3.3. Измерительные трансформаторы тока

Трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с малым сопротивлением. Полное суммарное сопротивление Z=jR + +jX приборов и подводящих проводов является нагрузкой транс­форматора тока.

На рис. 3.7 приведена векторная диаграмма трансформатора тока, построение которой начинают с вектора low2 — магнитодвижущей силы (МДС) вторичной обмотки. Вектор напряжения U2 получают как сумму векторов напряжений i_zr и 1₂х на активном r и реактив­ном X сопротивлениях нагрузки прн токе /₂ во вторичной цепи трансформатора.

Электродвижущая сила Е₂, наводимая во вторичной обмотке потоком Ф₀ в магннтопроводе, получена в результате сложения век­тора u₂ с векторами i₂r₂ и 1₂х₂ напряжений на активном r₂ сопро­тивлении вторичной обмотки и его реактивном сопротивлении х₂, обусловленном потоком рассеяния.

Выше отмечалось, что вектор МДС /₂ш₂ сдвинут по фазе отно­сительно вектора МДС 'hwi почти на 180°, т. е. МДС /₂ш₂ оказывает размагничивающее действие.

Вследствие этого магнитный по­ток Ф₀ в магннтопроводе созда­ется результирующей МДС /₀к>1, называемой полной МДС транс­форматора.

Магнитодвижущая сила IgWi создается намагничивающим то­ком /₀, практически равным току холостого хода трансформатора. Под током холостого хода пони­мают ток первичной обмотки, ко­торый при разомкнутой вторич­ной обмотке создает в магннто­проводе номинальный для данно­го режима магнитный поток.

Магнитодвижущая сила I₀w 1 состоит из реактивной составля­ющей ш_ь непосредственно

создающей поток Ф₀ и совпадаю­щей с ним по фазе, и активной составляющей I_aw_u опережающей Фо на 90° и определяемой поте­рями на гистерезис и вихревые токи в магннтопроводе.

Вектор МДС IiWi получен путем сложения вектора МДС I₀Wi с повернутым на 180° вектором МДС /₂оь, т. е.

/„ Щ = h Щ + /₂ ш₂. (3.1)

При номинальном режиме работы трансформатора тока значе­ние l₀w 1 обычно составляет не более 1% (или /₂ш₂).

При достаточной мощности цепи первичного тока размыкание вторичной цепи трансформатора тока вызовет значительное увели­чение Ф₀, поскольку в этом случае /₀Ш₁=/₁Ш1. Это может привести к аварии, так как возрастание потока в магннтопроводе приводит к большому увеличению ЭДС (до нескольких сотен вольт), что опас­но для обслуживающего персонала и может вызвать электрический пробой изоляции обмоток. Кроме того, увеличение потока сопровож­дается ростом потерь на перемагничивание и вихревые токн, повы­шением температуры магнитопровода, а следовательно, и обмоток и может служить причиной термического разрушения их изоляции.

Из векторной диаграммы и уравнения (3.1) можно сделать сле­дующие выводы.

i_Dw₇

1_гЩ

Рис. 3.7. Векторная диаграмма трансформатора тока.

4—970 49

Токовую погрешность для одного значения h можно свести к нулю подбором числа витков ш₂ вторичной обмотки. Для других значений тока /₂ погрешность не будет равна нулю, так как ток /₀ не пропорционален току У₂.

Погрешности трансформатора тока увеличиваются по мере воз­растания МДС IqW\.

Увеличение сопротивления вторичной обмотки и возрастание на­грузки, т. е. включение большого числа приборов, приводят к повы­шению ЭДС £₂, а следовательно, к увеличению потока Ф₀ и МДС l_Dw 1. Поэтому для каждого трансформатора указывается его номи­нальная вторичная нагрузка в омах или номинальная мощность в вольт-амперах. Номинальной нагрузкой трансформатора тока назы­вается наибольшее сопротивление, на которое можно замыкать его вторичную обмотку, не вызывая, увеличения погрешностей выше до­пустимых для соответствующего класса точности.

Номинальная нагрузка 2_н0м и номинальная мощность трансфор­матора тока Оном связаны между собой соотношением

г г

S,

= /

г,

ZUOM ном

Значение /о будет тем меньше, чем выше магнитная проницае­мость материала магнитопровода и чем меньше в нем потери на ги­стерезис и вихревые токи. При неизменном значении Ф₀ ток /₀ будет уменьшаться с сокращением длины магнитопровода и увеличением его сечения, так как при этом уменьшается магнитное сопротивление магнитопровода.

Уменьшение .магнитной индукции также приводит к уменьшению Iо, поэтому в трансформаторах тока значения индукции значительно меньше, чем в силовых трансформаторах, и составляют 0,05—0,15 Тл.

При неизменной нагрузке z₂ и уменьшении измеряемого тока по­грешности трансформатора увеличиваются из-за относительного уве­личения намагничивающего тока (рис. 3.8).

Магнитопроводы трансформаторов тока изготовляются из тон­кой листовой высокосортной трансформаторной стали, а для особо

Рис. 3.8. Кривые погрешностей транс­форматора тока при разных cos ф₂.

V/o Sj 7,0 - wd €_rS - 80'

Рис. 3.9. Измерительные клещи.

точных трансформаторов — из железоникелевых сплавов типа пер­маллоя. Для уменьшения потерь на вихревые токи листы изолиру­ются друг от друга. Чаще всего применяются магнитопроводы стер­жневого и круглого (кольцевого) типов.

Для уменьшения (компенсации) погрешностей в трансформато­рах тока используют искусственное подмагничивание магнитопровода дополнительными полями до значения, при котором материал магни­топровода имеет наибольшую магнитную проницаемость. Это при­водит к относительному уменьшению намагничивающего тока /₀.

Практически компенсация подмагничиванием осуществляется вторичным током при прохождении его по дополнительным обмоткам или подмагничиванием за счет потоков рассеяния. Такие трансфор­маторы называются компенсированными.

В установках с большими токами короткого замыкания при не­достаточно надежной конструкции трансформатора возможны его механические и термические повреждения. Механические поврежде­ния получаются вследствие электродинамического взаимодействия проводников с токами.

Электродинамической стойкостью трансформатора тока называ­ют отношение амплитуды тока, которую он может выдержать без изменения своих механических и электрических свойств в течение одного полупериода, к амплитуде номинального тока трансформа­тора.

Термической стойкостью трансформатора тока называется отно­шение действующего (среднеквадратического) значения тока, кото­рый трансформатор может выдерживать в течение 1 с без измене­ния своих свойств, к действующему значению номинального первич­ного тока трансформатора.

В установках с большими токами короткого замыкания приме­няются трансформаторы тока с высокой термической и электродина­мической стойкостью.

На рис. 3.9 представлен переносный трансформатор тока в виде клещей. Она используется в тех случаях, когда необходимо произво­дить измерения без разрыва проводника с измеряемым током. Магни- топровод трансформатора тока разъемный (на шарнирах), благо­даря чему он может охватывать провод, образующий первичную об­мотку. Для удобства измерения амперметр часто укрепляется иа кор­пусе трансформатора. Точность таких трансформаторов невелика, но достаточна для ориентировочных измерений

В зависимости от области применения измерительные трансфор­маторы изготовляются стационарными, предназначенными для уста­новки на открытых площадках распределительных устройств, стан­ций и подстанций и в закрытых помещениях, и переносными — для использования в лабораториях. Стационарные трансформаторы, как правило, имеют один предел измерения, а переносные — несколько пределов. Например, переносный трансформатор тока типа И-54 класса точности 0,2 имеет номинальные первичные токи 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0 и 50,0 А, вторичный ток 5А и номинальную нагрузку 0,4 Ом.

51

На рис. 3.10, а, б даны схема и внешний вид универсального трансформатора типа УТТ-5М. Он имеет магннтопровод из пермал­лоя и две обмотки: вторичную (выводы И и Иг) с номинальным то­ком /₂ном=5 А и первичную, состоящую из двух секций с номиналь­ными токами 15 и 50 А. При измеряемых токах 100—600 А первич­ная обмотка создается витками гибкого провода, проходящими через

4*

окно в трансформаторе. Необходимое число витков в этом случае должно быть таким, чтобы сохранялось постоянство значения /ihom^i.

ГЖ

Рис. З.Ю. Трансформатор тока типа УТТ-5М.

а — схема; б — внешнкй вид.

IzH

Рис. 3.11. Векторная ди­аграмма трансформатора напряжения.

По точности трансформаторы тока подразделяются на десять классов: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2: 0,5; 1; 3; 5 и 10. Основные требо­вания к трансформаторам тока установлены ГОСТ 7746-78Е и ГОСТ 23624-79.

Витки первичной обмотки при токах 1DD-BDDA