Афанасьев - Трансформаторы тока (1989)
Трансформаторы тока. В. В. Афанасьев
2-е изд., перераб. и доп. 1989.
Приведена методика расчета и проектирования высоковольтных трансформаторов тока. Рассмотрены вопросы погрешностей трансформаторов при нормальных условиях работы и при переходных режимах.
Изложены различные методы компенсации погрешностей и рассмотрены конструкции трансформаторов. Уделено внимание перспективам развития трансформаторов тока. Даны примеры расчета. Первое издание вышло в
Для инженерно-технических работников, занятых проектированием, исследованием и производством трансформаторов тока, их монтажом и эксплуатацией.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Последние годы характеризуются быстрым развитием энергетики. Повышаются номинальные напряжения и токи электрооборудования, устанавливаемого в энергосистемах. В связи с объединением энергосистем значительно увеличиваются токи короткого замыкания. Все это приводит к необходимости создания нового высоковольтного оборудования, одним из видов которого являются трансформаторы тока (ТТ). Им и посвящена настоящая работа. Конструкциям и расчету трансформаторов тока высокого напряжения в Советском Союзе, да и за рубежом посвящено очень мало обстоятельных книг. В СССР по трансформаторам тока Энергоатомиздатом (изд-во «Энергия», Госэнергоиздат) были выпущены следующие книги: в
Вышеизложенное привело к необходимости выпуска новой книги по трансформаторам тока, в которой, помимо общих конструктивных сведений и расчетов токовых и угловых погрешностей, были бы подробно рассмотрены расчет полной погрешности в предельных и установившихся режимах, анализ и расчет погрешностей в переходных режимах, новые направления в развитии трансформаторов тока и некоторые другие вопросы. Необходимо было обобщить материалы по трансформаторам тока, приведенные в статьях ряда журналов и в сборниках. Во второе издание не вошла глава о точности работы трансформаторов тока с нелинейными характеристиками намагничивания в переходных режимах как менее актуальная. Но зато расширена глава о линейных ТТ.
Добавлены разделы о трансформаторах постоянного тока, преобразователях тока, управляемых напряжением, преобразователях с емкостной связью и др.
Ограниченный объем настоящей работы не позволил изложить в ней все вопросы, касающиеся трансформаторов тока, в частности рассмотреть лабораторные трансформаторы тока; трансформаторы тока нулевой последовательности; трансформаторы тока, основанные на некоторых новых принципах передачи сигнала от цепи высокого напряжения к устройствам, находящимся под потенциалом земли (с использованием эффекта Холла, радиосигналов и др.).
Кратко изложены и некоторые методы расчета переходных режимов работы существующих трансформаторов тока, применяемые при проектировании и эксплуатации релейной защиты, когда допускаются весьма большие погрешности. Читатель может найти подробные сведения об этих методах в соответствующих статьях и книгах, указанных в списке литературы.
Книга является результатом совместной работы авторов. Главы 1, 2, 5 и 8 (за исключением § 1-5, 2-7 и 5-4) написаны В. В. Афанасьевым, § 1-5, 2-7 и 3-4 написаны совместно И. М. Сиротой и Б. С. Стогнием; § 3-1, 3-2, 4-2 и глава 10 написаны И. М. Сиротой, в написании § 10-2 вместе с И. М. Сиротой принимал участие ныне покойный В. Л. Фабрикант; § 3-3, 7-4 и глава 4 (за исключением § 4-2) написаны Б. С. Стогнием, § 5-4 и главы 6 и 7 (за исключением § 7-4) написаны В. М. Кибелем, глава 9 —• Н. М. Адоньевым. Общее руководство при подготовке рукописи выполнено В. В. Афанасьевым.
Авторы выражают глубокую благодарность В. К. Тарасову, взявшему на себя рецензирование настоящей работы и давшему ряд ценных замечаний.
Авторы признательны Б. С. Видзиговскому, А. 3. Вильницу, В. К. Килевому, Д. Г. Люстричкову, Г. Т. Мессерману, Е. Н. Танкевичу, В. И. Цыцарову и В. Б. Чакст, оказавшим большую помощь в подготовке настоящей работы и просмотревшим ее отдельные главы.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ТОКА И ТРАНСФОРМАТОРАХ ТОКА
1-1. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА
Назначение измерительных преобразователей и трансформаторов тока. Под измерительным преобразователем тока (ИПТ) будем понимать устройство, предназначенное для преобразования первичного тока в такой выходной сигнал, информативные параметры которого функционально связаны с информативными параметрами первичного тока. Для создания ИПТ можно использовать различные физические явления. В настоящее время ИПТ обычно создаются на основе широко применяемого в электротехнике трансформаторного эффекта — в виде трансформатора.
Трансформатором тока, являющимся наиболее широко применяемым ИПТ, называется такой трансформатор, в котором при нормальных условиях работы выходной сигнал является током, практически пропорциональным первичному току и при правильном включении сдвинутым относительно него по фазе на угол, близкий к нулю. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь последовательно (в рассечку токопровода), а вторичная замыкается на некоторую нагрузку (измерительные приборы и реле), обеспечивая в ней ток, пропорциональный току в первичной обмотке.
В трансформаторах тока высокого напряжения первичная обмотка изолирована от вторичной (земля) на полное рабочее напряжение. Один конец вторичной обмотки обычно заземляется. Поэтому она имеет потенциал, близкий к потенциалу земли. Трансформаторы тока по назначению разделяются на трансформаторы тока для измерений и трансформаторы тока для защиты. В некоторых случаях эти функции совмещаются в одном ТТ.
Трансформаторы тока для измерений предназначаются для передачи информации измерительным приборам. Они устанавливаются в цепях высокого напряжения или в цепях с большим током, т. е. в цепях, в которых невозможно непосредственное включение измерительных' приборов. Ко вторичной обмотке ТТ для измерений подключаются амперметры, токовые обмотки ваттметров, счетчиков и аналогичных приборов. Таким образом, трансформатор тока для измерений обеспечивает:
1) преобразование переменного тока любого значения в переменный ток, приемлемый для непосредственного измерения с помощью стандартных измерительных приборов;
2) изолирование измерительных приборов, к которым имеет доступ обслуживающий персонал, от цепи высокого напряжения. Трансформаторы тока для защиты предназначаются для передачи измерительной информации в устройства защиты и управления. Соответственно этому трансформатор тока для защиты обеспечивает:
1) преобразование переменного тока любого значения в переменный ток, приемлемый для питания устройств релейной защиты;
2) изолирование реле, к который имеет доступ, обслуживающий персонал, от цепи высокого напряжения. Трансформаторы тока в установках высокого напряжения необходимы даже в тех случаях, когда уменьшения тока для измерительных приборов или реле не требуется.
Классификация ИПТ и ТТ. В зависимости от рода тока, ИПТ разделяются на ИП переменного и ИП постоянного тока. В дальнейшем будут рассматриваться ИПТ переменного тока для установок и сетей с номинальной частотой тока 50 Гц. По назначению ИПТ разделяются на ИПТ для измерений и ИПТ для защиты. Последние могут предназначаться для работы только в установившихся (статических) режимах либо в установившихся и переходных (динамических) режимах.
В зависимости от вида преобразования ИПТ делятся на преобразователи тока в ток, тока в напряжение (например, трансреакторы, магнитные трансформаторы тока), тока в неэлектрическую величину (например, в световой поток). При этом по способу представления выходной информации ИПТ подразделяются на аналоговые и дискретные.
Целесообразно разделять ИПТ в зависимости от уровня напряжения, определяющего конструкцию, а иногда и принцип действия ИПТ. С учетом применяемых в СССР номинальных напряжений различают ИПТ низкого (номинальное напряжение до 1000 В) и высокого напряжения A—1150 кВ и выше).
Все трансформаторы тока — и для измерений, и для защиты — можно классифицировать по следующим основным признакам. По роду установки: трансформаторы тока для работы на открытом воздухе (категория размещения 1 по ГОСТ 15150—69); для работы в закрытых помещениях (по ГОСТ 15150—69); для встраивания в полости электрооборудования (категория в соответствии с табл. 1-1); для специальных установок (в шахтах, на судах, электровозах и т. д.).
По способу установки: проходные трансформаторы тока, предназначенные для использования в качестве ввода и устанавливаемые в проемах стен, потолков или в металлических конструкциях; опорные, предназначенные для установки на опорной плоскости; встраиваемые, т. е. предназначенные для установки в полости электрооборудования.
По числу коэффициентов трансформации: с одним коэффициентом трансформации; с несколькими коэффициентами трансформации, получаемыми изменением числа витков первичной или вторичной обмотки, или обеих обмоток, или применением нескольких вторичных обмоток с различным числом витков, соответствующим различному номинальному вторичному току.
По числу ступеней трансформации: одноступенчатые; каскадные (многоступенчатые), т. е. с несколькими ступенями трансформации тока.
По выполнению первичной обмотки: одновитковые; многовитковые.
Одновитковые ТТ (рис. 1-1) имеют две разновидности: без собственной первичной обмотки; с собственной первичной обмоткой. Одновитковые ТТ, не имеющие собственной первичной обмотки, выполняются встроенными, шинными или разъемными.
Встроенный трансформатор тока / (рис. 1-1) представляет собой магнитопровод с намотанной на него вторичной обмоткой. Он не имеет собственной первичной обмотки. Ее роль выполняет токоведущий стержень проходного изолятора. Этот трансформатор тока не имеет изоляционных элементов между первичной и вторичной обмотками. Их роль выполняет изоляция проходного изолятора.
В шинном трансформаторе тока / роль первичной обмотки выполняют одна или несколько шин распределительного устройства, пропускаемые при монтаже сквозь полость проходного изолятора. Последний изолирует такую первичную обмотку от вторичной.
Разъемный трансформатор тока 2 тоже не имеет собственной первичной обмотки. Его магнитопровод состоит из двух частей, стягиваемых болтами. Он может размыкаться и смыкаться вокруг проводника с током, являющимся первичной обмоткой этого ТТ. Изоляция между первичной и вторичной обмотками наложена на магнитопровод со вторичной обмоткой. Одновитковые ТТ, имеющие собственную первичную обмотку, выполняются со стержневой первичной обмоткой или с U-образной.
Трансформатор тока 3 имеет первичную обмотку в виде стержня круглого или прямоугольного сечения, закрепленного в проходном изоляторе. Трансформатор тока 4 имеет U-образную первичную обмотку, выполненную таким образом, что на нее наложена почти вся внутренняя изоляция ТТ.
Многовитковые трансформаторы тока (рис. 1-1) изготовляются с катушечной первичной обмоткой, надеваемой на магнитопровод; с петлевой первичной обмоткой 5, состоящей из нескольких витков; со звеньевой первичной обмоткой 6, выполненной таким образом, что внутренняя изоляция трансформатора тока конструктивно распределена между первичной и вторичной обмотками, а взаимное расположение обмоток напоминает звенья цепи; с рымовидной первичной обмоткой, выполненной таким образом, что внутренняя изоляция трансформатора тока нанесена в основном только на первичную обмотку, имеющую форму рыма.
По роду изоляции между первичной и вторичной обмотками ТТ изготовляются с твердой (фарфор, литая изоляция, прессованная изоляция и т. д.); с вязкой (заливочные компаунды); с комбинированной (бумажно-масляная, конденсаторного типа) или газообразной (воздух, элегаз) изоляцией.
По принципу преобразования тока ТТ делятся на электромагнитные и оптико-электронные. Основными параметрами и характеристиками трансформатора тока в соответствии с ГОСТ 7746—78 «Трансформаторы тока.
Общие технические требования» являются:
1. Номинальное напряжение — действующее значение линейного напряжения, при котором предназначен работать ТТ, указываемое в паспортной таблице трансформатора тока. Для отечественных ТТ принята следующая шкала номинальных напряжений, кВ: 0,66; 6; 10; 15; 20; 24; 27; 35; ПО; 150; 220; 330; 500; 750; 1150
2. Номинальный первичный ток /1н — указываемый в паспортной таблице ТТ ток, проходящий по первичной обмотке, при котором предусмотрена продолжительная работа ТТ. Для отечественных ТТ принята следующая шкала номинальных первичных токов, А:
1; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 75; 80; 100; 150; 200; 300; 400; 500; 600; 750; 800; 1000; 1200; 1500; 2000; 3000; 4000; 5000; 6000; 8000; 10 000; 12 000; 14 000; 16 000; 18 000; 20 000; 25 000; 28 000; 32 000; 35 000; 40 000.
В трансформаторах тока, предназначенных для комплектования турбо- и гидрогенераторов, значения номинального тока свыше 10 000 А могут отличаться от приведенных в данной шкале значений.
Трансформаторы тока, рассчитанные на номинальный первичный ток 15; 30; 75; 150; 300; 600; 750; 1200; 1500; 3000 и 6000 А, должны допускать неограниченно длительное время наибольший рабочий' первичный ток, равный соответственно 16; 32; 80; 160; 320; 630; 800; 1250; 1600; 3200 и 6300 А. В остальных случаях наибольший первичный ток равен номинальному первичному
2. Номинальный первичный ток /1н — указываемый в паспортной таблице ТТ ток, проходящий по первичной обмотке, при котором предусмотрена продолжительная работа ТТ. Для отечественных ТТ принята следующая шкала номинальных первичных токов, А:
1; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 75; 80; 100; 150; 200; 300; 400; 500; 600; 750; 800; 1000; 1200; 1500; 2000; 3000; 4000; 5000; 6000; 8000; 10 000; 12 000; 14 000; 16 000; 18 000; 20 000; 25 000; 28 000; 32 000; 35 000; 40 000.
В трансформаторах тока, предназначенных для комплектования турбо- и гидрогенераторов, значения номинального тока свыше 10 000 А могут отличаться от приведенных в данной шкале значений.
Трансформаторы тока, рассчитанные на номинальный первичный ток 15; 30; 75; 150; 300; 600; 750; 1200; 1500; 3000 и 6000 А, должны допускать неограниченно длительное время наибольший рабочий' первичный ток, равный соответственно 16; 32; 80; 160; 320; 630; 800; 1250; 1600; 3200 и 6300 А. В остальных случаях наибольший первичный ток равен номинальному первичному участвующими в преобразовании тока, являются первичная / 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 1г. Ко вторичной обмотке подключаются измерительные приборы (амперметр, токовая обмотка счетчика) или реле. При работе трансформатора тока вторичная обмотка всегда замкнута на нагрузку. 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. 1-2 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. Однако они не принимают участия в преобразовании тока и будут рассматриваться ниже в соответствующих главах.
...