Принцип роботи комбінованого вимірювального трансформатора

У сучасних енергетичних системах точне вимірювання електричного струму та напруги є важливим для вимірювання, захисту, моніторингу та керування. Однак струм і напруга в мережах передачі та розподілу часто занадто високі, щоб їх можна було підключити безпосередньо до звичайних вимірювальних приладів, захисних реле або моніторингового обладнання. Тому вимірювальні трансформатори використовуються для безпечного перетворення великих електричних величин у стандартизовані, вимірювані сигнали.

Двома найпоширенішими типами вимірювальних трансформаторів є трансформатори струму (ТС) та трансформатори напруги (ТН). ТС перетворює високий первинний струм у менший вторинний струм, тоді як ТН знижує високу напругу системи до стандартизованої вторинної напруги. Ці знижені сигнали потім можуть подаватися на лічильники, реле, системи моніторингу та інше електрообладнання.

Комбінований вимірювальний трансформатор об'єднує функції трансформатора струму та трансформатора напруги в одному фізичному блоці. Замість встановлення окремих трансформаторів струму та трансформаторів напруги, комбінований блок може забезпечувати вимірювання як струму, так і напруги з одного компактного пристрою.

Розуміння принципу роботи комбінованого вимірювального трансформатора важливе для інженерів та фахівців з енергосистем, оскільки воно пояснює, як струм і напругу можна вимірювати одночасно, зберігаючи електричну ізоляцію та точність вимірювання.

1. Що таке комбінований вимірювальний трансформатор?

Комбінований вимірювальний трансформатор — це електричний вимірювальний пристрій, який об'єднує трансформатор струму та трансформатор напруги в один інтегрований блок. Він призначений для видачі сигналів струму та напруги для вимірювальних, лічильних та захисних застосувань.

У звичайній енергосистемі трансформатори струму та трансформатори напруги можуть бути встановлені окремо. Трансформатор струму підключається послідовно до первинного кола для вимірювання струму, тоді як трансформатор напруги підключається між високовольтним колом та землею або між фазами для вимірювання напруги. Комбінований вимірювальний трансформатор виконує обидві функції в одному корпусі та системі ізоляції.

2Основні компоненти комбінованого вимірювального трансформатора

Хоча точна конструкція залежить від виробника та застосування, комбінований вимірювальний трансформатор зазвичай складається з кількох ключових компонентів.

Розділ трансформатора струму

Секція CT відповідає за вимірювання струму, що протікає через первинне коло живлення.

Первинний провідник:

Первинний провідник несе фактичний струм системи. Залежно від конструкції, це може бути провідник, що проходить через магнітний сердечник, або інтегрована первинна обмотка.

Магнітне осердя:

Магнітний сердечник забезпечує магнітний шлях, необхідний для роботи трансформатора. Він розроблений відповідно до вимог вимірювання або захисту трансформатора струму та відіграє важливу роль у визначенні точності та характеристик насичення.

Вторинна обмотка:

Вторинна обмотка виробляє зменшений струм, пропорційний первинному струму. Стандартні номінали вторинної обмотки зазвичай включають 1 А або 5 А, залежно від вимог підключеного вимірювального або захисного обладнання.

Секція трансформатора напруги

Секція VN відповідає за зниження напруги системи до безпечного та стандартизованого рівня.

Первинна обмотка:

Первинна обмотка підключена до високовольтної системи. Вона має відповідну ізоляцію, щоб витримувати напругу системи та перехідні електричні навантаження.

Вторинна обмотка:

Вторинна обмотка забезпечує нижчу напругу для лічильників, реле, моніторингового обладнання та систем керування. Загальні номінали вторинної напруги включають 100 В та 110 В, хоча можуть бути доступні й інші номінали залежно від регіональних стандартів та вимог застосування.

Система ізоляції

Оскільки трансформатор може бути встановлений у системах середньої або високої напруги, ізоляція є критично важливою частиною конструкції. Система ізоляції відокремлює високовольтні компоненти від заземлених конструкцій та низьковольтних вторинних кіл.

Залежно від застосування, ізоляція може включати такі матеріали, як епоксидна смола, олія, папір, порцеляна, композитні матеріали або інші спеціалізовані ізоляційні системи.

Спільні компоненти

Комбінований вимірювальний трансформатор також містить компоненти, які підтримують як секції струму, так і секції напруги.

Корпус та огородження:

Корпус захищає внутрішні компоненти від механічних пошкоджень та впливу навколишнього середовища.

Монтажна конструкція:

Монтажна конструкція забезпечує механічну опору та дозволяє надійно встановлювати трансформатор на підстанціях, розподільних пристроях або іншому електрообладнанні.

Клемна коробка:

Клемна коробка забезпечує з'єднання між вторинними ланцюгами трансформатора та зовнішнім вимірювальним, захисним або моніторинговим обладнанням. Правильна ідентифікація клем та підключення є важливими для правильної полярності, фазного співвідношення та роботи системи.

3. Принцип роботи комбінованого вимірювального трансформатора

Принцип роботи комбінованого вимірювального трансформатора базується на електромагнітній індукції. Однак секції CT та VN виконують різні електричні функції та працюють за допомогою різних методів з'єднання.

Принцип вимірювання струму

Секція CT вимірює струм на основі трансформаторного принципу.

Коли струм протікає через первинний провідник, він створює магнітне поле навколо провідника. Цей магнітний потік проходить через магнітний сердечник трансформатора струму та індукує струм у вторинній обмотці.

Зв'язок між первинним та вторинним струмом приблизно визначається коефіцієнтом витків:

Ip / Is ≈ Ns / Np

де:

• Ip = первинний струм
• Is = вторинний струм
• Np = кількість витків первинної обмотки
• Ns = кількість витків вторинної мережі

Наприклад, якщо трансформатор струму має коефіцієнт перемикання 1000/5 А, первинний струм 1000 А приблизно відповідає вторинному струму 5 А за номінальних умов.

Вторинний струм значно менший і його можна безпечно підключати до вимірювальних приладів та захисних реле. Типові вторинні виходи трансформатора струму становлять 1 А або 5 А.

Важливо зазначити, що вторинне коло трансформатора струму зазвичай не слід залишати розімкнутим, поки струм протікає через первинне коло. Розімкнута вторинна обмотка трансформатора струму може генерувати небезпечно високу напругу. Тому під час встановлення та обслуговування необхідні відповідні засоби захисту від короткого замикання та короткого замикання.

Принцип вимірювання напруги

Секція VN також працює за принципом трансформатора, але її основним призначенням є зниження напруги, а не струму.

Первинна обмотка трансформатора напруги підключена до високовольтної системи. Прикладена первинна напруга створює магнітний потік у осерді трансформатора, який індукує пропорційну напругу у вторинній обмотці.

Приблизне співвідношення напруги:

Vp / Vs ≈ Np / Ns

де:

• Vp = первинна напруга
• Vs = вторинна напруга
• Np = витки первинної обмотки
• Ns = витки вторинної обмотки

Наприклад, трансформатор напруги, розроблений для високовольтної системи, може знизити первинну напругу в кілька кіловольт до стандартизованої вторинної напруги, такої як 100 В або 110 В.

Цей сигнал нижчої напруги потім може подаватися на лічильники енергії, обладнання для контролю напруги, захисні реле, системи автоматизації та інші пристрої керування.

Функція одночасного вимірювання

Ключовою особливістю комбінованого вимірювального трансформатора є те, що секції CT та VN можуть працювати одночасно та незалежно в одному інтегрованому пристрої.

Секція CT забезпечує сигнал струму, тоді як секція VN забезпечує сигнал напруги. Ці сигнали можуть бути підключені до однієї й тієї ж системи вимірювання або захисту.

Наприклад, система моніторингу потужності може отримувати сигнали як струму, так і напруги від комбінованого вимірювального трансформатора. Система моніторингу потім може використовувати ці вимірювання для розрахунку електричних параметрів, таких як потужність, коефіцієнт потужності, споживання енергії та навантаження системи.

Дві функції вимірювання не означають, що струм і напруга безпосередньо поєднуються електрично. Натомість вони механічно та конструктивно інтегровані в один вузол вимірювального трансформатора, зберігаючи при цьому необхідну електричну ізоляцію та розв'язку між ланцюгами.

4Комбінований вимірювальний трансформатор проти окремого трансформатора струму та трансформатора напруги.

Вибір між комбінованим вимірювальним трансформатором та окремими блоками трансформаторів струму та напруги залежить від конфігурації системи, рівня напруги, середовища встановлення, вимог до вимірювань та стратегії технічного обслуговування.

Комбінована конструкція часто є привабливою, коли пріоритетами є компактність та інтеграція. Однак окремі трансформатори струму та напруги можуть бути кращими, коли система вимагає високо незалежного налаштування, заміни, обслуговування або спеціалізованих вимірювальних характеристик.

Тому вибір не повинен ґрунтуватися виключно на фізичних розмірах. Інженери повинні оцінити номінальну напругу, номінальний струм, клас точності, навантаження, рівень ізоляції, частоту, умови навколишнього середовища, вимоги захисту та відповідні технічні стандарти.

Висновок

Принцип роботи комбінованого вимірювального трансформатора базується на інтеграції двох основних вимірювальних функцій: перетворення струму та перетворення напруги. Секція CT використовує електромагнітну індукцію для перетворення високого первинного струму в стандартизований вторинний струм, зазвичай 1 А або 5 А. Водночас секція VN знижує високу напругу системи до стандартизованої вторинної напруги, зазвичай 100 В або 110 В.

Хоча секції CT та VN виконують різні електричні функції, вони можуть працювати одночасно в одному інтегрованому трансформаторному вузлі. Це дозволяє енергосистемам отримувати сигнали як струму, так і напруги з одного компактного пристрою для вимірювання, захисту, моніторингу та керування.

Вибір правильного комбінованого вимірювального трансформатора вимагає ретельного врахування електричної системи та застосування. Перед вибором необхідно оцінити номінальну напругу, номінальний струм, коефіцієнт трансформації, клас точності, навантаження, характеристики ізоляції, умови навколишнього середовища та вимоги до захисту.