Бублики с пылу с жару или испытания шинных и проходных трансформаторов

Каждый день специалисты ООО «ИЦРМ» исследуют и проводят испытания различного рода средств измерений и электротехнической продукции. Для проведения испытаний аккредитованная испытательная лаборатория, в том числе и лаборатория ООО «ИЦРМ», должна быть оснащена необходимым эталонным и испытательным оборудованием. Стоимость эталонного оборудования должна быть оправданной, а его покупка целесообразной.

Ввиду наличия большого опыта в области испытаний средств измерений у специалистов ООО «ИЦРМ»: многие из наших инженеров занимаются испытаниями средств измерений более 10 лет, а также занимались научной деятельностью в ведущих научно-исследовательских институтах страны, мы хотели бы поделиться полезными советами, как сэкономить на покупке эталонного оборудования, основываясь на законах физики и электротехники, при этом не утратив качества проведенных работ.

Данная статья будет посвящена трансформаторам тока, в частности методам оценки токовых и угловых погрешностей.

Многие из тех, кто знаком с испытаниями, поверкой, исследованиями или разработкой трансформаторов тока, могли сталкиваться с утвержденными типами трансформаторов тока в Описаниях типа которых, в разделе «основные средства поверки», приведены эталонные измерительные трансформаторы тока, номинальное значение первичного тока которых в несколько раз ниже номинального значения первичного тока утвержденного типа трансформаторов.

Опытные метрологи понимают, о чем идет речь, но для новичков в данной области, приведенная нами информация может быть полезным открытием.

Исходя из вышеизложенного, мы бы хотели рассмотреть один из наиболее распространенных методов оценки токовых и угловых погрешностей шинных, втулочных, встроенных и разъемных трансформаторов тока со значениями номинального первичного тока свыше 2000 А.

В соответствии с терминологией ГОСТ 18685-73 «Трансформаторы тока и напряжения. Термины и определения»:

Шинный трансформатор тока – трансформатор тока, первичной обмоткой которого служит одна или несколько параллельно включенных шин распределительного устройства.

Втулочный трансформатор тока – проходной шинный трансформатор.

Встроенный трансформатор тока – трансформатор тока, первичной обмоткой которого служит ввод электротехнического устройства.

Разъемный трансформатор тока – трансформатор тока без первичной обмотки, магнитная цепь которого можем размыкаться и затем замыкаться вокруг проводника с измеряемым током.

Внешний вид вышеперечисленных трансформаторов тока приведен на рисунках 1 – 4.

Рисунок 1 Внешний вид шинного трансформатора тока	Рисунок 2 Внешний вид втулочного трансформатора тока
Рисунок 3 Внешний вид разъемного трансформатора тока	Рисунок 4 Внешний вид встроенного трансформатора тока

Приведем принципиальную схему одноступенчатого электромагнитного трансформатора тока и его схему замещения на рисунке 5 (слева-направо соответственно).

Рисунок 5 – Внешний вид принципиальной схемы и схемы замещения

Исходя из приведенных схем, 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 разрыв токопровода высокого напряжения 4), т.е. обтекает током линии I₁. Ко вторичной обмотке подключаются измерительные приборы (амперметр, токовая обмотка счетчика) или реле. При работе трансформатора тока вторичная обмотка всегда замкнута на нагрузку.

Рассмотрим принцип действия трансформаторов тока.

По первичной обмотке 1 трансформатора тока протекает ток I₁, именуемый первичным током. Первичный ток зависит только от параметров первичной цепи и является заданной величиной. При прохождении первичного тока по первичной обмотке в магнитопроводе создается переменный магнитный поток Ф₁, изменяющийся с частотой аналогичной частоте тока 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, то в такой системе «вторичная обмотка – вторичная цепь» под действием индуцируемого ЭДС будет проходить ток. Этот ток согласно закону Ленца будет иметь направление, противоположное направлению первичного тока I₁. Ток, проходящий во 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 энергии 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-ЭДС Е₁, а во вторичной обмотке – ЭДС Е₂. 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 ЭДС. Под воздействием ЭДС Е₂ во вторичной обмотке протекает то I₂, называемый вторичным током.

Ссылаясь на основополагающие стандарты на трансформаторы тока приведем следующие утверждения:

В соответствии с пунктом 9.5.1.4 ГОСТ 7746-2015 «Трансформаторы тока. Общие технические условия» погрешности шинных, втулочных, встроенных и разъемных трансформаторов тока на номинальные токи свыше 2000 А при испытаниях допускается определять с первичной обмоткой, состоящей из нескольких витков.

Аналогичным образом, в соответствии с требованиями пункта 9.5.4 ГОСТ 8.217-2003 «Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Трансформаторы тока. Методика поверки» погрешности встроенных и шинных трансформаторов тока допускается определять с первичной обмоткой, которую создают пропусканием витков провода через центральное отверстие, при всех значениях номинальных ампер-витков. Число витков такой первичной обмотки определяют из условия равенства ее ампер-витков номинальному значению первичного тока.

Ампер-виток – это единица измерения магнитоэлектродвижущей силы. Определяется произведением числа витков обмотки, по которой протекает электрический ток, на значение силы тока в амперах.

Исходя из утверждений, приведенных выше, можно вывести математическую зависимость номинального значения первичного тока от количества витков первичной обмотки. Данная зависимость выражается формулой:

Iном = n · I (1)

где I_ном – номинальное значение силы переменного тока в измерительной цепи трансформатора, А;

I – значение силы переменного тока в токоведущей цепи первичной обмотки, А;

n – количество витков первичной обмотки.

Пример: Исходя из приведенной выше теории, имея исследуемый трансформатор тока с номинальным первичным током I_ном = 3000 А произвести оценку его токовых и угловых погрешностей допускается следующим образом: с применением источника тока со значением воспроизводимой силы тока 1000 А и эталонным трансформатором тока со значением номинального первичного тока 1000 А. Следовательно для оценки токовых и угловых погрешностей исследуемого трансформатора тока необходимо пропустить один виток токопровода со значением тока 1000 А через центральное отверстие эталонного трансформатора тока и три витка через центральное отверстие исследуемого трансформатора, создавая таким образом ток в первичной цепи исследуемого трансформатора равный 3000 А.

Мы надеемся, что данная информация будет полезна для Вас, и Вы сможете использовать ее при проведении исследований, испытаний, поверки, а также разработке трансформаторов тока.