Устройство трансформатора

Определение: Трансформатор – статистический электромагнитный аппарат преобразующий систему переменного тока одного напряжения в систему переменного тока другого напряжения.

Назначение: трансформаторы служат для передачи и распределения электроэнергии потребителей.

Под измерительным преобразователем тока (ИПТ) будем понимать устройство, предназначенное для преобразования первичного тока в такой выходной сигнал, информативные параметры которого функционально связаны с информативными параметрами первичного тока. Для создания ИПТ можно использовать различные физические явления. В настоящее время ИПТ обычно создаются на основе широко применяемого в электротехнике трансформаторного эффекта — в виде трансформатора.

Трансформатором тока (ТТ), являющимся наиболее широко применяемым ИПТ, называется такой трансформатор, в котором при нормальных условиях работы выходной сигнал является током, практически пропорциональным первичному току и при правильном включении сдвинутым относительно него по фазе на угол, близкий к нулю.

Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь последовательно (в рассечку токопровода), а вторичная замыкается на некоторую нагрузку (измерительные приборы и реле), обеспечивая в ней ток, пропорциональный току в первичной обмотке.

В трансформаторах тока высокого напряжения первичная обмотка изолирована от вторичной (земля) на полное рабочее напряжение. Один конец вторичной обмотки обычно заземляется. Поэтому она имеет потенциал, близкий к потенциалу земли.

Трансформаторы тока по назначению разделяются на трансформаторы тока для измерений и трансформаторы тока для защиты. В некоторых случаях эти функции совмещаются в одном ТТ.

Трансформаторы тока для измерений предназначаются для передачи информации измерительным приборам. Они устанавливаются в цепях высокого напряжения или в цепях с большим током, т.е. в цепях, в которых невозможно непосредственное включение измерительных приборов. Ко вторичной обмотке ТТ для измерений подключаются амперметры, токовые обмотки ваттметров, счетчиков и аналогичных приборов. Таким образом, трансформатор тока для измерений обеспечивает:

1) преобразование переменного тока любого значения в переменный, ток, приемлемый для непосредственного измерения с помощью стандартных измерительных приборов;

2) изолирование измерительных приборов, к которым имеет доступ обслуживающий персонал, от цепи высокого напряжения.

Трансформаторы тока для защиты предназначаются для передачи измерительной информации в устройства защиты и управления. Соответственно этому трансформатор тока для защиты обеспечивает:

1) преобразование переменного тока любого значения в переменный ток, приемлемый для питания устройств релейной защиты;

2) изолирование реле, к которым имеет доступ обслуживающий персонал, от цепи высокого напряжения.

Трансформаторы тока в установках высокого напряжения необходимы даже в тех случаях, когда уменьшения тока для измерительных приборов или реле не требуется.

В зависимости от рода тока ИПТ разделяются на ИП переменного и ИП постоянного тока. В работе будут рассматриваться ИПТ переменного тока для установок и сетей с номинальной частотой тока 50 Гц.

По назначению ИПТ разделяются на ИПТ для измерений и ИПТ для защиты. Последние могут предназначаться для работы только в установившихся (статических) режимах либо в установившихся и переходных (динамических) режимах.

В зависимости от вида преобразования ИПТ делятся на преобразователи тока в ток, тока в напряжение (например, трансреакторы, магнитные трансформаторы тока), тока в неэлектрическую величину (например, в световой поток). При этом по способу представления выходной информации ИПТ подразделяются на аналоговые и дискретные.

Целесообразно разделять ИПТ в зависимости от уровня напряжения, определяющего конструкцию, а иногда и принцип действия ИПТ. С учетом применяемых номинальных напряжений различают ИПТ низкого (номинальное напряжение до 1000 В) и высокого напряжения (1—1150 кВ и выше).

Все трансформаторы тока можно классифицировать по следующим основным признакам:

По роду установки: трансформаторы тока для работы на открытом воздухе (категория размещения 1 по ГОСТ 15150-69); для работы в закрытых помещениях (по ГОСТ 151504-69); для встраивания в полости электрооборудования; для специальных установок (в шахтах, на судах, электровозах и т. д.).

По способу установки: проходные трансформаторы тока, предназначенные для использования в качестве ввода и устанавливаемые в проемах стен, потолков или в металлических конструкциях; опорные, предназначенные для установки на опорной плоскости; встраиваемые, т.е. предназначенные для установки в полости электрооборудования.

По числу коэффициентов трансформации: с одним коэффициентом трансформации; с несколькими коэффициентами трансформации, получаемыми изменением числа витков первичной или вторичной обмотки, или обеих обмоток, или применением нескольких вторичных обмоток с различным числом витков, соответствующим различному номинальному вторичному току.

По числу ступеней трансформации: одноступенчатые; каскадные (многоступенчатые), т.е. с несколькими ступенями трансформации тока.

По выполнению первичной обмотки: одновитковые; многовитковые.

Одновитковые ТТ (рис.5.1.) имеют две разновидности: без собственной первичной обмотки; с собственной первичной обмоткой. Одновитковые ТТ, не имеющие собственной первичной обмотки, выполняются встроенными, шинными или разъемными.

Встроенный трансформатор тока 1 представляет собой магнитопровод с намотанной на него вторичной обмоткой. Он не имеет, собственной первичной обмотки. Ее роль выполняет токоведущий стержень проходного изолятора. Этот трансформатор тока не имеет изоляционных элементов между первичной и вторичной обмотками. Их роль выполняет изоляция проходного изолятора.

Рис. 5.1. Схема трансформатора тока;

______ собственная первичная обмотка ТТ;

----- токоведущий стержень проходного изолятора (шина)

В шинном трансформаторе тока роль первичной обмотки выполняют одна или несколько шин распределительного устройства, пропускаемые при монтаже сквозь полость проходного изолятора. Последний изолирует такую первичную обмотку от вторичной.

Разъемный трансформатор тока 2 тоже не имеет собственной первичной обмотки. Его магнитопровод состоит из двух частей, стягиваемых болтами. Он может размыкаться и смыкаться вокруг проводника с током, являющимся первичной обмоткой этого ТТ. Изоляция между первичной и вторичной обмотками наложена на магнитопровод со вторичной обмоткой.

Одновитковые ТТ, имеющие собственную первичною обмотку, выполняются со стержневой первичной обмоткой или с U-образной.

Трансформатор тока 3 имеет первичную обмотку в виде стержня круглого или прямоугольного сечения, закрепленного в проходном изоляторе.

Трансформатор тока 4 имеет U-образную первичную обмотку, выполненную таким образом, что на нее наложена почти вся внутренняя изоляция ТТ.

Многовитковые трансформаторы тока (рис.5.1.) изготовляются с катушечной первичной обмоткой надеваемой на магнитопровод; с петлевой первичной обмоткой 5, состоящей из нескольких витков; со звеньевой первичной обмоткой, выполненной таким образом, что внутренняя изоляция трансформатора тока конструктивно распределена между первич­ной и вторичной обмотками, а взаимное расположение обмоток напоминает звенья цепи; с рымовидной первичной обмоткой, выполненной таким образом, что внутренняя изоляция трансформатора тока нанесена в основном только на первичную обмотку, имеющую форму рыма.

По роду изоляции между первичной и вторичной обмотками ТТ изготовляются с твердой (фарфор, литая изоляция, прессован­ная изоляция и т.д.); с вязкой (заливочные компаунды); с комбинированной (бумажно-масляная, конденсаторного типа) или газообразной (воздух) изоляцией.

По принципу преобразования тока ТТ делятся на электромагнитные и оптико-электронные.

Основными параметрами и характеристиками трансформатора тока в соответствии с ГОСТ 7746—78 «Трансформаторы тока. Общие технические требования» являются:

1. Номинальное напряжение — действующее значение линейного напряжения, при котором предназначен работать ТТ, указываемое в паспортной таблице трансформатора тока. Для отечественных ТТ принята следующая шкала номинальных на­пряжений, кВ: 0,66; 6; 10; 16; 20; 24; 27; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750; 1150

2. Номинальный первичный ток I_1H - указываемый в паспортной таблице ТТ ток, проходящий по первичной обмотке, при котором предусмотрена продолжительная работа ТТ. Для отечественных ТТ принята следующая шкала номинальных первичных токов: 1; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 75; 80; 400; 150; 200; 300; 400; 500; 600; 750; 800; 1000; 1200; 1500; 2000; 3000; 4000; 5000; 6000; 8000; 10000; 12000; 14 000; 16 000; 18 000; 20 000; 25 000; 28 000; 32 000; 35 000; 40 000.

В трансформаторах тока, предназначенных для комплектования турбо- и гидрогенераторов, значения номинального тока свыше 10 000 А могут отличаться от приведенных в данной шкале значений.

Трансформаторы тока, рассчитанные на номинальный первич­ный ток 15; 30; 75; 150; 300; 600; 750; 1200; 1500; 3000 и 6000 А, должны допускать неограниченно длительное время наибольший рабочий первичный ток, равный соответственно 16; 32; 80; 160; 320; 630; 800; 1250; 1600; 3200 и 6300 А. В остальных случаях наибольший первичный ток равен номинальному первичному току.

3. Номинальный вторичный ток I_2H — указываемый в паспортной таблице ТТ ток, проходящий по вторичной обмотке. Номинальный вторичный ток принимается равным 1 или 5 А, причем ток 1 А допускается только для ТТ с номинальным первичным током до 4000 А. По согласованию с заказчиком допускается изготовление ТТ с номинальным вторичным током 2 или 2,5 А.

4. Вторичная нагрузка ТТ z_2H соответствует полному сопротивлению его внешней вторичной цепи, выраженному в Омах, с указанием коэффициента мощности. Вторичная нагрузка может также характеризоваться полной мощностью в вольт-амперах, потребляемой ею при данном коэффициенте мощности и номинальном вторичном токе.

Вторичная нагрузка с коэффициентом мощности cos(φ₂) = 0,8, при которой гарантируется установленный класс точности ТТ или предельная кратность первичного тока относительно его номинального значения, называется номинальной вторичной нагрузкой ТТ z_{2H. ном}

Для отечественных трансформаторов тока установлены следующие значения номинальной вторичной нагрузки S_2H.ном выраженной в вольт-амперах, при коэффициенте мощности cos(φ₂) = 0,8: 1; 2; 2,5; 3; 5; 7,5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 75; 90; 100; 120.

Соответствующие значения номинальной вторичной нагрузки (в Омах) определяются выражением: z_{2H. ном} = S_{2H. ном} / I²_2H

5. Коэффициент трансформации ТТ равен отношению первичного тока ко вторичному току.

В расчетах трансформаторов тока применяются две величины: действительный коэффициент трансформации n и номинальный коэффициент трансформации n_H. Под действительным коэффициентом трансформации понимается отношение действительного первичного тока к действительному вторичному току. Под номинальным коэффициентом трансформации n_H понимается отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току.

6. Стойкость ТТ к механическим и тепловым воздействиям характеризуется током электродинамической стойкости и током термической стойкости.

Ток электродинамической стойкости I_д равен наибольшей амплитуде тока короткого замыкания за все время его протекания, которую ТТ выдерживает без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе. Ток I_д характеризует способность ТТ противостоять механическим (электродинамическим) воздействиям тока короткого замыкания. Электродинамическая стойкость может характеризоваться также кратностью K_д, представляющей собой отношение тока электродинамической стойкости к амплитуде номинального первичного тока. Требования электродинамической стойкости не распространяются на шинные, встроенные и разъемные ТТ.

Ток термической стойкости I_tт равен наибольшему действую­щему значению тока короткого замыкания за промежуток t_t, которое ТТ выдерживает в течение всего промежутка времени без нагрева токоведущих частей до температур, превышающих допустимые при токах короткого замыкания, и без повреждений, препятствующих его дальнейшей работе.

Термическая стойкость характеризует способность ТТ противостоять тепловым воздействиям тока короткого замыкания. Для суждения о термической стойкости ТТ необходимо знать не только значения тока, проходящего через трансформатор, но и его длительность или, иначе говоря, знать общее количество выделенной теплоты, которое пропорционально произведению квадрата тока I_tT и длительности его t_т. Это время, в свою очередь, зависит от параметров сети, в которой установлен ТТ, и изменяется от одной до нескольких секунд.

Термическая стойкость может характеризоваться кратностью K_т тока термической стойкости, представляющей собой отноше­ние тока термической стойкости к действующему значению номинального первичного тока.

В соответствии с ГОСТ 7746—78 для отечественных ТТ установлены следующие токи термической стойкости:

а) односекундный I_1Т или двухсекундный I_2т (или кратность их К_1T и K_2Т по отношению к номинальному первичному току) для трансформаторов тока на номинальные напряжения 330 кВ и выше;

б) односекундный I_1Т или трехсекундный; I_3Т (или кратность их K_1T и K_3T по отношению к номинальному первичному току) для трансформаторов тока на номинальные напряжения до 220 кВ включительно.

Между токами электродинамической и термической стойкости должны быть следующие соотношения: для ТТ на номинальные напряжения 330 кВ и выше I_Д ≥ 1,8 √2 I_1T или I_Д ≥ 1,8 √2 I_2T для ТТ на номинальные напряжения до 220 кВ I_Д ≥ 1,8 √2 I_1T или I_Д ≥ 1,8 √2 I_3T.

Температура токоведущих частей ТТ при токе термической стойкости не должна превышать: 200°С для токоведущих частей из алюминия; 250 °С для токоведущих частей из меди и ее сплавов, соприкасающихся с органической изоляцией или маслом, и 300°С для токоведущих частей из меди и ее сплавов, не соприкасающихся с органической изоляцией или маслом. При определении указанных значений температуры следует исходить из начальных ее значений, соответствующих длительной работе трансформатора тока при номинальном токе.

Значения токов электродинамической и термической стойкости ТТ государственным стандартом не нормируются. Однако они должны соответствовать электродинамической и термической стойкости других аппаратов высокого напряжения, устанавливаемых в одной цепи с трансформатором тока.

7. Механическая нагрузка определяется давлением ветра со скоростью 40м/с на поверхность трансформатора тока и натяжением подводящих проводов (в горизонтальном направлении в плоскости выводов первичной обмотки), которое должно быть не менее: 500 Н - для ТТ до 35 кВ включительно; 1000 Н - для ТТ на 110—220 кВ; 1500 Н - для ТТ на 330 кВ и выше.

Таковы основные технические параметры и характеристики трансформаторов тока. При проектировании ТТ помимо этих параметров должны учитываться следующие требования к конструкции:

- контактные зажимы выводов первичной обмотки трансформаторов тока должны выполняться с учетом требований ГОСТ 10434—82, а трансформаторов тока наружной установки — с учетом, кроме того, требований ГОСТ 21242—75. Контактные зажимы выводов вторичных обмоток должны выполняться с уче­том требований ГОСТ 10434—82. Контактные зажимы вторичных обмоток встроенных трансформаторов тока могут быть расположены на конструктивных элементах аппарата, в который встроен трансформатор тока. В трансформаторах тока наружной установки контактные зажимы выводов вторичной обмотки должны находиться в специальных коробках, надёжно защищающих их от атмосферных осадков.

Обозначение выводных концов первичных и вторичных обмоток согласно ГОСТ 7746—78 должно производиться в соответствии с табл. Л-3. Линейные выводы первичной обмотки обозначаются символами Л₁ и Л₂, которые должны наноситься так, чтобы при направлений тока в первичной обмотке от Л1 и H_t соответственно к K_t и Л₂ вторичный ток проходил по внешней цепи (приборам) от И₁ к И₂.

- маслонаполненный трансформатор тока должен иметь маслорасширитель (компенсатор) и указатель уровня масла. Вместимость маслорасширителя должна обеспечивать постоянное наличие в нем масла при всех режимах работы трансформатора тока — от отключенного состояния до нормированной токовой нагрузки — и при колебаниях температуры окружающего воздуха, установленных для данного климатического района.

В трансформаторах тока на номинальные напряжения 330 кВ и более обязательно должна быть предусмотрена защита масла от увлажнения, например посредством сильфонов. Целесообразно такую же защиту предусматривать и в трансформаторах тока на меньшие напряжения.

- размеры указателя уровня масла должны быть такими, чтобы обслуживающий персонал мог с безопасного расстояния наблюдать за уровнем масла в трансформаторе тока.

- трансформаторы тока, имеющие массу более 50 кг, должны иметь приспособления для подъема. Если такие приспособления невозможно выполнить, то завод-изготовитель должен указывать в инструкции места захвата трансформаторов тока при подъеме.

- трансформаторы тока, у которых амплитуда напряжения на разомкнутой вторичной обмотке при номинальном токе в первичной обмотке превышает 350В, должны иметь надпись: «Внимание! Опасно! На разомкнутой обмотке высокое напряжение».

- трансформаторы тока, кроме встроенных, должны иметь контактную площадку для присоединения заземляющего проводника и заземляющий зажим в соответствии с требованиями ГОСТ 21130—75 и ГОСТ 12.2.007.3—75. Возле заземляющего зажима должен быть установлен знак заземления по ГОСТ 21130—75. Указанные требования не распространяются на ТТ с корпусом из литой смолы или пластмассы, не имеющие подлежащих заземлению металлических частей, а также на ТТ, не подлежащие заземлению согласно ГОСТ 12.2.007.3—75.

5.2. Принципиальная схема трансформатора

Принципиальная схема одноступенчатого электромагнитного трансформатора тока и его схема замещения приведены на рис.5.2. Как видно из схемы, основными элементами трансформатора тока участвующими в преобразовании тока, являются первичная 1 и вторичная 2 обмотки, намотанные на один и тот же магнитопровод 3. Первичная обмотка включается последовательно (в рассечку токопровода высокого напряжения 4), т.е. обтекается током линии I_j. Ко вторичной обмотке подключаются измерительные приборы (амперметр, токовая обмотка счетчика) или реле. При работе трансформатора тока вторичная обмотка всегда замкнута на нагрузку.

Рис. 5.2. Принципиальная схема трансформатора тока и его схема

замещения.

Первичную обмотку совместно с цепью высокого напряжения называют первичной цепью, а внешнюю цепь, получающую измерительную информацию от вторичной обмотки трансформатора тока (т.е. нагрузку и соединительные провода), называют вторичной цепью. Цепь, образуемую вторичной обмоткой и присоединенной к ней вторичной цепью, называют ветвью вторичного тока.

Из принципиальной схемы трансформатора видно, что между первичной и вторичной обмотками не имеется электрической связи. Они изолированы друг от друга на полное рабочее напряжение. Это и позволяет осуществить непосредственное присоединение измерительных приборов или реле ко вторичной обмотке и тем самым исключить воздействие высокого напряжения, приложенного к первичной обмотке, на обслуживающий персонал. Так как обе обмотки наложены на один и тот же магнитопровод, то они являются магнитно-связанными.

На рис.5.2. изображены только те элементы трансформатора тока, которые участвуют в преобразовании тока. Конечно, ТТ имеет много других элементов, обеспечивающих требуемый уровень изоляции, защиту от атмосферных воздействий надлежащие монтажные и эксплуатационные характеристики.

Перейдем к рассмотрению принципов действия трансформатора тока (рис. 5.2). По первичной обмотке 1 трансформатора тока проходит ток I₁, называемый первичным током. Он зависит только от параметров первичной цепи. Поэтому при анализе явлений, происходящих в трансформаторе тока, первичный ток можно считать заданной величиной. При прохождении первичного тока по первичной обмотке в магнитопроводе создается переменный магнитный поток Ф₁ изменяющийся с той же частотой, что и ток I₁. Магнитный поток Ф₁ охватывает витки как первичной, так и вторичной обмоток. Пересекая витки вторичной обмотки, магнитный поток Ф₁ при своем изменении индуцирует в ней электродвижущую силу. Если вторичная обмотка замкнута на некоторую нагрузку, т.е. к ней присоединена вторичная цепь, то в такой системе «вторичная обмотка — вторичная цепь» под действием индуцируемой ЭДС будет проходить ток. Этот ток согласно закону Ленца будет иметь направление, противоположное направлению первичного тока I_i. Ток, проходящий по вторичной обмотке, создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф₂, который направлен встречно магнитному потоку Ф₁. Вследствие этого магнитный поток в магнитопроводе, вызванный первичным током, будет уменьшаться.

В результате сложения магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ в магнитопроводе устанавливается результирующий магнитный поток: Ф₀ = Ф₁ — Ф₂

составляющий несколько процентов магнитного потока Ф₁. Поток Ф₀ и является тем передаточным «звеном, посредством которого осуществляется передача энергий от первичной обмотки ко вторичной в процессе преобразования тока.

Результирующий магнитный поток Ф₀, пересекая витки обеих обмоток, индуцирует при своем изменении в первичной обмотке противо-ЭДС. E₁, а во вторичной обмотке — ЭДС E₂. Так как витки первичной и вторичной обмоток имеют примерно одинаковое сцепление с магнитным потоком в магнитопроводе (если пренебречь рассеянием), то в каждом витке обеих обмоток индуцируется одна и та же ЭДС. Под воздействием ЭДС E₂ во вторичной обмотке протекает ток I₂, называемый вторичным током.

Если обозначить число витков первичной обмотки, через ω₁, а вторичной обмотки — через ω₂, то при протекании по ним соответственно токов I₁ и I₂ в первичной обмотке создается магнитодвижущая сила F₁ = I₁ ω₁

называемая первичной магнитодвижущей силой (МДС), а во вторичной обмотке — магнитодвижущая сила F₂ = I₂ ω₂ называемая вторичной МДС. Магнитодвижущая сила измеряется в амперах.

При отсутствии потерь энергии в процессе преобразования тока магнитодвижущие силы F₁ и F₂ должны быть численно равны, но направлены в противоположные стороны.

Трансформатор тока, у которого процесс преобразования тока не сопровождается потерями энергии, называется идеальным. Для идеального трансформатора тока справедливо следующее векторное равенство: F₁=F₂ или I₁ω₁₌I₂ω₂

Из равенства следует, что I₁/I₂ = ω₁/ ω₂ = n

Т.е. токи в обмотках идеального трансформатора тока обратно пропорциональны числам витков.

Отношение первичного тока ко вторичному (I₁/I₂) или числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки (ω₁/ω₂) называется коэффициентом трансформации n идеального трансформатора тока. Учитывая равенство, можно написать I₁ = I₂ (ω₁/ ω₂) = I₂n

т.е. первичный ток I₁ равен вторичному току I₂, умноженному на коэффициент трансформации трансформатора тока n.

В реальных ТТ преобразование тока сопровождается потерями энергии, расходуемой на создание магнитного потока в магнитопроводе, на нагрев и перемагничивание магнитопровода, а также на нагрев проводов вторичной обмотки и вторичной цепи. Эти потери энергии нарушают установленные выше равенства для абсолютных значений МДС F₁ и F₂. В реальном трансформаторе первичная МДС должна обеспечить создание необходимой вторичной МДС, а также дополнительной МДС, расходуемой на намагничивание магнитопровода и покрытие других потерь энергии. Следовательно, для реального трансформатора уравнение будет иметь следующий вид: F₁ = F₂ +F₀

где F₀ — полная МДС намагничивания, затрачиваемая на проведение магнитного потока Ф₀ по магнитопроводу, на нагрев и перемагничивание его.

В соответствии с этим равенство примет вид I₁ ω₁= I₂ ω₂ + I₀ ω₀

где I₀ — ток намагничивания, создающий в магнитопроводе магнитный поток Ф₀ и являющийся частью первичного тока I₁.

Разделив все члены уравнения на ω₁ получим: I₁ = I₂ (ω₂/ ω₁) + I₀

При первичном токе, не превышающем номинальный ток ТТ, ток намагничивания обычно составляет не более 1÷3% первичного тока и им можно пренебречь. Тогда будет иметь такой же вид, т.е. I₁ = I₂n

Таким образом, вторичный ток трансформатора пропорционален первичному току. Из выражений следует, что для понижения измеряемого тока необходимо чтобы число витков вторичной обмотки было больше числа витков первичной обмотки.

Сравнивая формулы, видим, что они отличаются друг от друга членом F₀ (или I₀ω₁). Следовательно, реальный трансформатор тока несколько искажает результаты измерений, т.е. имеет погрешности.

Иногда пользуются так называемым приведением тока к первичной или вторичной обмотке. Так, например, если разделить первичный ток на коэффициент трансформации, то получим первичный ток, приведенный ко вторичной обмотке: I^’₀ = I₁/n.

Аналогично приведенный ток намагничивания будет I^’₀ = I₀/n. Тогда получим: I^’₁ = I^’₂ + I^’₀

Путем такого приведения трансформатор тока заменяется эквивалентным ТТ с коэффициентом трансформации, равным единице.

Из полученного равенства следует, что часть приведенного первичного тока I^’₁ идет на намагничивание магнитопровода, а остальная часть трансформируется во вторичную цепь, т. е. первичный ток I^’₁ как бы разветвляется по двум параллельным цепям: по цепи нагрузки и цепи намагничивания. Этому соответствует схема замещения, приведенная на рис.5.2., где в цепь ветви намагничивания z₀ от тока I^’₁ ответвляется ток I^’₀. Остальная часть тока I^’₁ проходит по вторичной цепи, представляя собой вторичный ток I₂. Сопротивление первичной обмотки ТТ на схеме замещения не показано, так как оно не оказывает влияния на работу трансформатора.

5.3. Векторная диаграмма трансформатора тока

Для построения векторной диаграммы трансформатора тока (рис.5.3.), соответствующего схеме замещения на рис. 5.1.2, должны быть известны следующие величины:

1) число витков ω₂, активное r_2обм и индуктивное x_2обм сопротивления (в Омах) вторичной обмотки трансформатора тока;

2) средняя длина магнитного пути l_м (в метрах) и расчетное поперечное сечение S_M (в м²) магнитопровода трансформатора тока;

3) материал магнитопровода и его магнитные свойства;

_________

4) вторичная нагрузка z_2н=√(r²_2H+x²_2H) представляющая собой полное сопротивление (в Омах) всех приборов и реле, включенных во вторичную цепь, а также соединительных проводов в ней; здесь x_2H— активное сопротивление вторичной цепи, x_2H— индуктивное сопротивление вторичной цепи

Рис. 5.3. Векторная диаграмма трансформатора тока

Векторную диаграмму трансформатора тока изобразим в прямоугольной системе координат. Ось абсцисс примем совпадающей с вектором вторичного тока I₂. Построение векторной диаграмм производим следующим образом. От начала координат (точка O) отложим вправо вектор вторичного тока I₂ (или пропорциональную ему МДС F₂) и вектор активной составляющей падение напряжения на вторичной обмотке I₂r_2обм совпадающий по направлению с вектором тока I₂. Из конца вектора I₂r_2обм под прямым углом к нему отложим вектор индуктивной составляющей падения напряжения на вторичной обмотке I₂x_2обм. Из конца этого вектора параллельно I₂ отложим вектор активной составляющей падения напряжения на нагрузке I₂r_2H. Вектор индуктивной составляющей на нагрузке I₂x_2обм проводим из конца вектора I₂r_2H перпендикулярно ему. Результирующий вектор дает ЭДC вторичной обмотки (в вольтах):

______________________

E₂=I₂√(r_2обм + r_2H)² +( x_2обм+ x_2H)²

Фазовый сдвиг между вторичной ЭДС I₂ и вторичным током будет:

ά = arctg((x_2обм+x_2H)/(r_2обм+r_2H))

Из курса электротехники известно, что магнитный поток опережает создаваемую им ЭДС на 90°. Магнитная индукция совпадает по направлению с магнитным потоке: Ее максимальное значение (в теслах) может быть определено по формуле: B_max=E₂/4,44fS_Mω₂=0,225E₂/ fS_Mω₂

где Е₂ определяется по формуле (9), В; S_M — расчетная площадь поперечного сечения магнитопровода, м²; f — частота тока I₁, гц. Нанесем на векторную диаграмму направление векторов магнитного потока Ф₀ и индукции В_max. Зная направление этих векторов, можно построить вектор полной МДС. намагничивания. Он должен опережать векторы Ф₀и В_max на угол Ψ. Этот угол, называемый углом потерь, характеризует отношение активной составляющей F₀ МДС намагничивания F₀ в магнитопроводе к реактивной составляющей F_0p. Угол потерь можно определить по экспериментальной кривой, снятой для данного магнитного материала. Эта кривая представляет, собой зависимость угла потерь (в градусах) от магнитной индукций Ψ = f(B_max). Для примера на рис.5.4. представлена зависимость удельной МДС, намагничивания F_уд и угла потерь Ψ в электротехнической стали марки 3413 от индукции B_max.

Абсолютное значение полной М.Д.С. намагничивания F₀ = F_уд l_м,

где Fyд — удельная МДС. намагничивания (приходящаяся на 1 м длины магнитного пути в магнитопроводе), А/м; lм — средняя длина магнитного пути в магнитопроводе, м.

Удельная МДС Fуд определяется по кривой намагничивания, которая представляет собой зависимость максимальной магнитной индукции от удельной МДС намагничивания Вмакс = f(F_УД). Кривые намагничивания снимаются экспериментально для магнитопровода из стали данной марки.

Рис. 5.4. Типичные зависимости удельной МДС и угла потерь от индукции

При расчете трансформаторов тока чаще пользуются так называемой перевернутой кривой намагничивания. Эта зависимость удельной МДС от магнитной индукции Fуд = f (В_макc) изображена, на рис.5.4.

Определив значение полной МДС намагничиваниях F₀, строим вектор ее под углом к вектору Ф₀ (с опережением). Зная векторы F₂ и F_0, нетрудно определить вектор первичной МДС F₁. Для этого влево от начала координат откладываем вектор F₂. Геометрическим сложением векторов F₂ и F₀ определим вектор первичной МДС F_1.

Мы построили векторную диаграмму ТТ, оперируя магнитодвижущими силами. Однако можно построить векторную диаграмму ТТ, исходя из базисного вектора тока I₂. Конечно, все токи должны быть приведены к первичной или вторичной обмотке. Векторная диаграмма наглядно показывает соотношения между основными параметрами ТТ (токи, сопротивления и т.д.). Видно, что в реальном ТТ первичная МДС несколько больше вторичной, так как часть энергии, подводимой к первичной обмотке, затрачивается на создание МДС намагничивания F₀. Следовательно, и первичный ток несколько больше вторичного. Кроме того, угол между векторами первичной и вторичной МДС (и соответственно между токами I₁ и I₂) несколько меньше 180°. Т.о, реальный ТТ вносит некоторую погрешность как в измеряемое значение, так и в фазу вторичного тока.

5.4. Условия работы трансформаторов тока

Трансформаторам тока приходится работать в различных режимах, имеющих место в электрической цепи, а именно в установившемся и переходном режимах. Установившимся называют режим работы ТТ, при котором токи в первичной и вторичной обмотках ТТ не содержат затухающих свободных апериодических и периодических составляющих. Одним из видов установившегося режима является нормальный режим работы ТТ, при котором первичный и вторичный токи, погрешности различных видов и напряжения между обмотками ТТ не превышают длительно допустимых при заданных условиях эксплуатации. К установившимся режимам относится также трансформация тока короткого замыкания или другого тока; отличающегося от нормального рабочего тока установки, после затухания свободных составляющих.

Переходным режимом работы ТТ называют электромагнитный процесс, возникающий при переходе от одного режима к другому вследствие резкого изменения параметров первичного тока или нагрузки ТТ (например, при коротком замыкании или коммутациях в первичной цепи либо при внезапном замыкании накоротко ветви вторичного тока). При переходном режиме по первичной и вторичной обмоткам ТТ проходят свободные затухающие составляющие токов. При правильном выборе ТТ токи в его обмотках ни при установившихся, ни при переходных режимах не должны превышать допустимые по термической и динамической стойкости. При этом погрешности различных видов также не должны быть больше допустимых в этих режимах погрешностей.

5.4.1. Холостой ход однофазного трансформатора.

При синусоидальном напряжении и потока, ток холостого хода имеет несинусоидальную форму, за счет насыщения железа в области амплитуды потока.

Рис.5.5. Ток холостого хода трансформатора.

Рассмотрим какие потоки и ЭДС в однофазном трансформаторе (рис.5.6.).

Рис. 5.6. Потоки и ЭДС в однофазном трансформаторе.

Ф₀ ® E₁, E₂ Ф_S1 ® E_2S

ЭДС рассеяния e_{1S =} -L_S(dl₀/dt) = -L_S = -I_m wl_S coswt

ЭДС рассеяния в комплексной форме (wl_S = x)

В первой обмотке три ЭДС – , ,

Фаза ЭДС

E₁ = -W₁(dФ/dt) = -W = wW₁Ф_m sin(wt - p/2), (wW₁Ф_m = E_1m)

Действующие значения ЭДС обмотки E_1max = wW₁Ф_m = 2pf₁W₁Ф_m

E₁ = E₁ = 4,44 f₁W₁Ф_m E₂ = 4,44 f₁W₂Ф_m E₁/E₂ = k U₁/U₂ = k

При x.x. U₂ = E₂ U₁ » E₁

Векторная диаграмма трансформатора при холостом ходе показана на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Векторная диаграмма трансформатора при холостом ходе.

2. Потери при холостом xоде трансформатора.

Мощность потребляемая трансформатором при x.x. идет на покрытие в обмотках и стали. P₀ = p _эл1 + P_магн p_эл1 = 1¸2% от P₀. Поэтому, мощность при x.x. трансформатора идет в основном на покрытие потерь в стали (гистерезис и вихревые токи).

p_r = s_r(f/100)B²

Pосн мг

p_b = s_вх(f/100)²B²

p_доб = 15 ¸ 20% Pосн мг

Итак P₀ = (1,15 ¸1,2) P_мго

3.Схема замещения трансформатора при xолостом xоде.

Исследование работы трансформатора упрощается, если действительный трансформатор, в котором обмотки связаны между собой электромагнитно заменить схемой элементы которой связаны между собой только электрически (рис.5.8.). Такая схема называется схемой замещения трансформатора. Схема замещения должна удовлетворять основным уравнениям ЭДС и МДС трансформатора.

Рис. 5.8. Схема замещения трансформатора.

Цепь ab - цепь намагничивания; z_m, r_m, x_m параметры цепи намагничивания.

Определение параметров z_m, x_m,r_m экспериментально (рис.5.9.)

Рис.5.9. Экспериментальное определение параметров трансформатора (P₀, U, I₀).

z₀= ; r₀= ; x₀= т.к. r₁<<r_m x₁<<x_m, то z_m»z₀₌ ; r_m»r₀= ; x_m»x₀=

и так из опыта x.x. определяем: параметры цепи намагничивания; потери в стали; определяем коэффициент трансформации.

5.4.2. Работа однофазного трансформатора под нагрузкой.

1. Приведение параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной.

Так как в общем случае W₁¹W₂, E₁¹E₂, и т.д. соответственно разным W и E соответствуют разные и параметры. Это затрудняет производить количественный анализ процессов происходящих в трансформаторе и построение векторных диаграмм. Обычно приводят параметры вторичной обмотки к числу витков W₁, поэтому E^’₂ = E₁

1) E₂ ® E^¢₂; ; E^¢₂ = E₂×k

2) I₂ ® I^¢₂; E^¢₂I^¢₂ = E₂I₂; I^¢₂= = ; I^¢₂ = I₂/k

3) r₂ ® r^¢₂; ;

4) x₂ º L₂ º W₂²; x^’₂ = x₂×k²; z^’₂ = z₂×k²

Далее в схемах замещения и векторных диаграмм будем использовать приведенные параметры.

2.Физический процесс в трансформаторе при нагрузке.

Рис.5.10. Физический процесс в трансформаторе при нагрузке.

При разомкнутом ключе k – xx. , при замыкании k действием E₂ ® I_2. Вторичный ток I₂ по закону Ленца создает поток вторичный потоку Ф₀. Вторичная обмотка создает нагрузочную силу F₂ = I₂W₂

Намагничивающая сила трансформатор при нагрузке , т.е. сохранения неизменности потока необходимо чтобы при нагрузке сумма ампервитков первичной и вторичной обмоток трансформатор по величине и по фазе была равна ампервиткам трансформатор при холостом ходе.

Основной поток Ф₀ создается малой магнитной силой I₀W₁, но при малом магнитном сопротивлении, достигает большой величины поток рассеяния Ф_S создается большой намагничивающей силой – I₁W₁, но т.к. он проходит в основном по маслу, то величина его мала.

Далее построим векторную диаграмму трансформатора при нагрузке.

3. Векторная диаграмма трансформатора при нагрузке.

Запишем основные уравнения ЭДС и токов. Ф₀®

На основе этих уравнений строится векторная диаграмма (рис.5.11.).

4. Схема замещения трансформатора при нагрузке.

Трансформатор представляет собой две независимые электрические цепи связь между ними электромагнитная. Для упрощения расчета трансформатора применяют схемы замещения – эти схемы эквивалентны реальным трансформаторам, т.к. вторичная обмотка приводится к первичной, то обе обмотки можно совместить в одну по которой протекает ток I₀. В этом случае объединенная обмотка играет роль намагничивающего ротора, который создает основной магнитный поток.

Рис. 5.11. Векторная диаграмма трансформатора при нагрузке.

Схема замещения должна отвечать основным уравнениям ЭДС и намагничивающей силе реального трансформатора, т.е.

; , откуда

; ,

, где – соединены последовательно z_m – соединено параллельно с , а z₁ – последовательно с параллельными ветвями.

Рис. 5.12. Схема замещения трансформатора при нагрузке.

5.4.3. Режим короткого замыкания однофазного трансформатора

Необходимо различать два режима короткого замыкания рис.5.13.

1. Аварийный режим – тогда, когда замкнута вторичная обмотка при номинальном первичном напряжении. При таком замыкании токи возрастают в 15-20 раз. Обмотка при этом деформируется, а изоляция обугливается. Железо так не подгорает. Это тяжелый режим. Максимальная и газовая защита отключает трансформатор от сети при аварийном коротком замыкании.

2. Опытный режим короткого замыкания – это режим, когда вторичная обмотка накоротко замкнута, а к первичной обмотке подводится такое пониженное напряжение, когда по обмоткам протекает (ток) номинальный ток – это U_К – напряжение короткого замыкания.

Рис.5.13.Режим короткого замыкания однофазного трансформатора

U_K выражается в %, U _K% = . U _K% = 5,5 для малых трансформаторов,

U _K% = 10,5 для средних и больших трансформаторов.

1. Рассмотрим физическую сторону работы трансформатора при коротком замыкании

При U¯ I₀ = (2 ¸ 5)% I_Н при U_Н при ¯ 20 раз I₀ – очень мал 15-20 раз и им можно пренебречь т.е.

т.е. намагничивающая сила первичной обмотки полностью уравновешенна намагничивающей силе вторичной обмотки.

2. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании.

Основные уравнения и векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании представлена на рис. 5.14.

;

Рис.5.14. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании.

Параметры короткого замыкания ; ;

3. Схема замещения трансформатора при коротком замыкании

Схема замещения трансформатора при коротком замыкании представлена на рис.5.15.

, пойдет в уравнение

ток , откуда схема замыкания т.е. схема замещения при коротком замыкании представляет собою цепь, состоящую из двух последовательных сопротивлений.

Рис.5.15. Схема замещения трансформатора при коротком замыкании

4. Потери при коротком замыкании.

При коротком замыкании трансформатор потребляет из сети активную мощность. Эта мощность в основном идет на покрытие потерь в обмотках. Потерями в стали можно пренебречь т.к. BºU; p_мг=B² т.к. U ¯ 15-20 раз, то потери в стали в 400 раз. p_к = p_эл1+ p_эл2 =

5. Экспериментальное определение параметров короткого замыкания.

Экспериментальное определение параметров короткого замыкания получают по схеме представленной на рис.5.16. Определяют P_K, I_K, U_K, а затем рассчитываются , , .

Рис.5.16. Экспериментальное определение параметров короткого замыкания

6. Треугольник короткого замыкания.

Используя схему замещения трансформатора при коротком замыкании (рис.5.17.) получим

U_K – представляет собой полное падение напряжения в обеих обмотках трансформатора. U_K% = 5.5% ¸ 10.5 %. Сделать U_K% большим – большое падение напряжения. Сделать его малым, будут большие токи, короткие замыкания.

Рис.7.17. Треугольник короткого

замыкания.

5.5. Совмещение режимов

Характеристики трансформатора при нагрузке определяют его рабочие свойства. Эти характеристики непосредственно можно получить только для трансформаторов небольшой мощности. Для трансформаторов средней и большой мощности характеристики при нагрузке определяют косвенным путем, т.е. путем наложения данных опыта короткого замыкания на режиме холостого хода.

Путем наложения треугольника короткого замыкания на режим холостого хода получим режим нагрузки т.е. напряжение U^’₂ и угол j₂ между потоками I (рис.5.18.).

Рис. 5.18. Режим нагрузки.

1) Потери при нагрузке равны потерям мощности при холостом ходе и коротком замыкании.

П_НГ = П_ХХ + П_КЗ = P₀ + P_эл1,2

2) Ток нагрузки трансформатора не равен току холостого хода и короткого замыкания.

холостой ход

короткое замыкание

а при нагрузке

3) Коэффициент полезного действия можно получить через данные полученные в опыте холостого хода и короткого замыкания.

при холостом ходе P₀ = P_МГ

При коротком замыкании P_К= P_ЭЛ1,2 = I²r_к,

Тогда ; P_КH­ – при номинальном токе I_H,

Задаваясь b=0,25; 0,5; 0.75; 1.0; 1.25 при cosj₂=const построим зависимость h=f(b) (рис. 5.19.).

Рис. 5.19. Зависимость h=f(b).

Максимумы h наступает тогда, когда потери в стали равны потерям в меди p₀ = b²p_КН , откуда

Относительные изменения напряжения - DU.

Изменением напряжения трансформатора называется (выраженная в % от номинального вторичного напряжения) арифметическая разность между номинальным вторичным напряжением при холостом ходе U_ГН и напряжением U₂ при номинальном токе (рис.5.20.).

Рис.5.20.Изменение напряжения трансформатора.

1) при выводе используется предыдущая векторная диаграмма

2) расчет проведем аналитически

3) определим DU при номинальном токе

4) примем U₁ равным 100 ед. т.е. U₁ = 100,

тогда , т.е. для определения DU достаточно определить вторичное напряжение

из D OAр - m_К где m_К = рс, n_К = Ap/

возможны первые два члена, т.е.

, тогда равно - m_К, а DU

Выразим DU через составляющие напряжения короткого замыкания.

, тогда

эта величина очень мала ею можно пренебречь, тогда

Это выражение для b=1, при различных значениях b , из формулы видно, что DU зависит как от величины, так и от характера нагрузки. Кроме того видим, что для определения DU используется данные полученные из опыта короткого замыкания.

Используя это выражение, можно получить ряд характеристик при нагрузке (рис.5.21.).

Рис.5.21. Зависимости трансформатора при нагрузке.

Видим, что используя опыты холостого хода и короткого замыкания можно получить все характеристики трансформатора при нагрузке.

5.6. Трехфазные трансформаторы.

Трехфазный трансформатор представляет из себя соединение трех однофазных трансформаторов. Поэтому вся теория рассмотренная для однофазного трансформатора относится и к трехфазному применительно к одной фазе. Но в трехфазных трансформаторах есть свои особенности, которые мы рассмотрим ниже. По конструкции трехфазные трансформаторы бывают в двух основных видах.

1. Трансформаторы с независимой магнитной системой (групповые), где каждая фаза трансформируется своим трансформатором (рис.5.22.).

Рис. 5.22. Групповой трансформатор

2. Трансформаторы трехстержневые, где существует магнитная связь между фазами (рис.5.23.).

Рис.5.23. Трехстержневой трансформатор.

Недостатки группового трансформатора: занимает большую площадь, большая стоимость, меньше КПД.

Преимущество: Резерв достаточен на 1/3 установленной мощности, транспортный габарит меньше чем у трехстержневого трансформатора.

Групповой трансформатор используется на большие мощности на тепловых станциях. Трехстержневые трансформаторы используется в распределительных сетях на предприятиях.

Первая особенность. Эта особенность относится к трехстержневому трансформатору (рис.5.23.). Поток в среднем стержне при холостом ходе проходит путь меньше, чем в крайних стержнях, а это приводит к тому, что токи в крайних стержнях на 40-50% больше, чем в среднем при симметричном потоке. Т.е. при холостом ходе токи представляют несимметричную систему. Модули не равны и угол не равен 120°.

При нагрузке система токов по фазам принимает симметричную систему (рис.5.24.).

Рис. 5.24. Система токов по фазам при нагрузке.

Вторая особенность. Связана со способом соединения обмоток. ГОСТом предусмотрены следующие способы соединения обмоток: l, D, Z. Обозначение фаз.

В трансформаторостроении ГОСТом предусматривают следующие способы соединения: 1) l/l₀ для мелких распределительных трансформаторов (на предприятиях); 2) l/D для трансформаторов средней и большой мощности; 3) l₀/D для трансформаторов большой мощности при повышенном напряжении.

Соединение в зигзаг делается на стороне низкого напряжения (рис.5.25.).

Соединения делается так чтобы ЭДС этих полуобмоток вычиталось, для этого необходимо конец одной части фазы соединить с концом второй части другого стержня. Такой способ применяется там, где существует резкая несимметрия (точные трансформаторы, трансформаторы для выпрямительных устройств). При таком способе соединения выравнивается магнитная несимметрия по стержням.

Рис. 5.25. Соединение обмоток трансформатора типа «зигзаг».

5.6.1.Группы соединения трансформаторов.

Определение: Группой соединения трансформатора называется угол сдвига между линейными ЭДС первичной и вторичной обмоток трансформатора. За первичную обмотку принимают обмотку высокого напряжения. Группа соединения зависит от: направлений намотки, маркировки концов обмотки, схемы соединения обмоток. Группы соединения трехфазных трансформаторов:

1) Соединение l/l₀ (рис. 5.26.)

Рис. 5.26. Соединение трансформаторов звезда к звезде.

2) Соединение l/D (рис. 5.27.)

Рис.5.27.Соединение трансформаторов звезда к треугольнику.