Трансформатор тока — принцип работы, назначение и устройство

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.

Трансформатор тока

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).

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.

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.

Принцип действия ТТ

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.

Классическое устройство ТТ

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».

Схемы присоединения ТТ

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.

Катушечный трансформатор

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.

Проходной высоковольтный ТТ

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.

Стержневой трансформатор тока

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.

Шинный ТТ типа ТШЛ-0,66-1

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 = I2/I1,

где:

• 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.

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.

Указание значений на шильдике детали

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:

KU = U2/U1.

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:

KU = U2/U1,

можно её прировнять к следующему виду:

KU = W2/W1,

где:

• 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%,

где:

• 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.

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.

Буквенное обозначение

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.

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

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич