Параллельное соединение вторичных обмоток трансформаторов тока

2

Параллельное соединение вторичных обмоток трансформаторов тока

         Трансформатор тока– важный элемент релейной защиты. Он питает цепи защиты током сети и выполняет роль датчика, через который поступает информация кизмерительным органам устройств релейной защиты.

                                      Рис.2

2.1. Принцип действия

  Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно всиловую цепь. Вторичная обмотка замыкается на сопротивление нагрузки ZН – последовательно включенные реле и приборы.

  Ток I1, протекая по обмотке, создаёт магнитный поток Ф1=Iw1, под воздействием этогопотока во вторичной обмотке наводиться ЭДС Е2.По обмотке протекает ток I2.

  Если не учитывать потерь то:

  ,                                                      (2.1)

где     – витковый коэффициенттрансформации.

  В заводских материалах на трансформаторы тока указывают номинальныйкоэффициент трансформации . Если не учитывать потери, то nв=nт.

  В действительности же I2 отличается от расчетногозначения. Часть тока I1 тратиться на созданиенамагничивающего потока:

                                                             (2.2)

  Если разомкнуть вторичную обмотку, магнитный поток в магнитопроводерезко возрастет. Магнитопровод быстро расплавится. Кроме тогона вторичной разомкнутой обмотке появиться высокое напряжение, достигающиедесятков киловольт. Вторичная обмоткаобязательно должна быть заземлена – если произойдет пробой изоляции, топри заземленной вторичной обмотке получится короткое замыкание, защитнаяаппаратура отключит поврежденный трансформатор, заземление вторичной обмотке делается прежде всего для обеспечения техники безопасности.

  Причинойпогрешностей в работе трансформаторов тока является ток намагничивания.Чрезмерно большие погрешности могут вызвать неправильные действия релейнойзащиты, поэтому стараются уменьшить ток намагничивания.

2.2. Параметры, влияющие на уменьшениенамагничивающего тока

  Ток Iнам состоит из активной и реактивной составляющих.

  Iа.нам – обусловлена активными потерями на гистерезис и отвихревых токов в магнитопроводе трансформатора тока.

  Iр.нам – создает магнитный поток, который индуктирует вовторичной обмотке ЭДС Е2.

  Для уменьшения Iа.нам магнитопровод выполняетсяиз шихтованной стали.

         Принасыщении Iнам возрастает значительно быстрее, чем поток Фт,что вызывает резкое увеличение погрешностей. (см. рис. 2.2.1 – характеристиканамагничивания трансформатора тока.)

          Для ограничения погрешностей нужноуменьшить Фт:

                   Рис.2.2.1

         Фт»Е2=I2(Z2+Zн).                                                                                              (2.3)

Этого можно добиться, либоснизив ток I2 за счет подбора соответствующего коэффициентатрансформации (повысить nтдляснижения кратности максимального первичного тока ), либо уменьшив сопротивление нагрузки вторичной обмотки Zн .

Требования к точности трансформаторов тока, питающихрелейную защиту

  Погрешность трансформаторов тока по току (DI) не должна превышать 10%, апо углу (d) – 7°.

  Эти требования обеспечиваются, если Iнам£0,1I1.

  Для каждого типа трансформаторов тока имеются определённые значения К1макс и Zн, при которых погрешность e будет равна 10%. Поэтомуисходными величинами для оценки погрешности являются I1макс и Zн:

  Zн=Zр+Zп,                                                                                                (2.4)

где    Zп – сопротивление проводов,

  Zр – сопротивление реле.

  Для упрощения в расчетах сопротивления суммируются арифметически.

  Предельные значения К1макси Zн из условия 10% погрешностидают заводы, изготавливающие трансформаторы тока.

  Класс точности

  Выпускаются трансформаторы тока следующих классов точности:0,5;1;3;10 (для подсоединения к ним измерительных приборов) и Р (для релейной защиты).

Таблица 2.1

Класс Погрешность1
по току, % по углу, ¢
0,5 ±0,5 ±40
1 ±1 ±80
3 ±3 Не нормируется
Р Не нормируется

При диапазоне первичныхтоков 0,1£I1£1,2 от номинального.

  Номинальная нагрузка – максимальная нагрузка, при которойпогрешность равна значению, установленному для данного класса – Sн.ном(ВА) при I2ном=5А или 1А и cosj=0,8:

  .                                     (2.5)

  Кривые предельной кратности – К10=f(Zном) – приводятся в заводскойдокументации (Рис.2.2.2).

                         Рис. 2.2.2                                                    Рис. 2.2.3

2.3. Выбор трансформаторов тока и допустимойвторичной нагрузки

  Исходя из тока нагрузки, его рабочего напряжения и вида защиты,выбирают тип трансформатора тока и его номинальный коэффициент трансформации.

  Например: Iраб.макс=290 А ® I1.ном=300 А ® nт.ном=60.

  Длядифференциальных и других защит, требующих точной работы трансформаторов токапри больших кратностях первичного тока, используются трансформаторы тока классаР.

  Для защит работающих при меньших значениях I1.макс – трансформаторы классов 1,3 и 10.

  Проверка сводится к определению действительной нагрузки Zн и сопоставлению её с Zн.доп.

  1. Необходимо знать I1.макс – ток короткого замыкания вмаксимальном режиме.

  2. Вычисляют максимальную кратность первичного тока

  ,                                                                                 (2.6)

где    Ка– коэффициент, учитывающий влияние апериодической составляющей тока КЗ наработу трансформаторов тока в переходном режиме, Ка – 1,2…2. Для защит, имеющих выдержку времени иливключаемых через быстронасыщающиеся трансформаторы, (БНТ) Ка=1.

         a – коэффициент, учитывающийвозможное отклонение действительной характеристики намагничивания данноготрансформатора тока от типовой a=0,8…0,9.

         3. По заводским кривым К10=f(Zном) определяется Zн.доп для вычисленного значения К10.

         4. Определяется действительноесопротивление нагрузки Zн.

         Если Zн>Zн.доп, то увеличивается nт или выбирается трансформатор тока у, которого приданном К10 допускаетсябольшее значение Zн.доп, или принимаются меры куменьшению Zн.

         Порядок расчета Zн должен быть изучен студентами самостоятельно.

2.4.1. Соединение трансформаторов тока иобмоток реле в полную звезду

Схема соединенияпредставлена на рис. 2.4.1, векторные диаграммыиллюстрирующие работу схемы на рис. 2.4.2, 2.4.3, 2.4.4.

         В нормальном режиме (если он симметричный)  (практически из–запогрешностей трансформаторов тока проходит небольшой ток – ток небаланса).

Рис.2.4.1

Трехфазное КЗ

 

                                  

                                      Рис. 2.4.2.

ДвухфазноеКЗ

                                                                       Рис. 2.4.3

ОднофазноеКЗ

 

                       

Рис. 2.4.4

  Схемаприменяется для включения защиты от всех видов однофазных и междуфазных КЗ.

  Для каждойсхемы соединений можно определить отношение тока в реле Iр к току в фазе Iф, это отношение называется коэффициентом схемы , для данной схемы kсх=1.

2.4.2. Соединение трансформаторов тока иобмоток реле в неполную звезду

         Схема соединения представлена на рис.2.4.5, векторные диаграммы иллюстрирующие работу схемына рис. 2.4.6, 2.4.7.

Рис. 2.4.5

  3 – фазное КЗ: токи проходят по обоим реле и в обратном проводе:

  2 – фазноеКЗ: токи проходят в одном или двух реле в зависимости от того, какие фазыповреждены.

Рис. 2.4.6

  Однофазное КЗфазы В: токи в схеме защиты не появляются.

Рис.2.4.7

  Схеманеполной звезды реагирует не на все случаи однофазногоКЗ и применяется только для защиты от междуфазных КЗ в сетях с изолированныминулевыми точками:

  kсх=1.

2.4.3. Соединение трансформаторов тока втреугольник, а обмоток реле  в звезду

Схема соединения представлена на рис. 2.4.8.

Рис. 2.4.8

  При трехфазном КЗ при симметричной нагрузке вреле проходит линейный ток в  раз больше тока фазы исдвинутый относительно него по фазе на 30°.

  Особенностисхемы:

            1)токи в реле проходят при всех видах КЗ, защитыпостроенные по такой схеме реагируют на все виды КЗ;

            2)отношение тока в реле к фазному току зависит от вида КЗ;

            3)токи нулевой последовательности не выходят за пределы треугольникатрансформаторов тока, не имея пути для замыкания через обмотки реле.

  Схемаприменяется в основном для дифференциальных защит трансформаторов идистанционных защит.

  Коэффициентсхемы: .

Параллельное соединение вторичных обмоток трансформаторов тока

Параллельное соединение вторичных обмоток трансформаторов тока

Лежало несколько трансформаторов без дела, и один из них (советский ТСА-30-1, 30 Вт) решил использовать для универсального блока питания.

Поскольку его родные обмотки меня не устраивали (в основном по допустимому току), то решил убрать все его вторичные обмотки и намотать свои. Процесс сопровождался множеством «открытий» и ставящих в тупик вопросов, в процессе решения которых собралось много полезных деталей, которыми захотелось поделится с такими же новичками в этом деле, как и я.

Читайте также  Соединение саморегулирующего кабеля с силовым

В статье есть видео с подробностями некоторых этапов.

В чем мне здесь несправедливо повезло:

  1. Было свободное время и никто не мешал.
  2. Было много разных старых запасов, в т.ч. медного провода нужной длины.
  3. Много информации в Интернет (особенно по части теории).

Заратустра меня простил…

Время разных этапов этого видео:

26 мин 28 сек — экран из фольги между первичкой и вторичкой

27 мин 52 сек — как правильно последовательно соединить обмотки

36 мин 43 сек — как узнать направление витков при помощи батарейки и мультиметра

44 мин 14 сек — расчет и намотка новой вторичной обмотки

1 ч 24 мин 20 сек — просадка сетевого напряжения и другие потери

1 ч 30 мин 01 сек — ток холостого хода

1 ч 32 мин 14 сек — пайка алюминия

1 ч 33 мин 42 сек — итог

Рекомендую читать далее только после просмотра видеоролика. В нем намного больше важных подробностей.

Исследование модифицируемого трансформатора

Трансформатор ТСА-30-1 оказался намотан алюминиевым проводом (буква «А» как раз означает алюминий).

Информации о нем в Интернет, к счастью, было достаточно, хотя реальность не совпала с найденным на него паспортом. По паспорту одна из обмоток должна была быть вроде бы как медной (провод ПЭВ-1, не имеет буквы «А» в названии как другие — ПЭВА), и я планировал ее не трогать, но в процессе работы оказалось, что эта обмотка тоже алюминиевая. Поэтому я ее тоже удалил. Т.е. осталась нетронутой только первичная обмотка.

Экран из алюминиевой фольги

В процессе разборки, я из любопытства отмотал немного пропарафиненной бумаги над первичной обмоткой хотел на нее посмотреть, и натолкнулся на один виток фольги, который присутствовал между первичной обмоткой и вторичной. Этот виток фольги шел внахлест вместе с бумагой, т.е.

он не замыкался, и только один из концов был отрезком медного провода соединен точечной сваркой с корпусом. Такое разделение используют в качестве экрана от помех, хотя по поводу его эффективности идут споры.

Трансформатор советский и экран был заложен на заводе изготовителе — я его трогать не стал.

Направление витков

Витки на трансформаторе были намотаны на разных катушках (левой и правой) абсолютно одинаково (не зеркально, а именно одинаково). В дальнейшем стало понятно, что такая намотка сделана исключительно для удобства при последующем последовательном соединении обмоток с разных катушек. Видимо, по той же причине направление разных вторичных обмоток чередуется. В этом случае перемычки между обмотками при последовательном соединении просто удобнее ставить с одной стороны.

Металлические клеммы

Клеммы этого трансформатора очень трудно паять и лудить, поскольку они судя по-всему сделаны не из меди. Медь, чем лучше ее прогреешь, тем лучше она паяется, а у стальных (?) клемм прогрев приводит к скатыванию припоя в шарик и его перетеканию с клеммы на жало паяльника. Нужно ловить один из начальных моментов прогрева, чтобы припой остался на клемме в приемлемом виде.

В исследуемом трансформаторе было тяжело вдвойне, т.к. к металлическим клеммам был припаян алюминий. Пришлось использовать для пайки ортофосфорную кислоту с последующей промывкой водой и сушкой на радиаторе.

Первичная обмотка

В этом трансформаторе две катушки, и каждая обмотка разделена на две равные части, которые намотаны на каждую из двух катушек, с последовательным соединением. Считается, что так выше КПД — равномернее нагрузка.

Первичная обмотка состоит из двух по 110v на каждой катушке, соединенных последовательно перемычкой. Кроме того к каждой из обмоток последовательно присоединена небольшая добавочная обмотка, которую я отсоединил и использовал в своих целях (превратив таким образом во вторичную). Напряжение этой добавочной пары — около 36v (при 230v в сети).

Расчет вторичной обмотки трансформатора

ошибка которую я допустил — расчитывал вторичную обмотку, исходя из напряжения в сети 220v. Между тем, напряжение в сети в пиковые нагрузки может проседать до 185v, — это почти на 20% ниже положенного! Поэтому, рассчитывая вторичную обмотку, надо исходить из этого показателя — не 220, а например 180. Иначе можно сильно просчитаться.

Читайте также  Кабель для соединения колонок между собой

При расчете напряжения в трансформаторе блока питания следует учитывать:

  • Минимальное напряжение в сети ~180 V
  • Падение напряжения на диодном мосту — более 2 V
  • Падение напряжения на стабилизаторе — например 3 V
  • Просадку напряжения на вторичных обмотках при увеличении тока нагрузки (умножаем в среднем на 1,02 — 1,06, в зависимости от предельного тока)

На рисунке ниже — напряжение на одном элементе диодного моста KBU801 при токе 8 A доходит до 1,08 V. Т.е. на всем мосту падение напряжения будет более 2 V (клинуть мышью для увеличения).

Для уточнения количества витков на вольт во вторичной обмотке можно сделать временную контрольную обмотку (например 10 витков) и замерять выдаваемое ею напряжение (обязательно проверить напряжение в сети!). После чего разделить эти 10 (витков) на полученное напряжение. Таким образом получим количество витков на вольт.

ВАЖНО! Необходимо делить витки контрольной обмотки на ее напряжение, а не наоборот!

Пример.

Необходимо напряжение питания 20 V при максимальном постоянном токе 2 A.

Приблизительный подсчет выглядит примерно так:

20 + 3 = 23 V (падение напряжения на стабилизаторе)

23 + 2,2 = 25,2 V (падение напряжения на диодном мосту)

25,2 / 1,41 = ~17,3 V (переводим постоянное напряжение после диодного моста с конденсатором в необходимое переменное вторички)

17,3 * 1,06 = ~18,4 V (учитываем просадку напряжения в обмотке при максимальном токе нагрузки)

Если у нас идет например 4,4 витка на вольт при идеальных ~220 V, то при напряжении ~180 V в сети, нам понадобится

18,4 * 4,4 = 81 виток (для идеального напряжения ~220 V)

81 * (220/180) = 99 витков (для пикового падения напряжения до ~180 V)

Т.е. при ~220 V в сети, вторичная обмотка, содержащая 99 витков, будет выдавать около ~22,5 V

(а при просадке в сети до ~180 V, необходимые ~18,4 V)

Намотка

Я наматывал одновременно четыре параллельных провода. В результате получил четыре обмотки на каждой катушке в каждом ряду. Такое количество обмоток дает возможность, соединяя их последовательно (или параллельно), комбинировать необходимое напряжение (и ток).

Для лабораторного блока питания, используемого как инструмент при работе, это наиболее удобный вариант.

ВАЖНО! Для трансформатора имеющего сердечник в виде буквы «О», с двумя катушками справа и слева (такого, как рассматривается в этой статье), лучше всего каждую обмотку разделить на две (одинаковые), намотанные на разные катушки и соединенные последовательно. В этом случае будет выше КПД.

КСТАТИ при укладке на каркас, желательно слегка выгибать провод наружу перед каждым загибом на углах, чтобы витки потом не отходили в стороны от каркаса, образуя зазор при котором ухудшается плотность намотки. Я дополнительно еще придавливал провод сосновым бруском после каждого загиба на каркасе.

Расчет длины провода. Перед намоткой необходимо замерять ширину каркаса и ширину окна между каркасами катушек (или каркасом и сердечником).

После этого необходимо рассчитать длину провода, и учесть его диаметр (с лаковой изоляцией!). Если намотка происходит без разборки сердечника, способом продевания провода в окно, то кусок/куски провода необходимой длины нужно будет «откусить» заранее, поэтому важно не ошибиться. Если провод достаточно тонкий (например менее ᴓ 0,5 мм) и длинный, то имеет смысл сделать тонкий челнок, на который намотать провод нужной длины — так его будет легче протаскивать в окно.

У меня здесь например внутренняя длина каркаса была 54 мм, и рассчитывая уложить 52 витка провода диаметром 1мм, я не угадал — последние пол витка мне пришлось делать частично внахлест (видимо я не учел толщину лаковой изоляции).
См. рисунок (для увеличения — нажать мышью):

Источник: https://1000eletric.com/parallelnoe-soedinenie-vtorichnyh-obmotok-transformatorov-toka/