§ 3.9. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

В настоящее время в технике больших токов и высоких напряжений измерения электрических величин производят только через так называемые измерительные трансформаторы — трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН), так как непосредственные измерения с применением шунтов и добавочных резисторов весьма затруднительны. Так, наибольший ток, который еще можно измерить непосредственным включением прибора, составляет

600 А, а напряжения - до 2 кВ. К тому же шунты и добавочные резисторы получаются громоздкими и дорогими из-за применения для них специальных сплавов, дающих незначительные температурные погрешности, а прикосновение к таким приборам в сетях высокого напряжения опасно для жизни.

Трансформатор тока состоит из сердечника и двух обмоток с числами витков (рис. 3-22). Сердечник набирают из тонких листов электротехнической стали с большой магнитной проницаемостью. Первичную обмотку I включают последовательно нагрузке, в цепи которой необходимо измерить ток, а вторичную II замыкают непосредственно на амперметр. Так как сопротивление прибора мало, то можно считать, что трансформатор работает в данном случае в режиме короткого замыкания, при котором общий магнитный поток определяется разностью (геометрической суммой) потоков, созданных первичной и вторичной обмотками.

Принцип работы трансформатора тока можно сравнить с принципом работы обычного силового трансформатора. В самом деле, измеряемый ток, протекая по виткам первичной обмотки, создает в ее незначительном сопротивлении весьма незначительное падение напряжения, т. е. на первичной обмотке получается небольшое напряжение, которое и трансформируется как в силовом трансформаторе. Так как число витков вторичной обмотки значительно больше числа витков первичной, то магнитный поток, действующий в первичной обмотке, создает во вторичной значительно большее напряжение при меньшем токе.

Трансформатор тока применяют не только для включения амперметров, но и для включения токовых обмоток ваттметров, счетчиков и фазометров. Для правильности показаний последних необходима правильная передача фазы тока, поэтому выводы обмоток трансформатора тока определенным образом маркируют: первичную - (линия) и вторичную — (измеритель),

Рис. 3-22

Рис. 3-23

причем генераторному концу соответствуют зажимы и Их. Один и тот же трансформатор тока может быть использован для одновременного включения нескольких измерительных приборов (рис. 3-23), однако включение большего числа измерительных приборов нежелательно. Это объясняется тем, что по мере увеличения числа приборов их общее сопротивление возрастает и режим работы трансформатора тока все более отходит от режима короткого замыкания (т. е. уменьшается ток вторичной обмотки).

Помимо расширения пределов измерения трансформатор тока отделяет вторичную цепь, в которую включен амперметр, от первичной, изолируя тем самым прибор от высоких напряжений сети. Поэтому измерительные приборы монтируют обычными способами на распределительных щитах. На случай пробоя изоляции между обмотками для безопасности один вывод вторичной обмотки заземляют так, чтобы при пробое изоляции провод с высоким потенциалом оказался замкнутым на землю.

Трансформаторы тока изготовляют всегда таким образом, чтобы номинальный вторичный ток составлял 5 А. В тех случаях, когда измерительные приборы находятся на значительных расстояниях от трансформатора тока, для уменьшения падения напряжения в подводящих проводах номинальный вторичный ток делают равным 1 А.

Если измерительный прибор предназначен для измерений с трансформатором тока, то его шкалу градуируют непосредственно в значениях первичного (измеряемого) тока, а на шкале ставят соответствующее условное обозначение, например: .

Это означает, что трансформатор можно применять в цепях с токами до его вторичную обмотку следует включить амперметр на номинальный ток 5 А.

Вторичную обмотку работающего трансформатора тока нельзя размыкать и оставлять разомкнутой. Она всегда должна быть замкнута на прибор или, если это невозможно в некоторых случаях, например при замене испорченного прибора, ее следует закорачивать проводником. Это необходимо потому, что при разомкнутой вторичной обмотке вторичный ток равен нулю, магнитный поток в сердечнике обусловлен лишь большим первичным током (а не разностью потоков первичного и вторичного токов, как при его нормальной работе). Этот большой магнитный поток создаст высокое напряжение на вторичной обмотке опасное для обслуживающего персонала. Кроме того, чрезмерно большой магнитный поток для данного сердечника (сердечник рассчитывают на рабочий поток) может вызвать опасное нагревание этого сердечника, поэтому вторичную цепь делают всегда механически прочной и надежной.

Конструктивно трансформаторы тока оформляют в зависимости от назначения по-разному. Среди переносных трансформаторов тока, имеющих, как правило, несколько коэффициентов трансформации, наиболее удобным трансформатором являются измерительные клещи (рис. 3-24) — трансформатор с разъемным сердечником,

смонтированный вместе с амперметром. При нажатии на рукоятки сердечник размыкается и им обхватывается провод с измеряемым током. После прекращения нажима на рукоятки специальная пружина плотно замыкает сердечник и амперметр показывает значение тока в проводе. В данном случае провод с измеряемым током является первичной обмоткой этого трансформатора тока. Точность таких измерений невысока, но большое удобство заключается в измерении тока без разрыва провода, т. е. практически в любой точке проводной линии. Широкое распространение для точных измерений, а также в учебной лабораторной практике получил универсальный трансформатор тока УТТ-5, дающий возможность получить несколько коэффициентов трансформации. На рисунке 3-25 изображены принципиальная схема (а) и внешний вид (б) трансформатора УТТ-5.

Рис. 3-24

Рис. 3-25

Рис. 3-26

Рис. 3-27

На случай отключения прибора без выключения трансформатора из цепи имеется токопроводящая скоба, которой можно замкнуть накоротко вторичную обмотку (зажимы Их и ).

Трансформаторы тока применяют в современных щитовых многопредельных амперметрах.

Трансформатор напряжения (рис. 3-26, а, б) состоит из сердечника и двух обмоток: первичной и вторичной. Его устройство и принцип работы сходны с силовым трансформатором небольшой мощности, работающим в режиме холостого хода. Первичную обмотку включают на измеряемое напряжение а вторичную замыкают на вольтметр или на обмотки напряжения счетчиков, ваттметров, фазометров и т. д. Так как сопротивление этих обмоток велико, то режим работы трансформатора напряжения можно считать режимом холостого хода, т. е. изменения первичного напряжения пропорциональны изменениям вторичного при постоянном коэффициенте трансформации k. Что же касается фазы вторичного напряжения, то она противоположна фазе первичного, а для правильности показаний ваттметров, фазометров и т. д. необходимо совпадение фаз первичного и вторичного напряжений. Этого можно добиться соответствующей маркировкой зажимов трансформатора. Принято зажимы первичной обмотки трансформатора напряжения маркировать А и X, а зажимы вторичной — а их, причем генераторными концами являются А и а. Все трансформаторы напряжения изготовляют таким образом, чтобы номинальное вторичное напряжение у них было стандартное и равное 100 В.

На случай пробоя изоляции обмоток в целях безопасности обслуживающего персонала один зажим вторичной обмотки и стальной кожух трансформатора напряжения обязательно заземляют. В конструктивном выполнении трансформаторы напряжения очень похожи на маломощные силовые трансформаторы. При напряжениях свыше 6 кВ их делают с масляным заполнением.

В качестве примера приведем схему включения трехфазного индукционного счетчика через измерительные трансформаторы (рис. 3-27). Здесь обе токовые катушки счетчика включены через трансформаторы тока ТТ, а обмотки напряжения — через трансформаторы напряжения ТН. На случай пробоя изоляции в целях безопасности обслуживающего персонала по одному зажиму вторичных обмоток каждого трансформатора заземлены.