Измервателни трансформатори – част 2

ЕлектроапаратурaСп. Инженеринг ревю - брой 2/2016 • 31.03.2016

Измервателни трансформатори – част 2
Измервателни трансформатори – част 2

B първата част на материала, публикувана в бр. 2016 г. на списание Инженеринг ревю, бяха разгледани същността на токовите трансформатори (СТ), основните параметри, видовете според конструкцията им, и бяха изброени най-важните стандарти за тях. Тук продължаваме с видовете СТ според предназначението, практическите им особености, както и напрежителните трансформатори.

Видове СТ според предназначението
Точно разграничение между отделните видове не може да се направи, тъй като често един вид може да има няколко предназначения, а параметрите на два вида частично да се припокриват, т.е. в зависимост от производителя СТ с даден параметър бива класифициран в различни видове.

 

СТ с общо предназначение (General Purpose CT, Commercial CT). Подобно на други изделия с общо предназначение тези СТ са със сравнително скромни параметри за сметка на невисоката им цена. Освен модели с кръгъл прозорец и квадратен или кръгъл магнитопровод се предлагат и такива с подвижна страна. Типични параметри са коефициент на трансформация k между 50:5 и 2000:5, клас на точност най-често ±1%, но има СТ с ±2% и ±3%, докато товарът във вторичната намотка в някои модели надхвърля 10.

За захранване на маломощни консуматори се предлагат СТ по заявка на клиента (Custom Option) с ток във вторичната намотка I2 от 0,1 А и 0,2 А. Пример за съвременни СТ е серията PACT MCR-V2-8015-105-2500-5A-1-2276340 на Phoenix Contact с ток I през контролирания проводник от 2500 А, стойност на I2 от 1 А и 5 A, пълна мощност на консуматора P=20 VA и относителна грешка 0.2%, 0,5% и 1%.

СТ за измервателни прибори (Metering CT, Instrument CT). Използват се основно в амперметри, ватметри и електромери, както и в анализатори на качеството на електроенергията (Power Analyser). Типът на магнитопроводите e както в предния вид СТ, а типичен пример е Model 2241-00 на Yokogawa от клас 0,2 с 10 разновидности за I между 10 А и 1500 А и ток I2 от 5 А.

Към споменатите в част 1 на статията изисквания за относителната грешка на k тук се прибавя и необходимостта от малка фазова грешка (Phase Angle), която представлява нежеланата фазова разлика между напреженията на контролирания проводник и вторичната намотка и обикновено не трябва да надхвърля няколко десетки минути (не винаги се дава в каталозите на СТ).

Широко разпространени са миниатюрните СТ обикновено с тороидален магнитопровод от силициева стомана или никелова сплав, предназначени за монтаж върху печатните платки на измервателни уреди. Към класическия параметър изолационно напрежение се прибавя издръжливостта към импулсни напрежения (Surge Withstand), обикновено около 2 пъти по-големи от изолационното, и съпротивлението на изолацията между контролирания проводник и вторичната намотка с типична стойност около 1 гигаом.

Работният температурен обхват също трябва да е достатъчно голям – обикновено -25/+55 °С и разширен от -40 °С до +85 °С. Предназначението на тези трансформатори определя неголемите стойности на максималния измерван ток (обикновено 10 - 100 А), големият k (не по-малък от 1000:1) и възможността за работа със сравнително високоомни консуматори (типичен импеданс между 50 ома и 1 килоом).

Контролиращи СТ (Relaying CT). Основните им приложения за регистриране по определен начин (например задействане на реле) надхвърлянето от контролирания ток на определена стойност налагат да се взимат предвид всички допълнителни ефекти, които могат да попречат на правилното функциониране. На първо място това е опасността от нелинейна зависимост между индукцията в магнитопровода и създаващата я напрегнатост на магнитното поле и дори насищане на магнитопровода при голям I.

Резултатът може да е промяна на работния режим и характеристиките на консуматора и получаването на отскоци на напрежението върху него, които да го повредят или дори да предизвикат пробив във вторичната намотка на СТ. За избягване на това е необходимо подходящо проектиране на СТ, за което производителите им предлагат достатъчно литература. Към това трябва да се прибави и опасността от насищане при наличието на постоянна съставка в тока през контролирания проводник. За практическото избягване на тези ефекти се използват и специфични схеми, например диференциално свързване на предпазни релета (Protection Relay), съдържащи СТ.

Най-масово използвани са контролиращите СТ от клас С поради липсата на влияние на токовете на утечка върху техните параметри, т. е. дадените им стойности в каталога действително са верни. С по-ниска цена са СТ от класове H, K, L и Т, в които влиянието на токовете не може да се пренебрегне и затова установяването на реалните параметри се прави чрез измервания. Поради действието на контролиращите СТ често те се наричат предпазни (Protective CT, Protection CT) и са с класове на точност 5Р и 10Р, които съответно имат комплексна относителна грешка от 5% и 10%. Пример за такива е серията 4МА72 на Siemens, предназначена за токове между 20 А и 2500 А и k от 20 до 600.

Средноволтови СТ (Medium Voltage CT, MV Current Transformer). Няма международно приети норми на изолационното напрежение, за да бъде един СТ считан за средноволтов. В зависимост от производителя долната му граница е между 600 V и 5 kV, а горната е 35,5 kV - 40,5 kV. От описаните в част 1 на статията конструкции за средноволтови СТ не се използват само тези с подвижна страна на магнитопровода, но значителните работни напрежения налагат особености в реализацията. Например обикновено изработката на намотките и магнитопровода се извършва във вакуум, за да се избегне оставането на частици въздух, след което цялата конструкция се капсулира с епоксидна смола или полиуретан.

Важен специфичен параметър е заимстваното от средноволтовите мрежи и съоръжения основно изолационно напрежение (Basic Insulation Level) BIL. То представлява амплитудата на импулси 1,5/40 us, познати от тестовете на много други електрически и електронни прибори, на които трябва да издържа изолацията между контролирания проводник и вторичната намотка и между него и земя.

Стойността на BIL обикновено е 5-10 пъти по-голяма от изолационното напрежение на СТ. Предназначените за работа на открито СТ често са с подобрена изолация чрез напояването й с масло (Oil Insulated CT), като за подобряване на устойчивостта им на атмосферни влияния цялата конструкция на някои модели е със силиконово покритие.

Тези СТ са с една или няколко вторични намотки, а работният им честотен обхват е 50/60 Hz или 50-400 Hz. Минималният измерван ток е няколко десетки А, а максималният достига 6 kA. Като пример на фиг.1а е даден външният вид на трансформатора С8.6-301 с k=300:5, изолационно напрежение 5,6 kV и BIL=60 kV, чиято конструкция е характерна за голяма част от средноволтовите СТ – контролираният проводник не преминава през техен отвор, фазата му се свързва към клеми Н1 и към Н2 се съединява фазата на консуматора (двете клеми обикновено са от фосфорен бронз), докато нулите им са свързани към корпуса.

Изводите на вторичната намотка са долу вдясно. Съществуват и СТ с отвор за контролирания проводник – на фиг. 1б е външният вид на серията C4.0-C4.6 за токове до 3 kA, ток във вторичната намотка 1 А или 5 А, изолационно напрежение 25,5 kV и BIL=125 kV.

Трифазни СТ (3 Phase CT, Three Phase CT). Две са възможностите за измерване и контрол на тока през трифазни консуматори – чрез еднакви СТ на всяка от фазите и трифазни СТ. Последните логично са ниско- и средноволтови, без да има никакви съществени особености в действието и параметрите им в сравнение с еднофазните СТ, а максималният ток е в сила за всяка от фазите на консуматора. Като пример на фиг. 1в е външният вид на AN3-1000 за ток до 100 А на консуматори с напрежение до 300 V и k=1000:1.

Високочестотни СТ (High Frequency CT). Нараства количеството на електронните прибори, схеми и устройства, чиито високочестотни токове трябва да бъдат контролирани, като типични примери са постояннотоковите ключови стабилизатори и драйверите за някои електродвигатели. В зависимост от вида на устройството ползваните за целта СТ трябва да работят в подходящата част от обхвата между няколко десетки Hz и 1 MHz, а типичните граници на максималния измерван ток I са 10 - 100 А.

Съществуват и други особености в параметрите и начина на използване на високочестотните СТ, които се изясняват чрез основната схема на свързването им на фиг. 2а. Стойността на I се определя чрез напрежението U (на фигурата е означено с V) върху резистора R във вторичната намотка, който се свързва външно или е вграден в СТ. В първия случай параметър е и максимално допустимото напрежение Umax, за да не се насища магнитопроводът.

Препоръчва се работа с напрежение до 0,8 Vmax, при което резисторът трябва да е със съпротивление RЈ0,8 kUmax/I- DCR, а съпротивлението DCR на вторичната намотка също е параметър на СТ. Чрез избор на R връзката между стойността I на контролирания ток, съпротивлението R и измерваното U е I=kU/R. Пример е CR8348-2000-F с класически отвор за контролирания проводник (фиг. 2б) и параметри I=50 A, k=2000, Umax=3,7 V, DCR=88 W и честотен обхват 20 Hz-200 kHz. Той трябва да работи със съпротивление RЈ30,4 W и при избор на R=20 W се получава I[A]=100U[V].

Другата разновидност са СТ с вграден резистор, в чийто каталог се дава зависимостта на I от U. Такъв е CS4200V-01 с R=5,7 W, което определя U=1 V при I=35 A. Външният му вид на фиг. 2в без отвор за контролирания проводник е характерен за СТ с вградена първична намотка (обикновено с 1 навивка) и допълнителни изводи за свързване на контролирания проводник. Този СТ е с k=200 и честотен обхват 1 kHz – 1 MHz.

Напрежителни трансформатори
Освен класическия термин Voltage Transformer (VT) се използва и еквивалентния му Potential Transformer (PT). Предназначението на VT е да преобразуват необходимо за измерване напрежение Vp, подавано на първичната им намотка, в по-малко Vs на вторичната намотка (Measuring Winding), което се използва от измервателен уред. В идеалния случай последният не трябва да консумира никаква енергия, т. е. VT работят практически на празен ход и това е основното им различие от популярните трансформатори за доставяне на електрическа енергия на товари.

То ги поставя в категорията на измервателните трансформатори и затова често използвани термини са Measuring VT и Measurement VT. Не са рядкост производителите, които отбелязват в каталозите, че предлаганите модели се тестват индивидуално в лаборатория. Наличието на еднофазни и трифазни електрически апарати обуславя необходимостта от съответни VT (1 Phase Measuring VT, 3 Phase Measuring VT), а символите им са както на другите трансформатори.

Изводите на намотките и началото им се означават както при СТ, като трябва да се прибави съществуването на VT с допълнителна намотка (Earth-Fault Winding) за регистриране на токове към земя. Магнитопроводите на VT практически винаги са правоъгълни или квадратни, а осъществяваните измервания са на фазовите и междуфазните напрежения. Практическа особеност на VT, отличаваща ги от СТ, е наличието в някои случаи на предпазител в първичната намотка, докато използването му във вторичната намотка е рядкост.

Основни параметри. Първият е максималната стойност на Up (Rated Primary Voltage), в зависимост от която има нисковолтови VT (Low Voltage VT, LV VT) с Up до 600 V, средноволтови (Medium Voltage VT, MV VT) до 40,5 kV и високоволтови (High Voltage VT, HV VT) над тази стойност. Големината на Vp зависи не само от изолацията между различните части на VT, но и от максималния магнитен поток през магнитопровода му преди навлизане в насищане. Връзката между Up и напрежението във вторичната намотка (Rated Secondary Voltage) Us е чрез коефициента на трансформация k=Up/Us, който често се представя във вида Up:Us и отбелязва като Voltage Rating.

С Burden или Rated Burden (RB) се означава максимално допустимата пълна мощност (във VA) във вторичната намотка. В някои стандарти са предвидени букви за прибавяне към означението на VT, които да показват нейната стойност – например в IEEE C57.13 най-малката е 12,5 VA (буква W) и най-голямата със ZZ е 400 VA. При това трябва да се има предвид, че в трифазните трансформатори максималната мощност е за всяка от фазите с примерно означаване 15 VA/PH.

Измервателният уред (или какъвто и да е товар във вторичната намотка) консумира някаква енергия, каквато се губи и върху намотките на VT и свързващите проводници. Поради тока k не е равно на отношението Up/Us, а се различава от него с параметъра корекционен фактор (Ratio Correction Factor) RCF. Например при k=50 и RCF=1% реалният коефициент на трансформация е с 1% по-голям, т. е. k=50,5.

Класът на точност (Accuracy Class) е максималната относителна грешка на измерваното напрежение и обикновено се приема, че тя трябва да се запазва при негова стойност между 80% и 120% от Up и пълна мощност между 25% и 100% от максималната. Последната долна граница не е в сила за всички VT, а зависи и от стандарта, в съответствие с който са параметрите. Например VT според IEEE C57.13 трябва да гарантират класа си точност дори при празен ход.

Използваните класове са 0.1, 0.2 (Laboratory Class), 0.5 (High Precision Class, Tariff Meter Class) обикновено за електромери, 1.0 (Normal Measurement Class, Meters Class) за измервателни прибори с общо предназначение и 3.0 (Panel Meters Class) за индикаторни прибори. В някои стандарти се ползват класове 0.3, 0.6 и 1.2. Важно е да се отбележи, че в VT с повече от една вторична намотка, товарът в която и да е от тях намалява точността на измерване и в останалите.

Друг параметър е фазовата грешка (Phase Error, Phase Angle Error), представляваща нежеланата фазова разлика между Up и Us. Нулева грешка означава разлика от 0° или 180° в зависимост от свързването на измервателния уред към вторичната намотка. Съществуващият в СТ параметър BIL се използва и в VT.

Делители на напрежение вместо VT. Добре познатите делители на напрежение с резистори и с кондензатори започват да намират приложение вместо VT, независимо от по-голямата им по принцип консумация на електрическа енергия. Основната причина е по-широкият честотен обхват. За високоволтовите постояннотокови мрежи (HVDC Grid) се предлагат RC-делители – пример е RCVD 145T за напрежение до 145 kV, честотен обхват 0-20 kHz и точност в съответствие със стандартите на IEC.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top