ПАССИВНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИНУСОИДАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ

Лекции 5 и 6

Для выполнения устройств релейной защиты и автоматики на любой элементной базе требуются пассивные и активные линейные и нелинейные измерительные преобразователи синусоидальных напряжений и токов, такие, например, как трансформаторы, трансреакторы, фильтры симметричных составляющих, выпрямители и др.

Первичные измерительные преобразователи тока. К измерительным органам ток обычно подводится от первичных измерительных преобразователей тока, обеспечивающих изоляцию цепей тока измерительных органов от высокого напряжения и позволяющих получить стандартное значение вторичного тока независимо от номинального первичного тока. Наибольшее распространение получили измерительные трансформаторы тока ТА. В системах электроснабжения применяют также измерительные преобразователи тока, названные магнитными трансформаторами тока (МТТ). На их основе разработаны так называемые дискретные трансформаторы тока (ДТТ).

Измерительные трансформаторы тока имеют стандартный номинальный вторичный ток I2ном = 1; 5 А при любых значениях номинального первичного тока I1ном. Допускается изготовление трансформаторов тока с номинальным вторичным током I2ном = 2; 2,5 А.

Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь первичного тока сети I1, а к вторичной обмотке подключаются цепи тока измерительных органов, например измерительных реле тока КА1, КА2 с относительно малым сопротивлением (см. рис.а).

Начала и концы обмоток трансформатора тока указываются на их выводах. Выводы первичной обмотки Л1 и Л2, маркируются произвольно, а выводы вторичной обмотки И1 и И2 с учетом принятого обозначения выводов первичной обмотки. За начало вторичной обмотки И1 принимается вывод, из которого мгновенный ток i2 направляется в цепь нагрузки, когда в первичной обмотке ток i1 направлен от начала Л1 к концу Л2. При такой маркировке мгновенное значение тока в обмотке реле имеет то же направление, что и при включении его непосредственно в защищаемую цепь (без трансформатора).

Направления токов i1, i2 представлены для некоторого момента времени с учетом принятой намотки витков. Направление магнитного потока Фi, при заданном направлении тока i1 определяется по правилу буравчика. Ток i2 всегда направлен так, что размагничивает магнитопровод. При этом результирующий магнитный поток Ф, согласно закону полного тока, создается совместным действием магнитодвижущих сил (МДС) i1w1 и i2w2, обеих обмоток. Так, из диаграммы (рис. б) следует, что ток отстает по фазе от тока на угол , а для другого направления тока на угол . Согласно закону полного тока

Результирующая МДС создается частью тока , которая называется током намагничивания , т. е.

В идеальном трансформаторе результирующая МДС . При этом

Выражая ток вторичной обмотки из записанного выражения имеем

Токи и равны и совпадают по фазе (рис. в). Если положительное направление токов и принято от начала обмоток к их концам, то МДС обеих обмоток направлены одинаково; а токи и , изображаются векторами, сдвинутыми по фазе на угол (рис. г).

Для реального трансформатора и принятых условных положительных направлениях токов

откуда

На функционирование измерительного трансформатора тока существенное влияние оказывает сопротивление вторичной цепи. При увеличении нагрузки ток распределяется таким образом, что ток уменьшается, а ток увеличивается, т.е. трансформатор начинает работать с большими погрешностями. На точность работы трансформатора тока влияет не только нагрузка, но и значение первичного тока . С ростом кратности тока точность трансформатора тока ухудшается. Точность работы трансформаторов тока характеризуют токовая, угловая и полная погрешности. Токовая погрешность определяется арифметической разностью между током и током , а угловая погрешность — углом сдвига между этими токами.. Полная погрешность

где — действующее значение первичного тока, А; Т — длительность периода тока, с; — номинальный коэффициент трансформации (отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току).

Трансформаторы тока, используемые в релейной защите, имеют два класса точности: 5Р и 10Р. Полная погрешность первых не должна превышать , а вторых при заданной вторичной нагрузке и расчетной предельной кратности первичного тока.

Схемы соединения:

соединение ТТ и обмотки реле в полную звезду;

соединение ТТ и обмотки реле в неполную звезду;

соединение ТТ в треугольник, обмотки реле в звезду;

соединение 2 ТТ и одного реле, включенного на разности токов двух фаз;

соединение ТТ в фильтр тока нулевой последовательности.

Более подробно рассмотреть самостоятельно.

Магнитные трансформаторы тока (МТТ) предназначены для дистанционного преобразования переменного тока. Основным элементом МТТ является его обмотка с разомкнутым магнитопроводом или без него, которая устанавливается в магнитном поле контролируемого тока на допустимом расстоянии от высоковольтного провода и имеет потенциал земли. При этом выходной сигнал МТТ (индуцированная в обмотке ЭДС) является функцией магнитного поля. Уровень этого сигнала зависит от расстояния между обмоткой МТТ и проводом и от их взаимной ориентации. При допустимых расстояниях уровень сигнала оказывается весьма малым. Если МТТ используется для контроля тока в проводе одной из фаз трехфазной электроустановки, то магнитные поля, создаваемые токами других фаз, могут создавать помехи. Имеются конструкции МТТ (типа ТВМ), практически свободные от этих недостатков. В системах электроснабжения магнитные трансформаторы тока нашли применение в устройствах токовых защит подстанций без выключателей со стороны высшего напряжения.

Дискретные трансформаторы тока (ДТТ). Основным элементом ДТТ является аналоговый первичный измерительный преобразователь тока. Им может быть любой трансформатор тока. Целесообразно, однако, использовать для этой цели МТТ. Его аналоговый сигнал при помощи аналого-дискретного преобразователя (АДП) преобразуется в последовательность дискретных сигналов, каждый из которых несет информацию о комплексном действующем значение контролируемого тока. Длительность сигнала отображает модуль тока, а положение переднего или заднего фронта сигнала на оси времени — фазу тока. Достоинство ДТТ состоит, в частности, в возможности расширить область применения дешевых, но маломощных МТТ.

Первичные измерительные преобразователи напряжения. К измерительным органам воздействующая величина — напряжение — обычно подводится от первичных измерительных преобразователей напряжения. Они обеспечивают изоляцию цепей напряжения измерительных органов от высокого напряжения и позволяют независимо от номинального первичного напряжения получить стандартное значение номинального вторичного напряжения .Наибольшее распространение получили измерительные трансформаторы напряжения TV.

Измерительного трансформатора напряжения работает в режиме холостого хода (близком к холостому ходу) его вторичной цепи (см. рис.). Первичная обмотка трансформатора TV с числом витков , включается на напряжение сети .

Рис. Схема замещения однофазного измерительного

трансформатора напряжения

Под действием напряжения по обмотке проходит ток намагничивания , создающий в магнитопроводе магнитный поток Ф. Магнитный поток, в свою очередь, наводит в первичной и вторичной обмотках ЭДС с действующими значениями соответственно , . Отсюда

Отношение называется коэффициентом трансформации и обозначается . В режиме холостого хода ток , а ток в первичной обмотке . При этом и напряжение незначительно отличается от ЭДС . Поэтому

Работа трансформатора с нагрузкой (в виде, например, реле напряжения KV) сопровождается прохождением тока и увеличением (по сравнению с холостым ходом) тока (рис. 1.3, б). Эти токи создают падение напряжения в первичной и вторичной обмотках, вследствие чего Трансформатор имеет две погрешности: погрешность напряжения и угловую погрешность, которая определяется углом между векторами напряжений и . Значения погрешностей трансформатора напряжения определяются падением напряжения , которое увеличивается с ростом вторичной нагрузки (тока ).

В зависимости от погрешностей установлены четыре класса точности: 0,2; 0,5; 1 и 3 соответственно погрешностям напряжения в процентах. Номинальная мощность трансформатора отнесена к определенному классу точности. Однако по условию нагрева он может допускать перегрузки в несколько раз, выходя при этом из заданного класса точности. Начала и концы обмоток трансформатора напряжения TV маркируются в соответствии с правилом, изложенным при рассмотрении трансформаторов тока. Напряжения и направленные одинаково от одноименных концов обмоток, совпадают по фазе, если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора напряжения. Принято обозначать: А начало первичной обмотки, а начало вторичной обмотки; X конец первичной обмотки, х конец вторичной обмотки.

Измерительные органы, в частности измерительные реле напряжения, включаются на фазные и междуфазные напряжения, а также на напряжения нулевой, прямой и обратной последовательностей. Для получения этих напряжений используются однофазные или трехфазные трансформаторы напряжения и фильтры напряжения прямой и обратной последовательности. Трансформаторы в этом случае имеют различные схемы соединения обмоток, при выполнении которых придерживаются следующих правил: в случае включения первичных обмоток на фазные напряжения их начала присоединяются к соответствующим фазам, а концы объединяются и соединяются с землей; при включении первичных обмоток на междуфазные напряжения их начала присоединяются к предыдущим, а концы — к последующим фазам в порядке их электрического чередования.

Виды схем соединения:

схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в открытый (неполный) треугольник;

схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в звезду;

схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в фильтр напряжения нулевой последовательности. Более подробно рассмотреть самостоятельно.

Выполнение вторичных цепей трансформаторов напряжения и контроль за их состоянием. Исходя из требований техники безопасности вторичные обмотки трансформаторов напряжения в установках напряжением 500 В и выше должны обязательно заземляться. Предохранители с первичной стороны трансформаторов напряжения не защищают их от перегрузок и коротких замыканий в их вторичных цепях. Поэтому все незаземленные провода, подключаемые к вторичным обмоткам трансформаторов напряжения, соединяются с ними через низковольтные плавкие предохранители или малогабаритные автоматические выключатели, которые являются .более быстродействующими; они надежнее и удобнее предохранителей. Перегорание предохранителей или срабатывание автоматических выключателей и возможные обрывы в цепях напряжения могут повлечь за собой неправильное действие некоторых устройств зашиты и автоматики. Поэтому они должны снабжаться специальными устройствами, автоматически выводящими их из действия при нарушениях целей напряжения. В тех случаях, когда указанные нарушения непосредственно не приводят к неправильной работе устройств защиты и автоматики, достаточна сигнализация об исчезновении напряжения.

ПАССИВНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИНУСОИДАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ