Для каких целей применяют измерительные трансформаторы тока. Назначение и принцип действия измерительных трансформаторов

При эксплуатации энергетических систем часто возникает необходимость преобразования определенных электрических величин в подобные им аналоги с пропорционально измененными значениями. Это позволяет моделировать определенные процессы в электроустановках, безопасно выполнять измерения.

Работа трансформатора тока (ТТ) основана на , действующего в электрических и магнитных полях, изменяющихся по форме гармоник переменных синусоидальных величин.

Он преобразует первичную величину вектора тока, протекающего в силовой цепи, во вторичное пониженное значение с соблюдением пропорциональности по модулю и точной передачей угла.

Принцип работы трансформатора тока

Демонстрацию процессов, происходящих при преобразованиях электрической энергии внутри трансформатора, поясняет схема.

Через силовую первичную обмотку с числом витков w1 протекает ток I1, преодолевая ее полное сопротивление Z1. Вокруг этой катушки формируется магнитный поток Ф1, который улавливается магнитопроводом, расположенным перпендикулярно направлению вектора I1. Такая ориентация обеспечивает минимальные потери электрической энергии при ее преобразовании в магнитную.

Пересекая перпендикулярно расположенные витки обмотки w2, поток Ф1 наводит в них электродвижущую силу Е2, под влиянием которой возникает во вторичной обмотке ток I2, преодолевающий полное сопротивление катушки Z2 и подключенной выходной нагрузки Zн. При этом на зажимах вторичной цепи образуется падение напряжения U2.

Величина К1, определяемая отношением векторов I1/I2, называется коэффициентом трансформации . Ее значение задается при проектировании устройств и замеряется в готовых конструкциях. Отличия показателей реальных моделей от расчетных значений оценивается метрологической характеристикой - классом точности трансформатора тока .

В реальной работе значения токов в обмотках не являются постоянными величинами. Поэтому коэффициент трансформации принято обозначать по номинальным значениям. Например, его выражение 1000/5 означает, что при рабочем первичном токе 1 килоампер во вторичных витках будет действовать нагрузка 5 ампер. По этим значениям и рассчитывается длительная эксплуатация этого трансформатора тока.

Магнитный поток Ф2 от вторичного тока I2 уменьшает значение потока Ф1 в магнитопроводе. При этом создаваемый в нем поток трансформатора Фт определяется геометрическим суммированием векторов Ф1 и Ф2.

Опасные факторы при работе трансформатора тока

Возможность поражения высоковольтным потенциалом при пробое изоляции

Поскольку магнитопровод ТТ выполнен из металла, обладает хорошей проводимостью и соединяет между собой магнитным путем изолированные обмотки (первичную и вторичную), то возникает повышенная опасность получения электротравм персоналом или повреждения оборудования при нарушениях изоляционного слоя.

С целью предотвращения таких ситуаций используется заземление одного из вторичного выводов трансформатора для стекания через него высоковольтного потенциала при авариях.

Эта клемма всегда имеет обозначение на корпусе прибора и указывается на схемах подключения.

Возможность поражения высоковольтным потенциалом при разрыве вторичной цепи

Выводы вторичной обмотки маркируют «И1» и «И2» так, чтобы направление протекающих токов было полярным, совпадало по всем обмоткам. При работе трансформатора они всегда должны быть подключены на нагрузку.

Объясняется это тем, что проходящий по первичной обмотке ток обладает мощностью (S=UI) высокого потенциала, которая трансформируется во вторичную цепь с малыми потерями и при разрыве в ней резко уменьшается составляющая тока до значений утечек через окружающую среду, но при этом значительно возрастает падение напряжения на разорванном участке.

Потенциал на разомкнутых контактах вторичной обмотки при прохождении тока в первичной схеме может достигать нескольких киловольт, что очень опасно.

Поэтому все вторичные цепи трансформаторов тока постоянно должны быть надежно собраны, а на выведенных из работы обмотках или кернах всегда устанавливаются шунтирующие закоротки.

Конструкторские решения, используемые в схемах трансформаторов тока

Любой трансформатор тока, как электротехническое устройство, предназначен для решения определенных задач при эксплуатации электроустановок. Промышленность выпускает их большим ассортиментом. Однако, в некоторых случаях при усовершенствовании конструкций бывает проще использовать готовые модели с отработанными технологиями, чем заново проектировать и изготавливать новые.

Принцип создания одновиткового ТТ (в первичной схеме) является базовым и показан на картинке слева.

Здесь первичная обмотка, покрытая изоляцией, выполнена прямолинейной шиной Л1-Л2, проходящей через магнитопровод трансформатора, а вторичная намотана витками вокруг него и подключена на нагрузку.

Принцип создания многовиткового ТТ с двумя сердечниками, показан справа. Здесь берется два одновитковых трансформатора со своими вторичными цепями и через их магнитопроводы пропускается определенное количество витков силовых обмоток. Таким способом не только усиливается мощность, но дополнительно увеличивается количество выходных подключаемых цепочек.

Три этих принципа могут быть модифицированы различными способами. Например, применение нескольких одинаковых обмоток вокруг одного магнитопровода широко распространено для создания отдельных, независимых друг от друга вторичных цепей, которые работают в автономном режиме. Их принято называть кернами. Таким способом подключают различные по назначению защиты выключателей или линий (трансформаторов) к токовым цепям одного трансформатора тока.

В устройствах энергетического оборудования работают комбинированные трансформаторы тока с мощным магнитопроводом, используемом при аварийных режимах на оборудовании, и обычным, предназначенным для замеров при номинальных параметрах сети. Обмотки, навитые вокруг усиленного железа, используют для работы защитных устройств, а обычные - для измерений тока или мощности/сопротивления.

Их так и называют:

защитными обмотками, маркируемыми индексом «Р» (релейные);

измерительными, обозначаемыми цифрами метрологического класса точности ТТ, например, «0,5».

Защитные обмотки при нормальном режиме работы трансформатора тока обеспечивают измерение вектора первичного тока с точностью 10%. Их по этой величине так и называют - «десятипроцентными».

Погрешности измерений

Принцип определения точности работы трансформатора позволяет оценить его схема замещения, показанная на картинке. В ней все значения первичных величин условно приведены к действию во вторичных витках.

Схема замещения описывает все процессы, действующие в обмотках с учетом энергии, затрачиваемой на намагничивание сердечника током I.

Построенная на ее основе векторная диаграмма (треугольник СБ0) свидетельствует, что ток I2 отличается от значений I’1 на величину I нам (намагничивания).

Чем выше эти отклонения, тем ниже точность работы трансформатора тока. Чтобы учесть ошибки измерения ТТ введены понятия:

относительной токовой погрешности, выражаемой в процентах;

угловой погрешности, вычисляемой длиной дуги АБ в радианах.

Абсолютную величину отклонения векторов первичного и вторичного тока определяет отрезок АС.

Общепромышленные конструкции трансформаторов тока выпускаются для работы в классах точности, определяемых характеристиками 0,2; 0,5; 1,0; 3 и 10%.

Практическое применение трансформаторов тока

Разнообразное количество их моделей можно встретить как в маленьких электронных приборах, размещенных в небольшом корпусе, так и в энергетических устройствах, занимающих значительные габариты в несколько метров. Они разделяются по эксплуатационным признакам.

Классификация трансформаторов тока

По назначению их разделяют на:

• измерительные, осуществляющие передачу токов на приборы измерения;
• защитные, подключаемые к токовым цепям защит;
• лабораторные, обладающие высоким классом точности;
• промежуточные, используемые для повторного преобразования.

При эксплуатации объектов используют ТТ:

наружного монтажа на открытом воздухе;

для закрытых установок;

встроенные в оборудование;

накладные - надеваемые на проходной изолятор;

переносные, позволяющие делать замеры в разных местах.

По величине рабочего напряжения оборудования ТТ бывают:

высоковольтными (более 1000 вольт);

на значения номинального напряжения до 1 киловольта.

Также трансформаторы тока классифицируют по способу изоляционных материалов, количеству ступеней трансформации и другим признакам.

Выполняемые задачи

Для работы цепей учета электрической энергии, измерений и защит линий или силовых автотрансформаторов используются выносные измерительные трансформаторы тока.

На фото ниже показано их размещение для каждой фазы линии и монтаж вторичных цепей в клеммном ящике на ОРУ-110 кВ для силового автотрансформатора.

Эти же задачи выполняют трансформаторы тока на ОРУ-330 кВ, но, учитывая сложность более высоковольтного оборудования, они имеют значительно большие габариты.

На энергетическом оборудовании часто применяют встроенные конструкции трансформаторов тока, которые размещают прямо на корпусе силового объекта.

Они имеют вторичные обмотки с выводами, размещаемыми вокруг высоковольтного ввода в герметичном корпусе. Кабели от зажимов ТТ проложены к прикрепленным здесь же клеммным ящикам.

Внутри высоковольтных трансформаторов тока чаще всего в качестве изолятора используется специальное трансформаторное масло. Пример такой конструкции показан на картинке для трансформаторов тока серии ТФЗМ, рассчитанной на работу при 35 кВ.

До 10 кВ включительно используются твердые диэлектрические материалы для изоляции между обмотками при изготовлении корпуса.

Примером может служить трансформатор тока марки ТПЛ-10, используемый в КРУН, ЗРУ и других видах распределительных устройств.

Пример подключения вторичной токовой цепи одного из кернов защит REL 511 для выключателя линии 110 кВ демонстрирует упрощенная схема.

Неисправности трансформатора тока и способы их отыскания

У включенного под нагрузку трансформатора тока может нарушиться электрическое сопротивление изоляции обмоток или их проводимость под действием теплового перегрева, случайных механических воздействий либо из-за некачественного монтажа.

В действующем оборудовании чаще всего повреждаются изоляция, что приводит к межвитковым замыканиям обмоток (снижению передаваемой мощности) или возникновению токов утечек через случайно созданные цепи вплоть до КЗ.

С целью выявления мест некачественного монтажа силовой схемы периодически проводятся осмотры работающей схемы тепловизорами. На их основе своевременно устраняются дефекты нарушенных контактов, уменьшается перегрев оборудования.

Проверку отсутствия межвитковых замыканий осуществляют специалисты лабораторий РЗА:

снятием вольтамперной характеристики;


прогрузкой трансформатора от постороннего источника;

замерами основных параметров в рабочей схеме.

Они же анализируют величину коэффициента трансформации.

При всех работах оценивается соотношение между векторами первичных и вторичных токов по величине. Отклонения их по углу не осуществляется из-за отсутствия высокоточных фазоизмерительных устройств, которые применяются при поверках трансформаторов тока в метрологических лабораториях.

Высоковольтные испытания диэлектрических свойств возложены на специалистов лаборатории службы изоляции.

При необходимости контроля над токами, протекающими в электрической сети, применяют измерительные трансформаторы тока и напряжения. Подключенные специальным образом подобные устройства снижают измеряемые параметры электрической цепи до величин, подходящих для их измерения. Таким образом, происходит разделение сильноточной цепи от цепи слаботочной. Это необходимо для того, чтобы измерительная или иная аппаратура, в которую включена вторичная обмотка трансформаторов, не вышла из строя.

Индуктивные связи в трансформаторах тока (ТТ)

Согласно основному закону электромагнитной индукции, который обосновал Фарадей, все трансформаторы напряжения (ТН) и тока (ТТ) работают по принципу взаимной индукции. Если расположить на одном замкнутом магнитном сердечнике две обмотки и подключить одну из них к источнику переменного тока, то изменяемый магнитный поток вызовет возникновение электродвижущей силы (ЭДС).

Важно! Такую ЭДС называют индуцируемой. Во второй (вторичной) обмотке устройства в результате взаимодействия магнитных полей также индуцируется ЭДС, и начнёт протекать электрический ток.

Особенности трансформации энергии для ТТ

Чтобы понять, для чего нужны трансформаторы тока, и отличие их от трансформаторов напряжения (ТН), можно рассмотреть их конструкцию. Присутствие в электрических схемах подобных устройств связано с необходимостью трансформировать: понизить или повысить напряжение или ток. Переменное электричество, вырабатываемое генераторами на электростанциях, перед передачей по сетям энергосистемы предварительно подвергается трансформации.

Как работает устройство

Когда стало понятно, что из себя представляет трансформация, пришло время рассмотреть подробнее принцип действия трансформатора тока.

На замкнутый сердечник (магнитопровод), собранный из пластин, надеты две обмотки. Первая катушка включена последовательно в силовую цепь нагрузки. Вторичная катушка своими выводами подключена к измерителям. Сердечник собран из пластин кремнистой стали холодного качения.

К сведению. Учёт электроэнергии выполнен именно таким способом. В однофазные и трёхфазные цепи включены трансформаторы тока, которые позволяют снимать показания по каждой фазе, подавая данные на счётчик.

При прохождении переменного электричества по виткам первой (основной) обмотки вокруг неё образуется переменный магнитный поток Ф1. Поток Ф1, пронизывая все обмотки трансформатора, индуцирует в них ЭДС (Е). В этом случае возникают Е1 и Е2. При подключении в цепь вторичной обмотки любой нагрузки через неё начнётся движение электричества.

Особенности конструкции

Из чего состоят такие трансформаторы? Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения? На эти вопросы можно найти ответы в описании особенностей конструкций. Трансформаторы тока, назначение и принцип действия их, подразумевают постоянство некоторых условий:

• всякий ТТ должен иметь на своём магнитопроводе больше одной обмотки;
• обмотки, являющиеся вторичными, непременно подключаются к нагрузке (Rн);
• сопротивление Rн не должно содержать отклонений от заявленных в документах ТТ;
• первичная обмотка изготавливается как шина, проходящая через сердечник или в форме катушки.

Отсутствие нагрузки по вторичной обмотке не обеспечивает возникновение в сердечнике магнитного потока Ф2, который обладает компенсирующим свойством. Это приводит к повышению температуры сердечника и его расплавлению. Нагрев происходит от того, что Ф1 приобретает слишком высокое значение.

Отклонение сопротивления Rн влияет на погрешность измерений и ухудшает их. В случае превышения сопротивления во вторичной обмотке повышается напряжение U2, и изоляция ТТ может не выдержать. Произойдёт пробой, и прибор выйдет из строя.

Информация. Трансформаторы напряжения (ТН) отличаются от ТТ по способу применения и схеме включения. Они присоединяются параллельно и определены для повышения или понижения напряжения, развязки силовой схемы от схемы управления и контроля. Основной регламент работы ТН близок к режиму холостого хода (х.х.). Это обусловлено тем, что параллельно включенные элементы схемы управления потребляют малый ток, а их Rн большое.

Схемы подключения измерительных ТТ

Монтаж трансформаторов тока выполняют по определённой схеме. Это зависит от напряжения измеряемой сети, а именно:

• в 3-х фазных сетях с Uн до 1000 В ТТ встраиваются в цепь каждой фазы;
• в 3-х фазных сетях с Uн 6-10 кВ установка осуществляется на две фазы (А и С).

В первом варианте, в электроустановках (ЭУ), где нейтраль глухозаземлена, концы вторичных обмоток ТТ замыкаются между собой по схеме «звезда».

Во втором случае, в ЭУ с изолированной нейтралью, они присоединяются по схеме «неполная звезда».

Классификация трансформаторов тока

Принцип работы трансформатора тока, а также способы подключения и назначения позволяют провести их разделение по следующим различиям:

• назначению;
• типу установки;
• способу размещения;
• выполнению первичной обмотки;
• типу изоляции;
• рабочему напряжению;
• количеству ступеней трансформации.

Кроме того, есть другие качества, позволяющие произвести классификацию ТТ. Одна из отличительных черт – специфика конструкции.

По конструктивным особенностям ТТ различаются на:

• одновитковые;
• многовитковые;
• оптико-электронные.

У каждого из этих видов есть типы моделей, которые желательно рассмотреть отдельно.

ТТ катушечного типа

Это одни из несложных трансформаторов тока. Они относятся к ранним ТТ, построенным и продвигавшимся на структуре, где за основу взят силовой трансформатор. Обе обмотки (первая и вторая) набраны на каркас с изоляционными свойствами. Каждая из них представляет собой катушку. Отсюда происходит название. Кроме того, что они компактны и дёшевы в изготовлении, можно выделить недостаток: низкое разрядное напряжение из-за слабой изоляции катушек.

Такая конструкция позволяет использовать их только на напряжение до 3 кВ. Чтобы повысить величину Uразр., приходится увеличивать окно сердечника и отделять первичную обмотку от внутренней поверхности пластин. В образовавшийся в результате этого зазор вставляется изоляционная прокладка, имеющая п-образный вид.

Проходной трансформатор

Устройства распределения (РУ), напряжением от 6 до 35 кВ, подразумевают установку подобных трансформаторов тока. Это многовитковый ТТ, где за базу взята пара проходных изоляторов, соединённых между собой посередине. Такая сборка позволяет проходить через стены и использовать их в закрытых РУ. При этом отпадает необходимость специально задействовать проходной изолятор.

Обмотка, служащая первичной, прокладывается через пустоту, расположенную внутри. Количество витков берётся из расчёта нужных «ампер-витков» для соответствующего класса точности. Под фланцем, который заземлён, помещены втулки. В их средине закреплены магнитопроводы вторичных обмоток, закрытых кожухом.

Внимание! Расположение обмоточного вывода для первичной обмотки приходится на верхнюю плоскость, относительно заземлённого фланца.

Стержневое устройство

Данный тип устройства предназначен для работы с U = 10-20 кВ и Iн = 600 и 1500 А. Такой ТТ относится к проходным одновитковым трансформаторам, имеющим фарфоровую изоляцию. У него токоведущий стержень, пронзающий фарфоровый изолятор, служит первичной обмоткой.

Шинный прибор

Следующая конструкция предназначена для установки в комплектные трансформаторные подстанции (КТП). Они реализовывают передачу информации об измерениях на контрольно-измерительные приборы (КИП). Сигналы от аналогичных ТТ передаются также на схемы защиты и управления.

Преимущества и недостатки

У каждого из перечисленных устройств есть свои плюсы и минусы. Рассматривать их предпочтительнее на разделении: одновитковые и многовитковые модели.

К плюсам одновитковых ТТ можно отнести:

• простоту устройства;
• низкую стоимость;
• малые габариты;
• устойчивость к токам КЗ (короткого замыкания).

Сюда же можно добавить то, что, изменяя сечение токовода (стержня), добиваются изменения термической устойчивости.

Минусом у таких моделей является невысокая точность при маленьких измеряемых токах.

Что касается многовитковых моделей, то явным положительным моментом является наличие некоторого количества витков в первичной обмотке. Это позволило значительно повысить класс точности измерений. К отрицательным характеристикам относятся:

• сложность конструкции;
• удорожание;
• подверженность первичной обмотки межвитковым перенапряжениям.

При этом сюда же можно отнести низкую устойчивость к токам КЗ.

Параметры трансформаторов тока

Зная, по определению, что эти детали служат для измерений и защитных функций, можно догадаться, что основными их характеристиками будут: KI и класс точности.

Коэффициент трансформации KI

Трансформаторные узлы только выполняют масштабирование параметров электроэнергии, сами её не производят. Для определения величины масштабирования используют коэффициент трансформации.

Отношение между величиной тока (I) или напряжения (U), поданной на вход и снятой на выходе, носит название коэффициента трансформации (Ктр).

В случае преобразования тока речь ведут о:

• КI – коэффициент трансформации ТТ;
• I1 – ток на входе;
• I2 – ток на выходе.

Для ТТ выполняется пропорциональное отношение между первичным и вторичным токами. Это следует из выражений:

• I1 =I2 / KI;
• I2 = I1 * KI.

Уточнение. Номинальный Ктр ТТ отображают в виде дробного выражения. В числителе ставится номинальная величина тока, протекающего в первичной катушке, в знаменателе – величина номинального тока во вторичной электрообмотке. Он всегда больше единицы.

Таким образом, номинал измеряемого тока отображает КI ном. Указанные паспортные данные детали (КI = 65/5) обозначают то, что при пропускании через первичную катушку 65 А во вторичной катушке будет проходить ток в 5 А.

При использовании ТТ выполняют снижение тока во вторичной цепи, что даёт возможность обеспечить безопасность эксплуатации. Во вторичную цепь включается не только измерительная аппаратура, фиксирующая значение тока, но и системы защиты или автоматического переключения. В этом случае КI < 1.

Для значений напряжения формула коэффициента иная:

Изменения масштабирования (знак) зависит от величины К. При K>1 трансформатор повышает подводимую электрическую величину, при значении К<1 он её понижает.

Если индуктивная связь между двумя обмотками трансформатора остаётся неизменной, то изменить коэффициент преобразования можно, изменяя отношение количества витков обмоточного провода в катушках W1 и W2. Обращаясь к его формуле:

можно её прировнять к следующему виду:

• KU – коэффициент трансформации;
• W2 – количество витков катушки №2;
• W1 – число витков катушки №1.

Диаметр наматываемого провода зависит от величины тока, планируемого для прохождения через обмотку.

Класс точности

Это главная характеристика ТТ, влияющая на метрологию процесса. Класс точности зависит от двух погрешностей:

• токовая погрешность (%);
• погрешность угловая (мин).

Первый вариант, когда действительный КIд., отличается от номинального коэффициента КIн.

Формула погрешности имеет вид:

f = (I2д – I2н)/ I2н * 100%,

• f – токовая погрешность;
• I2д – вторичный настоящий (действительный) ток;
• I2н – вторичный номинальный ток.

Угловая погрешность представляет собой угол между векторами токов: первичного и вторичного. Причём вектор тока вторичного повёрнут на 1800.

Внимание! Данные погрешности мотивированы влиянием намагничивающих токов. Классы точности отбирается из линейки 0,2; 0,2S; 0,5; 0,5S и иных значений по ГОСТ 7746-2015.

Обозначения трансформаторов тока

Буквенно-цифровая маркировка изделий отечественного производства расшифровывается следующим образом:

• 1 буква Т – трансформатор;
• 2 буква – тип модели;
• 3 буква – изоляция.

После букв, через тире, перечисляются:

• класс изоляции (кВ);
• исполнение по климатической зоне (буквенная аббревиатура);
• установочная категория (цифрой);
• коэффициент трансформации (дробь).

Более точное распознавание маркировки ТТ можно посмотреть в справочной литературе или паспорте прибора.

Назначение и применение

Трансформаторы тока по принципу работы служат для применения и включения в узлы технического и коммерческого учёта электричества. Они рассчитаны на определённый класс напряжения. При определении назначения трансформаторов тока обращают внимание на Ктр и класс точности измерений.

Возможные неисправности

Ошибки при установке и подключении трансформаторов тока, а также неправильно подобранное оборудование вызывают неисправность ТТ.

Важно! Поиск неисправности следует начинать при условии, если вторичный ток ТТ не сочетается с первичным. Слишком низкий ток, не соответствующий заявленному соотношению, говорит о повреждении прибора.

Свидетельствами неисправности трансформатора являются:

• треск и повышенный шум при работе;
• появление искр от обмотки на корпусе или на выводах;
• дым или запах горелой изоляции;
• чрезмерный нагрев деталей устройства.

Неисправный прибор может давать искажённые результаты измерений, что вызовет ложное срабатывание защитной аппаратуры и неправильный учёт электроэнергии. Периодически на подстанциях проводится поэлементная (пофазная) поверка с замером токов под нагрузкой. Полученные по данным измерений расчётные значения должны совпадать с измеренными величинами на выходе ТТ. Допустима погрешность не более 10%.

Требования к конструкции

При выборе конструкции отталкиваются от того, для чего нужен трансформатор. Зачем устанавливать шинный или проходной ТТ, если напряжение, с которым ему придётся работать, лежит в пределах от 1 до 3 кВ?

К требованиям можно отнести следующие пункты:

• выбранное устройство должно подходить к условиям эксплуатации и месту установки;
• при наружном применении выводы трансформатора должны содержать защитные крышки;
• выводы обмоток обязаны иметь маркировку;
• наличие мест захвата для подъёма у тяжёлых ТТ (более 50 кг);
• знак заземления у места присоединения заземляющего проводника.

Выполнение всех контактных зажимов обмоток выполняются согласно требований ГОСТ 10434-82 (при внутренней установке) и ГОСТ 21242-75 (при наружном размещении).

Выбор токового трансформатора для приборов учета

Назначение измерительного трансформатора для коммерции – вести учёт электроэнергии. При выборе подобных моделей обращают внимание на следующее:

• Uном тт – 0,66 кВ;
• класс точности – 0,5 S при рыночном варианте, при техническом контроле – 1,0;
• I1н – номинальный первичный ток.

От номинального первичного тока зависит коэффициент трансформации.

Без трансформаторов тока не обходится ни одна подстанция электросетей. Эти устройства работают для того, чтобы знать и учитывать токовую нагрузку. Они обеспечивают защиту силовых цепей и своевременно подают сигналы обо всех изменениях силы тока в первичной цепи. Правильно подобранный ТТ прослужит без нареканий долгий срок.

Видео

Для нормализации электрической энергии, поступающей к дому или квартире, используются различные устройства. Предлагаем рассмотреть, как работают измерительные трансформаторы тока постоянного и переменного, их назначение, схема подключения, принцип работы и советы по выбору.

Общие понятия

Трансформатор тока (ТТ) маркировка ГОСТ 7746-2001 – это устройство является одним из видов «измерительного трансформатора», который предназначен для получения переменного тока в его вторичной обмотке, где величина преобразованного напряжения пропорциональна текущей измеряемой величине. Номинальная мощность трансформаторов может быть 25, 40, 63, 100, 160 кВА.

Трансформаторы тока, у которых класс точности 0,2; 0,5; 1; 3; 10 могут снизить высокие проходные токи напряжения на более низкие, этим они обеспечивают удобный способ безопасного контроля электроэнергии в переменной линии передачи с использованием стандартного амперметра. Принцип действия трансформатора тока ничем не отличается от обычного.

Существуют разные трансформаторы, типы приборов с различными пропускными способностями (суммирующий СЭЩ, ТТИ-200 5, 5 5, 300 5, 0 66, 1 1, 400 5, 150 5, ТК 20, опорный ТОЛ 10, ТВЛМ, ABB, ИЭК, ТЗЛМ, ТЛК, ТСН, ТФЗМ, ТЛМ, ТЛО, ТОП, ТПЛ, ТПОЛ).

Фото — Трансформатор тока

Видео: устройство трансформатора тока ТФРМ 750

Как работает устройство и конструкция трансформаторов

Первичная обмотка включения может быть либо плоской, либо представлять собой ролик из толстого провода, обернутого вокруг сердечника, проводника или шины через центральное отверстие.

Благодаря такой конструкции, трехфазный трансформатор переменного тока имеет первичную обмотку с минимальным количеством витков, что положительно влияет на эффективность работы, в частности, коэффициент трансформации.

Вторичная обмотка может иметь большее число витков катушки. Они намотаны на ламинированную основу магнитного материала с низкими потерями, который имеет большую площадь поперечного сечения. Плотность магнитного потока является низкой, при этом используя гораздо меньшую площадь поперечного сечения проволоки, номинальный ток практически не теряет своего напряжения. Эти вторичные обмотки обычно рассчитаны на стандартный показатель 1 Ампер или 5 Ампер. Это хорошо демонстрирует векторная диаграмма:

Фото — Векторная диаграмма

Виды трансформаторов

Всего есть три основных типа трансформаторов тока:

1. Сухие – это трансформаторы первичной обмотки, физически последовательно соединены с проводником, который несет измеренный ток, протекающий в цепи. Величина вторичного тока зависит от коэффициента трансформации трансформатора.
2. Тороидальные трансформаторы — они не содержат первичную обмотку. Вместо этого линия, которая несет ток, протекающий в сети, проводит его через специальное «окно» или отверстие тороидального трансформатора. Некоторые торроидального типа имеют «раздвоенное ядро», которое позволяет им открываться, работать и закрываться, не отключая напряжения цепи, к которой они подключены. Они широко используются для защиты от замыкания в проводке частного дома или квартиры многоэтажки.
3. Высоковольтные масляные трансформаторы (элегазовые). Эти устройства для нормализации тока используют кабель или шинные передатчики главной цепи первичной обмоткой, их периодичность эквивалентна одному ходу стандартного сухого трансформатора. Они полностью изолированы от высокого рабочего напряжения системы, как правило, присоединены болтами к нагрузочной системе устройства.
4. Также они могут быть разборные, они же разъемные, встроенные, оптические, и т.д.

Трансформаторы тока и напряжения могут уменьшать или увеличивать текущие уровни от тысячи ампер к стандартному выходу, в зависимости от марки (Circutor, ASK, Schneider Electric, АВВ, Армавир) и типа, они могут быть рассчитаны на 6 кв, 630 кв, 10 кв. Таким образом, малые и точные приборы и устройства управления могут использоваться с КТ, потому что они изолированы от любых линий электропередач высокого напряжения. Есть множество приборов учета, которые используются для трансформаторов тока, начиная с амперметра и ваттметром, и заканчивая специальными выключателями нагрузки, УЗО-автоматами и т.д.

Фото — Трансформаторы тока тор

Для чего нужны трансформаторы тока

Трансформатор тока нулевой последовательности широко используется в организации работы производства, в быту (с его помощью проводят сварочные работы, он нормализуют входящее в дом напряжение, бросок тока, он нормализует работу электросчётчика с целью увеличения безопасности).

Трансформатор является важным инструментом в области электротехники. Текущие уровни электрического тока должны контролироваться в целях безопасности и эффективности работы прочих бытовых и промышленных приборов. Измерительные устройства, подключенные к трансформаторам, позволяют совершать мониторинг в различных местах по всей системе. Они также могут быть использованы для измерения электрического использования здания и выставления счетов или целей проверки.

Трансформатор тока — схема

Как сделать свой трансформатор

Трансформаторы состоят из двух цепей, связанных с намагничивающимся материалом, которые называют «сердечником». Оба контура имеют определенную длину, она должна быть такой, чтобы катушки вокруг сердечника могли передавать энергию от одного контура к другому. В трансформаторе тока первичные цепи (энергия-передача) петли проходят через сердечник ​​только один раз. Вторичная цепь петли проходит несколько раз вокруг ядра. Сердечник может быть стационарным, т.е. находиться на месте постоянно, или быть шарнирным, чтобы соответствовать направлению тока, что лучше защищает приборы от короткого замыкания.

Для того чтобы собрать мини-трансформатор нам понадобится:

• Изоляционная лента;
• Медная проволока для намагничивания (у меди особая плотность, которая помогает создать нужное магнитное поле);
• Железное кольцо;
• Амперметр.

Как сделать малогабаритный трансформатор своими руками:

1. Медную проволоку нужно обернуть вокруг железного кольца, чтобы она охватывала практически всю поверхность кольца. Обмотки могут перекрываться или нет. Чем больше число витков, тем меньше вторичный ток будет принят через вторичную обмотку.
2. Обмотайте конструкцию изолентой, чтобы детали держались вместе;
3. Снимите покрытие с концов провода;
4. Прикрепите зачищенные провода к концам амперметра;
5. Присоедините линию напряжения сети к железному кольцу. Используйте измерения на амперметре для определения коэффициента преобразования, чтобы можно было определить параметры трансформации и сравнить их с данными из вторичной обмотки;
6. Вставьте линию питания, которая проходит тестирование к амперметру. Сравните данные, для настройки измените количество витков.

Фото — Одновитковый трансформатор

Таким образом, шинный и импульсный трансформатор может быть добавлен к линии уже на месте, съемный сердечник может быть сделан путем присоединения четырех стержней из мягкого железа к линии питания, чем ближе – тем лучше. Три стержня должны быть намотаны заранее. Четвертый при необходимости можно не обматывать, просто прикрепить при помощи изоляционной ленты.

Расчет трансформатора

Расчет силовых трансформаторов холостого хода, у которых начальное напряжение 1 и вторичное 160, с внутренним сопротивлением 0.2Ω производится по такой формуле. В нашем примере первичный ток 800 Ампер, такая методика может подстроиться под любой ток:

Is= Ip (Np/Ns) = 800 (1/160) = 5 A

Мы видим выше, что с вторичной обмотки трансформатор был подключен через амперметр, который имеет очень малое сопротивление, падение напряжения на вторичной обмотке составляет всего 1,0 вольта при полной величине первичного тока на обмотках. Если амперметр удаляют, вторичная обмотка становится открытой и трансформатор действует как повышающий, в результате очень высокого напряжения равном соотношении: Vp (Ns / NP), ток регулируется на вторичной обмотке. Формула может изменяться, если у Вас несколько обмоток или более слабый прибор, кроме того, здесь не учтен ток холостого хода трансформатора. Нужно помнить, что подключение счетчика через трансформаторы тока формула может иметь немного другой вид, т.к. будет учитываться еще и пропускная способность учетного прибора.

Чтобы подобрать нужную мощность трансформатора, нужно просчитать потребное напряжение всех электрических устройств в доме, а после суммировать полученную сумму и вольтамперные характеристики трансформатора (ВАХ). Если эти значения не учтены, то возможна перегрузка и защита не будет достигать нужного уровня при высокой нагрузке сети.

Перед тем, как подключить готовый трансформатор, нужно проконсультироваться со специалистом, он поможет определить недочеты, которые Вы могли упустить из виду.

Как выбрать трансформатор

Поверка трансформаторов тока на месте, ремонт и испытание осуществляется в обязательном порядке, многие предприятия (Самарский и Екатеринбургский завод, Калужский холдинг, Свердловский завод трансформаторов тока и прочие) предоставляют такие услуги. Замена некоторых деталей также должна производиться либо официальным дилером, либо представителем конкретной компании-производителя.

Также нужно знать, что означают условные обозначения:

Фото — Условные обозначения

Их расшифровка поможет Вам провести монтаж устройств, а также разобраться в работе. Любое обозначение стандартизировано. Следите за тем, чтобы в работе трансформатора присутствовала кратность, она может разниться в зависимости от конкретной модели, поэтому внимательно просматривайте паспорт трансформатора и каталог определенных компаний.

Установка соединения производится при полном отключении питания сети, кроме того, желательно, чтобы работу выполнял специалист. Его можно монтировать на дин-рейку, в специальные трансформаторные шкафы, на пусковой панели, открытую местность, непосредственно на электрический щит.

Средняя стоимость на такой прибор в зависимости от его назначения варьируется от 30 000 рублей до 100 000 и выше, возможны номиналы до 10 штук. Цена во многом обусловлена мощностью и пропускной способностью, чем ниже допустимая мощность – тем дешевле будет регулятор, подбор осуществляется индивидуально. Очень важно прямо на месте проверить трансформатор на его соответствие заданным характеристикам. Сроки работы устройства – до 10 лет в зависимости от того, какой мощности купить трансформатор тока, межповерочный интервал прибора 220 220 – 2 года.

Человечество в значительной мере зависит от тока. Но просто так он не подчиняется, необходимы специальные аппараты. В качестве оного выступает трансформатор тока. Чем он является и каково его предназначение? Каков принцип действия трансформатора тока? И насколько он важен?

Что такое трансформатор тока?

Под ТТ понимают измерительный аппарат, который необходим, чтобы преобразовать ток. Конструктивно в трансформаторе первичная обмотка включена в цепь последовательно, тогда как вторичная имеет измерительные приборы, а также реле защиты и автоматики. ТТ является основным измерительным устройством в электроэнергетике. Обе обмотки находятся в изоляции. Вторичная во время эксплуатации обычно имеет потенциал, который близок к «земле», что достигается путём заземления одного конца.

Благодаря трансформатору можно учитывать и измерять ток высокого напряжения, используя приборы для низкого. В конце сводится всё к измерению первичного, значение которого записывают в амперах. Следует отличать измерительный трансформатор тока от силового. Так, в первом индукция является непостоянной и напрямую зависит от режима эксплуатации. Поэтому и считаются универсальными трансформаторы тока.

Назначение и принцип действия

Как всё происходит? Каков принцип действия трансформатора тока? Через силовую первичную обмотку, которая имеет определённое число витков, протекает напряжение, которое преодолевает полное сопротивление. Вокруг катушки возникает магнитный поток, который может уловить магнитопровод. Его необходимо расположить перпендикулярно относительно направления тока. Таким образом, будет теряться минимум электроэнергии во время её преобразования в электрическую. Пересекая перпендикулярно расположенные витки вторичной обмотки, магнитный поток активирует электродвижущую силу, под влиянием которой и возникает ток, преодолевающий полное сопротивление катушки и выходной нагрузки. Вместе с этим на зажимах 2-й цепи возникает падение напряжения.

Теперь немного о частных случаях:

• Принцип действия сварочного трансформатора базируется на максимальной отдаче мощности. Его конструкция должна выдерживать высокое напряжение.
• Принцип действия однофазного трансформатора базируется на магнитном потоке. Так, если замкнуть вторичную обмотку на какое-то сопротивление, то при появлении тока возникнет движущая сила. Если обратить внимание на закон Ленца, то можно сделать заключение, что магнитный поток будет уменьшаться. Но принцип действия однофазного трансформатора предусматривает подведение постоянного тока к первичной обмотке, в результате чего уменьшения магнитного потока не происходит.

Классификация

Все трансформаторы тока (как для измерений, так и для защиты) поддаются классификации по таким признакам:

• По роду установки.
• ТТ, предназначенные для работы в воздухе.
• Трансформаторы тока для функционирования в условиях закрытых помещений.
• ТТ, предназначенные для встраивания внутрь электрооборудования.

Основные параметры

Трансформаторам тока выдвигают целый ряд требований. Вся необходимая информация должна быть указана в паспорте или приложенной таблице.

Вот их краткий список:

• Номинальное напряжение может находиться в широком диапазоне.
• Номинальный первичный ток, который идёт по 1-й обмотке. Указываются значения для длительной работы аппаратуры.
• Номинальный вторичный ток, проходящий по 2-й обмотке. Его качество обозначается показателем в 1 или 5 ампер.
• Вторичная нагрузка соответствует сопротивлению во внешней 2-й цепи и выражается в омах.

Ограничения

По термической стойкости:

• I1т - рассчитан на номинальное напряжение выше 330 кВ.
• I3т - применяется в диапазоне значений в 110-220 кВ.
• I4т - используется при напряжении, которое не превышает 35 кВ.

Принцип действия трансформатора может зависеть от материала:

• При изготовлении токопроводящих частей из алюминия температура не должна превышать 200°С.
• Если детали, что проводят ток, сделаны из меди или её сплавов и соприкасаются с маслом или органической изоляцией, то ограничение составляет 250°С.

Также существуют требования к механическим нагрузкам, которые должен выдерживать трансформатор тока при скорости ветра в 40 м/с. Принцип действия устройства может немного поменяться из-за конструктивных дополнений:

• Если ТТ до 35 кВ, то это значение составляет 500 ньютонов.
• При значениях в 110-220 кВ необходима стойкость в 1000 Н.
• При превышении 330 кВ требование к механическим нагрузкам возрастает до уровня 1500 ньютонов.

Опасные факторы при работе с трансформатором тока

При работе с ТТ необходимо быть чрезвычайно осторожным, поскольку существуют значительные риски пострадать вплоть до летального исхода. Итак, следует опасаться:

• Возможности поражения высоковольтным потенциалом, что может случиться в случае повреждения изоляции. Так как магнитопровод трансформатора тока сделан из металла, то он имеет хорошую проводимость и соединяет магнитным путём отделенные обмотки ТТ (первичную и вторичную). Поэтому существует повышенная опасность, что персонал получит электротравмы, или повредится оборудование вследствие дефектов в изоляционном слое. Чтобы избежать таких ситуаций, заземляют один из вторичных выводов трансформатора.

• Возможность поражения высоковольтным потенциалом из-за разрыва вторичной цепи. Её выводы промаркированы как «И1» и «И2». Чтобы направление, по которому протекает ток, было полярным и совпадало по всем обмоткам, они всегда во время работы трансформатора подключаются на нагрузку. Это необходимо из-за того, что ток, проходящий по первичной обмотке, имеет мощность высокого потенциала, которая передаётся во вторичную цепь с незначительными потерями. При разрыве в таких случаях резко уменьшаются показатели из-за утечки во внешнюю среду. При таких происшествиях значительно ускоряется падение напряжения на данном разорванном участке. Потенциал, который сформировывается на разомкнутых контактах, при прохождении тока достигает нескольких киловольт. Такое значение является опасным для жизни. Поэтому необходимо убеждаться, что все вторичные цепи на трансформаторах тока надежно собраны. А при выходе из строя устанавливаются шунтирующие закоротки. Принцип действия трансформатора не терпит пренебрежения правилами безопасности, и получить электротравму очень легко.

• Конструкторские решения, которые были использованы в трансформаторах тока. Любой ТТ, как и все электротехнические устройства, должен решать определённые задачи, которые возникают во время эксплуатации электроустановок. Благо, промышленность предлагает значительный ассортимент. Но в некоторых случаях бывает лучше усовершенствовать имеющуюся конструкцию с точки зрения предприятия, чем изготавливать что-то новое, чем многие и пользуются, не имея достаточного опыта. Без знания, что собой представляет принцип действия трансформатора, последствия такого вмешательства могут создать ситуации, опасные для жизни.

Заключение

В рамках статьи мы обсудили назначение и принцип действия трансформатора тока. Как видите, это устройство является очень важным для нормального функционирования общества. Но вместе с этим оно является и довольно опасным, поэтому всегда стоит придерживаться осторожности и без надобности не лезть внутрь аппарата, особенно тогда, когда работают трансформаторы тока. Назначение и принцип действия таких приспособлений были нами рассмотрены настолько, насколько это позволил размер статьи. Однако все самое важное мы изучили.

Предназначенный для преобразования тока до значения, удобного для измерения. Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке.

Трансформаторы тока широко используются для измерения электрического тока и в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем, в связи с чем на них накладываются высокие требования по точности. Трансформаторы тока обеспечивают безопасность измерений, изолируя измерительные цепи от первичной цепи с высоким напряжением, часто составляющим сотни киловольт.

К трансформаторам тока предъявляются высокие требования по точности. Как правило, трансформатор тока выполняют с двумя и более группами вторичных обмоток: одна используется для подключения устройств защиты, другая, более точная - для подключения средств учёта и измерения (например, электрических счётчиков).

Особенности конструкции

Вторичные обмотки трансформатора тока (не менее одной на каждый магнитопровод) обязательно нагружаются. Сопротивление нагрузки строго регламентировано требованиями к точности коэффициента трансформации. Незначительное отклонение сопротивления вторичной цепи от номинала (указанного на табличке) по модулю полного Z или cos ф (обычно cos = 0.8 индукт.) приводит к изменению погрешности преобразования и возможно ухудшению измерительных качеств трансформатора. Значительное увеличение сопротивления нагрузки создает высокое напряжение во вторичной обмотке, достаточное для пробоя изоляции трансформатора, что приводит к выходу трансформатора из строя, а также создает угрозу жизни обслуживающего персонала. Кроме того, из-за возрастающих потерь в сердечнике магнитопровод трансформатора начинает перегреваться, что так же может привести к повреждению (или, как минимум, к износу) изоляции и дальнейшему её пробою. Полностью разомкнутая вторичная обмотка ТТ не создает компенсирующий магнитный поток в сердечнике, что приводит к перегреву магнитопровода и его выгоранию. При этом магнитный поток, созданный первичной обмоткой имеет очень высокое значение и потери в магнитопроводе сильно нагревают его.

Коэффициент трансформации измерительных трансформаторов тока является их основной характеристикой. Номинальный (идеальный) коэффициент указывается на шильдике трансформатора в виде отношения номинального тока первичной (первичных) обмоток к номинальному току вторичной (вторичных) обмоток, например, 100/5 А или 10-15-50-100/5 А (для первичных обмоток с несколькими секциями витков). При этом реальный коэффициент трансформации несколько отличается от номинального. Это отличие характеризуется величиной погрешности преобразования, состоящей из двух составляющих - синфазной и квадратурной. Первая характеризует отклонение по величине, вторая отклонение по фазе вторичного тока реального от номинального. Эти величины регламентированы ГОСТами и служат основой для присвоения трансформаторам тока классов точности при проектировании и изготовлении. Поскольку в магнитных системах имеют место потери связанные с намагничиванием и нагревом магнитопровода, вторичный ток оказывается меньше номинального (т.е. погрешность отрицательная) у всех трансформаторов тока. В связи с этим для улучшения характеристик и внесения положительного смещения в погрешность преобразования применяют витковую коррекцию. А это означает, что коэффициент трансформации у таких откорректированных трансформаторов не соответствует привычной формуле соотношений витков первичной и вторичной обмоток.

Схемы подключения измерительных трансформаторов тока

Два трансформатора тока в ячейке КРУ - 10кВ

В трехфазных сетях с напряжением 6-10 кВ устанавливаются трансформаторы как во всех трех фазах, так и только в двух (A и C). В сетях с напряжением 35 кВ и выше трансформаторы тока в обязательном порядке устанавливаются во всех трех фазах.

В случае установки в три фазы вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются в «звезду» (рис.1), в случае двух фаз - «неполную звезду» (рис.2). Для дифференциальных защит трансформаторов с электромеханическими реле трансформаторы подключают по схеме «треугольника»

Классификация трансформаторов тока

Трансформаторы тока классифицируются по различным признакам:

1. По назначению трансформаторы тока можно разделить на измерительные, защитные, промежуточные (для включения измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты, для выравнивания токов в схемах дифференциальных защит и т. д.) и лабораторные (высокой точности, а также со многими коэффициентами трансформации).

2. По роду установки различают трансформаторы тока: а) для наружной установки (в открытых распределительных устройствах); б) для закрытой установки; в) встроенные в электрические аппараты и машины: выключатели, трансформаторы, генераторы и т. д.; г) накладные - надевающиеся сверху на проходной изолятор (например, на высоковольтный ввод силового трансформатора); д) переносные (для контрольных измерений и лабораторных испытаний).

3. По конструкции первичной обмотки трансформаторы тока делятся на:

а) многовитковые (катушечные, с петлевой обмоткой и с восьмерочной обмоткой); б) одновитковые (стержневые); в) шинные.

4. По способу установки трансформаторы тока для закрытой и наружной установки разделяются на:

а) проходные; б) опорные.

5. По выполнению изоляции трансформаторы тока можно разбить на группы: а) с сухой изоляцией (фарфор, бакелит, литая эпоксидная изоляция и т. д.); б) с бумажно-масляной изоляцией и с конденсаторной бумажно-масляной изоляцией; в) газонаполненные (элегаз); в) с заливкой компаундом.

6. По числу ступеней трансформации имеются трансформаторы тока:

а) одноступенчатые; б) двухступенчатые (каскадные).

7. По рабочему напряжению различают трансформаторы:

а) на номинальное напряжение свыше 1000 В; б) на номинальное напряжение до 1000 В.

Замечания

• Результирующий магнитный поток в магнитопроводе трансформатора тока равен разности магнитных потоков, создаваемых первичной и вторичной обмотками. В нормальных условиях работы трансформатора он невелик. Однако при размыкании цепи вторичной обмотки в сердечнике будет существовать только магнитный поток первичной обмотки, который значительно превышает разностный магнитный поток. Потери в сердечнике резко возрастут, трансформатор перегреется и выйдет из строя ("пожар железа"). Кроме того, на концах оборванной вторичной цепи появится большая ЭДС, опасная для работы оператора. Поэтому трансформатор тока нельзя включать в линию без подсоединённого к нему измерительного прибора. В случае необходимости отключения измерительного прибора от вторичной обмотки трансформатора тока, ее обязательно нужно закоротить.

См. также

Литература

• Шабад М. А. Трансформаторы тока в схемах релейной защиты. Учебное издание. - 1998.
• Родштейн Л. А. Электрические аппараты: Учебник для техникумов. - 3-е изд. - Л. : Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981.
• Афанасьев В. В. и др. Трансформаторы тока. - Л. : Энергоатомиздат, 1989.

Ссылки

• Однофазные и трёхфазные изолирующие трансформаторы для медицинских применений
• Конструктивность трансформаторов и зарядных устройств

Wikimedia Foundation . 2010 .