки первичной обмотки при токах 1DD-BDDA |
3.4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Измерительные трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к холостому ходу, потому что ко вторичной обмотке трансформатора подключают приборы с относительно большим внутренним сопротивлением.
На рис. З.П приведена векторная диаграмма трансформатора напряжения. Для большей наглядности диаграмма построена в предположении, что число витков первичной и вторичной обмоток одинакова (в действительности w 1>ш2). Это позволяет заменить векторы А1ЦС соответствующими токами, что облегчает рассмотрение причин возникновения погрешностей трансформатора.
Последовательность построения векторной диаграммы трансформатора напряжения от тока /2 во вторичной цепи до тока h в первичной цепи трансформатора такая же, как и в трансформаторе тока.
Векторы напряжений U2 на вторичной обмотке трансформатора и ЭДС Ё2 находят на основании следующих уравнений:
!>. = /.<* + /*): }
где R и X — эквивалентные активное и реактивное сопротивления приборов во вторичной цепи; R2 и Х2 — активное сопротивление вторичной обмоткн и его реактивное сопротивление, обусловленное потоком рассеяния.
Вектор первичного напряжения t/j получен путем сложения повернутого на 180° вектора ЭДС Е2 с напряжениями на активном сопротивлении Ri первичной обмотки трансформатора и его реактивном сопротивлении Xi, обусловленном потоком рассеяния
йх=- Ёг+)г (Ri + jxj.
'Гак как /|=/о—/2, а также учитывая (3 2), получаем: иу =- и\ + /0 Rt + /0 / X, V2 (Rt + R2)-V2 (X, + Х2). (3.3)
Из (3 3) следует, что вектор первичного напряжения Ui не равен вектору вторичного напряжения U2, несмотря на то что было принято wi~w2. Отличие напряжений Ui и U2, а следовательно, погрешности напряжения у и и угловая 6v зависят от токов /2 и /0 и сопротивлений обмоток трансформатора.
Наибольшее влияние на погрешности оказывает нагрузка во вторичной цепи трансформатора.
Рис. 3 12. Зависимость погрешностей трансформатора напряжения от нагрузки при разных cos ср2. |
На рис. 3.12 приведены типичные графики погрешностей трансформатора напряжения с номинальной мощностью 50 В-А в зависимости от мощности во вторичной цепи при разных cos ср, т. е. при разном характере нагрузки вторичной цепи. Начиная с некоторого значения мощности, погрешности непрерывно увеличиваются. Во вторичную цепь нужно включать такое количество приборов, чтобы потребляемая ими мощность не превышала номинальной мощности трансформатора, обычно указываемой на его щитке.
Ток /0 значительно меньше тока /2 и поэтому согласно (3 3) оказывает на погрешности трансформатора относительно небольшое влияние. Увеличивая ток /о, повышают магнитную индукцию в магннтопроводе до 0,6—1,0 Тл, что значительно больше, чем в трансформаторах тока. Увеличение магнитной индукции позволяет при
заданном напряжении на вторичной обмотке снизить число витков в обмотках трансформатора. В результате при неизменной площади сечения обмоток можно значительно увеличить сечение проводников и уменьшить сопротивления обмоток Ri и при этом плотность тока в проводниках обмоток уменьшится по сравнению с силовыми трансформаторами почти в 10 раз и составит 0,1—0,3 А/мм2.
Магнитопроводы трансформаторов обычно изготовляют из лучших сортов кремнистой стали Благодаря этому уменьшаются реактивные сопротивления Xi и Х2, обусловленные соответственно потоками рассеяния первичной и вторичной обмоток трансформаторов,
и, кроме того,)меньшаются ток холостого хода и потери в маг- иитопроводе.
Согласно ГОСТ 1983-77Е и ГОСТ 23625-79 стационарные трансформаторы напряжения делятся на классы точности 0,2; 0,5; 1 и 3, а лабораторные — на классы 0,05. 0,1 и 0,2
Стационарные трансформаторы напряжения изготовляются на номинальные первичные напряжения до сотен киловольт при вторичном напряжении 150, 100 н В. Номинальные мощности составляют от 5 до 1200 В-А
По внешнему виду и устройству трансформаторы напряжения мало отличаются от силовых трансформаторов на небольшие мощности. Лабораторные трансформаторы чаще ессго бывают переносными на несколько пределов измерения
Для трехфазных цепей изготовляются трехфазные трансформаторы напряжения (рис 3 13). На трех стержнях магннтопровода располагаются три первичные и три вторичные обмотки. Первичные обмотки присоединяются к трехфазной цепи, к выводам вторичных обмоток присоединяются измерительные приборы
По виду охлаждения трансформаторы напряжения делятся иа сухие (для напряжений до 3 кВ) и трансформаторы с заливкой маслом или изолирующей массой (для напряжений 3 кВ и выше).
3 5. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Рис. 3 13. Схема устройства и включения трехфазного трансформатора напряжения |
Измерительные трансформаторы постоянного тока применяются для измерения очень больших токов, обычно свыше 6 кА. Такие токи встречаются, например, в алюминиевой промышленности, и шунты для них получаются весьма громоздкими н дорогими. Достоинством трансформаторов постоянного тока является безопасность их применения в цепях с высоким напряжением, так как вторичные обмотки изолированы от первичных.
Принцип действия измерительных трансформаторов постоянного тока существенно отличается от обычных измерительных трансформаторов.
Рис. 3.14. Принципиальная схема измерительного трансформатора постоянного тока. |
На рис. 3.14 изображена принципиальная схема такого трансформатора. Он состоит из двух совершенно одинаковых кольцевых магнитопроводов I и II, изготовленных из материала с высокой магнитной проницаемостью (например, из пермаллоя). Первичные обмотки w\ наматывают на оба магнитопровода в одном направлении, соединяют последовательно и подключают к источнику измеряемого постоянного тока 1Х. Обычно первичными обмотками служит токонесущая шина, продетая в отверстия магнитопроводов; в этом случае wi=I. Вторичные обмотки ш2, намотанные на магнитопроводах в противоположных направлениях, соединяют последовательно и через амперметр переменного тока подключают к вспомогательному источнику переменного напряжения.
На рис. 3.15 приведена кривая намагничивания магнитопроводов Ф=F(Iw), где Ф — магнитный поток. На этой кривой точкой А обо-
|
| А |
f | 1 1 1 |
I | I I т 1ь} |
Ь 1ящ |
Рис. 3.15. Кривая намагничивания магнитопроводов трансформатора постоянного тока.
h 1 ^Т *XW2 * |
|
|
|
|
г |
|
| ||
| J |
| ь |
Рис. 3.16. Характер кривой изменения тока во вторичных обмотках трансформатора постоянного тока.
|
значено значение потока Ф_, соответствующего МДС Ixwh обусловленной измеряемым током /*.
Измеряемый ток 1Х, протекая по первичной обмотке, создает в обоих магнитопроводах одинаково направленные и равные магнитные потоки Ф— Пусть в данный момент времени переменный ток 1ч, протекающий по обмоткам ш2, имеет такое направление, что поток Ф в магннтопроводе I, созданный МДС /2ш2, совпадает по направлению с потоком Ф_, тогда в магннтопроводе 11 эти потоки бу-
дут направлены в противоположные стороны, так как обмотки w2 включены встречно.
Несмотря на то что в магнитопроводе / МДС измеряемого тока IxWi и переменного тока /2ш2 совпадают, практического увеличения магнитного потока в магнитопроводе не происходит, так как магни- топровод уже был насыщен постоянным магнитным потоком Ф_, при этом ЭДС, наводимая во вторичной обмотке первого магнитопрово- да, равна:
dO
Иной процесс будет иметь место в обмотке w2 второго магнито- провода. При возрастании тока /2 в обмотке рабочая точка А перемещается по кривой намагничивания влево. Пока магнитопровод остается насыщенным (примерно до точки В), увеличение тока не вызывает заметного изменения магнитного потока. Однако как только точка А переместится в область ОВ, т. е. МДС I2w2 станет близкой к МДС Ixwu магнитный поток в магнитопроводе начнет резко уменьшаться, и в обмотке ш2 появится ЭДС, противодействующая дальнейшему увеличению тока /2. В результате рост тока /2 почти полностью прекращается (рис. 3.16), а его максимальное значение может быть определено из уравнения
max w2 ~ lxwl>
ИЛИ
I2max ^ Iх lw2. (3.4)
Так как сердечник I насыщен, то его обмотка ш2 на ток /2 практически не влияет.
В течение следующего полупериода, когда переменный ток, а следовательно, и наведенные им потоки Ф„ изменят свое направление, магнитопроводы / и II поменяются ролями.
Отметим, что если форма кривой намагничивания близка к идеальной прямоугольной (кривая ОтА на рис. 3.15), активное сопротивление цепи переменного тока мало, а переменное напряжение достаточно велико, то форма кривой тока h очень близка к прямоугольной и максимальное его значение согласно (3.4) почти не зависит от напряжения и частоты источника питания. При прямоугольной форме кривой тока /2 его среднее значение равно максимуму. Среднее значение тока измеряют амперметром выпрямительной системы.
Отечественной промышленностью выпускаются трансформаторы постоянного тока типа И-58М на номинальные первичные токи от 15 до 70 кА. Они имеют класс точности 0,5.
3 6. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.
ПОВЕРКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА
Погрешность коэффициента трансформации и угловую погрешность трансформатора тока можно определить при помощи дифференциального прибора, например, типа АТТ, схема которого дана на рис. 3.17, а.
Первичные обмотки поверяемого ТАХ и образцового ТА о тр анс- форматоров соединены последовательно, и по ним проходит ток
Последовательно со вторичной обмоткой образцового трансформатора соединена первичная обмотка образцовой катушки М взаимной индуктивности, вторичная обмотка которой замкнута на реохорд аб. Вторичный ток 102 образцового трансформатора проходит по контуру И10АБ'ВДИ20. Вторичный ток Ix2 поверяемого трансформатора проходит по контуру ИХхДВБ'БИ2х.
Таким образом, по резистору /?Вд протекает ток Д/, равный
разности токов 1х2 и 102. Номинальные значения коэффициентов трансформации образцового it поверяемого трансформаторов выбирают одинаковыми, поэтому Ix2~Iq2, а Д/</
На векторной диаграмме (рис. 3.17,6) даны векторы этих трех токов. На этой же диаграмме дан вектор тока /0з вторичной обмотки катушки взаимной индуктивности. Так как ЭДС, наведенная во вто-
h
|
С |
|
/77 | >Al / |
hz | & Г*2 |
| / У |
|
|
л | hs^E с. hs |
| 6) |
ТА0 1 ----- £23-, °Л2 Л) |
Рис. 3.17. Поверка трансформатора тока. |
а — принципиальная схема дифференциального прибора; грамма. |
- векторная диа-
|
ричной обмотке катушки взаимной индуктивности, отстает по фазе от тока /02 на угол, равный л/2, а сопротивление этой цепи активное, то ток /оз также отстает по фазе от тока 102 на угол л/2.
Считая погрешности образцового трансформатора равными нулю, угол 6Х, образованный векторами токов 1Х2 и /02, можно рассматривать как угловую погрешность поверяемого трансформатора тока. Так как угловая погрешность мала, то ток 1х2 можно считать равным проекции его вектора на направление вектора тока т. е.
1Х2 cos 6Ж» 1Х2 = /02 + Д/ cos.
Отсюда погрешность коэффициента трансформации трансформатора в процентах
1x2 — Л)2 шп Ы cost •уд. =--- 100 = 100. (3.5)
Из этой же векторной диаграммы с достаточной ючностью получим
tgSjc = Д/sin ty//02.
Так как мал, то 6Х ~ tg 8Х и, следовательно, бж «Д/ sin ty//02.
Выражая оне в радианах, а в минутах, получаем;
Д/ sin ф Д/ sin ф
бж = 3440 ----------- — =-------------- —. (3.6)
/02 0,00029/02
Для определения погрешностей трансформатора движки прибора а' и Б' перемещают так, чтобы получить нулевое значение тока в сравнивающем устройстве СУ, в качестве которого используется вибрационный гальванометр. В этом случае вектор падения напряжения на резисторе #Вд будет равен сумме векторов падений напряжений на сопротивлениях Ra н Re (рис. 3 17, а).
Так как падение напряжения на сопротивлении резистора д
совпадает по фазе с током Д/, а падение напряжения на сопротивлении резистора RA совпадает по фазе с током /ог, то Z.п'т'с' = —/Lnmc=Z-ф, откуда
., !03R6
Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 17 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |