Электрическая часть электростанций - Измерительные трансформаторы тока

Номинальный коэффициент трансформации трансформаторов тока определяется отношением первичного /1н и вторичного /2Н номинальных токов:
(6-6)
Для идеального трансформатора с током намагничивания /ц = 0 отношение токов в обмотках обратно пропорционально отношению числа витков обмоток:
при этом Ix = I2kH. (6-7)
У реального трансформатора тока из-за несовершенства конструкции и потерь в магнитопроводе и обмотках возникают погрешности, которые снижают точность измерений.
Различают погрешность тока
(6-8)
или (в процентах)
(6-9)
и угловую погрешность, определяемую углом 6 между векторами первичного /х и вторичного /2 токов.
Подставляя в выражение погрешности тока вместо kH отношение wjwlt получаем
(6-10)
Для анализа режимов работы и оценки погрешностей строятся векторные диаграммы трансформаторов тока (рис. 6-11).
Погрешность тока А/ по диаграмме определяется разностью намагничивающих сил Р2 и Ft, которую при малом угле 6 можно принять равной отрезку об. Тогда
(6-11)
и, так как угол а мал, токовая погрешность (в процентах) определяется формулой
(6-12)
При малом 6 угловая погрешность
(6-13)
В настоящее время для уточненных расчетов берется не токовая погрешность А/, а полная погрешность е, определяемая вектором F0. Она характеризует как погрешность по току, так и угловую погрешность.
На погрешности влияет в основном ток намагничивания стали сердечника. Чем выше качество стали, т. е. больше начальная магнитная проницаемость, тем меньше и стабильнее ток намагничивания.

Рис. 6-11. Векторная диаграмма измерительного трансформатора тока
Для снижения погрешностей и повышения точности измерений применяются: холоднокатаная сталь, пермаллой (сплав стали с никелем), специальные схемы соединений обмоток, искусственное подмагничивание сердечника и другие средства.
Применяемые для повышения точности измерений специальные материалы, средства и способы компенсации усложняют схемы, конструкции и удорожают аппарат. Надо иметь в виду, что применение трансформаторов высокой точности не всегда обязательно. Следует в зависимости от назначения по допустимым погрешностям выбирать наиболее дешевый аппарат, подходящий по точности измерений. Группировка трансформаторов тока по классам точности сердечников согласно ГОСТ 7746—78 и области их применения приведены в табл. 6-3. Обозначение класса точности соответствует наибольшей погрешности (в процентах) при токе в первичной обмотке, равном 100—120 % номинального.
По аналогии с ИТН трансформаторы тока класса 0,2 применяются для точных измерений, проверок и исследований, ими оснащаются электротехнические лаборатории электрических станций. Трансформаторы тока классов 0,5 и 1 устанавливаются в распределительных устройствах.
Трансформаторы тока классов 3—10 используются для схем релейных защит, автоматики, где допустима погрешность 3 % и выше. В некоторых схемах релейных защит и автоматики находят применение и специальные конструкции ИТТ, например с сердечниками Д для дифференциальной защиты и любых других защит или с сердечниками Р для релейной защиты.
Класс точности ИТТ существенно зависит от нагрузки вторичной цепи.

Нагрузка ИТТ определяется либо мощностью S2 и  cos ф2 при номинальном токе /2, либо полным сопротивлением вторичной цепи
Приняв ток /2 = 5 А за расчетный, получим соотношения:

Номинальной нагрузкой ИТТ является наибольшая мощность S.,, при которой он работает в высшем классе точности. Подключение дополнительных приборов, т. е. увеличение нагрузки вторичной цепи, приводит к увеличению погрешностей и снижению точности измерений.
На точность работы ИТТ влияет также первичный ток. Нормированный класс точности (см. табл. 6-3) соблюдается только в установленных ГОСТ пределах первичного тока, равных 100— 120 % /1н.
При меньшем первичном токе, которому соответствует работа в начальной части характеристики намагничивания, погрешности больше табличных.
Если первичный ток возрастает сверх 120 % /1н, то ток намагничивания увеличивается, что приводит к большему насыщению стали сердечника и увеличению погрешностей.

Рис. 6-12. Кривые ИТТ: а—кривая предельной кратности k10=f(z2) при 8= 10%; б — зависимость вторичного тока ИТТ от первичного 1 — вторичный ток идеального ИТТ; 2 — действительный вторичный ток
Во время переходного процесса при коротком замыкании первичный ток во много раз превосходит номинальный ток. При этом изменение тока намагничивания, насыщения стали, вторичных токов и погрешностей неблагоприятно отражается на работе релейных защит.
Практикой наладки и эксплуатации релейных устройств установлено, что для надежной работы релейных защит ошибки трансформаторов тока не должны превышать так называемой 10 %-ной погрешности, т. е. погрешности, обусловленной током намагничивания, не превышающим 10 % первичного тока.
Иногда упрощенно считают, что погрешность ИТТ, применяемых в схемах релейных защит, не должна превышать 10 % по току и 7° по углу. Эти требования обеспечиваются, если полная погрешность ИТТ е < 10 % или, иначе говоря, если ток намагничивания /ц не превосходит 10 % тока /и т. е. 1П с 0 1 /х.
В паспортах и каталогах ИТТ, изготовляемых для релейных защит, аппаратные заводы обычно дают характеристику 10 %-ной погрешности трансформаторов тока (рис 6-12 а), представляющую собой кривую зависимости кратности наибольшего первичного тока по отношению к номинальному kw = /iMa,iC//lH от номинального сопротивления вторичной нагрузки в омах, при которой полные погрешности достигают 10%. Значит, если действительная кратность k < kl0H и действительная нагрузка г2 < z2„, то е с 10 %.
Отметим что для многих релейных защит например дифференциальных, защит токов нулевой последовательности, важное значение имеет 1{1 поэтому для оценки точности ИТТ, предназначенных для релейных защит, необходимо исходить из полной погрешности. Считается достаточным иметь полную погрешность, определяемую полным током намагничивания,

Насыщение сердечника ИТТ ограничивает кратность тока во вторичных цепях (рис. 6-12, б), что исключает повреждение включенных в эти цепи приборов и аппаратов.
Для подключения контрольно-измерительных приборов релейных защит и устройств автоматики ИТТ, выполняемые конструктивно в виде однофазных аппаратов, соединяются по схемам полной звезды, неполной звезды или с включением реле на разность токов двух фаз (рис. 6-13). Весьма существенны одинаковая установка и правильные присоединения группируемых в эти схемы однофазных ИТТ.
Схема полной звезды является универсальной, но самой дорогой. Она позволяет измерять или использовать ток всех трех фаз.
Более дешевая схема неполной звезды предусматривается для трехфазных систем с изолированной нейтралью. Включение ИТТ на разность токов двух фаз применяется редко, только в специальных схемах релейных защит.
Уместно напомнить, что при необдуманном или случайном размыкании вторичной цепи ИТТ индукция в сердечнике резко возрастает (от 0,06—0,1 Тл до 1,4—1,8 Тл, так как Ft = 0 и F0 становится равным FJ, магнитный поток вследствие насыщения получает трапециевидную форму, сердечник перегревается, а пики
э.   д. с. е2 на разомкнутых концах вторичной цепи, пропорциональные dФ/dt     (рис. 6-14), могут достигать 10 кВ и более, что очень
опасно для персонала и изоляции вторичных цепей.
Следовательно, в процессе эксплуатации вторичных устройств надо строго следить за тем, чтобы вторичная обмотка ИТТ всегда была замкнута; в частности, при отключении прибора надо сначала замкнуть накоротко вторичную цепь ИТТ.
Конструктивно ИТТ изготовляются: 1) как самостоятельные однофазные аппараты, которые устанавливаются в соответствии с главной схемой электрических соединений в конструкциях распределительных устройств; 2) в виде встроенных ИТТ, где сердечники надеваются с внутренней стороны на линейные вводы в баки силовых трансформаторов, баковых выключателей; 3) встроено в конструкции выключателей МГ-35 или 4) как обязательная составная часть в конструкциях шкафов комплектных распределительных устройств.
В зависимости от параметров, назначения, места и способа установки ИТТ различаются формой и видом конструкции, материалом изоляции, числом обмоток, расположением вводов, транспортными, монтажными, защитными и прочими устройствами.
Каждый тип конструкции характеризуется буквенной маркой, классом точности, первичным током и напряжением. Например, тип ТПФ-0,5/Р-6/400 — это ИТТ проходной с фарфоровой изоляцией, с двумя сердечниками (один из них класса 0,5 для измерительных цепей, другой для релейной защиты), на 6 кВ, 400 А; тип ТШЛ-0,5/Д-20/12000 — ИТТ шинный с литой изоляцией, с двумя сердечниками (один из них класса 0,5 для измерительных цепей, другой типа Д — для дифференциальной защиты), на 20 кВ, 12 кА; тип ТФНКД-500 — ИТТ с фарфоровой изоляцией, наружной установки, каскадный, с сердечниками для дифференциальной защиты, на 500 кВ. Последние ИТТ изготовляются на ток 0,5; 1 и 2 кА.

Рис. 6-13. Схемы соединений ИТТ: а — схема полной звезды; б — схема неполной звезды; в — двухфазная схема с включением реле на разность токов двух фаз; г — схема двусторонней звезды с включением реле на трехтрансформаторный фильтр токов нулевой последовательности

Рис. 6-14. Кривые тока tj, магнитного потока Ф и э. д. с. е2 при разомкнутой вторичной цепи

Рис. 6-15. Катушечный трансформатор тока типа ТФ-10
1 — изолятор — фарфор; 2 — первичная обмотка; 3 — вторичная обмотка; 4 — сердечник; 5 — основание; 6 — засыпка из леска с графитом
На рис. 6-15—6-19 представлены трансформаторы тока для внутренней установки в закрытых распределительных устройствах, на рис. 6-20 и 6-21 —для наружной установки на площадках ОРУ.
На рис. 6-22 представлен трансформатор тока типа ТФРМ 750А-У1 — в фарфоровой покрышке, с рымовидной вторичной обмоткой, маслонаполненный, на 750 кВ. В обозначении типа буква А — категория внешней изоляции подлине пути утечки, У1 — климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150—69 и 15543—70. Номинальный первичный ток 1000—2000 А и 1500— 3000 А; номинальный вторичный ток 1 А, классы точности 0,2; 0,5 — для измерений; 10Р — для защиты.

Рис. 6-16. Проходной трансформатор тока типа ТПОФ-10
1 — токоведущий стержень; 2 — изолятор фарфор; 3 — кожух; 4 — фланец для крепления; 5 — выводы вторичных обмоток; 6 ленточные сердечники; 7 — вторичная обмотка

Рис. 6-17. Проходной модернизированный трансформатор тока типа ТПФМ-10
— вывод первичной обмотки; 2 — концевая коробка; 3 — изоляторы — фарфор; 4 — фланец; 5 — сердечник; 6 — вторичная обмотка; 7 — первичная обмотка; 8 — кожух; 9 — выводы вторичных обмоток

Рис. 6-18. трансформатор тока с литой изоляцией: а, б — катушечного типа; в — проходной ТПОЛ-10; е — проходной ТПОЛ-35

Рис. 6-20, трансформатор тока типа ТФН-220 1 — выводы первичной обмотки; 2 — переключатель; 3 - маслорасширитель; 4 — маслоуказатель; 5 — первичная обмотка; 6 — сердечник со вторичной обмоткой; 7 — покрышка — фарфор; 8 коробка зажимов вторичной обмотки; 9 — цоколь основания

Рис. 6-19. Шинный трансформатор тока типа ТШЛ-20, 10 кА
1 — корпус; 2 — литая изоляция; 3 — стальной сердечник; 4 — вторичная обмотка

Рис. 6-21. Каскадный трансформатор тока типа ТФНКД-330: а, б — схемы электрических соединений; в — конструкция 1 — вводы первичной обмотки; 2 — переключатель; 3 — маслорасширитель; 4 маслоуказатель; 5 — кольца экрана; 6  — первичная обмотка верхней ступени; 7 сердечник со вторичной обмоткой верхней ступени; 8 — покрышка (корпус) фарфор; 9 соединительная часть; 10 — первичная обмотка нижней ступени; 11 сердечник со вторичной обмоткой нижней ступени; 12 — масло; 13 — цоколь основания; 14 коробка зажимов вторичной обмотки

Рис. 6-22. Внешний вид трансформатора тока типа ТФРМ 750 А-У1

1, 10 — маслорасширители; 2, 8 — воздухоосушители; 3, 6, 9 — экраны; 4 — вывод первичной обмотки (Л1; Л2); 5 — указатель уровня масла; 7, 11 — покрышки; 12 — крышка с табличками трансформатора; 13 — цоколь
В баковых выключателях типов МКП и У трансформаторы тока обычно совмещены с конструкцией вводов в бак выключателя (рис. 6-23). Эти трансформаторы тока имеют обозначение ТВУ-110-50 или ТВС-220-40. В обозначениях буквы и числа обозначают: трансформатор тока, встроенный; У и С — условные обозначения; 110 или 220 — напряжение, кВ; 50 или 40 — термическая стойкость, кА. ТВТ-500 — трансформатор тока, встроенный в силовой трансформатор 500 кВ.
На мощных установках генераторных напряжений трансформаторы тока встраиваются в конструкцию экранированных токопроводов (рис. 6-24).
Трансформаторы тока, предусматриваемые в шкафах, ящиках или камерах комплектных распределительных устройств, имеют самые разнообразные исполнения, необходимые для создания малогабаритной, надежной, экономичной и удобной для изготовления, монтажа и эксплуатации конструкции. Эти трансформаторы тока показаны на чертежах конструкций комплектных распределительных устройств.
Одно из новых направлений в создании электротехнических устройств — это совмещение аппаратов различного назначения в общем комплексе конструкций. В виде примера такого объединения в одной конструкции укажем на комплекс аппаратов генератора (КАГ) мощного гидроагрегата. Здесь в конструкцию комплекса включены выключатель, разъединитель, измерительные трансформаторы напряжения, тока и их установочные детали (рис. 6-25). Кожух КАГ надежно заземлен для безопасности эксплуатации.
Пример расположения ИТН и ИТТ на выводах мощного турбогенератора показан на рис. 6-26.
На повышенных напряжениях (110 кВ и выше) конструкция, обычно наружной установки, например колонна конденсаторов высокочастотной связи между объектами энергосистем, выполняется одновременно как емкостный делитель напряжения для измерения напряжения линий.

Рис. 6-23. Выключатель типа У-110-2000-50У1
1 — разрез полюса выключателя; 2 — трансформаторы тока типа ТВ-110-11У2

При относительно большой емкости конденсатора связи можно получить увеличенную мощность отбора, до 300—600 В - А, и повышенную точность измерений.

Изготовляются комбинированные конструкции ИТН и ИТТ, совмещающие ТКФ и НДЕ. В выпускаемом каскадном трансформаторы тока типа ТФКН-220-1200 последняя и предпоследняя обкладки конденсаторной бумажно-масляной изоляции используются в качестве емкостного делителя напряжения.

Рис, 6-24, Закрытые токопроводы на нейтральных выводах генератора в пределах его фундамента
типа с эпоксидной изоляцией (ТШЛ-20, 10 000/5); 2 — трансформатор тока ОПОФ-10,
1 — трансформаторы тока шинного 1000/5); 3 — Смотровые люки; 4 — трансформатор напряжения (НОМ-10)

 

Рис, 6-25, Комплекс аппаратный генератора (КАГ)

Рис. 6-26. Пример выполнения соединений турбогенератора с повышающим трансформатором и с трансформатором СН с помощью закрытых токопроводов
1 — нулевые выводы обмотки статора генератора; 2 — измерительные трансформаторы тока; 3 — трансформатор тока поперечной дифференциальной защиты генератора; 4 — измерительные трансформаторы напряжения с втычными контактами; 5 — шинный
компенсатор