2.6. Вимірювальні трансформатори змінного струму та напруги

Вимірювальні трансформатори струму та напруги (рис.2.27) застосовують для перетворення (зменшення або збільшення) струмів та напруг в строго визначене число разів із збереженням їхньої фази.

Вони використовується для розширення меж вимірювання приладів. Крім того, вимірювальні трансформатори дозволяють гальванічно розділити частини вимірювального кола: коло високої напруги від кола вимірювального приладу, а також узгодити окремі частини вимірювального пристрою.

Рисунок 2.27

Вимірювальні трансформатори складаються із двох ізольованих обмоток, розміщених на феромагнітних осердях (рис.2.27). Первинна обмотка має число витків W₁, вторинна – W₂. Виводи первинної обмотки під’єднують до вимірювального кола, а до затискачів вторинної обмотки під’єднуються засоби вимірювання. Вторинні кола трансформаторів заземлюють для безпечної роботи.

Первинну обмотку трансформатора струму вмикають у вимірюване коло послідовно, трансформатора напруги – паралельно. Для правильного вмикання трансформаторів їх затискачі мають спеціальні позначення (рис.2.27).

Вимірювані величини визначаються за показами приладів, помноженими на відповідні коефіцієнти трансформації.

2.6.1. Вимірювальні трансформатори струму (втс)

У вторинну обмотку ВТС вмикаються прилади, що мають малі опори (амперметри, послідовні обмотки ватметрів та ін.), тому ВТС працює в режимі, близькому до короткого замикання.

Основними технічними характеристиками ВТС є номінальні значення первинного та вторинного струмів І_1н та І_2н; їх відношення, яке називається номінальним коефіцієнтом трансформації: К_Ін = І_1н/І_2н; номінальна частота; номінальний опір навантаження Z_н. Опором навантаження для ВТС є опори приладів, які приєднуються до вторинної обмотки. Під номінальним навантаженням розуміють максимальний опір, який може бути ввімкнений у вторинне коло ВТС.

Первинна обмотка ВТС виконується з проводу, переріз якого залежить від І_1н. При І_1н  100 А вона виготовляється у вигляді прямої шини, що проходить крізь вікно магнітопроводу. До шини приєднуються проводи (або також шини) вимірюваного кола, створюючи один замкнений виток, тобто в цьому випадку W₁=1. Для стандартних ВТС установлені значення І_2н=1; 2 або 5 А. У відповідності з цими значеннями вибираються перерізи проводів вторинної обмотки. Для первинних струмів нормативними документами установлено ряд значень від 0,1 до 60000 А.

Значення вимірюваних струмів можна визначити за показами приладів, помноживши їх на дійсний коефіцієнт трансформації: І₁ = І₂К_І. Але дійсний коефіцієнт трансформації К_І залежить від режиму роботи трансформатора, від значень І₁, від значення та характеру навантаження, від частоти, і тому дійсне значення К_І невідоме. Тоді показ приладу перемножається на значення номінального коефіцієнта трансформації К_Ін: І₁' = І₂К_Ін. При цьому виникає похибка:

(2.62)

яка називається струмовою похибкою ВТС.

В технічній документації вказуються межі припустимої похибки та умови, за яких вона має місце. Наприклад, для ВТС класу 0,2 струмова похибка f_I=±0,2% при струмі в первинному колі І₁=(100–120%) від І_1н та навантаженні на трансформатор, яке складає 25–100% від Z_н і cos=0,8. При струмі І₁=20% від І_1н f_I=±0,25%, а при І₁=5% від І_1н f_I=±0,75%.

Магнітний потік в осерді трансформатора складається з основного потоку Ф₀, який замикається тільки по осерді, та потоків розсіювання обмоток Ф_S1 та Ф_S2. Тоді схему трансформатора (як струму, так і напруги) можна представити у вигляді еквівалентної, зображеної на рис.2.28.

Для цієї схеми можна записати рівняння:

(2.63)

де = –jW₁ – е.р.с., яка наводиться потоком Ф₀ в первинній обмотці, = –jW₂ – е.р.с. вторинної обмотки, – повна м.р.с. трансформатора, що створюється струмами в первинній та вторинній обмотках; де – струм намагнічування; R₁ та R₂ – активні опори обмоток; Х_S1 та Х_S2 – реактивні опори обмоток, обумовлені потоками розсіювання; та – комплексні опори обмоток, – напруга на навантаженні; – опір навантаження.

Рисунок 2.28

За схемою рис.2.28 та рівняннями (2.63) будуємо векторну діаграму трансформатора (рис.2.29).

Рисунок 2.29

Починаємо з вектора . відстає від потоку на 90. При індуктивному характері навантаження струм відстає від на кут _н . Далі будуються вектори і т.д.

Існування потоку обумовлено повною м.р.с. трансформатора . Струм представляють як такий, що складається із двох складових: та . Енергія складової йде на проведення потоку по осердю, а енергія складової витрачається на втрати на вихрові струми та гістерезис. У відповідності із третім рівнянням системи (2.63) будуємо вектор .

Для ідеального трансформатора тоді І₁/І₂ = W₁/W₂. Із векторної діаграми та третього рівняння системи (2.63) видно, що для реального трансформатора це співвідношення не виконується, тобто коефіцієнт трансформації реального трансформатора не дорівнює співвідношенню чисел витків W₁/W₂. Ця відмінність обумовлена наявністю в трансформаторі струму I₀ (та відповідної м.р.с. I₀W₁).

Якщо I₁ = I_1н і опір у вторинному колі не перевищує Z_н, то коефіцієнт трансформації дорівнює К_1н. Якщо Z_н збільшується при I₁ = const, то I₂ буде зменшуватись, а у відповідності з третім рівнянням системи (2.54) м.р.с. I₀W₁ буде збільшуватись. Отже, коефіцієнт трансформації буде відрізнятись від К_1н, тобто виникне струмова похибка f_І.

Для ідеального трансформатора зсув фаз між та дорівнює 180°. В реальному ВТС, як видно із діаграми, цей кут не дорівнює 180°. Вектор та повернутий на 180° вектор W₂ утворюють кут _І, який називається кутовою похибкою трансформатора. Ця похибка додатна, якщо повернутий на 180° вектор вторинної величини (тут струму I₂) випереджує вектор первинної (як на побудованій тут діаграмі). Кутова похибка не впливає на результати вимірювань струмів та напруг. Вона відбивається на показах приладів, відхилення рухомої частини яких залежить від зсуву фаз між струмами та напругами (наприклад, у ватметрів). Як видно із приведеного тут аналізу, основним джерелом як струмової, так і кутової похибок ВТС є струм намагнічування І₀. Для його зменшення осердя ВТС роблять із матеріалу з високою магнітною проникністю, малими втратами, зменшують довжину магнітопроводу, збільшують його переріз і намагаються зменшити проміжки.

При розмиканні вторинного кола ВТС струм I₂ стає рівним нулю, a , що приводить до різкого зростання е.p.c. Е₂ до декількох сотень вольт. Це небезпечно для обслуговуючого персоналу і може призвести до пробою ізоляції вторинної обмотки трансформатора.

Тому не можна розмикати вторинну обмотку ВТС при наявності струму у його первинній обмотці. При необхідності відімкнути чи замінити прилади у вторинному контурі ВТС, підключеному до мережі, слід спочатку замкнути накоротко вторинну обмотку. Для цього в ВТС передбачаються спеціальні перемички.

Лабораторні ВТС мають класи точності від 0,01 до 0,2, стаціонарні – від 0,2 до 10.

Для зручності вимірювання струму без розриву кола застосовують ВТС з роз’ємними осердями. Для вимірювань струмів у проводах, які знаходяться під високою напругою, такі ВТС розміщають на кінці довгої ізольованої штанги.