Трансформатор постоянного тока

Ток термической стойкости I_tт равен наибольшему действующему значению тока короткого замыкания за промежуток t_t, которое ТТ выдерживает в течение всего промежутка времени без нагрева токоведущих частей до температур, превышающих допустимые при токах короткого замыкания, и без повреждений, препятствующих его дальнейшей работе.

Термическая стойкость  характеризует способность ТТ противостоять тепловым воздействиям тока короткого замыкания. Для суждения о термической стойкости ТТ необходимо знать не только значения тока, проходящего через трансформатор, но и его длительность или, иначе говоря, знать общее количество выделенной теплоты, которое пропорционально произведению квадрата тока I_tT и длительности его t_т. Это время, в свою очередь, зависит от параметров сети, в которой установлен ТТ, и изменяется от одной до нескольких секунд.

Термическая стойкость  может характеризоваться кратностью K_т тока термической стойкости, представляющей собой отношение тока термической стойкости к действующему значению номинального первичного тока.

В соответствии с ГОСТ 7746—78 для отечественных ТТ установлены следующие токи термической стойкости:

а) односекундный I_1Т или двухсекундный I_2т (или кратность их К_1T и K_2Т по отношению к номинальному первичному току) для трансформаторов тока на номинальные напряжения 330 кВ и выше;

б) односекундный I_1Т или трехсекундный; I_3Т (или кратность их K_1T и K_3T по отношению к номинальному первичному току) для трансформаторов тока на номинальные напряжения до 220 кВ включительно.

Между токами электродинамической  и термической стойкости должны быть следующие соотношения:

для ТТ на номинальные напряжения 330 кВ и выше

I_Д ≥ 1,8 √2 I_1T   или   I_Д ≥ 1,8 √2 I_2T

для  ТТ  на  номинальные напряжения до 220 кВ     

I_Д ≥ 1,8 √2 I_1T или I_Д ≥ 1,8 √2 I_3T

Температура токоведущих  частей ТТ при токе термической стойкости  не должна превышать: 200 °С для токоведущих частей из алюминия; 250 °С для токоведущих частей из меди и ее сплавов, соприкасающихся с органической изоляцией или маслом, и 300 °С для токоведущих частей из меди и ее сплавов, не соприкасающихся с органической изоляцией или маслом. При определении указанных значений температуры следует исходить из начальных ее значений, соответствующих длительной работе трансформатора тока при номинальном токе.

Значения токов электродинамической  и термической стойкости ТТ государственным  стандартом не нормируются. Однако они  должны соответствовать электродинамической и термической стойкости других аппаратов высокого напряжения, устанавливаемых в одной цепи с трансформатором тока.

7. Механическая нагрузка  определяется давлением ветра  со скоростью 40 м/с на поверхность  трансформатора тока и натяжением подводящих проводов (в горизонтальном направлении в плоскости выводов первичной обмотки), которое должно быть не менее:

500 Н  - для ТТ до 35 кВ включительно;

1000 Н  - для ТТ на 110—220 кВ;

1500 Н - для ТТ на 330 кВ и выше.

Таковы основные технические  параметры и характеристики трансформаторов  тока. При проектировании ТТ помимо этих параметров должны учитываться следующие требования к конструкции:

- контактные зажимы выводов первичной обмотки трансформаторов тока должны выполняться с учетом требований ГОСТ 10434—82, а трансформаторов тока наружной установки — с учетом, кроме того, требований ГОСТ 21242—75. Контактные зажимы выводов вторичных обмоток должны выполняться с учетом требований ГОСТ 10434—82. Контактные зажимы вторичных обмоток встроенных трансформаторов тока могут быть расположены на конструктивных элементах аппарата, в который встроен трансформатор тока. В трансформаторах тока наружной установки контактные зажимы выводов вторичной обмотки должны находиться в специальных коробках, надёжно защищающих их от атмосферных осадков.

Обозначение выводных концов первичных и вторичных обмоток согласно ГОСТ 7746—78 должно производиться в соответствии с табл. Л-3. Линейные выводы первичной обмотки обозначаются символами Л1 и Л2, которые должны наноситься так, чтобы при направлений тока в первичной обмотке от Л1 и H_t соответственно к K_t и Л₂ вторичный ток проходил по внешней цепи (приборам) от И₁ к И₂.

- маслонаполненный    трансформатор    тока   должен   иметь маслорасширитель   (компенсатор)   и   указатель уровня   масла. Вместимость маслорасширителя должна обеспечивать постоянное наличие в нем масла при всех режимах работы трансформатора тока — от отключенного состояния до нормированной токовой нагрузки — и при колебаниях температуры окружающего воздуха, установленных для данного климатического района.

В трансформаторах тока на номинальные напряжения 330 кВ и  более обязательно должна быть предусмотрена  защита масла от увлажнения, например посредством сильфонов. Целесообразно  такую же защиту предусматривать и в трансформаторах тока на меньшие напряжения.

- размеры  указателя  уровня  масла должны  быть такими, чтобы обслуживающий персонал мог с безопасного расстояния наблюдать за уровнем масла в трансформаторе тока.

- трансформаторы тока, имеющие массу более 50 кг, должны иметь приспособления для подъема. Если такие приспособления невозможно выполнить, то завод-изготовитель должен указывать в инструкции места захвата трансформаторов тока при подъеме.

- трансформаторы тока, у которых амплитуда напряжения на разомкнутой вторичной обмотке при номинальном токе в первичной обмотке превышает 350 В, должны иметь надпись: «Внимание! Опасно! На разомкнутой обмотке высокое напряжение».

- трансформаторы тока, кроме встроенных, должны иметь контактную площадку для присоединения заземляющего проводника и заземляющий зажим в соответствии с требованиями ГОСТ 21130—75 и ГОСТ 12.2.007.3—75.               Возле заземляющего зажима должен быть установлен знак заземления по      ГОСТ 21130—75. Указанные требования не распространяются на ТТ с корпусом из литой смолы или пластмассы, не имеющие подлежащих заземлению металлических частей, а также на ТТ, не подлежащие заземлению согласно         ГОСТ 12.2.007.3—75.

 

2. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ   СХЕМА   ТРАНСФОРМАТОРА   ТОКА.

 

Принципиальная схема  одноступенчатого электромагнитного  трансформатора тока и его схема  замещения приведены на рис. 2. Как  видно из схемы, основными элементами трансформатора тока участвующими в преобразовании тока, являются первичная 1 и вторичная 2 обмотки, намотанные на один и тот же магнитопровод 3. Первичная обмотка включается последовательно (в рассечку токопровода высокого напряжения 4, т. е. обтекается током линии I_j. Ко вторичной обмотке подключаются измерительные приборы (амперметр, токовая обмотка счетчика) или реле. При работе трансформатора тока вторичная обмотка всегда замкнута на нагрузку.

 

Рис.   2.   Принципиальная   схема

трансформатора тока и его схема замещения.

 

Первичную обмотку совместно  с цепью высокого напряжения называют первичной цепью, а внешнюю цепь, получающую измерительную информацию от вторичной обмотки трансформатора тока (т. е. нагрузку и соединительные провода), называют вторичной цепью. Цепь, образуемую вторичной обмоткой и присоединенной к ней вторичной цепью, называют ветвью вторичного тока.

Из принципиальной схемы  трансформатора видно, что между  первичной и вторичной обмотками  не имеется электрической связи. Они изолированы друг от друга  на полное рабочее напряжение. Это и позволяет осуществить непосредственное присоединение измерительных приборов или реле ко вторичной обмотке и тем самым исключить воздействие высокого напряжения, приложенного к первичной обмотке, на обслуживающий персонал. Так как обе обмотки наложены на один и тот же магнитопровод, то они являются магнитно-связанными.

На рис. 2 изображены только те элементы трансформатора тока, которые  участвуют в преобразовании тока. Конечно, ТТ имеет много других элементов, обеспечивающих требуемый уровень изоляции, защиту от атмосферных воздействий надлежащие монтажные и эксплуатационные характеристики.

Перейдем к рассмотрению принципов действия трансформатора тока (рис. 2). По первичной обмотке 1 трансформатора тока проходит ток I₁, называемый первичным током. Он зависит только от параметров первичной цепи. Поэтому при анализе явлений, происходящих в трансформаторе тока, первичный ток можно считать заданной величиной. При прохождении первичного тока по первичной обмотке в магнитопроводе создается переменный магнитный поток Ф₁ изменяющийся с той же частотой, что и ток I₁. Магнитный поток Ф₁ охватывает витки как первичной, так и вторичной обмоток. Пересекая витки вторичной обмотки, магнитный поток Ф₁ при своем изменении индуцирует в ней электродвижущую силу. Если вторичная обмотка замкнута на некоторую нагрузку, т. е. к ней присоединена вторичная цепь, то в такой системе «вторичная обмотка — вторичная цепь» под действием индуцируемой э. д. с. будет проходить ток. Этот ток согласно закону Ленца будет иметь направление, противоположное направлению первичного тока I_i. Ток, проходящий по вторичной обмотке, создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф₂, который направлен встречно магнитному потоку Ф₁. Вследствие этого магнитный поток в магнитопроводе, вызванный первичным током, будет уменьшаться.

В результате сложения магнитных  потоков Ф₁ и Ф₂ в магнитопроводе устанавливается результирующий магнитный поток:

Ф₀ = Ф₁ — Ф₂

 составляющий несколько  процентов магнитного потока Ф₁. Поток Ф₀ и является тем передаточным «звеном, посредством которого осуществляется передача энергий от первичной обмотки ко вторичной в процессе преобразования тока.

Результирующий магнитный  поток Ф₀, пересекая витки обеих обмоток, индуцирует при своем изменении в первичной обмотке противо-Э.Д.С. E₁, а во вторичной обмотке — э. д. с. E₂. Так как витки первичной и вторичной обмоток имеют примерно одинаковое сцепление с магнитным потоком в магнитопроводе (если пренебречь рассеянием), то в каждом витке обеих обмоток индуцируется одна и та же Э.Д.С. Под воздействием Э. Д. С. E₂ во вторичной обмотке протекает ток I₂, называемый вторичным током.

Если обозначить число  витков первичной обмотки, через ω₁, а вторичной обмотки — через ω₂, то при протекании по ним соответственно токов I₁ и I₂ в первичной обмотке создается магнитодвижущая сила

F₁ = I₁ ω₁

называемая первичной  магнитодвижущей силой (М. Д. С.), а во вторичной обмотке — магнитодвижущая сила

F₂ = I₂ ω₂

называемая вторичной М. Д. С. Магнитодвижущая сила измеряется в амперах.

При отсутствии потерь энергии  в процессе преобразования тока магнитодвижущие силы F₁ и F₂ должны быть численно равны, но направлены в противоположные стороны.

Трансформатор тока, у  которого процесс преобразования тока не сопровождается потерями энергии, называется идеальным. Для идеального трансформатора тока справедливо следующее векторное равенство:

                                                             .     .

                                                            F1=F2                         (1)

 

Или

                                                           I₁ ω₁₌I₂ ω₂                                (2)

Из   равенства   (2)   следует,   что

                                                       I₁/I₂ = ω₁/ ω₂ = n             (3)

 

Т. е. токи в обмотках идеального трансформатора тока обратно пропорциональны числам витков.

Отношение первичного тока ко вторичному (I₁/I₂) или числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки (ω₁/ω₂)  называется   коэффициентом   трансформации   n идеального трансформатора тока. Учитывая равенство (3), можно написать

I₁ = I₂ (ω₁/ ω₂) = I₂n                 (4)

т. е. первичный ток I₁ равен вторичному току I₂, умноженному на  коэффициент трансформации трансформатора тока  n.

В реальных ТТ преобразование тока сопровождается потерями энергии, расходуемой на создание магнитного потока в магнитопроводе, на нагрев и перемагничивание магнитопровода, а также на нагрев проводов вторичной обмотки и вторичной цепи. Эти потери энергии нарушают установленные выше равенства для абсолютных значений М. Д. С. F₁ и F₂. В реальном трансформаторе первичная М. Д. С. должна обеспечить создание необходимой вторичной М. Д. С., а также дополнительной М. Д. С., расходуемой на намагничивание магнитопровода и покрытие других потерь энергии. Следовательно, для реального трансформатора уравнение (1) будет иметь следующий вид:

                                               .      .     .    

                                             F₁ = F₂ +F₀                                (5)

 

где F₀ — полная М. Д. С. намагничивания, затрачиваемая на проведение магнитного потока Ф₀ по магнитопроводу, на нагрев и перемагничивание его.