Где применяются трансформаторы тока. Измерительный трансформатор тока. Зачем нужны измерительные трансформаторы напряжения

В данной статье мы подробно рассмотрим что такое трансформатор тока, опишем принцип его работы, какие бывают типы, а так же расчеты и схемы трансформатора тока.

Описание и принцип работы

Трансформатор тока представляет собой тип «измерительного трансформатора», который предназначен для производства в его вторичной обмотки, которое пропорционально току измеряется в его первичном. Трансформаторы тока уменьшают токи высокого напряжения до гораздо более низкого значения и обеспечивают удобный способ безопасного контроля фактического электрического тока, протекающего в линии электропередачи переменного тока, с использованием стандартного амперметра. Принцип работы основного трансформатора тока немного отличается от обычного трансформатора напряжения.

В отличие от трансформатора напряжения или мощности, рассматриваемого ранее, трансформатор тока состоит из одного или нескольких витков в качестве своей первичной обмотки. Эта первичная обмотка может иметь либо один плоский виток, либо катушку из сверхпрочного провода, намотанного на сердечник, либо просто проводник или шину, расположенную через центральное отверстие, как показано на рисунке. Купить трансформатор тока вы можете в популярном интернет магазине Алиэкспресс:

Из-за такого типа расположения трансформатор тока часто называют также «последовательным трансформатором», поскольку первичная обмотка, которая никогда не имеет более нескольких витков, соединена последовательно с проводником с током, питающим нагрузку.

Однако вторичная обмотка может иметь большое количество витков катушки, намотанных на многослойный сердечник из магнитного материала с малыми потерями. Этот сердечник имеет большую площадь поперечного сечения, так что создаваемая плотность магнитного потока является низкой при использовании провода с меньшей площадью поперечного сечения, в зависимости от того, какой ток должен быть понижен, когда он пытается выдать постоянный ток, независимо от подключенной нагрузки.

Вторичная обмотка будет подавать ток либо на короткое замыкание, в виде амперметра, либо на резистивную нагрузку, пока напряжение, наведенное во вторичной обмотке, не станет достаточно большим, чтобы насытить сердечник или вызвать отказ из-за чрезмерного пробоя напряжения.

В отличие от трансформатора напряжения, первичный ток трансформатора тока не зависит от тока вторичной нагрузки, а контролируется внешней нагрузкой. Вторичный ток обычно оценивается в стандартный 1 Ампер или 5 Ампер для больших значений первичного тока.

Существует три основных типа трансформаторов тока: обмоточный , тороидальный и стержневой .

• Обмоточный трансформатор тока — первичная обмотка трансформатора физически соединена последовательно с проводником, который несет измеренный ток, протекающий в цепи. Величина вторичного тока зависит от коэффициента оборотов трансформатора.
• Тороидальный трансформатор тока — они не содержат первичной обмотки. Вместо этого линия, по которой проходит ток, протекающий в сети, проходит через окно или отверстие в тороидальном трансформаторе. Некоторые трансформаторы тока имеют «разделенный сердечник», который позволяет открывать, устанавливать и закрывать его, не отключая цепь, к которой они подключены.
• Трансформатор тока стержневого типа — в этом типе трансформатора тока используется фактический кабель или шина главной цепи в качестве первичной обмотки, что эквивалентно одному витку. Они полностью изолированы от высокого рабочего напряжения системы и обычно крепятся болтами к токонесущему устройству.

Трансформаторы тока могут снизить или «понизить» уровни тока с тысяч ампер до стандартного выходного сигнала с известным отношением либо к 5 А, либо к 1 А для нормальной работы. Таким образом, небольшие и точные приборы и устройства управления могут использоваться с трансформаторами тока, потому что они изолированы от любых высоковольтных линий электропередач. Существует множество применений для измерения и использования для трансформаторов тока, таких как ваттметры, измерители коэффициента мощности, защитные реле или в качестве катушек отключения в магнитных выключателях или MCB.

Конструкция и схема трансформатора тока

Обычно трансформаторы тока и амперметры используются вместе как согласованная пара, в которой конструкция трансформатора тока такова, чтобы обеспечить максимальный вторичный ток, соответствующий полномасштабному отклонению амперметра. В большинстве трансформаторов тока существует приблизительное соотношение обратных витков между двумя токами в первичной и вторичной обмотках. Вот почему калибровка трансформатора тока обычно для определенного типа амперметра.

Большинство трансформаторов тока имеют стандартную вторичную номинальную мощность 5 А, при этом первичные и вторичные токи выражаются в таком соотношении, как 100/5. Это означает, что ток первичной обмотки в 20 раз больше, чем ток вторичной обмотки, поэтому, когда в первичном проводнике протекает 100 ампер, во вторичной обмотке будет протекать 5 ампер. Трансформатор тока, скажем, 500/5, будет производить 5 А во вторичной обмотке при 500 А в первичной обмотке, что в 100 раз больше.

Увеличивая количество вторичных обмоток Ns , ток вторичной обмотки можно сделать намного меньшим, чем ток в измеряемой первичной цепи, потому что, когда Ns увеличивается, Is уменьшается пропорционально. Другими словами, число витков и ток в первичной и вторичной обмотках связаны обратно пропорционально.

Трансформатор тока, как и любой другой трансформатор, должен удовлетворять уравнению ампер-виток, и мы знаем из нашего учебника по трансформаторам напряжения с двойной обмоткой, что это отношение витков равно:

из которого мы получаем:

Коэффициент тока устанавливает коэффициент витков, и, поскольку первичный обычно состоит из одного или двух витков, тогда как вторичный может иметь несколько сотен витков, соотношение между первичным и вторичным может быть довольно большим. Например, предположим, что номинальный ток первичной обмотки составляет 100А. Вторичная обмотка имеет стандартный рейтинг 5А. Тогда соотношение между первичным и вторичным токами составляет 100А-5А или 20: 1. Другими словами, первичный ток в 20 раз больше вторичного тока.

Однако следует отметить, что трансформатор тока с номиналом 100/5 не совпадает с трансформатором с номиналом 20/1 или подразделениями 100/5. Это связано с тем, что отношение 100/5 выражает «номинальный ток на входе / выходе», а не фактическое соотношение первичных и вторичных токов. Также обратите внимание, что число витков и ток в первичной и вторичной обмотках связаны обратно пропорционально.

Но относительно большие изменения в соотношении витков трансформаторов тока могут быть достигнуты путем изменения первичных витков через окно трансформатора ток, где один первичный виток равен одному проходу, а более одного прохода через окно приводит к изменению электрического соотношения.

Так, например, трансформатор тока с отношением, скажем, 300 / 5А можно преобразовать в другой из 150 / 5А или даже 100 / 5А, пропустив основной первичный проводник через его внутреннее окно два или три раза, как показано ниже. Это позволяет более высокому значению трансформатора тока обеспечивать максимальный выходной ток для амперметра, когда используется на меньших первичных линиях тока.

Пример трансформатора тока

Трансформатор тока стержневого типа, который имеет 1 виток на своей первичной обмотке и 160 витков на своей вторичной обмотке, должен использоваться со стандартным диапазоном амперметров с внутренним сопротивлением 0,2 Ом. Амперметр необходим для полного отклонения шкалы, когда первичный ток составляет 800 А. Рассчитайте максимальный вторичный ток и вторичное напряжение на амперметре.

Вторичный ток:

Напряжение через амперметр:

Выше мы видим, что, поскольку вторичная обмотка трансформатора тока подключена к амперметру с очень малым сопротивлением, падение напряжения на вторичной обмотке составляет всего 1,0 В при полном первичном токе.

Однако, если амперметр был удален, вторичная обмотка фактически разомкнута, и, таким образом, трансформатор действует как повышающий трансформатор. Это частично связано с очень большим увеличением намагничивающего потока во вторичном сердечнике, поскольку реактивное сопротивление вторичной утечки влияет на вторичное индуцированное напряжение, потому что во вторичной обмотке нет противоположного тока, чтобы предотвратить это.

Результатом является очень высокое напряжение, наведенное во вторичной обмотке, равное отношению: Vp (Ns / Np) , развиваемое через вторичную обмотку. Например, предположим, что наш трансформатор тока сверху используется на трехфазной линии электропередачи напряжением 480 вольт. Следовательно:

Это высокое напряжение связано с тем, что отношение вольт на витки в первичной и вторичной обмотках практически постоянно, а поскольку Vs = Ns * Vp , значения Ns и Vp являются высокими значениями, поэтому Vs чрезвычайно велико.

По этой причине трансформатор тока никогда не следует оставлять разомкнутым или работать без нагрузки, когда через него протекает основной первичный ток, точно так же, как трансформатор напряжения никогда не должен работать при коротком замыкании. Если амперметр (или нагрузка) должен быть удален, сначала следует установить короткое замыкание на вторичных клеммах, чтобы исключить риск удара током.

Это высокое напряжение объясняется тем, что когда вторичная обмотка разомкнута, железный сердечник трансформатора работает с высокой степенью насыщения и ничто не может его остановить, он создает аномально большое вторичное напряжение, и в нашем простом примере выше это было рассчитано на 76,8 кВ! Это высокое вторичное напряжение может повредить изоляцию или привести к поражению электрическим током при случайном прикосновении к клеммам трансформатора тока.

Ручные трансформаторы тока

В настоящее время доступно много специализированных типов трансформаторов тока. Популярный и портативный тип, который может быть использован для измерения нагрузки цепи, называется «клещами», как показано на рисунке.

Измерители зажимов открывают и закрывают вокруг проводника с током и измеряют его ток, определяя магнитное поле вокруг него, обеспечивая быстрое считывание результатов измерений, как правило, на цифровом дисплее без отключения или размыкания цепи.

Наряду с ручным зажимом типа трансформатора тока имеются трансформаторы тока с разделенным сердечником, у которых один конец съемный, поэтому нет необходимости отсоединять проводник нагрузки или шину для его установки. Они доступны для измерения токов от 100 до 5000 ампер, с квадратными размерами окна от 1 ″ до более 12 ″ (от 25 до 300 мм).

Подводя итог, можно сказать, что трансформатор тока (ТТ) представляет собой тип измерительного трансформатора, используемого для преобразования первичного тока во вторичный ток через магнитную среду. Его вторичная обмотка обеспечивает значительно уменьшенный ток, который можно использовать для обнаружения условий сверхтока, пониженного тока, пикового или среднего тока.

Первичная катушка трансформатора тока всегда соединена последовательно с главным проводником, в результате чего ее также называют последовательным трансформатором. Номинальный вторичный ток рассчитан на 1А или 5А для простоты измерения. Конструкция может представлять собой один первичный виток, как в типах тороидальных, кольцевых или стержневых, или несколько витков первичной обмотки, как правило, для малых коэффициентов тока.

Трансформаторы тока предназначены для использования в качестве устройств пропорционального тока. Поэтому вторичная обмотка трансформаторов тока никогда не должна эксплуатироваться в разомкнутой цепи, точно так же, как трансформатор напряжения никогда не должен работать при коротком замыкании.

Очень высокое напряжение возникает в результате разомкнутой цепи вторичной цепи трансформатора тока под напряжением, поэтому их клеммы должны быть замкнуты накоротко, если амперметр должен быть удален или когда ТТ не используется перед включением питания системы.

В следующей статье о трансформаторах мы рассмотрим, что происходит, когда мы соединяем вместе три отдельных трансформатора в конфигурации «звезда» или «треугольник», чтобы получить более мощный силовой трансформатор, называемый , который используется для питания трехфазных источников питания.

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

Измерительные трансформаторы являются обособленной группой электротехнических изделий.

В зависимости от конструкции назначение измерительных трансформаторов тока и напряжения различно – они преобразуют основные показатели электрических цепей (напряжение или ток), уменьшая их величину до заданного значения.

Главная задача заключается в достижении необходимых параметров, при которых точно и корректно работает контрольно-измерительная аппаратура.

Все измерительные трансформаторы делятся на две группы исходя из основных критериев:

• по току;


• по напряжению.

В зависимости от их принадлежности к одной из категорий существенно отличается конструкция и принцип работы изделий. Давайте более подробно рассмотрим основные конструктивные особенности и назначение измерительных трансформаторов каждой группы.

Принцип действия измерительных трансформаторов напряжения основан на понижении подводимого напряжения и изолировании подключенных после него измерительных приборов от влияния повышенного напряжения в сетях переменного тока.

Дополнительно повышается уровень безопасности для персонала, который обслуживает высоковольтные сети и снимает контрольные показания с приборов. Широкое применение такие изделия получили в релейных автоматических системах защиты и в различных электроустановках.

Благодаря включению в цепь питания этого трансформатора можно использовать стандартные контрольно-измерительные приборы для снятия точных показаний в линиях с высоким значением напряжения.

В противном случае пришлось бы существенно менять конструкцию измерительной аппаратуры и увеличивать ее в размерах за счет дополнительных катушек индуктивности, изоляции и других элементов.

Принцип действия измерительных трансформаторов тока заключается в снижении до необходимого уровня силы тока от первичного источника, к которому запитан измерительный прибор. Главное применение таких трансформаторов – контроль и снятие точных показаний в высоковольтных сетях.

Основная особенность устройства заключается в полном контроле силы тока и обеспечении безопасной работы с подключенной контрольно-измерительной аппаратурой, на которую ограничена подача тока высокого значения.

Варианты маркировки

На шильде изделия можно встретить различную информацию, которая поможет подобрать правильное устройство исходя из заданных параметров основных характеристик. Маркировка измерительных трансформаторов различается в зависимости от типа устройства.

Так, для трансформаторов тока характерны следующие символы и обозначения:

• «Т» (первая буква) – трансформатор тока;


• вторая буква в обозначении отвечает за тип конструкции. Может быть четыре варианта: «О», «П», «Ф», «Ш», что означает опорный, проходной, фарфор, шинный;


• третьей буквой маркируется материал изоляции – литая (Л), масляная (М) или газовая (Г).

После буквенной маркировке указываются числовые значения, которые характеризуют класс изоляции, климат и коэффициент трансформации. Для примера: маркировка ТОМ-3У2 100/3 читается как «трансформатор тока опорный с масляной изоляцией, 3кВ, для умеренного климата второго класса с коэффициентом 100:3».

У трансформаторов напряжения маркировка отличается большим количеством букв, которые обозначают количество фаз, тип изоляции, класс прибора и его назначение, тип конструкции.

Более подробно это выглядит следующим образом:

• класс трансформатора – Н (напряжение);


• по количеству фаз – одна (О) или три (Т);


• принадлежность – измерительный (И);


• особенности конструкции – заземляемая первичная обмотка (З);


• разновидность – каскадный (К), антирезонансный (А), цельнолитой корпус из полимера (Л), наличие емкостного делителя (ДЕ), фарфоровая покрышка (Ф);


• тип исполнения – масляный (М), сухой (С).

Знание маркировки существенно облегчает выбор измерительных трансформаторов.

Особенности монтажа

Монтаж измерительных трансформаторов производится высококвалифицированными специалистами, которые обязаны иметь категорию допуска к электротехническим работам не ниже третьего уровня. Перед установкой необходимо провести проверку на выявление возможных дефектов.

• визуальный осмотр корпуса на предмет механических повреждений;


• проверка коэффициента трансформации на соответствие заданным параметрам;


• состояние вторичной обмотки (отсутствие обрывов);


• правильно ли промаркированы все выводы для подключения к источнику питания и контрольно-измерительной аппаратуре;


• целостность фарфоровой покрышки и токоведущего стержня.

После визуального осмотра можно переходить к процессу установки и дальнейшего введения в эксплуатацию.

Для трансформаторов напряжения также проводят визуальный осмотр перед установкой.

Обращают внимание на следующие моменты:

• целостность корпуса;


• отсутствие течи масла;


• предварительное испытание измерительных трансформаторов (определяют полярность у выводов для низшего и высшего напряжения, измеряют коэффициент трансформации, проверяют величину сопротивления обмоток);


• проверка уровня масла. В больших устройствах количества масла определяют по специальному индикатору, а в компактных изделиях без расширителя не доливают масла примерно на 2-3 сантиметра до крышки. Образовавшийся воздушный карман и будет играть роль расширителя.

Все монтажные и пусковые работы проводятся в соответствии с указаниями изготовителя и с соблюдением правил безопасности.

Эксплуатация

Эксплуатация измерительных трансформаторов должна проводиться строго в соответствии с рекомендациями и предписаниями фирмы-изготовителя. В процессе использования устройств рекомендуется регулярный профилактический осмотр с целью выявления возможных неисправностей и быстрого их устранения.

Регулярное обслуживание для трансформаторов тока предусматривает следующие мероприятия:

• контроль нагрузки внешней цепи с целью недопущения перегрузок (коэффициент перегруженности линии не может быть больше 20%);


• внешний осмотр состояния подводящих контактов;


• проверка целостности фарфоровых изоляторов;


• осмотр внешней изоляции, удаление загрязнений и влаги.

• состояние внешнего кожуха на предмет наличия повреждений и подтеков масла;


• проверка уровня масла;


• необходимо обращать внимание на наличие специфических тресков и посторонних шумов внутри изделия;


• проверка целостности фарфоровых изоляторов и сварных швов.

При обнаружении любого вида неполадок устройство обесточивается и выводится из эксплуатации.

Ремонт измерительных трансформаторов проводят специализированные организации (обычно это сертифицированные мастерские от фирм производителей оборудования).

Чтобы узнать больше о новинках в мире электротехники, увидеть современное оборудование и узнать о передовых технологиях в профильных отраслях, достаточно посетить выставку «Электро».

Широкая международная экспозиция будет принимать посетителей на территории ЦВК «Экспоцентр».

На выставке можно больше узнать больше о назначении, принципе действия измерительных трансформаторов, а также особенностях монтажа и ремонта устройств.

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.

В процессе использования энергетических систем нередко бывают случаи, когда нужно превратить какие-то электрические величины в их аналоги, при этом показатели нужно соответственно изменить в нужном соотношении, для чего обычно применяется трансформатор тока . С помощью трансформатора тока можно смоделировать некоторые процессы в электрических установках, а также сделать измерительный процесс более безопасным.

Функционирование трансформатора тока базируется на законе электромагнитной индукции . Данный закон работает в электрических и магнитных полях, которые изменяются по форме гармоник переменных синусоидальных величин.

Трансформатор тока превращает начальное значение вектора тока, который течет в силовой цепи, в конечное, меньшее по величине, при этом выдерживается нужное соотношение значения по модулю и сохраняется точная величина угла.

Как устроен трансформатор тока?

На следующем рисунке схематично обозначены процессы, протекающие в трансформаторе тока при превращении электроэнергии.

По первичной силовой обмотке с количеством витков ω1 течет ток I1, при этом он преодолевает ее полное сопротивление Z1. Вокруг катушки возникает магнитный поток Ф1, он фиксируется с помощью магнитопровода, находящегося перпендикулярно по отношению к вектору I1. Подобный способ расположения позволяет превращать электрическую энергию в магнитную с наименьшими потерями.

При пересечении перпендикулярных витков обмотки ω2 поток Ф1 создает в них электродвижущую силу Е2, под ее действием во вторичной обмотке появляется ток I2, который преодолевает полное сопротивление катушки Z2 и подсоединенной на выходе нагрузки Zн. В процессе напряжение U2 на зажимах вторичной цепи падает.

Коэффициент трансформации К1, можно посчитать, разделив вектор I1 на вектор I2. Это один из основных параметров трансформаторов тока , он определяется прежде, чем начинают проектировать устройство, а в действующих трансформаторах его измеряют. Однако, как и при работе любых приборов, реальные показания отличаются от теоретических. Для учета таких погрешностей существует специальная метрологическая характеристика, или класс точности трансформатора тока.

В отличие от расчетов, при работе трансформатора тока в жизни величины токов в обмотках не являются константами, так что коэффициент трансформации рассчитывают по номиналам. К примеру, если коэффициент трансформации равен 1000/5, то это значит, что в первичном витке течет ток величиной 1 кА, а во вторичных действует нагрузка 5 А. Исходя из данных величин, можно понять, как долго трансформатор тока прослужит.

Магнитный поток Ф2, возникающий благодаря вторичному току I2, понижает величину потока Ф1 в магнитопроводе. В процессе возникающий поток трансформатора Фт рассчитывается как геометрическая сумма векторов Ф1 и Ф2.

Где и как используют трансформаторы тока?

Самые разные виды трансформаторов тока применяются в электронных устройствах, начиная от небольших и заканчивая приборами размером в несколько метров. Обычно их классифицируют по признакам эксплуатации.

Классификация трансформаторов тока :

По предназначению:

• для измерений (с их помощью на измерительные устройства подается электрический ток);
• для защиты (их подключают к цепям защит);
• для лабораторных применений (такие трансформаторы тока имеют большой класс точности);
• для повторных преобразований (промежуточные).

В работе объектов используют следующие трансформаторы тока:

• для внешнего монтажа (на улице);
• для внутреннего монтажа (для закрытых установок);
• вмонтированные внутрь корпуса прибора;
• накладные (их надевают на проходной изолятор);
• переносные (для проведения измерений в различных местах).

По значению рабочего напряжения оборудования трансформаторы тока делятся на:

• высоковольтные (обладающие напряжением свыше 1000 В);
• с номинальным напряжением не более 1 кВ.

Существуют и другие деления трансформаторов тока на виды, в том числе по способу материалов для изоляции , по числу ступеней трансформации и другим характеристикам.

Для чего нужны трансформаторы тока?

Чаще всего трансформаторы тока используют в цепях учета измерения электроэнергии, для замеров и защит линий или силовых автотрансформаторов обычно применяют переносные трансформаторы тока.

На следующем изображении приведено расположение трансформаторов тока для каждой фазы линии и монтаж вторичных цепей в клеммном ящике на ОРУ-110 кВ для силового автотрансформатора.

Таким же целям служат трансформаторы тока на ОРУ-330 кВ, однако они гораздо больших размеров из-за сложностей конструкции, так как они предназначены для более высоковольтного оборудования.

На энергетическом оборудовании нередко используют встроенные конструкции трансформаторов тока , их помещают непосредственно на корпусе силового объекта.

Их конструкция предполагает вторичные обмотки с выводами, которые находятся вокруг высоковольтного ввода в герметичном корпусе. Кабели от зажимов трансформатора тока подведены к закрепленным тут же клеммным ящикам.

В трансформаторах тока , характеризующихся высоким напряжением , обычно как изолятор применяют трансформаторное масло. На следующем изображении показан вариант такой конструкции для трансформаторов тока серии ТФЗМ для работы при напряжении, равном 35 кВ.

При напряжениях, не превышающих 10 кВ, в целях изоляции между обмотками при производстве корпуса прибора, применяют твердые диэлектрические материалы.

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

На следующей упрощенной схеме показан пример подключения вторичной токовой цепи одного из кернов защит REL 511 для выключателя линии 110 кВ.

Как понять, что трансформатор тока испорчен, и найти неисправности?

Когда трансформатор тока находится под нагрузкой, у него может быть нарушено электрическое сопротивление изоляции обмоток или их проводимость. Это происходит из-за воздействия теплового перегрева, нанесенных случайным образом механических повреждений или неправильной сборки.

В процессе работы трансформатора тока вероятнее всего возникновение проблем с изоляцией, в результате чего случаются замыкания обмоток между витками и понижение передаваемой мощности. Также из-за этого может произойти утечка через случайно созданные цепи, что, в свою очередь, может закончиться коротким замыканием.

Для того, чтобы обнаружить точки, в которых конструкция была собрана неправильно, трансформатор тока необходимо регулярно проверять с помощью тепловизора. Тогда будет возможно вовремя обнаружить и исправить дефекты в виде, например, нарушенных контактов, и снизить перегрев устройства.

На предмет отсутствия межвитковых замыканий приборы проверяют специалисты лабораторий РЗА с помощью:

• снятия вольтамперной характеристики;
• прогрузки трансформатора тока от постороннего источника;
• замеров основных характеристик прибора в рабочей схеме.

Они же проводят анализ величину коэффициента трансформации.

При всех работах замеряется отношение между векторами первичных и вторичных токов по величине. Их угловые отклонения в данном случае не замеряют, так как высокоточных фазоизмерительных устройств для проверки трансформаторов тока в метрологических лабораториях не существует.

Высоковольтные испытания диэлектрических свойств проводятся специалистами лаборатории службы изоляции.