Измерительные трансформаторы тока и напряжения

Измерительные трансформаторы применяются в цепях переменного тока для расширения пределов измерения по току и напряжению, а также для изоляции измерительных приборов от токоведущих частей, находящихся под высоким напряжением.

Трансформатор тока предназначен для уменьшения первичного тока до значений, наиболее удобных для измерительных приборов и реле, а также для отделения цепей измерения и защиты от первичных цепей высокого напряжения.

Трансформатор тока имеет замкнутый магнитопровод и две обмотки — первичную и вторичную. Первичная обмотка (Л₁-Л₂) включается последовательно в цепь измеряемого тока I₁, ко вторичной обмотке (И₁-И₂) присоединяются измерительные приборы, обтекаемые током I₂. Это могу быть амперметры, а также токовые обмотки ваттметров, счетчиков, фазометров.

 

 

Трансформатор тока характеризуется номинальным коэффициентом трансформации

,

где I_1ном. и I_{2 ном.} — номинальные значения первичного и вторичного тока соответственно.

Значения номинального вторичного тока приняты равными 5А и 1 А.

Коэффициент трансформации трансформаторов тока не является строго постоянной величиной и может отличаться от номинального значения вследствие погрешности, обусловленной наличием тока намагничивания. Отношение действительного значения тока I₁, текущего по первичной обмотке, к току вторичной обмотки I₂ называется действительным коэффициентом трансформации:

Таким образом, возникает погрешность по току, которая равна погрешности коэффициента трансформации:

Также трансформатор тока обладает угловой погрешностью δ, так как вторичный ток I₂ сдвинут по фазе относительно первичного тока I₁ на угол, отличный от 180⁰. Угловая погрешность выражается в градусах или минутах и влияет только на показания приборов, отклонение подвижной части которых зависит от сдвига фаз между токами в цепях этих приборов. К ним относятся ваттметры, счетчики энергии и фазометры.

В зависимости от предъявляемых требований выпускаются трансформаторы тока с классами точности 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Указанные цифры представляют собой токовую погрешность в процентах номинального тока при нагрузке первичной обмотки током 100—120% для первых трех классов и 50 —120 % для двух последних. Для трансформаторов тока классов точности 0,2; 0,5 и 1 нормируется также угловая погрешность.

Погрешность трансформатора тока зависит от вторичной нагрузки (сопротивление приборов, проводов, контактов) и от кратности первичного тока по отношению к номинальному. Увеличения нагрузки и кратности тока приводят к увеличению погрешности. При первичных токах, значительно меньших номинального, погрешность трансформатора тока также возрастет.

На щитках измерительных трансформаторов указывают номинальный коэффициент трансформации в виде отношения номинальных токов, номинальная частота или область частот, номинальная нагрузка в Омах, класс точности, тип, номер и год выпуска.

Токовые цепи измерительных приборов и реле имеют малое сопротивление, поэтому трансформатор тока нормально работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания. Если разомкнуть вторичную обмотку, магнитный поток в магнитопроводе резко возрастет, так как он будет определяться только МДС первичной обмотки. В этом режиме магнитопровод может нагреться до недопустимой температуры, а на вторичной разомкнутой обмотке появится высокое напряжение, достигающее в некоторых случаях десятков киловольт.

Из-за указанных явлений не разрешается размыкать вторичную обмотку трансформатора тока при протекании тока в первичной обмотке. При необходимости замены измерительного прибора или реле предварительно замыкается накоротко вторичная обмотка трансформатора тока (или шунтируется обмотка реле, прибора).

Для обеспечения безопасности персонала на случай пробоя изоляции между обмотками один из зажимов вторичной обмотки заземляется.

       По основным конструктивным признакам трансформаторы тока делятся на стационарные и переносные, высоковольтные и низковольтные, многовитковые и одновитковые, опорные и проходные.

       Наиболее распространенным вариантом переносного трансформатора являются измерительные клещи. Клещи предназначены для измерения тока в электрических цепях напряжением до 10 кВ, а также тока напряжения и мощности в электроустановках до 1 кВ без нарушения целостности цепей. Клещи представляют собой трансформатор тока с разъемным магнитопроводом, первичной обмоткой которого является проводник с измеряемым током, а вторичная обмотка замкнута на измерительный прибор, стрелочный или цифровой.

 

      

 

Рис. 8 Внешний вид измерительных клешей

       Измерительные трансформаторы напряжения предназначены для расширения пределов измерения по переменному напряжению ваттметров, вольтметров, счетчиков, фазометров, частотомеров. Устройство трансформатора напряжения аналогично устройству маломощного силового трансформатора. Его первичная обмотка (А-Х) имеет большее число витков ω₁ и подключается к сети измеряемого напряжения. К зажимам вторичной обмотки (a-х) с меньшим числом витков ω₂ присоединяют измерительные приборы.

	Рис.9 Схема включения измерительного трансформатора напряжения

       Каждый трансформатор напряжения рассчитан на определенное номинальное значение первичного напряжения U_1Н. Номинальное вторичное напряжение U_2Н имеет стандартные значения 100, 100/√3, 100/3 и 150 В. Отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторичному напряжению называется номинальным коэффициентом трансформации.

       Номинальный коэффициент трансформации является основным параметром трансформатора и указывается на его щитке.

       Отношение действительного значения напряжения, приложенного к первичной обмотке U₁ к напряжению на вторичной обмотке U₂ называется действительным коэффициентом трансформации.

       Действительный коэффициент трансформации зависит от частоты и характера нагрузки, поэтому на практике используют значение номинального коэффициента трансформации. Таким образом, при использовании измерительного трансформатора возникает погрешность по напряжению, которая равна погрешности коэффициента трансформации.

       Помимо погрешности по напряжению, трансформатор обладает угловой погрешностью δ, представляющей собой угол в минутах между вектором первичного напряжения и повернутым на 180⁰ вектором вторичного напряжения.

       Погрешность по напряжению влияет на точность показаний всех приборов, подключенных ко вторичной обмотке, а угловая погрешность – только на приборы, показания которых зависят от угла сдвига фаз (ваттметры, счетчики, фазометры).

       Набольшая полная мощность, которой обладает трансформатор при погрешностях не выше допустимых, называется номинальной мощностью трансформатора S_Н. К трансформатору можно подключить такое количество приборов, при котором их суммарная мощность не превышает номинальной.

       Для всех трансформаторов напряжения нормируют значение номинальной мощности в соответствии с классом точности (0,2; 0,5;1,0;3,0). Классы точности лабораторных измерительных трансформаторов напряжения: 0,05; 0,1; 0,2.

       На щитках измерительных трансформаторов напряжения указывается номинальный коэффициент трансформации в виде отношения номинальных напряжений, номинальная частота или область частот, номинальная полная мощность с указанием коэффициента мощности, класс точности, тип, номер и год выпуска.

       Ввиду того, что сопротивления обмоток напряжения измерительных приборов велики, трансформатор напряжения работает в режиме, близком к холостому ходу, и для них опасны короткие замыкания. Поэтому первичные обмотки трансформаторов напряжения включают через предохранители. Для обеспечения безопасности персонала на случай пробоя изоляции между обмотками один из зажимов вторичной обмотки, металлический корпус и сердечник заземляются.

Трансформаторы напряжения принято разделять по следующим признакам:

1. По количеству фаз:

- однофазные;

- трехфазные.

2. По числу обмоток:

- 2-х-обмоточные;

- 3-х-обмоточные.

3. По способу действия системы охлаждения:

- электрические устройства с масляным охлаждением;

- электрические устройства с воздушной системой охлаждения (с литой изоляцией либо сухие).

4. По способу установки и размещения:

- для наружной установки;

- для внутренней установки;

- для комплектных релейных устройств.

 

 

Рис. 10 Внешний вид измерительного трансформатора напряжения

 

Рис.11 Схема подключения измерительных приборов через трансформаторы тока и напряжения