Файл: Измерительные трансформаторы тока.pdf

33
Активный трансформатор тока

34
Активный трансреактор

35
Активный ТТ на основе элемента Холла

36
Трансформатор тока с неферромагнитным магнитопроводом
Имеется множество разработок по усовершенствованию измерительных преобразователей тока на основе трансформатора, в которых уменьшение погрешностей измерения достигается за счет усложнения конструкции и применения дополнительных и вспомогательных электронных схем.
В некоторых
ИПТ ферромагнитный магнитопровод заменяется магнитопроводом из материала с другими характеристиками, например, трансформаторный датчик с замкнутым магнитодиэлектрическим магнитопроводом на основе порошка карбонильного железа Р–10.
Такой датчик используется в режиме трансреактора с большим сопротивлением нагрузки (больше или равной [15

20] кОм).
Имеются разработки устройств релейной защиты и автоматики на датчиках тока с магнитодиэлектрическим магнитопроводом. Все усовершенствования ИПТ на основе трансформатора не устраняют основной недостаток – высокую стоимость ИПТ.

37
Трансреактор
Трансреактор по конструктивной схеме подобен ТТ. У него информационным параметром является мгновенное значение вторичного напряжения.
Трансреактор является дифференцирующим ИПТ. Нелинейность расчетной схемы замещения особенно сильно влияет на погрешности трансреактора даже в установившемся режиме. Поэтому магнитопроводы всех трансреакторов выполняются с зазорами. У ТТ с замкнутым ферромагнитным магнитопроводом отдаваемые мощности несколько выше, чем у трансреактора. Но при выполнении ТТ с зазором они равноценны по мощности.
К существенным недостаткам трансреакторов относится то, что он усиливают высшие гармонические составляющие первичного тока.
В устройствах релейной защиты трансреакторы применяются преимущественно как промежуточные измерительные преобразователи. Значительно реже они применяются в качестве первичных ИПТ.

38
Радиоэлектронный трансформатор тока
В нем информация о первичном токе передается с высокого потенциала электроустановки с помощью радиосигналов на ультракоротких волнах. Такой ИПТ состоит из полукомплекта высокого напряжения и полукомплекта низкого напряжения. В полукомплект высокого напряжения входит ТТ обычного типа, выполненный на низкое напряжение, и передатчика. Находясь под воздействием сигнала ТТ, радиопередатчик выдает сигнал, несущий информацию о первичном токе. Радиоприемник полукомплекта низкого напряжения воспринимает этот сигнал и формирует на выходе радиоэлектронного ТТ информацию о первичном токе в той или иной форме, удобной для дальнейшего использования. На напряжение (330

500) кВ радиоэлектронный ТТ стоит значительно дешевле традиционного ТТ.
К основным недостаткам радиоэлектронных ТТ можно отнести необходимость в источнике питания на высоком напряжении, создание паразитных полей, подверженность влиянию внешних магнитных полей (МП).

39
Оптико-электронный трансформатор тока
В этом ИПТ информация о токе преобразуется в оптические сигналы, которые по световоду поступают в оптико-электрический преобразователь сигналов, установленный на потенциале земли, и преобразуются в электрические сигналы измерительной информации ОЭТТ.
Предельная мощность сигнала ОЭТТ не превышает 40ВА. Если
ОЭТТ выполнен как аналоговый ИПТ, то при данном сопротивлении нагрузки мощность его сигнала, как и у традиционного ТТ, прямо пропорциональна квадрату кратности первичного тока, а возможная номинальная мощность ОЭТТ в 250 раз меньше, чем у традиционного ТТ. По этой причине ОЭТТ не взаимозаменяем с традиционным ТТ. Для получения возможности широко применять
ОЭТТ в релейной защите необходимы устройства РЗ с входными параметрами, согласованными с параметрами ОЭТТ.

40
Преобразователь тока с емкостной связью между
цепями высокого и низкого напряжений
Такой преобразователь состоит из трансформатора тока, устанавливаемого на проводе линии, и выходного устройства, находящегося под потенциалом земли. Связь между ними осуществляется через емкости, в качестве которых используются специальные конденсаторы или высоковольтные изоляторы линии подвесного или опорного типа. В состав выходного блока входят вспомогательный трансформатор и генератор токов высокой частоты.
Преимуществом емкостной связи является ее сравнительная простота, меньшая стоимость и возможность получения на выходе преобразователя относительно большой мощности. ИПТ данного типа может быть применен на ЛЭП как постоянного, так и переменного тока. К недостаткам можно отнести использование генератора тока высокой частоты и специального измерительного трансформатора тока, находящегося под потенциалом измеряемого тока высокого напряжения.

41
Трансформатор тока с нагрузкой, управляемой напряжением
Современные устройства релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем и электротехнических комплексов и измерительные приборы, как правило, управляются напряжением, то есть срабатывают при подведении к ним заданного напряжения от преобразователя тока, и для их правильного функционирования это напряжение с достаточной точностью должно быть пропорционально первичному току.
Наряду с преобразователями тока, основанными на новых принципах действия (оптоэлектронные и т. д.), по-видимому, и в будущем еще будут широко применяться схемы преобразования, выполняемые на обычных электромагнитных трансформаторах тока.

42
Трансформатор тока с нагрузкой, управляемой напряжением
Возможно также использование первичного трансреактора.
При одинаковой мощности, отдаваемой в его вторичную цепь, постоянном сопротивлении активно-индуктивной нагрузки и постоянной времени T1 первичной цепи, приблизительно не превышающей
0,2с, масса магнитопровода такого трансреактора оказывается значительно больше, чем у ТТ.
Однако трансреактор имеет более легкий магнитопровод, чем
ТТ при бóльших T1 и активной нагрузке. Вместе с тем известные недостатки первичного трансреактора (разброс характеристик разных экземпляров при серийном производстве, «подчеркивание» высших гармоник первичного тока, повышенное влияние наводок в соединительных проводах) ограничивают его применение.

43
Датчик Холла
В некоторых твердых телах, обтекаемых током и расположенных в магнитном поле, возникает разность потенциалов. Это явление называется эффектом Холла, а возникающая разность потенциалов – электродвижущей силой
(ЭДС) Холла.
В устройствах с преобразователями Холла (рисунок 2) реализуется зависимость:
U
X
=k
X
B
X
i
X
,
где U
X
– выходное напряжение преобразователя Холла, снимаемое с его боковых граней;
k
X
– коэффициент пропорциональности;
B
X
– нормальная к поверхности преобразователя Холла составляющая индукции магнитного поля;
i
X
– ток питания преобразователя Холла.

44
Датчик Холла
i
X
B
X
2 3
1
Обозначения: 1 – элемент Холла;
2 – усилитель; 3 – выходное устройство.

45
Датчик Холла
Преобразователи Холла обладают линейной функцией преобразования в очень широком диапазоне магнитных индукций и позволяет осуществлять непрерывное измерение индукций магнитных полей с точностью до 1% в пределах 10
–4
Тл до 10 Тл. Так как выходное напряжение U
X
обычно не превышает несколько десятков милливольт, то элемент Холла 1 действует на выходное устройство 3 через усилитель 2.
Устройства с преобразователями Холла практически безынерционны, точно воспроизводят форму кривой тока в широком диапазоне амплитуд и частот, и имеют небольшую стоимость.
Недостатками устройств с преобразователями Холла являются: относительно сложная технология изготовления, наличие остаточного напряжения, относительно малая величина выходного сигнала и влияние на преобразователь Холла токов соседних фаз защищаемой и соседней линий, токов в земле, отсутствие общего заземления у входа и выхода датчика
Холла, что затрудняет его совместную работу со схемами и не дает возможность суммировать выходные сигналы с нескольких датчиков Холла, а также довольно сильная зависимость параметров полупроводниковых преобразователей Холла от температуры.

46
Датчик Холла

47
Датчик Холла

48
Магнитотранзисторный датчик тока
Магнитотранзистор представляет собой биполярный транзистор, конструкция и рабочий режим которого оптимизированы для получения максимальной чувствительности коллекторного тока к магнитному полю.
Основными достоинствами магнитотранзисторных преобразователей являются: магнитотранзистор, как и датчик Холла, измеряет индукцию магнитного поля, а не ее производную; магнитотранзистор является направленным элементом; возможность непосредственного суммирования нескольких магнитотранзисторов путем параллельного соединения коллекторов.
Основными недостатками магнитотранзисторных преобразователей являются: наличие шумов; влияние токов соседних фаз защищаемой и соседней линий, токов в земле; зависимость параметров магнитотранзистора от температуры.
В качестве ИПТ можно использовать магниторезисторы и магнитодиоды. По своим основным характеристикам ИПТ на них подобны ИПТ на магнитотранзисторах.

49
Катушка Роговского
Состоит из обмотки, намотанной на немагнитный сердечник. Она располагается вокруг проводника, через который проходит измеряемый ток. Напряжение, индуктируемое в обмотке, определяется по формуле: где u(t) – выходное напряжение катушки; t – время;

j – мгновенное значение потока в j–ом витке при общем их числе
N.
Выходное напряжение катушки Роговского пропорционально степени изменения измеряемого тока, поэтому существенным ее недостатком является подчеркивание высших гармонических составляющих первичного тока.
 













N
j
j
dt
d
t
u
1

50
Катушка Роговского
При измерении синусоидальных токов в результате дифференцирования последних на выходе получаются сигналы синусоидальной формы, сдвинутые на 90 градусов, что не влияет на результат измерения
(если определяются только токи).
Измерительные преобразователи для релейной защиты работают в условиях интенсивных переходных процессов. Вследствие этого, чтобы получить напряжение, пропорциональное измеряемому току, выходное напряжение катушки должно быть проинтегрировано, в частности, с помощью RC-цепочки или операционного усилителя.
Интегрирование создает задержку в получении информации об измеряемом сигнале, а необходимость в интегрирующем элементе усложняет конструкцию данного ИПТ и снижает его точность и надежность.

51
Катушка Роговского

52
ТТ на основе катушки Роговского

53
Индукционные преобразователи, встраиваемые в защищаемый объект
К таким преобразователям относятся: кольцевые и точечные измерительные преобразователи, располагаемые внутри электродвигателя в плоскости, перпендикулярной оси вращения его ротора, против лобовых частей обмотки статора; встраиваемые в силовые трансформаторы индукционные датчики поля рассеяния, выполняемые в виде плоских измерительных катушек; датчик намагничивающего тока силовых трансформаторов, контролирующий напряженность магнитного поля и выполненный в виде измерительной катушки, помещенной внутри защищаемого трансформатора, на поверхности стержня магнитопровода параллельно его оси и другие подобные датчики. Защиты на таких измерительных преобразователях, реагируют на магнитное поле, создаваемое токами в поврежденных витках обмоток защищаемого объекта.
Основным недостатком встраиваемых измерительных преобразователей является то, что они предназначены только для защит конкретного объекта, и, большинство из них, должны устанавливаться на стадии изготовления защищаемого объекта.

54
Магнитный трансформатор тока
МТТ представляет собой магнитный зонд индукционного типа, который устанавливается в магнитном поле измеряемого тока, но на изоляционном расстоянии от провода 1 (рисунок 3) и целиком располагаются на потенциале земли. Простота и дешевизна МТТ обусловлена тем, что они не имеют частей, находящихся под высоким напряжением, и не требуют применения дорогостоящей электрической изоляции. Основным его элементом является обмотка 2, и он устанавливается таким образом, чтобы взаимная индуктивность его обмотки и провода 1 с первичным током была постоянной и по возможности большой. Для увеличения этой взаимной индуктивности МТТ нередко снабжается разомкнутым магнитопроводом 3 той или иной конфигурации. Под воздействием первичного тока в обмотке
2 МТТ индуцируется ЭДС взаимоиндукции, которая, как и у традиционного ТТ или трансреактора, используется для формирования аналогового сигнала измерительной информации. МТТ чувствителен к магнитным помехам, создаваемым токами других фаз, токами в земле и токами соседних линий. Поэтому приходится принимать специальные меры для защиты МТТ от этих магнитных помех.