Общие сведения. 
Измерительные трансформаторы тока и напряжения

Измерительные трансформаторы тока и напряжения позволяют обеспечить безопасность измерений, стандартизировать приборы и реле, рассчитывая их обмотки на ток 5А и напряжение 100 В, защитить приборы и реле от токов короткого замыкания.

Трансформаторы тока и напряжения состоят из магнитопровода, первичной и вторичной обмоток, изоляции между обмотками. Вторичные обмотки трансформатора, так же как и металлические нетоковедущие части конструкций, заземляют, чтобы устранить опасность появления высокого напряжения на приборах и реле при пробое изоляции между первичной и вторичной обмотками. Приборы, питающиеся от измерительных трансформаторов, градуируют по первичному значению, при этом на шкале показывают коэффициент трансформации.

Трансформаторы тока выпускают только в однофазном исполнении для раздельного включения на каждую фазу. В зависимости от назначения измерений в трёхфазной сети применяют один, два или три трансформатора тока. Их изготавливают на всю шкалу токов и напряжений.

Рисунок 1 Схема включения трансформатора тока Первичную обмотку I включают последовательно в контролируемую (измеряемую) цепь, а к вторичной обмотке 2 трансформатора последовательно включают токовые обмотки приборов и реле. Соотношение номинальных первичного и вторичного токов определяется номинальным коэффициентом трансформации:

(1).

Коэффициент трансформации трансформаторов тока — величина не строго постоянная и может отличаться от номинального значения из-за погрешности, обусловленной наличием тока намагничивания.

Различают токовую, угловую погрешность ?:

(2).

Угловая погрешность? характеризует угол сдвига фаз между первичным током и повернутым на 180°током вторичной обмотки. Погрешность по току следует учитывать для всех приборов и реле, а угловую — для приборов ваттметрового типа. Обе погрешности зависят от магнитного сопротивления сердечника, значения первичного тока, нагрузки вторичной обмотки и соотношения её активной и индуктивной составляющих. В отличие от силовых понижающих трансформаторов и измерительных трансформаторов напряжения у понижающего трансформатора тока число витков вторичной обмотки W2 больше (в ряде случаев во много раз) числа витков первичной обмотки W1 (она часто имеет один виток).

Кроме того, особенность трансформатора тока заключается в том, что значение первичного тока I1 не зависит от нагрузки во вторичной цепи (от значения первичного тока I1). Ток определяется только нагрузкой и параметрами первичной цепи, в то время как у трансформаторов напряжения первичный ток зависит от изменения вторичного. Соответственно и магнитный поток первичной обмотки, создаваемый током не изменяется при изменении тока во вторичной цепи. Сопротивление нагрузки вторичной цепи (обычно токовых обмоток приборов, соединительных проводов) весьма невелико. Поэтому трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию, что отличает его от трансформаторов напряжения.

Класс точности трансформаторов тока зависит от токовой погрешности при номинальном первичном токе и от номинальной вторичной нагрузки. Выпускаются трансформаторы тока с классом точности: 0,2 — для лабораторных измерений; 0,5 — для питания расчётных счётчиков; I, 3, 10 или Р — для питания щитовых приборов и реле.

Трансформаторы тока выпускают с первичным током в соответствии со стандартной шкалой первичных номинальных токов. Вторичный номинальный ток почти всех трансформаторов тока принят равным 5А.

Высоковольтные трансформаторы тока обозначаются следующим образом. Например, ТПЛУ-10−0,5/3−50 означает трансформатор тока (буква Т), проходной (П), с литой изоляцией (Л) из эпоксидных смол, С усиленной первичной обмоткой (У), номинальное напряжение 10 кВ (10), с двумя сердечниками классов точности 0,5 и 3 (0,5/3), первичный ток равен 50А (50).

Высоковольтные трансформаторы тока различают:

• — по роду установки — внутренней (В) и наружной (Н),
• — по конструктивному исполнению — проходные (П), катушечные (К), встроенные (В) и т. д.,
• — по числу витков первичной обмотки — многовитковые, одновитковые (0), шинные (Ш),
• — по виду основной изоляции — с фарфоровой (Ф) изоляцией, литой (Л), изоляцией из эпоксидных смол,
• — по числу сердечников — с одним, двумя или несколькими сердечниками.

Концы первичных и вторичных обмоток трансформаторов тока имеют заводскую маркировку. Концы первичной обмотки обозначаются буквами Л1 и Л2, концы вторичной обмотки — буквами И1 и И2.

В открытых и закрытых установках напряжением 35 кВ и выше применяют трансформаторы тока в фарфоровых корпусах, например типа ТЗМ. При этом фарфоровый корпус, в котором помещены обмотки заливают трансформаторным маслом.

В установках 35 кВ и выше используют также трансформаторы тока, встроенные в проходные изоляторы выключателей и силовых трансформаторов. Первичной обмоткой таких трансформаторов тока служит токоведущий стержень изолятора. К их преимуществам относятся простота устройства и небольшая стоимость, а к недостаткам — относительно малая мощность.

Схемы соединения обмоток трансформаторов тока и приборов в частности реле, показаны на рисунке 2. Работа трансформатора тока с разомкнутой вторичной обмоткой недопустима так как в этом случае размагничивающее действие вторичной обмотки исчезает, магнитопровод насыщается, что обуславливает наведение во вторичной обмотке несинусоидальной э.д.с., амплитуда которой может достигать единиц и десятков киловольт. Такой режим опасен для изоляции вторичной цепи и для обслуживающего персонала, кроме того, насыщение сердечника может быть необратимым.

Рисунок 2 Схемы соединения трансформаторов тока и реле; а — полная звезда, бнеполная звезда, в — включение реле на разность токов двух фаз Трансформаторы напряжения выпускаются в однофазном и трёхфазном (до 18 кВ) исполнении. В установках напряжением 0,38 — 6 кВ используют сухие трансформаторы напряжения, в установках напряжением 6 — 35 кВ масляные в металлических баках и в установках напряжением 10 кВ и выше — трансформаторы каскадного типа в фарфоровом кожухе.

Масляные трансформаторы напряжения в стальных баках изготовляют однофазными типа НОМ и ЗНОМ (Н — трансформатор напряжения, О — однофазный, М — масляный, 3-е заземлённым выводом первичной обмотки) и трёхфазными типа НТМК и НТМИ (Т — трёхфазный, К — компенсированный, И — для контроля изоляции).

Для получения большей точности измерения нагрузка трансформаторов напряжения должна быть в несколько раз меньше максимальной мощности, определяемой допустимым нагревом трансформатора при длительной работе. Трансформаторы напряжения могут работать в классах точности 0,2; 0,5;: I и 3, причём каждому классу соответствует определённое предельное значение мощности, при которой гарантируется класс точности. Один и тот же трансформатор в зависимости от нагрузки может работать в разных классах точности.

Схемы включения трансформаторов напряжения показаны на рисунках 3 и 4.

В сельских электроустановках наиболее часто применяют трёхобмоточный трансформатор НТМИ-10, который можно использовать для питания точных приборов, а также для контроля изоляции сети 10 кВ.

Основные обмотки трансформатора соединены по схеме звезда-звезда с заземлёнными нейтралями. Дополнительная обмотка соединена в разомкнутый треугольник и служит для присоединения реле контроля изоляции.

Заземление нейтрали первичной обмотки (рабочее) необходимо для обеспечения контура токам нулевой последовательности, а заземление вторичной обмотки — в целях безопасности (защитное).

Рисунок 3 Схемы включения однофазных трансформаторов напряжения: а — для измерения линейных напряжений; б — для измерения фазных и линейных напряжений трансформатор ток напряжение изоляция.

Рисунок 4 Схемы включения трёхфазных трансформаторов напряжения: а — трех стержневого двух обмоточного; б — пяти-стержневого трех обмоточного.

Рисунок 5 Векторная диаграмма напряжений Сети напряжением 6 — 35 кВ работают с изолированной нейтралью. В номинальном режиме напряжения фаз относительно земли симметричны и равны фазному напряжению установки. При замыкании одной фазы на землю симметрия напряжения нарушается, так как на симметричную систему напряжений накладывается напряжение нулевой последовательности, которое при металлическом замыкании равно и обратно по направлению напряжению, повреждённой фазы. Из рисунка 5 видно, что напряжение повреждённой фазы, А становится равным нулю. Напряжение фаз В (Uв) и С (Uс) увеличиваются в? З раз, но линейное напряжение остаётся неизменным как по значению, так и по фазе, поэтому работа приёмников энергии не нарушается. Согласно ПУЭ допускается работа сети с изолированной нейтралью при замыкании одной фазы на землю в течение 2 часов для кабельных линий и линий генераторного напряжения. В остальных случаях допускается работа линии с заземлённой фазой до устранения замыкания.

Однофазное замыкание в сети с изолированной нейтралью не является коротким замыканием. Через точку замыкания протекает небольшой ёмкостный ток, значение которого зависит от напряжения установки, частоты и ёмкости фаз в сети относительно земли. Замыкание на землю одной фазы в сетях с изолированной нейтралью обнаруживается при помощи устройств для контроля изоляции рисунок 6.

Контролирующее устройство выполняют при помощи трёх вольтметров, присоединённых через трансформатор напряжения не фазные напряжения. При металлических однофазных замыкания на землю, в сети показание вольтметра повреждённой фазы становится равным нулю, а показания двух других вольтметров увеличиваются в?3-раз. Сигнализация однофазного замыкания на землю осуществляется при помощи реле максимального напряжения, подключённого к дополнительной обмотке, соединённой в разомкнутый треугольник. В нормальных условиях сумма э.д.с. в трёх фазах обмотки примерно равна нулю. Поэтому и напряжение, подводимое к реле, равно нулю. При однофазном замыкании напряжение на реле может увеличится до 100 В, реле сработает и замкнёт цепь центральной сигнализации.

Рисунок 6 Схема стенда для проверки работы схемы контроля изоляции (конденсаторы С моделируют распределительную ёмкость проводов воздушных линий).