Трансформаторы тока

1. Лекция Трансформаторы тока

© Ставропольский
государственный аграрный
университет
Ставрополь, 2007

2.

Первичные измерительные
преобразователи тока
К измерительным органам
воздействующая величина – ток –
обычно подводится от первичных
измерительных преобразователей тока.
Они обеспечивают изоляцию цепей тока
измерительных органов от высокого
напряжения и позволяют независимо от
номинального первичного тока получить
стандартное значение вторичного тока.

3.

Наиболее распространенными
первичными преобразователями тока
являются измерительные
трансформаторы тока ТА. Они имеют
стандартный номинальный вторичный
ток Iном=1; 5 А при любых значениях
номинального первичного тока;
допускается изготовление
трансформаторов тока с номинальным
вторичным током Iном = 2; 2,5 А.

4.

Трансформаторы тока иногда
используют и в сетях напряжением до
1000 В.
Для правильного действия особенно
релейной защиты требуется точная
работа трансформаторов тока при токах
перегрузки электроустановки и токах к.
з., которые во много раз могут
превышать их номинальные первичные
токи.

5.

Правильная работа быстродействующих
устройств защиты и автоматики должна
обеспечиваться при переходных
процессах в трансформаторах тока.
Особенностью измерительных
трансформаторов тока является режим
короткого замыкания (близкий к
короткому замыканию) его вторичной
цепи.

6.

Первичная обмотка трансформатора ТА
с числом витков W1 включается в цепь
первичного тока I1 сети, а ко вторичной
обмотке с числом витковW2подключаются
цепи тока измерительных органов, например
измерительных реле тока КА1, КА2 с
относительно малым
сопротивлением.
.
i1
Л1
Л2
.
I1
Фi, Ф ТА
КА1
И1
W1
W2
И2
.
i2, I2
КА2

7.

Начала и концы обмоток
трансформатора тока указываются на их
выводах. Выводы первичной обмотки JI1
и Л2 маркируются произвольно, а
выводы вторичной обмотки И1 и И2 – с
учетом принятого обозначения выводов
первичной обмотки.
.
i1
Л1
Л2
.
I1
Фi, Ф ТА
КА1
И1
W1
W2
И2
.
i2, I2
КА2

8.

При этом за начало вторичной обмотки
принимается вывод, из которого
мгновенный ток i2 направляется в цепь
нагрузки, а в первичной обмотке ток
i1направлен от начала Л1 к концу Л2.
i1
Л1
Л2
.
I1
.
Фi, Ф ТА
КА1
И1
W1
W2
И2
.
i2, I2
КА2

9.

При такой маркировке мгновенное
значение тока в обмотке реле имеет то же
направление, что и при включении
непосредственно в защищаемую цепь
(без трансформатора).
i1
Л1
Л2
.
I1
.
Фi, Ф ТА
КА1
И1
W1
W2
И2
.
i2, I2
КА2

10.

На рисунке показаны направления
токов i1, i2 для некоторого момента
времени и принятой намотки витков.
Направление магнитного потока Ф1 при
заданном направлении тока i1
определяется по правилу буравчика. Ток
i2 всегда направлен так, что
размагничивает
магнитопровод.
.
i1
Л1
Л2
.
I1
Фi, Ф ТА
КА1
И1
W1
W2
И2
.
i2, I2
КА2

11.

Соотношение синусоидальных токов
(напряжений, потоков и др.)
изображается обычно векторной
диаграммой. Векторная диаграмма
может быть изображена и имеет
определенный смысл только при
условии, что для каждой из величин
выбрано положительное направление.

12.

На рисунке показаны
направления токов i1, i2 для
некоторого момента времени
и принятой намотки витков.
Направление магнитного
потока Ф1 при заданном
направлении тока i1
.
определяется по правилу
I2
буравчика. Ток i2 всегда
направлен так, что
размагничивает
магнитопровод.
./
I1
.
I2
ψ
π

13.

Соотношение синусоидальных токов
(напряжений, потоков и др.) изображается
обычно векторной диаграммой. Векторная
диаграмма может быть изображена и имеет
определенный смысл только при условии,
что для каждой из величин выбрано
положительное направление.

14.

Так, из данной диаграммы следует, что ток
отстает по фазе от тока на угол ψ.
Это означает, что ток i2 достигает, например,
положительного максимального мгновенного
значения позже, чем ток i1, на время t =ψ/ω.
./
I1
.
I2

15.

Однако указанный момент времени
становится неопределенным, если
неизвестно, какое из двух возможных
направлений тока считается
положительным.

16.

Если для одного
положительного направления
ток отстает по фазе от тока
на угол ψ, для другого
(противоположного)
направления тока (при
неизменном положительном
направлении тока ) угол
сдвига фаз равен ψ+π (на
рисунке показано
.
пунктиром).
I2
./
I1
.
I2
ψ
π

17.

Поэтому при построении векторной
диаграммы первичного и вторичного
токов трансформатора тока ТА
необходимо задаться их
положительными направлениями.

18.

Если для первичного тока I1 принять
положительное направление от начала к
концу обмотки, а для вторичного I2 – от конца
к началу обмотки, как показано стрелками на
рисунке , то векторы магнитодвижущих сил
(МДС) первичной и вторичной обмоток
оказываются направленными
противоположно.
.
i1
Л1
Л2
.
I1
Фi, Ф ТА
КА1
И1
W1
W2
И2
.
i2, I2
КА2

19.

При этом, согласно закону полного тока.
(1)
I W I W F
1
1
2
2
нам
В идеальном трансформаторе
результирующая МДС Fнам= 0.
При этом
I 1 W1 I 2 W2 0
Или
.
W
I 2 I 1 1 I 1
W2
(2)
(3)

20.

Токи и равны и совпадают
по фазе. На векторной
диаграмме они могут быть
изображены одним вектором
./
I1
.
I2
./
I1
.
I2

21.

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 δ
.
I2
δ
./
I1

22.

В дальнейшем при построении векторных
диаграмм положительное направление тока
принимается от начала к концу обмотки, а
тока – от конца к началу
i1
Л1
Л2
.
I1
Фi ,
ТА
КА1
И1
W1
W2
./
I1
./
I1
КА2
.
i2, I2
.
I2
ψ
И2
π
.
I2

23.

Схема замещения трансформатора тока,
нагруженного сопротивлением Zн, показана
на рисунке . Сопротивления первичной
обмотки и ветви намагничивания Z/1, Z/нам и
токи приведены ко вторичной обмотке.
Направление токов определено на основании
выражения 1 I 1 W1 I 2 W2 Fнам
./
I1
Л1
Z
Z2
/
1
/
Z нам
Л2
/
I нам
.
Е2 . .
U2 I2

24.

Для принятого положительного направления
токов
I 1 W1 I 2 W2 I нам W1
откуда
I W1 I I W1
1
2
нам
W2
W2
или
I 1 I 2 I нам
(4)

25.

Из схемы замещения видно, что
сопротивление первичной обмотки Z/1 не
влияет на распределение тока между ветвью
намагничивания Zнам и ветвью нагрузки Zн;
поэтому из схемы, изображенной на рисунке в
соответствии с которой построена векторная
диаграмма рисунок оно исключено
б)
Л1
./
I1
Z2
/
Z нам
Л2
/
I нам
.
Е2 . .
U2 I2
И1
Zн
И2

26.

.
ΔI
.
I2
./
I нам
.
Е2
δ
π/2
/
нам
I
γ
Ф
./
I1

27.

Из векторной диаграммы видно, что
вторичный ток I2 отличается от приведенного
первичного I/1 как по значению на ΔI, так и по
фазе на угол δ. Ток значительно меньше тока
, поэтому результирующая МДС Fнам
определяющая рабочий магнитный поток Ф и
ЭДС Е2, во много раз меньше МДС первичной
обмотки I1·W1. Очевидно, что чем меньше
сопротивление нагрузки Zн, т. е. чем ближе
режим цепи вторичной обмотки к режиму
короткого замыкания, тем большая часть
тока I/1 замыкается по цепи вторичной
обмотки и тем точнее работает трансформатор
тока.

28.

По мере увеличения сопротивления нагрузки
Zн ток I/1 распределяется таким образом, что
ток I2 уменьшается, а ток I/нам увеличивается,
т. е. трансформатор тока начинает работать с
большими погрешностями. В пределе, когда
Zн = ∞ (обмотка разомкнута), ток I2 = 0, а
I/нам=I/1 и результирующая МДС резко
возрастает. Она становится равной МДС
первичной обмотки. Следствием этого
является значительное увеличение
магнитного потока Ф.

29.

При размыкании вторичной обмотки
магнитопровод быстро насыщается, что
обусловливает появление на разомкнутой
обмотке трансформатора несинусоидальной
ЭДС е2, максимальные мгновенные значения
которой могут достигать тысяч и даже
десятков тысяч вольт, что представляет
опасность для обслуживающего персонала и
изоляции. Наряду с этим в связи с
увеличением магнитного потока возрастают
потери в стали и магнитопровод
трансформатора недопустимо перегревается,
что может привести к усиленному износу или
даже повреждению изоляции трансформатора
тока.

30.

Таким образом, нормальным режимом работы
трансформатора тока является режим
короткого замыкания вторичной цепи с
малой МДС Fнам. На точность работы
трансформатора тока влияет не только
нагрузка, но и значение первичного тока I1.
На риснке представлена зависимость
вторичного тока I2 от кратности первичного
тока k = I1/I1 ном для некоторой постоянной
нагрузки Zн.
I
а
к10
I2max
2
к

31.

До точки перегиба (точка а) эта зависимость
близка к прямолинейной. Дальнейшее
увеличение первичного тока I1 из-за
насыщения магнитопровода трансформатора
почти не приводит к росту вторичного тока, а
ток намагничивания резко возрастает. Таким
образом, точность трансформатора тока с
ростом кратности k ухудшается. С
увеличением нагрузки перегиб наступает при
меньших кратностях тока.

32.

Согласно ГОСТ 7746-78, точность работы
трансформаторов тока, предназначенных для
релейной защиты, характеризуется полной
погрешностью
(5)
100 1 T
2
i2 К1 i1 dt
I1 T 0
где I1 – действующее значение первичного
тока, А;
Т – длительность периода тока, с;
K1 – номинальный коэффициент
трансформации (отношение номинального
первичного тока к номинальному вторичному
току).

33.

Трансформаторы тока, используемые в
релейной защите, имеют два класса точности:
5Р и 10Р. Полная погрешность первых не
должна превышать ε = 5%, а вторых ε = 10%
при заданной вторичной нагрузке и расчетной
предельной кратности первичного тока.
Полная погрешность связана с предельной
кратностью k10 трансформатора тока,
представляющей собой наибольшее
отношение первичного тока к его
номинальному значению, при котором полная
погрешность при заданной вторичной
нагрузке не превышает ε=10%.

34.

Предприятие-поставщик гарантирует
значение предельной кратности для
номинальной нагрузки (номинальная
предельная кратность k10ном).
Трансформаторы тока выбираются так,
чтобы полная погрешность не превышала
ε =10 % при заданной вторичной нагрузке
и кратности первичного тока,
соответствующей условиям срабатывания
защиты.

35.

Рассмотренные соотношения и
векторная диаграмма характерны
и для вторичных измерительных
трансформаторов тока, которые,
как правило, входят в
измерительную часть современных
устройств защиты, автоматики и
телемеханики.

36. Схемы соединения трансформаторов тока и реле

Для питания цепей учёта, измерения и
релейной защиты применяются различные
схемы соединения. Поэтому ток во вторичной
обмотке трансформатора тока (I2Т) и ток в
обмотке реле (Iр) могут существенно
различаться, поэтому для учёта этого
вводится коэффициент схемы.
.
I
К сх
p
I 2Т

37. Схема соединения трансформаторов тока и реле в звезду

I
I A
a
nT
I н I a I в I c

38.

При трёхфазном коротком замыкании и при
перегрузках токи во вторичных обмотках
трансформаторов тока и токи, проходящие по
обмоткам реле равны и коэффициент схемы в
этом случае равен 1 .

39.

При двухфазном коротком замыкании
например В – С:
IA=0; Iа=0.
IB = -IC; Iв= -Ic ; Iн= 0.
Коэффициент схемы равен 1

40.

При двухфазном коротком замыкании на
землю через нулевой провод протекают токи
нулевой составляющей Iн=1/3(Iв+Iс), то есть
1/3 их геометрической суммы. Коэффициент
схемы в данном случае будет равен 1.

41.

При однофазном коротком замыкании на
землю через нулевой провод протекает ток.
Таким образом, реле установленное в нулевом
проводе обтекается токами нулевой
последовательности и коэффициент схемы
будет равен 1 .
Во всех режимах короткого замыкания во
вторичных обмотках трансформаторов тока и
реле соответствующих фаз токи одинаковы.
Нулевой провод реле является фильтром
токов нулевой последовательности.
Данная сема применяется в сетях с
глухозаземлённной и
эффективнозаземлённной нейтралью.

42. Схема соединения трансформаторов тока и реле в неполную звезду

IA
Ia
nT
IC
Ic
nT

43.

При перегрузках или трёхфазном коротком
замыкании токи во всех фазах одинаковы.
,
I н I а I с
то есть примерно I в I н
Таким образом, коэффициент схемы будет
равен 1.

44.

При двухфазном коротком замыкании фаз А и
С Iн=0, при замыкании фаз А и В или В и С
Iв=Ia или Iв=Ic , следовательно, коэффициент
схемы равен 1

45.

При однофазном коротком
замыкании фазы А на землю Iн=Ia ,
kcх=1. При однофазном коротком
замыкании фазы С на землю , Iн=Iс ,
kcх=1. При замыкании фазы В на
землю Iн=0, то есть данная схема при
замыкании фазы в которой нет
трансформатора тока не реагирует.
Данную схему целесообразно
применять в сетях с изолированной
нейтралью, где необходимости в
защите от замыканий на землю нет.
Схема имеет минимальное число
элементов.

46. Схема соединения трансформаторов тока и реле в треугольник, а реле в звезду

IA IB
I1
nT nT
I B IC
I2
nT nT
IC I A
I3
nT nT

47.

При перегрузках и трёхфазных коротких
замыканиях I p I1 3 I a → kсх(3) 3
Таким образом через реле проходит ток в раз
3
больший и сдвинут на угол 300. Токи нулевой
последовательности не выходят за пределы
треугольника.

48.

При двухфазном коротком замыкании
например между фазами А и В IA=-Iн; IC=0.
Подставляя эти значения в выражения для
токов в реле имеем
I A I A 2I A
I1
2I a
nT
nT
nT
I 2 Iв I3 Ia
( 2)
k
Таким образом, коэффициент схемы сх 1 - 2

49.

При однофазном коротком замыкании
например фаза А на землю I1=Iа ; I2 = 0; I3 = Ia.
При двухфазном коротком замыкании на
землю k cх(1) 1
Данная схема чувствительна ко всем видам
короткого замыкания и применяется для
дифференциальных защит трансформаторов.

50. Схема включения одного реле на разность токов двух фаз

I A IC
Ip
Ia Ic
nT nT

51.

При трёхфазном коротком замыкании I p
и сдвинут на 300 таким образом kсх(3) 3 .
3 Ia

52.

При двухфазном коротком замыкании
коэффициент схемы зависит от того какие
фазы закорочены.
Если закорочены фазы А и С значит Ic = – Ia и
тогда I p 2 I a k сх( 2) 2

53.

Если закорочены фазы А и В или В и С через
реле проходит ток одной фазы Ip=IA или Ip=IC
коэффициент схемы в этом случае
коэффициент схемы будет равен 1.

54.

При однофазном коротком замыкании
если короткое замыкание произошло на
фазе не имеющей трансформатор тока,
то в этом случае реле на аварию не
реагирует.
Схема имеет наименьшее число
элементов чувствительна ко всем видам
короткого замыкания, кроме одного на
землю.

55. Схема включения одного реле на сумму токов трёх фаз

I p I a I в I c 3 I 0 Фильтр токов нулевой
последовательности