Измерительные трансформаторы и датчики. Лекция 8

1.

Измерительные
трансформаторы и датчики
Измерительный трансформатор — электрический
трансформатор, предназначенный для измерения и
контроля (например, в системах релейной защиты
сетей) напряжения, тока или фазы электрического
сигнала переменного тока промышленной частоты (50 или
60 Гц) и постоянного тока в контролируемой цепи.

2.

Измерительные трансформаторы и датчики
• Применяется в тех случаях, когда непосредственное подключение
измерительного прибора неудобно или невозможно, например,
при измерении очень больших токов или напряжений. Также
применяется для обеспечения гальванической изоляции
первичной цепи от измерительной или контролирующей цепи.
• Измерительный трансформатор рассчитывается таким образом,
чтобы оказывать минимальное влияние на измеряемую
(первичную) цепь и минимизировать искажения формы сигнала и
фазы измеряемого сигнала первичной цепи, пропорционально
отображаемого во вторичную измерительную цепь.

3.

Измерительные трансформаторы тока (ТТ)
• Основная область применения ТТ — учет расхода электроэнергии
и организация систем защиты для различных электроустановок.
• Как видно из рисунка (слайд ниже), катушка 1 с выводами L1 и L2
подключена последовательно в цепь, где производится
измерение тока I1. К катушке 2 подключается приборы,
позволяющие установить значение тока I2, релейная защита,
система автоматики и т.д.
• В измерительном трансформаторе тока обязательно наличие
изоляции как между катушками, витками провода в них и
магнитопроводом. Помимо этого по нормам ПУЭ и требованиям
техники безопасности, необходимо заземлять вторичные цепи,
что обеспечивает защиту в случае КЗ между катушками.

4.

1. Первичная обмотка с определенным количеством витков (W1).
2. Замкнутый сердечник, для изготовления которого
используется электротехническая сталь.
3. Вторичная обмотка (W2 — число витков)

5.

Измерительные трансформаторы тока (ТТ)
• техники безопасности, необходимо заземлять вторичные цепи,
что обеспечивает защиту в случае КЗ между катушками.
• Перечень основных параметров ТТ.
• Технические характеристики трансформатора тока описываются
следующими параметрами:
• Номинальным напряжением, как правило, в паспорте к прибору
оно указано в киловольтах. Эта величина может быть от 0,66 до
1150 кВ. Получить полную информацию о шкале напряжений
можно в справочной литературе.
• Номинальным током первичной катушки (I1), также указывается в
паспорте. В зависимости от исполнения, данный параметр может
быть в диапазоне от 1,0 до 40000,0 А.

6.

Измерительные трансформаторы тока (ТТ)
• Током на вторичной катушке (I2), его значение может быть 1,0 А
(для ИТТ с I1 не более 4000,0 А) или 5,0 А (основной стандарт в
РФ). Под заказ могут изготавливаться устройства с I2 равным 2,0 А
или 2,50 А. ТТ могут иметь 2 и более вторичные обмотки.
• Коэффициентом трансформации (КТ), он показывает отношение
тока между первичной и вторичной катушками, что можно
представить в виде формулы: КТ = I1/I2. Коэффициент,
определяемый по данной формуле, принято называть
действительным. Но для расчетов еще используется
номинальный КТ, в этом случае формула будет иметь вид:
IНОМ1/IНОМ2, то есть в данном случае оперируем не
действительными, а номинальными значениями тока на первой и
второй катушке.

7.

Измерительные трансформаторы тока (ТТ)
• Класс точности ТТ. Бывает 0,2 – лабораторные измерения; 0,5; 1 –
коммерческий учет электроэнергии и РЗА; 3; 5; 10 – технический
учет электроэнергии и измерительные приборы.
• Чаще всего вторичной обмоткой ТТ служит жила кабеля или
шина.
• Конструкции ТТ.
• В зависимости от исполнения, данные устройства делятся на
следующие виды:
• Катушечные, пример такого ТТ представлен ниже.

8.

A – Клеммная колодка
вторичной обмотки.
В – Защитный корпус.
С – Контакты первичной
обмотки.
D – Обмотка (петлевая или
восьмерочная) .

9.

Измерительные трансформаторы тока (ТТ)
• Стержневые, их также называют одновитковыми. В зависимости
от исполнения они могут быть:
• 1. Встроенными, они устанавливаются на изоляторы вводы
силовых трансформаторов
• Отдельностоящими.
• Шинными, это наиболее распространенная конструкция. Ее
принцип строения напоминает предыдущий тип, стой лишь
разницей, что в данном исполнении в качестве первичной
обмотки используется токопроводящая шина или жила, которая
заводится в окно ИТТ.

10.

А – встроенный ТТ.
В – изолятор силового
ввода трансформатора
подстанции.
С – место установки ТТ
(представлен в разрезе)
на изоляторе.
То есть, в данном случае
высоковольтный ввод
играет роль первичной
обмотки.

11.

Шинные ТТ производства Schneider Electric

12.

Измерительные трансформаторы
напряжения (ТН)
• Разъемными. Особенность данной конструкции заключается в
том, что магнитопровод ТТ может разделяться на две части,
которые стягиваются между собой специальными шпильками.
Такой вариант конструкции существенно упрощает монтаж/
демонтаж изделия.
• Схемы подключения
• Обмотки трехфазных ТТ могут быть подключены «треугольником»
или «звездой» (слайд ниже). Первый вариант применяется в тех
случаях, когда необходимо получить большую силу тока в цепи
второй обмотки или требуется сдвинуть по фазе ток во вторичной
катушке, относительно первичной. Второй способ подключения
применяется, если необходимо отслеживать силу тока в каждой
фазе.

13.

14.

Схема подключения трехобмоточного ТТ «звездой» и «треугольником»

15.

Подключения: А – для суммы токов всех фаз, В и С — последовательное
и параллельное включение двухобмоточных ТТ.

16.

Измерительные трансформаторы
напряжения (ТН)
• Измерительные трансформаторы напряжения (ТН)
предназначены для возможности измерения высокого
напряжения электроустановок переменного тока путем снижения
этого напряжения для подачи на защитные реле, приборы
измерения и системы автоматики.
• При отсутствии измерительных трансформаторов понадобилось
бы применять приборы и реле с большими габаритными
размерами, так как необходима надежная изоляция от высокого
напряжения, которая увеличивает размеры устройств. Изготовить
такое оборудование практически невозможно, так как
напряжения линий могут достигать величины 1140 киловольт.

17.

Измерительные трансформаторы
напряжения (ТН)
• Гальваническая развязка, которую обеспечивают
трансформаторы путем отделения измерительной цепи от
высокого напряжения, позволяет создать необходимый уровень
безопасности обслуживающего персонала.
• Устройство и работа
• Измерительные трансформаторы устроены аналогично
понижающим силовым трансформаторам, и состоят из
металлического сердечника, выполненного из
электротехнической листовой стали, первичной и вторичной
обмоток. Трансформаторы могут оснащаться несколькими
вторичными обмотками, в зависимости от конструкции и
предъявляемых требований к трансформатору.

18.

19.

Измерительные трансформаторы
напряжения (ТН)
• К первичной обмотке подключается высокое напряжение, а с
вторичной обмотки снимается напряжение измерительными
устройствами. Коэффициент трансформации такого устройства
равен отношению первичного высокого напряжения к
номинальному значению вторичного напряжения.
• Трансформаторы напряжения эксплуатируются в режимах,
подобных холостому ходу. Это объясняется тем, что
подключенный к вторичной обмотке прибор, например,
вольтметр, обладает большим сопротивлением, и ток,
протекающий по этой обмотке, очень незначителен.

20.

Измерительные трансформаторы
напряжения (ТН)
• Стандартное номинальное напряжение вторичной обмотки не
бывает более 100 В (стандарт в РФ для высоковольтных ТН) и
имеет рабочий ток от 1 до 5 А. Класс точности 0,2 – лабораторные
измерения; 0,5 – коммерческий учет и РЗА; 1; 3 – технический
учет, приборы, редко – РЗА.
• Для обеспечения рабочих условий эксплуатации клеммы
вторичной обмотки присоединяют к измерительными
приборам или защитному оборудованию. Одну из клемм и
основание оборудования заземляют.
• Цепи при вторичной работе не замыкают, иначе может произойти
термическое разрушение.

21.

Схема подключения трансформатора
напряжения где:
1 – первичная обмотка,
2 – магнитопровод,
3 – обмотка вторичного напряжения

22.

Однофазный и трехфазные ТН

23.

Размещение трансформатора напряжения в ячейке КРУН и подключение
к питающей сети через предохранители

24.

Датчики тока и напряжения
• Любой ток, протекающий по проводнику, создает вокруг этого
проводника магнитное поле. Измеряя величину и направление
этого магнитного поля, можно определить величину,
направление и форму протекающего тока. Отсюда и основное
преимущество датчиков тока, реализующих указанный принцип
работы: они измеряют любой вид тока без разрыва токовой цепи
и с гальванической развязкой выходного сигнала от токовой цепи.
Поэтому, даже несмотря на большую стоимость, датчики
измерения тока успешно заменяют токовые шунты и
трансформаторы тока особенно в низковольтном горном
электрооборудовании.

25.

Датчики тока и напряжения
• Универсальность датчиков заключается в том, что одним и тем же
прибором можно измерять постоянные, переменные и
импульсные токи. Для этого в конструкцию датчика кроме
концентратора магнитного поля входит так называемый датчик
Холла – миниатюрный полупроводниковый прибор,
определяющий величину и направление магнитного поля
проходящего тока.
• При установке и подключении датчиков Холла жила кабеля или
шина служит вторичной обмоткой. Условие установки –
перпендикулярность датчика относительно жилы (шины).

26.

27.

Внешний вид датчиков производства ОАО «НИИЭМ»

28.

Миниатюрный датчик Холла для определения числа оборотов
коленвала ДВС автомобиля

29.

Датчики тока и напряжения
• Конструктивно датчик тока представляет из себя миниатюрный
автономный модуль, электронная начинка которого питается от
постоянного напряжения ±15 В*. Потребитель должен только
пропустить токовую шину через отверстие в корпусе датчика тока.
Выходной сигнал такого датчика строго пропорционален
измеряемому току.

30.

Оптические трансформаторы тока и
напряжения
• Согласно общей стратегии развития всей энергосистемы РФ
довольно скоро все подстанции должны реконструировать под
цифровой формат. А для этого требуется заменить старые (но при
этом надежные) аналоговые силовые трансформаторы тока и
трансформаторы напряжения на их цифровой аналог. На самом
деле причина почему требуется замена оборудования, довольно
банальна. Аналоговые ТТ и ТН довольно проблематично
интегрировать в единую сеть мониторинга и контроля да и
точность измерения уже не отвечает современным стандартам и
требованиям. Поэтому замена аналоговых преобразователей на
оптические это вопрос времени и финансирования предприятий.

31.

Оптические трансформаторы тока и
напряжения
• Принцип работы и устройство оптических трансформаторов.
• Принцип работы оптических ТТ основан на использовании
эффекта Фарадея, согласно которому при распространении
линейно-поляризованного света, находящегося в магнитном поле
наблюдается вращение плоскости поляризации света и
использовании эффекта Поккельса (для ТН), согласно которому
происходит изменение угла преломления и поляризации под
непосредственным воздействием электрического поля.
• Если сказать совсем просто, то в зависимости от угла отклонения
луча электроника высчитывает протекающий ток с учетом всех
существующих погрешностей.

32.

33.

Эффект Фарадея

34.

Оптические трансформаторы тока и
напряжения
• Оптические ТТ.
• В большинстве случаев оптические ТТ представляют собой
оптическую колонну, внутри которой располагаются: оптический
сенсор, который представляет из себя фиксированное количество
витков оптоволокна. Они размещены перпендикулярно шине и
по ней проходит первичный ток. При этом нет никакого
физического контакта шины и сенсора. Далее волокна проходят
через полимерный изолятор на оптический кросс (размещенный
в нижней полости колонны). И все, во внешней колонне больше
ничего нет. Далее сигнал отправляется в цифровом виде по
общей шине в блок электроники, который устанавливается на
пульту оператора.

35.

36.

37.

Оптические трансформаторы тока и
напряжения
• Преимущества и недостатки оптических ТТ
• По сравнению с аналоговыми преобразователями оптические ТТ
обладают следующими преимуществами:
• Плюсы
• 1. Достаточно широкий канал измерений при высокой
термической и электродинамической стойкости.
• 2. Высокая линейность.
• 3. Полное отсутствие таких явлений как: насыщение, гистерезис,
остаточного и необратимого изменения параметров после
перегрузки (Короткого замыкания).
• 4. Отсутствует резонанс.

38.

39.

Оптические трансформаторы тока и
напряжения
• 5. Широчайший частотный диапазон, который позволяет
выполнять анализ гармоник напряжения и тока в высоковольтной
цепи.
• 6. Полностью исключено воздействие нагрузки вторичных цепей
и потерь в них.
• 7. Повышенная устойчивость оптоволоконных каналов к внешним
электромагнитным помехам.
• 8. Меньший вес и габарит по сравнению с аналоговыми
образцами.
• 9. Так как в конструкции нет ни масла, ни газа, ни бумаги, то такие
ТТ обладают повышенными показателями безопасности.

40.

41.

Оптические трансформаторы тока и
напряжения
• Эффект Поккельса (электрооптический эффект Поккельса) —
явление возникновения двойного лучепреломления в оптических
средах при наложении постоянного или переменного
электрического поля.
• Специальные датчики улавливают это преломление и
преобразуют сигнал в напряжение необходимой величины.
• В настоящее время большинство выпускаемых оптических
трансформаторов – универсальны и имеют встроенные ТТ и ТН,
• Минусы оптических трансформаторов.
• Пожалуй, единственным минусом можно назвать пока еще
довольно высокая стоимость этих изделий. Но, а в дальнейшем
все недостатки будут выявлены только в процессе опытной
эксплуатации

42.

43.

Устройство оптического ТН