Преобразователи переменного тока и напряжения в электроэнергетике

На высокой стороне напряжения электрической сети измерения тока и напряжения производятся только с использованием измерительных трансформаторов тока и напряжения (см. рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Схемы включения амперметра и вольтметра через
измерительные трансформаторы

Трансформатор тока (ТТ) – статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования большого первичного тока I₁ в стандартное значение вторичного тока I₂ = 5 А (реже 1 А), измеряемого амперметром электромагнитной системы в ЛИС. На сердечнике из электротехнической стали намотаны первичная обмотка с малым числом витков w₁ (в пределе – один виток) и вторичная обмотка с большим числом витков w₂. Произведя отсчёт показания амперметра, можно найти ток в сети

I_с = I₁ = I₂ K_нтт,

где К_нтт = I_н1 / I_н2 = w₂ / w₁ – номинальный коэффициент трансформации ТТ.

Первичную обмотку ТТ с числом витков w₁ включают последовательно в силовую электрическую цепь (см. рисунок 3.1), а ко вторичной обмотке с числом витков w₂ также последовательно присоединяют токовые катушки приборов и реле.

По конструкции первичной обмотки различают ТТ одновитковые (стержневые) и многовитковые (петлевые, катушечные) (см. рисунок 3.2). Магнитопровод (сердечник) обычно выполняют из электротехнической стали, намотанной в форме торойда.

а- одновитковый; б – многовитковый с одним сердечником; в – многовитковый с двумя сердечниками 1 – первичная обмотка; 2 – изоляция; 3- сердечник; 4 – вторичная обмотка

Рисунок 3.2 – Принципиальные схемы устройства ТТ

Принцип действия ТТ основан на появлении э.д.с. Е₂ взаимной индукции на вторичной обмотке при прохождении первичного тока I₁. Под действием этой э.д.с. во вторичной цепи ТТ протекает ток I₂ = E₂ / Z₂, где Z₂ – полное сопротивление вторичной цепи ( вторичной обмотки, потребителей тока – приборов, реле, соединительных проводов и контактов). Мощность вторичной нагрузки ТТ - S₂ = I₂² Z₂.

Для обеспечения требуемой точности показаний приборов и надёжности действия аппаратов защиты, подключённых к ТТ, необходимо, чтобы Z₂ ³ Z_{2 ном}, где Z_{2 ном} – номинальная мощность нагрузки, при которой погрешности меньше установленных классом точности ТТ- g_т .

Рисунок 3.3 – Схемы включения ТТ

Для измерения тока в симметричных трёхфазных линиях применяется один ТТ, причём первичная обмотка имеет разметку Л1-Л2 (линия), а вторичная обмотка – И1-И2 (измерение). Такое включение является правильным. В общем случае применяют полукосвенную схему включения ТТ (два ТТ) и косвенную (три ТТ).

ТТ имеют токовые f_I и угловые d_I погрешности. Токовая погрешность в процентах равна

f_I = 100 (К_нтт I₂ – I₁) / I₁

и учитывается в показаниях всех приборов. Угловая погрешность d _I определяется углом между векторами токов I₁ и I₂ и учитывается в показаниях ваттметров и счётчиков. В измерительных системах ИС, предназначенных для коммерческих расчетов, применяют ТТ класса точности g_т = 0,5, а для технического учёта - g_т = 1,0. В таблице 3.1 приведены нормируемые погрешности ТТ в зависимости от первичного тока.

Таблица 3.1- Погрешности трансформаторов тока

Рисунок 3.4 – Графики погрешностей ТТ

Как видно из рисунка 3.4, погрешность f_I при К_нтт = w₂ / w₁ всегда отрицательная и уменьшается с увеличением тока I₂. Однако при К_нтт > w₂ / w₁ можно обеспечить одно значение погрешности f_I, равное нулю, после которого она станет положительной. Угловая (фазовая) погрешность также уменьшается с увеличением тока.

Размыкание (разрыв) вторичной цепи ТТ является аварийным.

Трансформатор напряжения (ТН) – статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования высокого первичного напряжения U₁ в стандартное значение U₂ = 100 В (линейное) (или 100 / 1,73 - фазное), измеряемого вольтметром. На сердечнике из электротехнической стали намотаны первичная обмотка с большим числом витков w₁ и вторичная обмотка с меньшим числом витков w₂. Измерив напряжение по вольтметру U₂, можно найти напряжение в сети

U_с = U₁ = U₂ K_нтн,

где K_нтн = U_н1 / U_н2 = w₁ / w₂ – номинальный коэффициент трансформации ТН.

На рисунке 3.5 приведены схемы трёхфазных измерительных трансформаторов напряжения.

а- двух однофазных (открытого треугольника); б- трёх однофазных;

в – одного трехфазного; г – одного пятистержневого

Рисунок 3.5 – Схемы включения ТН

Для измерения переменного тока и напряжения в ЛИС применяются измерительные механизмы электромагнитной системы (ИМ ЭМС) (см. рисунок 3.6).

Принцип его работы заключается во взаимодействии поля неподвижной катушки с измеряемым током с ферромагнитным сердечником, намагничиваемый этим полем. Поворот подвижной части – сердечника со стрелкой уравновешивается противодействующей силой, создаваемой пружиной. Уравнение движения подвижной части прибора, т.е. показывающей стрелки весьма простое

a = к I²,
где к – коэффициент пропорциональности, определяемый геометрическими размерами и конфигурацией катушки и сердечника.

Из приведённого уравнения шкалы видно, что прибор измеряет действующее значение тока, а поэтому по его шкале сразу определяем результат измерения.

ИМ ЭМС входит в состав амперметров на номинальные токи 1, 5 и 10 А. Приборы имеют, в основном, класс точности 2,5 и 2,0.

Вольтметры ЭМС, используемые в ЛИС для измерения напряжения, отличаются от амперметров наличием добавочного резистора. Вольтметры включаются параллельно нагрузке электрической цепи. Они выпускаются на номинальное напряжение: 100, 150 В.

1 – катушка; 2 – ферромагнитный сердечник из пермаллоя; 3 – пружина противодействующая; 4 – демпферное устройство для успокоения

Рисунок 3.6 –Устройство прибора электромагнитной системы

Измерительные трансформаторы обеспечивают гальваническое разделение первичной (высоковольтной) сети от низковольтных (измерительных) цепей с амперметром и вольтметром.

Наиболее совершенной конструкцией ТТ является одновитковый трансформатор, когда первичной обмоткой является проходная шина или медный стержень (см. рисунок 3.7).

1 – проходная шина; 2 – вторичная обмотка в изоляции; 3 –фланец с выводами

Рисунок 3.7 – Продольный одновитковый трансформатор тока с литой
изоляцией типа ТПОЛ – 10 на 10 кВ и 1000 А с двумя сердечниками

На рисунке 3.8 приведена фотография установки подобного ТТ в высоковольтной установке.

На рисунке 3.9 показан внешний вид ЛИС для измерения напряжения размещённой в КРУ. Там же, для примера, приведена рабочая схема включения ТТ и ТН в высоковольтную однофазную сеть переменного тока. На рисунке 3.10 приведена фотография верхней части ТН типа НТМИ- 10, схема которого приведена на рисунке 3.5,г.

Рисунок 3.8 – Установка ТТ на п/ст

Рисунок 3.9 – ЛИС измерения напряжения при помощи ТН типа НТМИ-10 и схема включения ТТ и ТН в однофазной сети переменного напряжения

Рисунок 3.10 – Фотография внешнего вида ТН типа НТМИ -10 (со стороны высоковольтных и низковольтных выводов)

Рисунок 3.11 – Стандартные схемы измерения тока и напряжения при помощи измерительных трансформаторов

Уровни выходных сигналов тока 5 А и напряжения 100 В при обычных схемах измерения (см. рисунок 3.11) неприемлемые для ИИС.

Унификация измерительных сигналов означает, что их параметры не могут выбираться произвольно, а должны отвечать требованиям стандарта на эти сигналы. Так, для ПИП с токовым выходом стандарт ГСП нормирует диапазоны изменения выходного тока 0 – 5 или 0 – 10 мА, а для ПИП с вы-ходным напряжением постоянного тока устанавливается диапазон изменения 0–10 В.

С целью нормирования сигналов первичных измерительных преобразователей (ПИП) используют вторичные измерительные преобразователи (ВИП).

Режим работы ТТ при коротком замыкании вторичной обмотки обеспечивает правильность выражения К_нтт = w₂ / w₁ . Если во вторичную обмотку (см. рисунок 3.12,а) включим весьма малое сопротивление R - шунт переменного тока (см. рисунок 3.12,б), то можем обеспечить весь малое падение напряжения U, подаваемое на вхзод усилителя УС. Например, если R = 0,2 Ом, то при номинальном режиме U = 5 0,2 = 1 В на выходе усилителя можно получить выходное напряжение подаваемое в линию связи, U_л = 10 В.

а) б)
Рисунок 3.12 – Схема ВИП ТТ (а) и конструкция шунта переменного тока (б)

Шунт представляет бифилярную конструкцию. Активное тело шунта представляет манганиновую ленту 1 изогнутую и сложенную вдвое (в петлю) с целью уменьшения собственной индуктивности. Лента приварена к медным наконечникам 2 с отверстиями для подключения ко вторичной обмотке ТТ.

Рисунок 3.13 – ВИП напряжения на резистивных делителях напряжения

Напряжение 100 В уменьшается при помощи резистивного делителя напряжения, собранного на сопротивлениях R_ав-r_ав и Rс_в-r_св (см. рисунок 3.13). Коэффициент деления равен К_{U =} (R_ав + r_ав) / r_ав.