Технические данные - эксплуатация трансформаторов напряжения. Уравнения электрического состояния первичной и вторичной обмоток трансформатора

Страница 2 из 4

3. Основные технические данные, конструктивные особенности трансформаторов напряжения.

Трансформаторы с номинальным первичным напряжением до 110 кВ изготавливаются в классах точности для основной вторичной обмотки 0,2; 0,5; 1,0 и 3,0. Класс точности вторичной дополнительной обмотки всех трансформаторов 3,0.
Номинальные напряжения обмоток, предельные мощности и номинальные мощности для каждого класса точности трансформаторов напряжения приведены в Таблице 1.
Трансформаторы с номинальным напряжением вторичной дополнительной обмотки 100:3 В предназначены для работы в сетях с изолированной нейтралью, а с номинальным напряжением 100 В - в сетях с эффективно-заземленной нейтралью.
Погрешности трансформаторов в зависимости от классов точности удовлетворяют нормам, приведенным в Таблице 2, при условии, что:
1. частота питающей сети (50±0,5) Гц;
2. первичное напряжение – от 80 до 120% номинального значения;
3. мощность нагрузки обмоток при номинальном напряжении – от 25 до 100% номинального значения;
4. коэффициент мощности активно – индуктивной нагрузки вторичной обмотки, равный 0,8.

Таблица 1 – Технические характеристики трансформаторов напряжения.

Таблица 2 – Погрешности трансформаторов напряжения.

Наибольшее распространение имеют однофазные трансформаторы, выпускаемые на рабочие напряжения от 380 В до 500 кВ. Широко распространены также трехфазные трансформаторы напряжения, которые выпускаются на рабочие напряжения до 18 кВ.
Однофазные и трехфазные трансформаторы напряжения могут иметь одну или две вторичные обмотки.
К первичной обмотке трансформатора напряжения с двумя вторичными обмотками, включенной на напряжение фаза - земля в нормальном режиме, приложено фазное напряжение. При замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью напряжение фаза - земля может возрасти до линейного. Поэтому трансформаторы напряжения с двумя вторичными обмотками, предназначенные для использования в сети с изолированной нейтралью и имеющие номинальное напряжение, равное фазному напряжению сети, рассчитываются на длительную работу под линейным напряжением.
Трансформаторы напряжения с двумя вторичными обмотками, выпускаемые для работы в сети с заземленной нейтралью, должны без повреждений выдерживать в течение 30 с повышение первичного фазного напряжения до 1,5 UФ.НОМ.
Конструктивные размеры и масса трансформаторов напряжения определяются не мощностью, как у силовых трансформаторов, а в основном объемом изоляции первичной обмотки и размерами ее выводов высокого напряжения. Это объясняется тем, что при малой мощности трансформатора напряжения, работающего, как правило, в режиме, близком к холостому ходу, объем изоляции высокого напряжения значительно превосходит требуемый по мощности объем меди первичной обмотки. Для обеспечения необходимой механической прочности первичной обмотки приходится завышать и сечение ее провода. Увеличение объема обмотки высокого напряжения против необходимого по мощности, естественно, вызывает и увеличение размеров магнитопровода. В результате размеры и масса трансформатора напряжения, выполненного на более высокое напряжение, всегда больше, чем трансформатора той же конструкции и мощности с меньшим номинальным напряжением первичной обмотки.
Для уменьшения размеров и массы трансформаторов напряжения 110 кВ и выше применяется каскадное (ступенчатое) исполнение их. При этом рабочее напряжение распределяется между каскадами и изоляция каждого из них выполняется на более низкое напряжение. С той же целью на высоком напряжении применяются трансформаторы напряжения на 10-15 кВ, включаемые через емкостный делитель напряжения.
Трансформаторы напряжения с номинальным напряжением от 380 В до 6 кВ имеют исполнение с сухой изоляцией (обмотки выполняются проводом марки ПЭЛ и пропитываются асфальтовым лаком). У трансформаторов напряжения 10-500 кВ изоляция масляная (магнитопровод погружен в трансформаторное масло). Имеются также исполнения трансформаторов напряжения на 2-6 кВ с масляной изоляцией и на 6-24 кВ с сухой (литой) изоляцией.
Для уменьшения влияния атмосферных перенапряжений на витки верхних (входных) слоев первичной обмотки они защищаются во всех трансформаторах напряжения 3 кВ и выше электростатическими экранами, соединенными с линейными вводами. Экран выполняется в виде металлической полосы, охватывающей обмотку с небольшим зазором между его краями (во избежание образования короткозамкнутого витка).
Однофазные трансформаторы напряжения. Изоляция первичной обмотки и ее обоих выводов выполняется на полное рабочее напряжение только у трансформаторов с одной вторичной обмоткой, которые могут включаться на междуфазное напряжение. Трансформаторы напряжения с двумя вторичными обмотками, включаемые на напряжение фаза - земля, имеют только один вывод первичной обмотки, рассчитанный на полное рабочее напряжение; второй ее конец выводится через ввод низкого напряжения. Участок первичной обмотки, близкий к заземленному выводу, обычно выполняется с пониженной изоляцией относительно земли и вторичной обмотки.

Трехфазные трансформаторы напряжения. На рис.1 приведена схема трансформатора напряжения (с одной вторичной обмоткой на каждой фазе) с трехстержневым магнитопроводом. Первичные обмотки (выводы А, В, С) соединены в звезду, благодаря чему к каждой из них приложено фазное напряжение. Вторичные обмотки также соединены в звезду, и их начала выведены на зажимы а, Ь, с, а нейтраль - на зажимы 0.
На рис. 2 показана схема трехфазного трансформатора напряжения с двумя вторичными обмотками на каждой фазе. Основные вторичные обмотки соединены в звезду и имеют выводы а, b, с, 0. Дополнительные обмотки всех трех фаз соединены последовательно (как на рис. 5), и цепь 3Uo выведена на зажимы аД, хД. Для обеспечения действия реле сигнализации замыканий на землю, включаемого на напряжение 3U0, нулевая точка первичных обмоток должна быть заземлена.
Трансформаторы с двумя вторичными обмотками выполняются на пятистержневых магнитопроводах (рис. 2). Крайние стержни, свободные от обмоток, предназначены для замыкания магнитного потока несимметрии, пропорционального напряжению 3U0 и возникающего при однофазных замыканиях на землю, когда первичная обмотка одной из фаз закорочена и вследствие этого магнитный поток в ее стержне отсутствует, а магнитные потоки в двух других стержнях возрастают в раз.
При применении вместо пятистержневого трехстержневого магнитопровода магнитный поток несимметрии мог бы замыкаться только по воздуху и через кожух трансформатора, т. е. по пути с большим магнитным сопротивлением, что привело бы к значительному возрастанию токов намагничивания неповрежденных фаз и опасному перегреву их первичных обмоток. Поэтому во избежание повреждений трансформаторов с трехстержневыми магнитопроводами заземление нулевой точки их первичных обмоток не допускается. Их первичные и вторичные обмотки выполняются на фазное напряжение; нуль первичной обмотки не выводится.

Каскадные трансформаторы напряжения . Принцип выполнения поясняется схемой трансформатора, состоящего из двух каскадов (I и II), приведенной на рис. 3. Каждый каскад представляет собой трансформатор с номинальным напряжением, равным половине рабочего напряжения, которое приложено к выводам А и X обмотки ВН. Трансформатор каждого из каскадов размещается в фарфоровом кожухе, залитом трансформаторным маслом, причем кожух первого каскада устанавливается непосредственно на кожухе второго, вследствие чего ввод высокого напряжения А имеет двойную изоляцию относительно земли.

Сердечник первого каскада соединен с концом обмотки ВН, что позволяет выполнить ее изоляцию на половину рабочего напряжения с ослаблением в слоях, ближних к концу.
Вторичная обмотка низкого напряжения с выводами а, х расположена на заземленном сердечнике нижнего второго каскада.
Для распределения вторичной нагрузки, отдаваемой обмоткой НН между трансформаторами нижнего и верхнего каскадов, на каждом из них имеются связующие обмотки Р, соединенные между собой. Для первого каскада обмотка Р является вторичной, а для второго - дополнительной первичной. Благодаря наличию связующих обмоток нагрузка делится между каскадами пополам. Половина нагрузки трансформируется в обмотку НН из обмотки ВН, а вторая половина - из обмотки Р.
Трансформаторы напряжения с двумя вторичными обмотками предназначаются не только для питания измерительных приборов и реле, но и для работы в устройстве сигнализации замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью или защиты от замыканий на землю в сети с заземленной нейтралью.

Схема трансформатора напряжения с двумя вторичными обмотками показана на рис. 4. Выводы второй (дополнительной) обмотки, используемой для сигнализации или защиты при замыканиях на землю, обозначены ад и хд. На рис. 5 приведена схема включения трех таких трансформаторов напряжения в трехфазной сети. Первичные и основные вторичные обмотки соединены в звезду. Нейтраль первичной обмотки заземлена. На измерительные приборы и реле от основных вторичных обмоток могут быть поданы три фазы и нуль. Дополнительные вторичные обмотки соединены по схеме разомкнутого треугольника. От них на устройства сигнализации или защиты подается сумма векторов фазных напряжений всех трех фаз. При нормальной работе сети, в которой включен трансформатор напряжения, эта сумма равна нулю. Это видно из векторных диаграмм рис. 6, где UА, UВ и UС - векторы фазных напряжений, приложенных к первичным обмоткам.

В реальных условиях обычно на выходе разомкнутого треугольника имеется ничтожно малое напряжение небаланса, не превышающее 2-3% номинального напряжения. Этот небаланс создается всегда имеющимися незначительной несимметрией вторичных фазных напряжений и небольшим отклонением формы их кривой от синусоиды. Напряжение, обеспечивающее срабатывание реле, подключаемых к цепи разомкнутого треугольника, возникает только при замыканиях на землю со стороны первичной обмотки трансформатора напряжения. При этом векторная сумма фазных напряжений не равна нулю и согласно методу симметричных составляющих является утроенным напряжением нулевой последовательности 3U0. Выходные цепи разомкнутого треугольника, подаваемые на реле сигнализации или защиты, также обозначаются 3Uo (рис. 5).
Наибольшее значение напряжение ЗU0 имеет при однофазном замыкании на землю. При этом следует иметь в виду, что максимальное значение напряжения 3U0 в сети с изолированной нейтралью значительно больше, чем в сети с заземленной нейтралью.
Если напряжение на дополнительных вторичных обмотках в нормальном трехфазном режиме равно номинальному напряжению этих обмоток, то при возникновении однофазного замыкания на землю максимальное значение 3Uо в сети с заземленной нейтралью будет равно этому номинальному напряжению, а в сети с изолированной нейтралью - в 3 раза больше.

Уравнения электрического состояния трансформатора записываются согласно второму закону Кирхгофа для схем замещения первичной и вторичной обмоток трансформатора (рис. 4.5):

где R 1 , Х 1 , R 2 , Х 2 – соответственно активные и реактивные сопротивления рассеяния первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Номинальные данные трансформатора

К номинальным параметрам трансформатора относятся номинальные мощность S н, напряжения

и

и токи первичной и вторичной обмоток .

Номинальной мощностью трансформатора S н называется указанное в заводском паспорте значение полной мощности, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях места установки и охлаждающей среды при номинальных частоте и напряжении.

Номинальные напряжения обмоток

и

– это напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе трансформатора.

Коэффициент трансформации двухобмоточного трансформатора - это отношение номинальных напряжений обмоток высшего и низшего напряжений.

.

Номинальными токами трансформатора называются значения токов в обмотках, при которых допускается длительная нормальная работа трансформатора. Номинальный ток любой обмотки трансформатора определяют ее номинальной мощности и номинальному напряжению.

,

.

Коэффициент полезного действия трансформатора.

Потери мощности в трансформаторе

Полезная мощность трансформатора

,

где φ 2 – угол сдвига фаз между U 2 и I 2 , который зависит от характера нагрузки трансформатора.

Мощность, потребляемая трансформатором из сети

.

.

Потери мощности складываются

,

где

- магнитные потери в стальном сердечнике трансформатора затрачиваемые на перемагничивание сердечника (потери на гистерезис) и вихревые токи, мощность этих потерь зависит от частоты и амплитуды магнитной индукции в магнитопроводе и материала, из которого он изготовлен; при постоянном действующем значении напряжения первичной обмотки потери стали постоянны и не зависят от нагрузки, поэтому их называютпостоянными потерями ; для уменьшения потерь на перемагничивание сердечники трансформаторов изготавливают из электротехнической стали, которая имеет узкую петлю гистерезиса; для уменьшения потерь на вихревые токи сердечники трансформаторов набирают из тонких листов электротехнической стали изолированных друг от друга лаковой пленкой;

- тепловые потери в медных обмотках, которые зависят от токов и поэтому называются переменными потерями ; потери в меди пропорциональны квадрату коэффициента нагрузки

.

Коэффициент полезного действия трансформатора

.

Режимы работы трансформатора

Режим холостого хода . Под холостым ходом трансформатора понимают такой режим работы, при котором к зажимам первичной обмотки подводится напряжение, а вторичная обмотка разомкнута, ток I 2 =0 (рис. 4.6). На входе трансформатора устанавливают напряжение, равное номинальному напряжению первичной обмотки U 1 = U 1н и измеряют U 1 , I 1x , cosφ 1x , U 2х.

По данным этого опыта определяют коэффициент трансформации k; номинальный ток холостого хода I 1хн; номинальную мощность потерь холостого хода Р 10 , равную мощности потерь в стали сердечника Р сн при номинальном напряжении.

При холостом ходе I 2 =0 и

, поэтому

и U 2x =E 2 .

Следовательно,

.

В режиме холостого хода полезная мощность трансформатора P 2 =0, поэтому мощность P 1х, потребляемая в сети, полностью идёт на возмещение потерь

P 1x = ΔP с + ΔP м 1 = U 1 I 1x cosφ 1x ,

где ΔP с – мощность потерь в стали сердечника от гистерезиса и вихревых токов; ΔP м1 – мощность потерь в меди первичной обмотки; φ 1x – угол сдвига между напряжением и током первичной обмоткиU 1 и I 1x .

Потери в меди первичной обмотки

,

тогда потери в стали легко определить, как

ΔP с =P 1 x - ΔP м1 = U 1 I 1 x cosφ 1 x -

.

Так как ток холостого хода I 1x очень мал, то мощность

незначительна и ею можно пренебречь. Следовательно, в этом случае можно принять P 1x = ΔP с. Так как напряжение первичной обмотки равно номинальному, то P 1x = ΔР сн = Р 10 . По значениям I 1x и Р 10 судят о качестве стали сердечника и качестве его сборки.

Режим короткого замыкания . Различают внезапное (аварийное) короткое замыкание трансформатора, происходящее в эксплуатационных условиях и лабораторное короткое замыкание при его испытании. Внезапное короткое замыкание происходит при коротком замыкании вторичной обмотки (z н =0, U 2 =0), когда к первичной обмотке подведено номинальное напряжение U 1н. Это сопровождается резким броском тока до значения I кз =(20-40) I 1н.

При выполнении опыта лабораторного короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замыкается накоротко (рис. 4.7).

На входе трансформатора устанавливается такое напряжение U 1к, при котором токи первичной и вторичной обмоток становятся равными номинальным I 1 =I 1н и I 2 =I 2н. При U 1 = U 1к измеряют U 1к, I 1к, cosφ 1к.

Номинальные токи однофазного трансформатора рассчитывают исходя из формулы

где S н – номинальная мощность трансформатора по паспортным данным.

Напряжение U 1к называют напряжением короткого замыкания, его обычно выражают в процентах от U 1н и обозначают

По данным опыта определяют напряжение короткого замыкания U 1к, активную и реактивную составляющие напряжения короткого замыкания U ка и U кр, номинальную мощность потерь короткого замыкания Р кн (мощность потерь в меди обмоток при I 1 =I 1н и I 2 = I 2н).

При коротком замыкании полезная мощность трансформатора Р 2 = 0. Следовательно, мощность, потребляемая им из сети в данном режиме, полностью идёт на возмещение потерь

P 1 x = ΔP с + ΔP м1

Р 1к = ΔР c + ΔР мн = U 1 I 1к cosφ 1к где ΔР мн – мощность потерь в меди первичной и вторичной обмоток при номинальных токах I 1н, I 2н:

Тогда потери в стали определяют, как

ΔP с =P 1к - ΔP мн = U 1 I 1 x cosφ 1 x -

-

.

Так как напряжение

U 1н очень мало, то и мощность потерь в стали

в данном опыте будет незначительна и ею можно пренебречь. Следовательно, в этом случае можно принять Р 1к = ΔР мн =Р кн.

Работа трансформатора под нагрузкой . Для исследования работы трансформатора в этом режиме к выходным зажимам трансформатора подключают нагрузку (рис. 4.8), состоящую из нескольких соединенных параллельно резисторов. К первичной обмотке трансформатора подводят синусоидальное напряжение U 1 = U 1н = const при f = f н =const, изменяют его нагрузку I 2 от I 2 =0 до I 2 =1,2 I 2н и измеряют U 1 , I 1 , cosφ 1 , I 2 , U 2 .

Номинальные токи однофазного трансформатора рассчитывают исходя из формулы

где S н – номинальная полная мощность трансформатора по паспортным данным.

По данным измерений определяют полезную мощность трансформатора Р 2 , мощность потребляемую из сети Р 1 , суммарную мощность потерь ΔР Σ , мощность потерь в стали ΔР с и меди ΔР м и строят характеристики I 1 , P 1 , U 2 , , cosφ 1 =f (P 2).

Мощности трансформатора определяется

,

,

так как нагрузка трансформатора чисто активная, то cosφ 2 =1.

Суммарная мощность потерь трансформатора

ΔР Σ =Р 1 -Р 2 .

Мощность потерь в меди обмоток трансформатора

,

где ΔP сн – номинальная мощность потерь в стали сердечника (при U 1 = U 1н).

К.п.д. трансформатора:

.

В номинальном режиме работы постоянные потери в стали сердечника

обозначают Р 10 , переменные потери в меди обмоток

обозначают Р кн, тогда

.

Характеристики трансформатора при его работе под нагрузкой имеют вид, как показано на рис. 4.9.

Внешняя характеристика трансформатора

В практике эксплуатации трансформатора часто пользуются его внешней характеристикой, под которой понимают зависимость выходного напряжения от нагрузки, т.е.

или

при постоянном первичном напряжении

и частоте сети

при неизменном характере нагрузки

.

Вторичное напряжение U 2 при нагрузке отличается от напряжения холостого хода на величину потери напряжения, которая зависит от величины нагрузки.

Напряжение U 2 при любой нагрузке рассчитывается по формуле

где U 2х = U 2н – напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе; - относительное изменение вторичного напряжения (в процентах).

Так как изменение напряжения пропорционально току нагрузки, то внешняя характеристика практически представляет собой прямую линию (рис. 4.10).

Как известно для построения линейной зависимости достаточно на плоскости определить две точки:

У силовых трансформаторов при токе вторичной обмотки равном номинальному I 2н, отношение

имеет порядок 5-10%. Поэтому трансформаторы проектируют таким образом чтобы их напряжение холостого хода

было на 5% больше номинального напряжения приемника.

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

ЛЕКЦИЯ №2

ВРЕМЯ– 2 часа

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Ознакомиться с видами измерительных преобразователей. Изучить условия работы и схемы включения трансформаторов тока.

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:

ВВЕДЕНИЕ – 5 мин

ВИДЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ – 30 мин.

УСЛОВИЯ РАБОТЫ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА – 50 мин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин.

ЛИТЕРАТУРА:

Фигурнов Е.П. Релейная защита: Учебник. В 2 ч. Ч. 1. 3-е изд. , перераб. и доп. – М.:ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. – С. 45 … 58.

ГОСТ 18685-73. ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ.

ВИДЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ – 10 мин.

Измерительные преобразователи тока и напряжения используются в релейной защите в качестве датчиков информации о режимах работы защищаемого объекта. В установках переменного тока в качестве таких преобразователей широко применяются трансформаторы тока и трансформаторы напряжения.

ГОСТ 18685-73. Трансформатором тока (напряжения) называется трансформатор, в котором при нормальных условиях применения вторичный ток (вторичное напряжение) практически пропорционален (пропорционально) первичному току (первичному напряжению) и при правильном включении сдвинут (сдвинуто) относительно него по фазе на угол, близкий к нулю.

Трансформатор тока - трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику тока.

Измерительный трансформатор тока - трансформатор, предназначенный для преобразования тока до значения, удобного для измерения.

Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную обмотку включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке.

Трансформаторы тока широко используются для измерения электрического тока и в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем.

Трансформаторы тока обеспечивают безопасность измерений, изолируя измерительные цепи от первичной цепи с высоким напряжением, часто составляющим сотни киловольт.

К трансформаторам тока предъявляются высокие требования по точности. Как правило, трансформатор тока выполняют с двумя и более группами вторичных обмоток: одна используется для подключения устройств защиты, другая, более точная - для подключения средств учёта и измерения

Справка. Вторичные обмотки трансформатора тока (не менее одной на каждый магнитопровод) обязательно нагружаются. Сопротивление нагрузки строго регламентировано требованиями к точности коэффициента трансформации. Незначительное отклонение сопротивления вторичной цепи от номинала (указанного на табличке) по модулю полного Z или cos φ (обычно cos = 0.8) приводит к изменению погрешности преобразования. При этом происходит ухудшение измерительных качеств трансформатора. Значительное увеличение сопротивления нагрузки создает высокое напряжение во вторичной обмотке, достаточное для пробоя изоляции трансформатора, что приводит к выходу трансформатора из строя, а также создает угрозу жизни обслуживающего персонала. Кроме того, из-за возрастающих потерь в сердечнике магнитопровод трансформатора начинает перегреваться, что так же может привести к повреждению (или, как минимум, к износу) изоляции и дальнейшему её пробою.

Коэффициент трансформации измерительных трансформаторов тока является их основной характеристикой. Номинальный (идеальный) коэффициент указывается на шильдике трансформатора в виде отношения номинального тока первичной (первичных) обмоток к номинальному току вторичной (вторичных) обмоток, например, 100/5 А или 10-15-50-100/5 А (для первичных обмоток с несколькими секциями витков). При этом реальный коэффициент трансформации несколько отличается от номинального значения. Это отличие характеризуется величиной погрешности преобразования, состоящей из двух составляющих - синфазной и квадратурной. Первая характеризует отклонение по величине, вторая отклонение по фазе вторичного тока реального от номинального. Эти величины регламентированы ГОСТ и служат основой для присвоения трансформаторам тока классов точности при проектировании и изготовлении. Поскольку в магнитных системах имеют место потери связанные с намагничиванием и нагревом магнитопровода, вторичный ток оказывается меньше номинального (т.е. погрешность отрицательная) у всех трансформаторов тока. В связи с этим для улучшения характеристик и внесения положительного смещения в погрешность преобразования применяют витковую коррекцию. А это означает, что коэффициент трансформации у таких откорректированных трансформаторов не соответствует привычной формуле соотношений витков первичной и вторичной обмоток.

Трансформатор напряжения - трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение - преобразования и гальваническая развязка высокого напряжения в низкое в измерительных цепях. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.

Справка . Виды трансформаторов напряжения:

Заземляемый трансформатор напряжения - однофазный трансформатор напряжения, один конец первичной обмотки которого должен быть наглухо заземлён , или трёхфазный трансформатор напряжения, нейтраль первичной обмотки которого должна быть наглухо заземлена.

Незаземляемый трансформатор напряжения - трансформатор напряжения, у которого все части первичной обмотки, включая зажимы, изолированы от земли до уровня, соответствующего классу напряжения.

Каскадный трансформатор напряжения - трансформатор напряжения, первичная обмотка которого разделена на несколько последовательно соединённых секций, передача мощности от которых к вторичным обмоткам осуществляется при помощи связующих и выравнивающих обмоток.

Ёмкостный трансформатор напряжения - трансформатор напряжения, содержащий ёмкостный делитель .

Двухобмоточный трансформатор - трансформатор напряжения, имеющий одну вторичную обмотку напряжения.

Трёхобмоточный трансформатор напряжения - трансформатор напряжения, имеющий две вторичные обмотки: основную и дополнительную

Номинальный вторичный ток для трансформатора тока (ТТ) составляет 1 или 5 А.

Номинальное вторичное напряжение трансформатора напряжения составляет 100 В.

Устройства релейной защиты, как правило, присоединяются к тем же трансформаторам тока и напряжения, к которым присоединяются измерительные приборы.

Снижение напряжения во время КЗ не приводит к возрастанию погрешностей ТН. Увеличение тока при КЗ вызывает увеличение погрешностей ТТ. Чтобы исключить неверные действия РЗ, ТТ проверяются на допустимую погрешность при КЗ.

Наряду с ТТ и ТН в качестве датчиков сигналов для РЗ применяются трансреакторы .

Трансреактор - трансформатор тока с магнитопроводом, имеющим воздушный зазор.

Ток, проходящий по первичной цепи, обусловливает напряжение на зажимах ветви намагничивания схемы замещения. Таким образом, на зажимах вторичной нагрузки возникает напряжение, пропорциональное току в первичной цепи. Трансреакторы устанавливаются в устройствах защиты, когда требуется производить электрически сложение векторов тока и напряжения или когда требуется во вторичной цепи устройств защиты и автоматики иметь малое сечение соединительных проводов.

Трансреакторы работают в режиме, близком к режиму холостого хода. Угол между током в первичной обмотке и ЭДС вторичной обмотки близок к 90 0 .

Трансформаторы тока и трансреакторы для установок с напряжением 500 кВ и выше достаточно сложны и имеют значительные погрешности. При таких высоких напряжениях используются преобразователи токов магнитного типа. «Магнитные» трансформаторы тока используют индуктивную связь между первичными и вторичными цепями.

Основной особенностью такого трансформатора тока является наличие П-образного ферромагнитного сердечника, на котором размещены вторичные обмотки. Сердечник устанавливают под проводом той фазы, ток в которой необходимо контролировать. Магнитный поток, создаваемый в сердечнике током контролируемой фазы, создает во вторичной обмотке ЭДС, которая пропорциональна току и используется в качестве сигналов для цепей защиты. Такие преобразователи просты и экономичны, но имеют ряд недостатков:

Малая мощность вторичной цепи;

Влияние на ЭДС вторичной цепи токов в других фазах.

Для устранения этих недостатков могут применяться усилители и различные защиты от помех.

Другими типами преобразователей первичного тока (напряжения) во вторичные сигналы являются устройства, преобразующие первичные сигналы в радиосигналы или световые сигналы. Приемник принимает эти сигналы и преобразовывает их обратно в ток или напряжение, используемые для входных цепей РЗ.

2. УСЛОВИЯ РАБОТЫ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА

Условия работы трансформаторов тока

Принципиальная схема трансформатора тока и его схема замещения представлены на рис. 4.

Рис. 4. а) принципиальная схема трансформатора тока; б) схема замещения трансформатора тока.

Первичная обмотка с числом витков W 1 включена последовательно в цепь контролируемого тока I 1. К вторичной обмотке с числом витков W 2 подключено сопротивление нагрузки Zн. Сопротивление нагрузки составляет сумма сопротивлений последовательно включенных обмоток реле, сопротивлений измерительных приборов и соединительных проводов.

Согласно закону полного тока:

I 1 W 1 – I 2 W 2 = I μ W 1 = F μ ,

где I μ – намагничивающий ток; F μ - результирующая магнитодвижущая сила.

Левую и правую части уравнения полного тока разделим на W 2 и получим:

I 1 W 1 / W 2 – I 2 W 2 / W 2 = I μ W 1 / W 2 или I 1 W 1 / W 2 – I 2 = I μ W 1 / W 2 .

Введем обозначения:

I 1 W 1 / W 2 = I 1 " ; I μ W 1 / W 2 = I μ " .

С учетом обозначений уравнение полного тока примет вид:

I 1 " = I 2 + I μ " .

Данному уравнению соответствует схема замещения, представленная на рис. 4 б). Сопротивление первичной обмотки Z 1 " и сопротивление ветви намагничивания Z μ " также приведены ко вторичной обмотке.

На основании схемы замещения строим векторную диаграмму (рис. 5).

Рис. 5. Векторная диаграмма схемы замещения

Ток намагничивания I μ " создает результирующий магнитный поток Ф . Вектор магнитного потока отстает от вектора тока на угол γ, что объясняется потерями в стали. Магнитный поток наводит ЭДС Е 2 . Ток I 2 отстает от Е 2 на угол ψ, определяемый соотношением активной и реактивной составляющих сопротивлений Z 2 и Z н.

Из диаграммы видно, что вторичный ток отличается от приведенного первичного по абсолютному значению на токовую погрешность ΔI.

ΔI = I 1 " - I 2

Ток I 2 отстает от тока I 1 " на угол δ, называемый угловой погрешностью.

Относительная токовая погрешность трансформатора, %:

f i = (ΔI / I 1 " )·100 = (I 1 - I 2 К т) ·100/ I 1 " ,

где Кт = W 2 / W 1 – витковый коэффициент трансформации.

Полная погрешность ε трансформатора тока определяется по формуле:

ε = (I μ / I 1) ·100%.

Идеальным является трансформатор, у которого ток намагничивания отсутствует, т.е. I μ = 0. При выполнении этого условия I 2 = I 1 /Кт.

Как видно из анализа схемы замещения, чем меньше величина сопротивления нагрузки Z н, тем больше величина тока I 2 и тем меньше величина тока I μ . По этому наиболее благоприятным для работы трансформатора тока является режим минимального сопротивления цепи нагрузки, т.е. режим КЗ. И, наоборот, при увеличении сопротивления цепи нагрузки величина тока намагничивания I μ увеличивается и погрешность ε трансформатора тока резко возрастает. При размыкании цепи намагничивания I μ = I 1 . Погрешность ε = (I μ / I 1) ·100% = 100%. На разомкнутой вторичной обмотке возникают напряжения в несколько тысяч вольт, что опасно для людей и оборудования измерительной цепи.

Точность преобразования первичного тока в пропорциональный ему вторичный ток зависит не только от сопротивления нагрузки, но и от значения первичного тока. При увеличении тока I 1 до величины тока насыщения I нас происходит насыщение сердечника трансформатора. Это ведет к нарушению пропорциональности между значениями I 1 и I 2 (рис. 6).

Рис. 6. Диаграмма токов

Величина ΔI определяет токовую погрешность измерений при токе в первичной обмотке I s . Рост токовой погрешности ведет к тому, что релейная защита получает не точную информацию о режиме работы защищаемого объекта. Это вызывает либо излишнее срабатывание, либо отказ срабатывания защиты. Для нормальной работы защиты токовая погрешность не должна превышать 10%, а угловая погрешность не должна превышать 7 0 . Эти условия соблюдаются, если полная погрешность ε не превышает 10%.

Для оценки предельной величины первичного тока используется понятие предельной кратности тока К 10 .

К 10 = I 1 max / I 1ном,

где I 1 max - максимальное значение тока первичной обмотки, при котором полная погрешность трансформатора тока ε при данной нагрузке Z н, не превышает 10%.

Наряду с величиной К 10 используется понятие предельной номинальной кратности тока К 10ном. Это предельная кратность тока при номинальной нагрузке Z н ном с cos φ = 0,8.

Типовая зависимость предельной кратности тока К 10ном от величины сопротивления нагрузки Z н представлена на рис. 7.

Рис. 7. Типовая зависимость К 10 = f(Z н)

Заводы изготовители трансформаторов тока в паспортных данных указывают значения Z н ном и К 10ном, а также приводят кривые вида К 10 = f(Z н).

К трансформаторам тока предъявляются 3 основных требования:

Для предотвращения излишних срабатываний релейной защиты на КЗ вне защищаемой зоны полная токовая погрешность трансформатора тока не должна превышать 10%.

Для предотвращения отказов защиты при КЗ в начале защищаемой зоны токовая погрешность трансформатора тока не должна превышать величины, допустимой для данного типа реле – по условиям повышенной вибрации контактов и по условиям величины угловой погрешности.

Напряжение на выводах вторичной обмотки трансформатора тока при КЗ в защищаемой зоне не должно превышать значений, допустимых для устройств релейной защиты по условиям прочности изоляции вторичных цепей.

Для проверки трансформатора на условие 10% погрешности необходимо выполнить расчет величины I 1 max при КЗ в конце защищаемой зоны и определить величину сопротивления Z н вторичной цепи трансформатора.

В зависимости от схемы соединения и вида КЗ (однофазное, двухфазное, трехфазное) величина Z н определяется по таблицам из справочников.

При однофазном КЗ для схемы Рис. 8 величина сопротивления вторичной цепи трансформатора определяется по формуле:

Z н = r пр + z рф + z р0 + r пер,

где r пр - сопротивление соединительных проводов; z рф - сопротивление всех реле в данной фазе; z р0 - сопротивление реле в нулевом проводе; r пер - переходное сопротивление контактов (0,1 Ом).

Сопротивление реле определяется по формуле:

где S – потребляемая мощность реле; I - ток реле, при заданной потребляемой мощности.

Сопротивление Z н вычисляют для наиболее нагруженной фазы и для того вида КЗ, при котором это сопротивление оказывается наибольшим.

Затем вычисляют величину предельной кратности тока К 10 .

Определенные величины Z н и К 10 сравнивают с паспортными данными. Если соблюдаются условия Z н ≤ Z н, ном и К 10 ≤ К 10, ном, то погрешность трансформатора тока не превысит 10%. Если эти условия не выполняются, то необходимо или уменьшить величину Z н или выбрать трансформатор с другим значением I 1ном.

Рис. 8. Схема соединения нагрузки вторичной цепи

При КЗ в месте установки защиты первичные токи трансформаторов тока могут быть на много больше тока I нас, при котором происходит насыщение сердечника (рис. 6). Если ток в первичной обмотке больше тока I s , то токовая погрешность будет больше 10%. В этом случае могут быть случаи отказов срабатывания реле. При токовой погрешности более 50% у электромагнитных реле может возникать вибрация контактов. Для максимальных токовых защит и токовых отсечек с реле РТ-40 для полупроводниковых реле и для дистанционных защит с индукционными реле максимальная токовая погрешность не должна превышать 50%. Реле на интегральных микросхемах типа РСТ11 могут работать при токовых погрешностях 80 … 90%.

Погрешность трансформатора тока при КЗ в начале защищаемой зоны определяется следующим образом. В зависимости от схемы включения и вида КЗ вычисляют величину нагрузки Z н. По кривым К 10 = f(Z н) определяют предельную кратность тока К 10 . Вычисляют величину тока I 1 max , при данном КЗ, и определяют соответствующее ему значение кратности тока К max = I 1 max / I 1ном. Исходя из применяемого типа реле, задаются максимально допустимой токовой погрешностью f%. По справочникам для данного типа реле находят значение коэффициента А (рис.9) и проверяют выполнение условия:

А· К 10 ≤ К max .

Если это условие выполняется, то токовая погрешность не превысит предельно допустимого для данного случая значения. Если условие не выполняется, то необходимо или уменьшить величину Z н или выбрать трансформатор с другим значением I 1ном или выбрать другой тип трансформатора.

Рис. 9. Зависимость токовой погрешности от коэффициента А

Еще одну проверку проводят по величине максимального значения напряжения во вторичной цепи трансформатора тока U 2 m , возникающего при максимальном значении первичного тока I 1 max в случае КЗ в месте установки защиты:

U 2m = k у I 1max Z н / К т,

где = 1,8 – ударный коэффициент тока КЗ.

Должно выполняться условие U 2 m ≤ U исп,

где U исп = 1000 В – испытательное напряжение для изоляции токовых цепей.

Схемы включения трансформаторов тока

Наиболее распространена схема соединений трансформатора тока и обмоток реле (КА) в звезду (рис. 10). Также применяются схемы соединения в неполную звезду, в звезду и треугольник, в геометрическую разность токов двух фаз.

Рис. 10. Схема соединения трансформатора тока и обмоток реле

Такая схема применяется для защит от всех видов однофазных и многофазных КЗ. В нулевом проводе n ток протекает только при КЗ на землю, если схема имеет заземленную нейтраль, а также в случае обрыва во вторичной цепи одной из фаз. Все вторичные обмотки трансформаторов тока по условиям электробезопасности должны быть заземлены. Коэффициент схемы (отношение тока в реле к вторичному току трансформатора той же фазы) k сх = 1.

При разных видах КЗ (трехфазные, двухфазные, однофазные) через реле, установленные в разных фазах, протекают разные по величине токи. Условия срабатывания защиты определяются тем из вторичных токов, который при данном КЗ является наибольшим. Для реле этот наибольший ток называется током реле I р и является расчетным.

Для каждой схемы включения имеются свои формулы для определения тока реле Iр. В случае рассмотренной схемы соединения звездой используются формулы:

При трехфазных КЗ и симметричные режимы: I р = I (3) к /К т;

При двухфазных КЗ в месте установки защиты: I р = I (2) к /К т = I (3) к /(2К т);

При двухфазных КЗ за трансформатором тока: I р = 2I (2) к /( К т) = I (3) к /К т.

В последнем случае k сх = 2/ .

Номинальным первичным напряжением трансформатора называют такое напряжение, которое необходимо подвести к его первичной обмотке, чтобы на зажимах разомкнутой вторичной обмотки получить вторичное напряжение, указанное в паспорте трансформатора.

Номинальным вторичным напряжением называют напряжение, которое устанавливается на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора, когда к зажимам первичной обмотки подведено номинальное напряжение, а вторичная обмотка разомкнута.

Напряжение на вторичной обмотке в режиме нагрузки отличается от напряжения на той же обмотке в режиме холостого хода, так как ток нагрузки создает падение напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях обмотки.

Это изменение вторичного напряжения зависит не только от значения тока и сопротивлений обмотки, но и от коэффициента мощности нагрузки. Если трансформатор нагружен чисто активной мощностью (рис. 11.1, а), то напряжение в сравнении с другими вариантами изменяется в меньших пределах. На векторной диаграмме É 2 - э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора. Вектор вторичного напряжения равен геометрической разности:

Ú 2 = É 2 - i 2 Z Tp , (11.2)

где i 2 - вектор тока во вторичной обмотке; Z Tp - полное сопротивление вторичной обмотки трансформатора, Z Tp = √ R тp 2 + X тр 2 ; R тp и Х тр - соответственно активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки.

При индуктивной нагрузке и при том же самом значении тока напряжение снижается в большей степени (рис. 11.1,6). Это связано с тем, что вектор i 2 Х тр , отстающий от тока на 90°, в этом случае более круто повернут навстречу вектору É 2 , чем в предыдущем.

При емкостной нагрузке увеличение тока нагрузки вызывает повышение напряжения на обмотке трансформатора (рис. 11.1, в). Здесь вектор i 2 Х Тр , равный аналогичному вектору в первых двух случаях и. также отстающий от тока на 90°, благодаря емкостному характеру этого тока оказывается повернутым вдоль вектора É 2 и увеличивает Ú 2 по сравнению с É 2 .

В процессе эксплуатации возникает необходимость регулирования напряжения. Для этого изменяют число рабочих витков обмотки высокого напряжения, изменяя коэффициент трансформации в пределах от ± 5 до ± 7,5% номинального значения.

Схема отводов от обмоток с простым переключением приведена на рисунке 11.2. В паспорте такого трансформатора указывают минимальное, номинальное и максимальное значения напряжения. Если, например, номинальное вторичное напряжение трансформатора равно 10 ООО В, то максимальное напряжение 1,05 U н = 10 500 В, а минимальное 0,95 U н = 9500 В.

Число витков обмотки высшего напряжения изменяют при помощи специального переключателя, контакты которого находятся внутри трансформатора, а рукоятка выведена на его крышку.

Обычно для трансформаторов, которые устанавливают вблизи понизительной подстанции 35/10 кВ или повысительной 0,4/10 кВ, коэффициент трансформации принимают равным 1,05 к, то есть ставят переключатель в положение + 5 %. Если потребительская подстанция удалена от районной, в линии электропередачи возникает значительная потеря напряжения, поэтому переключатель ставят в положение -5%. Трансформатор в средней точке линии электропередачи устанавливают на номинальный коэффициент трансформации (рис. 11.3).

Для автоматической стабилизации вторичного напряжения под нагрузкой применяются стабилизаторы напряжения типа СТС на 10, 16, 25, 40, 63, 100 кВ А. По способу стабилизации они могут быть со стабилизацией по трем фазным напряжениям 220 В или со стабилизацией [по трем линейным напряжениям. Они обеспечивают стабильность напряжения в пределах ±1,5% номинального при изменении напряжения питающей сети от +10 до -15% от номинального. Схема управления стабилизаторами выполнена на полупроводниковых элементах.

Для регулирования напряжения трансформаторы снабжены устройствами ПРБ или РПН. ПРБ означает: переключение обмоток без возбуждения, то есть при выключенном трансформаторе. Отпайки от обмоток сделаны с таким расчетом, чтобы можно было регулировать напряжение в пределах от -5 до +5% через каждые 2,5%. РПН означает: регулирование напряжения под нагрузкой (автоматическое). В этом случае напряжение изменяют в пределах от -7,5 до + 7,5 %, шестью ступенями или через каждые 2,5%. Такими устройствами можно оборудовать трансформаторы мощностью от 63 кВ А и выше.