Первичные измерительные преобразователи напряжения

К измерительным органам воздействующая величина — напря­жение — обычно подводится от первичных измерительных преобра­зователей напряжения. Они, как и первичные измерительные пре­образователи тока, обеспечивают изоляцию цепей напряжения измерительных органов от высокого напряжения и позволяют неза­висимо от номинального первичного напряжения получить стан­дартное значение номинального вторичного напряжения U_2ном =100 В. Распростра­ненной разновидностью первичного измеритель­ного преобразователя напряжения является измерительный транс­форматор напряжения.

Особенностью изме­рительного трансфор­матора напряжения яв­ляется режим холосто­го хода (близкий к хо­лостому ходу) его вто­ричной цепи (рис. 1.3, а). Первичная об­мотка трансформатора TV с числом витков ω₁ включается на напряжение сети Ů₁. Под действием напряжения по обмотке ω₁ проходит ток намагничива­ния İ_нам, который создает в магнитопроводе магнитный поток Ф. Магнитный поток, в свою очередь, наводит в первичной ω₁ и вто­ричной ω₂ обмотках ЭДС с действующими значениями соответст­венно E₁ =4,44f ω₁Ф; Е2= 4,44f ω₂Ф. Отсюда

 

E₁/E₂ = ω ₁ /ω ₂                                                                  (1.6)

 

 Отношение ω₁/ω₂ называется коэффициентом трансформации и обозначается К_U. В режиме холостого хода ток I₂=0, а ток в первичной обмотке İ₁=İ_нам. При этом Ů₂= Ė₂  и напряжение U₁ незначительно отличается от ЭДС E₁. Поэтому

 

K_U= ω ₁ /ω ₂ =U₁/U₂                                                         (1.7)

 

На рис. 1.3,б показана схема замещения, а на рис. 1.3, в — векторная диа­грамма трансформатора напряжения. Работа трансформатора с нагрузкой Z _н (в виде, например, реле напряжения KV) сопровождается прохождением тока İ₂ и увеличением (по сравнению с холостым ходом) тока İ'₁ Эти токи создают па­дение напряжения ΔŮ в первичной и вторичной обмотках, вследствие чего Ů₂ = Ů'₁ — ΔŮ. Из векторной диаграммы (рис. 1.3, в) следует, что вторичное на­пряжение Ů₂ отличается от приведенного первичного Ů'₁ как по значению на ΔU, так и по фазе на угол δ. Поэтому трансформатор имеет две погрешности: по­грешность напряжения f _U=(ΔU/U'₁)100, или вследствие незначительности угла δ

 

f_U =[(K_UU₂-U₁)/U₁]100                                             (1.8)

 

угловую погрешность, которая определяется углом δ между векторами напря­жений Ů₁ и Ů₂.

Значения погрешностей трансформатора напряжения определяются падени­ем напряжения ΔŮ, которое увеличивается с ростом вторичной нагрузки (тока İ₂). Вместе с ним возрастают и погрешности. Поэтому нормальным режимом работы трансформатора напряжения является режим, близкий к холостому ходу.

В условиях эксплуатации трансформатор напряжения может работать с различными погрешностями. В зависимости от погреш­ностей по ГОСТ 1983—77Е установлены четыре класса точности: 0,2; 0,5; 1 и 3 соответственно погрешностям напряжения f _U в про­центах. Номинальная мощность трансформатора отнесена к опре­деленному классу точности. Однако по условию нагрева он может допускать перегрузки в несколько раз, выходя при этом из задан­ного класса точности. Начала и концы обмоток трансформатора напряжения TV маркируются в соответствии с правилом, которое изложено при рассмотрении трансформаторов тока (см. § 1.1). Принято обозначать: A — начало первичной обмотки, а — начало вторичной обмотки; Х — конец первичной обмотки, х — конец вто­ричной обмотки. Для трансформаторов напряжения, как и для трансформаторов тока, в зависимости от принятого положитель­ного направления тока и напряжения можно построить векторные диаграммы с совпадающими или противоположно направленными векторами вторичного Ů₂, и приведенного первичного Ů'₁ напряже­ний. При этом погрешности не учитываются. Для анализа дейст­вий релейной защиты и автоматики более удобной является век­торная диаграмма с совпадающими векторами Ů₂ и Ů'₁.

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

Измерительные органы, в частности измерительные реле напря­жения, включаются на фазные и междуфазные напряжения, а так­же на напряжения нулевой и обратной последовательностей. Для получения этих напряжений используются однофазные или трех­фазные трансформаторы напряжения и фильтры напряжения об­ратной последовательности. Трансформаторы в этом случае имеют различные схемы соединения обмоток, при выполнении которых придерживаются следующих правил: в случае включения первич­ных обмоток на фазные напряжения их начала присоединяются к соответствующим фазам, а концы объединяются и соединяются с землей; при включении первичных обмоток на междуфазные на­пряжения их начала присоединяются к предыдущим, а концы — к последующим фазам в порядке их электрического чередования.

Включение однофазного трансформатора напряжения (рис. 1.4, а). Первич­ная обмотка трансформатора включается на напряжение двух любых фаз. Та­кая схема применяется в тех случаях, когда достаточно иметь одно междуфазное напряжение, например напряжение U_BC.

Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в открытый тре­угольник (рис. 1.4, б). Первичные обмотки двух однофазных трансформаторов напряжения включаются на два любых междуфазных напряжения. Вторичные обмотки соединяются последовательно. Такая схема дает возможность включать реле на все междуфазные напряжения (реле KV1—KV3} и на напряжения фаз по отношению к нулевой точке системы междуфазных напряжений. В последнем случае включение можно выполнить тремя реле, обмотки которых имеют равные сопротивления и соединены в звезду (реле K.V4—KV6). Схема соединения двух однофазных трансформаторов в открытый треугольник является наиболее рас­пространенной. Она не может применяться в тех случаях, когда необходимо иметь фазные напряжения относительно земли.

Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в звезду (рис. 1.4, в). Эта схема, как и рассмотренная схема соединения обмоток в открытый треугольник, дает возможность включать реле на любые междуфазные напряже­ния (реле KVI—KV3) и на напряжения фаз относительно нулевой точки системы (реле KV4—KV6), а также по отношению к земле, т. е. на любые фазные напря­жения (реле KV7—KV9).

Рассматриваемую схему можно выполнить посредством трех однофазных трансформаторов напряжения или одного трехфазного пятистержневого. Приме­нение трехфазных трехстержневых трансформаторов напряжения в данном слу­чае не допускается в связи с тем, что при замыкании на землю в сети по пер­вичным обмоткам трансформатора через его заземленную нейтраль проходят большие токи намагничивания нулевой последовательности и трансформатор силь­но перегревается.

Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в фильтр напряжения нулевой последовательности (рис. 1.4, г). Напряжения отдельных последова­тельностей можно выделить из полных фазных напряжений посредством фильт­ров напряжений симметричных составляющих. Так, для получения напряжения нулевой последовательности U₀ первичные обмотки трансформаторов должны соединяться в звезду с заземленной нейтралью. Полученные при этом вторичные фазные напряжения суммируются путем соединения вторичных обмоток в разомкнутый треугольник, к которому подключается реле (рис. 1.4, г). Напряжение на обмотке реле Ů_P = (Ů_a + Ů_в + Ů_c)/K_U = 3U₀/ K_U.

При отсутствии в полных фазных напряжениях составляющих нулевой по­следовательности напряжение на выходе разомкнутого треугольника близко к ну­лю. В связи с погрешностью трансформаторов напряжения, наличием в первич­ных напряжениях гармонических, кратных трем, и по другим причинам на за­жимах разомкнутого треугольника в нормальном режиме возникает напряжение небаланса, которое обычно не превышает U_нб= 3÷4 В (при замыкании на зем­лю максимальное напряжение на зажимах фильтра 3 U_0мах =100В).

Обычно трансформаторы напряжения изготовляют с двумя вторичными об­мотками, одну из которых можно использовать в схеме соединения звезды, а другую — разомкнутого треугольника (рис. 1.4, д). В системах с заземленной нейтралью напряжение на зажимах разомкнутого треугольника при замыкании на землю не превышает фазного U_Ф, а в системах с изолированной нейтралью оно может достигать 3U_Ф. Поэтому номинальное вторичное фазное напряжение обмоток, соединяемых в треугольник, принимается равным U_2ном =100В, если трансформатор устанавливается в системе с заземленной нейтралью, и равным U_2ном =100/3 В, если трансформатор устанавливается в системе с изолирован­ной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью.

Выполнение вторичных цепей трансформаторов напряжения и контроль за их состоянием. Исходя из требований техники безопасности вторичные обмотки трансформаторов напряжения в установках напряжением 500 В и выше должны обязательно заземляться. Предохранители с первичной стороны трансформаторов напряжения не защищают их от перегрузок и коротких замыканий в их вторич­ных цепях. Поэтому все незаземленные провода, подключаемые к вторичным обмоткам трансформаторов напряжения, соединяются с ними через низковольт­ные плавкие предохранители или малогабаритные автоматы, которые являются более быстродействующими; они надежнее и удобнее предохранителей. Перего­рание предохранителей или срабатывание автоматов и возможные обрывы в це­пях напряжения могут повлечь за собой неправильное действие некоторых уст­ройств защиты и автоматики. Поэтому они должны снабжаться специальными устройствами, автоматически выводящими их из действия при нарушениях цепей напряжения. В тех случаях, когда указанные нарушения непосредственно не при­водят к неправильной работе устройств защиты и автоматики, достаточна сиг­нализация об исчезновении напряжения [8].

 

Реакторы и трансреакторы

 

Реактор LR состоит из обмотки ω и ферромагнитного магнитопровода (рис. 1.5, а). Ферромагнитные материалы, из которых вы­полняют магнитопровод реактора, имеют нелинейную характерис­тику намагничивания В=f(H), что обусловливает уменьшение их магнитной проницаемости (а с увеличением напряженности маг­нитного поля Н (рис. 1.5, б). Индуктивное сопротивление реактора x_L пропорционально магнитной проницаемости μ, поэтому оно из­меняется с изменением тока в обмотке реактора. Для уменьшения этой зависимости и обеспечения относительного постоянства сопро­тивления магнитопровод реактора выполняется разомкнутым (с воздушным зазором δ). Вместе с тем в ряде устройств, например в магнитных усилителях, используют так называемые управляемые реакторы, сопротивление которых путем соответствующего управ­ления изменяют в требуемых пределах. Для этой цели на замкну­том магнитопроводе реактора кроме основной обмотки предусмот­рена обмотка управления ω_У (рис. 1.5, е), по которой проходит по­стоянный ток управления I_У. Путем изменения этого тока изменяют магнитное состояние магнитопровода, его магнитную проницае­мость и тем самым сопротивление x _L. Однако необходимо иметь в ви­ду, что характеристики намагничи­вания ферромагнитных материалов, используемых в управляемых реакторах, имеют выраженный прямоугольный характер.

С некоторым допущением их можно представить характеристикой, изображенной на рис. 1.5, г. При этом магнитопровод имеет два состояния: нена­сыщенное (— В_S < В < B_S) и насыщенное (B=±B_S). В первом случае μ и Х_L бесконечно велики, а во втором равны нулю. Следо­вательно, процесс управления не сопровождается непрерывным из­менением индуктивного сопротивления. Действительный характер явления подробно рассмотрен в [3].

В измерительных органах часто ток преобразуется в напряже­ние (ЭДС) путем включения в цепь тока балластных резисторов, реакторов, иногда конденсаторов. Однако в цепи тока можно вклю­чать лишь относительно малые сопротивления. Соответственно по­лучаются низкие напряжения, для повышения которых необходим трансформатор.

Трансреактор TAV выполняет функции реактора и трансформа­тора (рис. 1.6, а). Он состоит из обмотки ω₁ тока, разомкнутого магнитопровода и вторичной обмотки ω₂, находящейся в режиме, близ­ком к холостому ходу. Поэтому ток I'₁ в первичной обмотке являет­ся током намагничивания, а напряжение холостого хода Ů_2X равно ЭДС Ė₂ вторичной обмотки (рис. 1,6, б). Напряжение Ů_2X сдвинуто по фазе относительно тока İ'₁ на угол, близкий к p/2. Преобразова­ние определяется отношением Ů_2X к İ'₁, равным для обычного трансформатора (см. рис. 1.2) сопротивлению намагничивания Z' _нам , которое нелинейно зависит от тока İ'₁. Поэтому для обеспечения преобразования, близкого к линейному, магнитопровод трансреак­тора выполняют с зазором. При этом в схему замещения парал­лельно сопротивлению Z' _нам нам включается постоянное сопротив­ление Z '_δ , обусловленное воздушным зазором магнитопровода (рис. 1.6, в).

Для трансреактора отношение

                   Ů_2X / İ'₁= Z' _нам  Z '_δ / (Z' _нам+ Z '_δ),

Очевидно, чем меньше Z'_δ , тем большее приближение к линей­ности обеспечивается.

 

Магнитные усилители

 

Простейший магнитный усилитель AL состоит из двух управ­ляемых реакторов (рис. 1.7, а, б). Их основные (рабочие) обмотки переменного тока ω_~ соединяются последовательно согласно, а об­мотки управления ω_У — последовательно встречено. Этим обеспечи­вается взаимная компенсация ЭДС, трансформируемых из первич­ных рабочих обмоток в обмотки управления. При подведении к рабочим обмоткам переменного напряжения U_~ по ним проходит ток I_Н , который при неизменном напряжении U_~ можно изменять, изменяя индуктивное сопротивление рабочих обмоток X _L током I_У в обмотках управления. При увеличении тока I_У степень намаг­ничивания сердечников увеличивается, их магнитная проницае­мость и индуктивное сопротивление рабочих обмоток уменьшают­ся, а ток I_н возрастает. Если последовательно с обмотками ω_~ включается нагрузка Z _н , то получается простейший усилитель, так как с помощью небольшой мощности мой в обмотках управления ω_У, можно управлять значительно большей мощностью в цепи на­грузки.

Если ток нагрузки I_н , предва­рительно выпрямленный (I_о.с), пропустить по дополнительным обмоткам подмагничивания ω_o.c , соединенным так же, как обмотки управления, то получится магнит­ный усилитель с положительной магнитной обратной связью (рис. 1.8, а). Положительная обратная связь повышает усиление тока и мощности (чувствительность) маг­нитным усилителем. Роль положительной обратной связи станет по­нятна, если рассмотреть рис. 1.8, б, где показаны характеристики управления магнитного усилителя без обратной связи (кривая 1) и с положительной обратной связью (кривая 2). Обратная связь сме­щает характеристику в сторону отрицательных значений тока I_У и увеличивает ее крутизну, т. е. увеличивает усиление тока. Степень обратной связи характеризуется коэффициентом обратной связи

k_о.с= ω_o.c / ω_~.

По мере увеличения k_о.с крутизна характеристики I_Н = f(I_У) уве­личивается. При k_о.с >1 магнитный усилитель переходит в релей­ный режим, а его характеристика приобретает S-образную форму, располагаясь в области отрицательных значений тока I_У (рис. 1.8, в). Это значит, что ток нагрузки I_Н имеет максимальное значение, рав­ное I_{Н 3}, при I_У =0.

При непрерывном изменении тока I_У в сторону отрицательных значений до I_{У 4} ток нагрузки скачкообразно уменьшается от значения I_{н 4} до I_{н 1} (точки 4, 1). При непрерывном уменьшении отрицательного тока I_У от значения I_{У 4} до I_{У 2} ток нагрузки скачкообразно возрастает до своего максимального значения (точ ки2, 3).

Таким образом, при работе магнитного усилителя в релейном режиме ток нагрузки I_н имеет два устойчивых значения. Переход от одного значения к дру­гому происходит скачкообразно. Такой магнитный усилитель может выполнять функции измерительного реле, например максимального реле тока, при условии, если его характеристика расположена справа от оси абсцисс (рис. 1.8, г). При этом в случае отсутствия тока I_У ток в нагрузке близок минимальному значению (точка 5), ряд находится в начальном состоянии. Условию действия реле (см. §2.2) соответствует скачкообразное изменение тока нагрузки до максимального (точка 3) при токе I_У ≥ I_Д.Р действия реле. Реле возвращается в исходное положение (происходит отпускание реле) при уменьшении тока до I_о.р. Для сме­щения характеристики магнитного усилителя предусматривается дополнительная подмагничивнощая обмотка смещения ω_см (рис. 1.8, а).

Рассмотренные магнитные усилители позволяют изменять ток в цепи нагрузки I_Н только по значению. В ряде устройств требуется, чтобы с изменением полярности тока управления I_У изменялась фа­за переменного или полярность по­стоянного тока. Таким свойством обладает реверсивный магнитный усилитель [3]. Он состоит из двух обычных магнитных усилителей, уп­равляемых общим током I_У (рис. 1.9, а). Обмотки смещения ω_см вклю­чаются так, что характеристика од­ного магнитного усилителя AL1 сме­щается в сторону отрицательных значений I_У, а другого AL2 — в сто­рону положительных значений (рис. 1.9, б). При этом в случае I_У = 0 наблюдается равенство выходных токов магнитных усилителей I_Н1 = I_Н2. Если нагрузка Z _н включена на разность токов, то с измене­нием полярности тока управления I_У изменяется фаза (или знак при выпрямленных тока) и тока нагрузки I_Н .

Рис. 1.9. реверсивный магнитный усилитель и характеристики уп­равления