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.
Трансформатор тока: устройство и принцип действия
Что такое трансформатор тока, принцип работы, типы, схемы
Трансформатор тока представляет собой тип «измерительного трансформатора», который предназначен для производства переменного тока в его вторичной обмотке, которое пропорционально току измеряется в его первичной. 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, 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.
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 – он не содержит 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.
Конструкция ТТ
Данные изделия можно встретить как в небольших электронных приборах, так и в значительных по объему энергетических установках. Различия между ними заключаются лишь в габаритах.
Конструктивно трансформаторы состоят из двух элементов:
- замкнутый магнитопровод (сердечник);
- 2 и более обмотки (первичная и вторичные).
Все детали помещаются в специальный корпус, который служит как защита от механических повреждений.
Основные характеристики
Одним из важнейших параметров ТТ является номинальное напряжение, то есть максимальные значения напряжения, при которых устройство может корректно работать. Этот показатель указывается в паспорте трансформатора, средняя цифра составляет от 0,66 до 750 кВ.
К числу основных параметров ТТ относят и коэффициент трансформации. Он определяется как отношение первичного тока к вторичному.
Другая важная характеристика систем – номинальный ток первичной сети (протекающий по первичной обмотке). Значение может составлять от 1 А до 40 тысяч А. Показатели вторичного тока всегда равняются 1 А или 5 А, по заказу изготавливаются модели с 2 А и 2,5 А.
Еще два важных параметра устройств – это электродинамическая и термическая стойкость. Первая – характеризует максимальную амплитуду тока короткого замыкания. Если сказать проще, то это способность трансформатора противостоять разрушающему воздействию короткого замыкания.
Термическая стойкость – это максимальный показатель для короткого замыкания, которое система может выдержать за определенный промежуток времени и не пострадать от высоких температур.
Схемы подключения
Первичные катушки трансформаторов тока включаются в цепь последовательно. Вторичные катушки предназначены для подключения измерительных приборов или используются системами релейной защиты.
Во вторичную цепь включаются выводы измерительных приборов и устройства релейной защиты. С целью обеспечения безопасности, сердечник магнитопровода и один из зажимов вторичной катушки должны заземляться.
При подключении трехфазных счетчиков, в сетях с изолированной нейтралью обмотки трансформатора соединяются по схеме «Неполная звезда». При наличии нулевого провода применяется схема полной звезды.
Выводы трансформаторов маркируются. Для первичной обмотки применяются обозначения Л1 и Л2, а для вторичной – И1 и И2. При подключении измерительных приборов следует соблюдать полярность обмоток.
Схема «неполная звезда» применяется для двухфазного соединения.
В дифференциальных защитах, используемых в силовых трансформаторах, обмотки включаются треугольником.
Основные схемы подключения:
- В сетях с глухозаземленной нейтралью ТТ подключается к каждой фазе. Соединение обмоток трансформатора – полная звезда.
- Подключение по схеме неполной звезды. Применяется в сетях с изолированными нулевыми точками.
- Схема восьмерки. Симметрично распределяет нагрузки при трехфазном КЗ.
- Соединение ТТ в фильтр токов нулевой последовательности. Применяется для защиты номинальной нагрузки от коротких замыканиях на землю.
Технические параметры
Очень важной характеристикой трансформатора тока является класс точности. Этот параметр характеризует погрешность измерения, то есть показывает, на сколько номинальный (идеальный) коэффициент трансформации отличается от реального.
Коэффициент трансформации
Так как в реальном коэффициенте трансформации присутствует синфазная и квадратурная составляющая, то значения коэффициента всегда отличаются от номинального. Разницу (погрешность) необходимо учитывать при измерениях. На результаты измерений влияют также угловые погрешности.
У всех ТТ погрешность отрицательна, так как у них всегда присутствуют потери от намагничивания и нагревания токовых катушек. С целью устранения отрицательного знака погрешности, для смещения параметров трансформации в положительную сторону, применяют витковую коррекцию. Поэтому в откорректированных устройствах привычная формула для вычислений не работает. Поэтому коэффициенты трансформации в таких аппаратах производители определяют опытным путем и указывают их в техпаспорте.
Класс точности
Токовые погрешности искажают точность измерения электрического тока. Поэтому для измерительных трансформаторов высокие требования к классу точности:
Трансформатор может находиться в пределах заявленного класса точности, только если сопротивление максимальной нагрузки не превышает номинального, а ток в первичной цепи не выходит за пределы 0,05 – 1,2 величины номинального тока трансформатора.
Основная схема подключения измерительного трансформатора тока
Плавно мы подошли к основной схеме подключения измерительного трансформатора тока.
На рисунках 1 и 2 трансформатор имеет обозначение “TA” с индексами и представлен в схемах с двухфазными и трехфазными обмотками. Стоит уточнить, что имея формы полной звезды и неполной, трансформаторы включены в изолированную, а самое главное нейтральную сеть.
Кроме того, добавим, что структура подключения этого “TA” применяется для защиты от замыканий цепи, а также регулирования баланса между фазами.
Принцип работы трансформатора тока
Принцип работы трансформатора тока основан на принципах электромагнитной индукции, которая действует в электрическом/магнитном поле. Более подробная информация представлена на рисунке:
Он преобразовывает начальное значение векторного тока, проходящего в электрической цепи, во вторичную величину (при этом важно учесть фактор пропорционального равенства между модулем и углом передачи тока).
Первичная обмотка устройства, имеющая некое число витков (W1), пропускает через себя ток (I1). Ток, в свою очередь, преодолевает некоторое сопротивление (Z1).
Рядом с данной катушкой происходит процесс образования магнитного потока (Ф1), регулируемый при помощи перпендикулярно-расположенных магнитных проводов (важное замечание — именно такое расположение может обеспечить минимальную потерю во время преобразования электроэнергии).
После пересечения перпендикулярных витков (W2) обмотки, (Ф1) — магнитный поток формирует силу электрического движения (Е2). Эта сила вызывает возникновение тока (I2) на обмотке (вторичной). А вот I2, который подключен к нагрузке выхода (Zн), преодолевает Z2 — сопротивление, и способствует образование меньшего напряжения на концах электроцепи.
Значение K 1 — коэффициент трансформации — определяется выражением: I1 / I2 (отношение первого вектора ко второму). Величина этого отношения вычисляется в начальных построениях проектирования устройства.
Различия между истинными показателями модели и расчетным результатом объясняется важным аспектом метрологии, которым является вид класса точности устройства.
Важно — на практике ток во вторичной обмотке не является постоянным, именно это определяет значение K1 . К примеру, его отношение 10000/50 обозначает следующее: во время прохода электротока по области первичной обмотки единица килоампера области вторичной обмотки приравнивается к величине пятидесяти килоампер.
Таким образом, коэффициент трансформации оказывает прямое влияние на длительность использования трансформатора тока. Не забудем о магнитном потоке (Ф2), который способствует уменьшению величины I2 в магнитном проводе вторичной обмотки.
Во время эксплуатации трансформатора тока нельзя забывать про возникновение нежелательных проблем, одной из которых является пораженческая способность пробоя изоляции (из-за высокого потенциала).
Так как магнитный провод трансформатора тока имеет металлический компонент в строении, у него есть отличные свойства проводимости, которые помогают ему соединить между собой первичную и вторичную обмотки.
Несмотря на то, что обмотки изолированы, у того, кто эксплуатирует трансформатор, все равно присутствует риск получения повреждений и травм от этого электрического прибора.
Для того, чтобы риски минимизировать, необходимо использовать заземление какого-либо вывода устройства (для предотвращения короткого замыкания из-за высокого потенциала). Кроме того, нужно сказать и про возможный разрыв на вторичной обмотке цепи из-за перенапряжения устройства.
Говоря о принципах работы трансформатора тока, скажем и о том, что к его главному предназначению следует отнести решение эксплуатационных задач электротехнических систем, ведь наша промышленность готовит огромный ассортимент выпуска электрических установок, которые не всегда обладают 100-процентным коэффициентом полезности.
А трансформатор способен этот КПД увеличить благодаря усовершенствованию схем и конструкций.
Испытания измерительных трансформаторов тока
Для снижения риска аварий и травматизма среди персонала, обеспечения безопасных условий труда необходимы периодические испытания измерительных трансформаторов тока. Также эти мероприятия требуется проводить при вводе нового объекта в эксплуатацию либо после модернизации и ремонта существующего здания или сооружения.
Перечень испытаний измерительных трансформаторов
Первый этап испытаний – осмотр. Здесь проверяют:
- паспорт устройства;
- состояние компаунда, фарфора или керамики;
- количество заземлений и место их установки (на клеммной сборке или панели защиты);
- состояние резьбы в ламелях зажимов;
- комплектность устройства.
Если трансформатор встроенный, необходимо проверить уплотнители труб и коробов, сквозь которые проходят цепи.
Сопротивление изоляции обмоток. Проверку выполняют с помощью мегомметра на напряжение 1,0–2,5 кВ, определяя сопротивление изоляции обмоток относительно друг друга и относительно корпуса.
Электрическая прочность изоляции проверяется подачей напряжения 2000В в течение 60 с. Изоляция обмоток — переменным током напряжением 1000В на протяжении такого же времени.
Полярность вторичных обмоток. Импульсы постоянного тока, источником которого служат сухие батареи/аккумуляторы до 6В, измеряются гальванометром.
Если во время замыкания цепи стрелка прибора смещается вправо, то к однополярным зажимам относятся те, к которым присоединены «плюсы» гальванометра и источника питания.
Коэффициент трансформации ИТТ. Нагрузочный трансформатор подает в первичную обмотку ток, максимально приближенный к номинальному. Коэффициент измеряют для вторичных обмоток и ответвлений.
Если у встроенных трансформаторов нет маркировки, ее следует восстановить. Для этого подают напряжение на два любых ответвления. Вольтметром определяют начало и конец обмотки (на них будет наибольшее значение) и подают напряжение по 1В на виток. Напряжение по ответвлениям должно быть прямо пропорционально числу витков.
Параметры намагничивания. Это испытание позволяет выявить такой распространенный дефект, как межвитковое замыкание во вторичной обмотке.
Полученные данные сравнивают с типовыми значениями или с параметрами устройств такого же типа и класса точности. Если у проверяемого устройства намагничивание снизилось, а крутизна уменьшилась, значит, дефект присутствует.
При испытаниях не рекомендуется использовать реостат, детекторные, электронные приборы, способные исказить данные.
Условия для проведения испытаний
Во избежание погрешности проверку следует проводить в соответствии с установленными стандартами и правилами, перечисленными в инструкции по эксплуатации:
- температура воздуха от +15 до +35 °С;
- атмосферное давление 85–105 кПа;
- влажность 30–80%.
Приборы, с помощью которых проводятся испытания, не оказывают негативного воздействия на окружающую среду. При этом на выходных клеммах в ходе проверки присутствуют напряжения, способные травмировать человека. Поэтому измерения должны проводить только подготовленные сотрудники, имеющие квалификационную группу не ниже III.
Структура условных обозначений ИТТ
На рис. 4–7 представлена структура условных обозначений измерительных трансформаторов тока на примере продукции СВЭЛ.
Рис. 4. Структура условного обозначения трансформаторов тока ТОЛ-СВЭЛ
Рис. 5. Структура условного обозначения трансформаторов тока ТВ-СВЭЛ
Рис. 6. Структура условного обозначения трансформаторов тока ТШЛ-СВЭЛ
Рис. 7. Структура условного обозначения трансформаторов тока ТПОЛ-СВЭЛ, ТПЛ-СВЭЛ
Устройство трансформатора тока
Трансформатор тока — устройство, которое занимается преобразованием тока большой величины до значения, удобного для измерения. О том, как при этом преобразовании меняется сила тока человек задумывается мало, обращая внимание на этот показатель только, когда нагрузка на сеть оказывается чрезмерной и в некоторых случаях приводит к срабатыванию автоматического выключателя . В случае, когда на участке линии увеличилась потребляемая мощность, необходимо заменить автоматический выключатель не в ущерб пропускаемой способности кабельной линии. Чтобы это сделать точней используют амперметр или же чаще всего токовые клещи .
Для измерения токов большой силы в системе учета электроэнергии существуют специальные приборы — трансформаторы тока . Их назначение — трансформировать электропоток так, чтобы уменьшить силу тока строго пропорционально реальной — и таким образом сделать ее доступной измерению.
В таких трансформаторах первичная (входная) обмотка имеет большое сечение и малое количество витков. Она рассчитана на ток от 5 до 15 000 ампер и включается в рабочую сеть последовательно – через контакты Л1 и Л2. Во вторичной (выходной) обмотке число витков значительно больше, чем во входящей – поэтому напряжение в ней будет значительно больше, но сила тока гораздо меньше — не более 5 ампер. Соотношение между числом витков в первичной и вторичной обмотках (и, соответственно, между токами в них) называют коэффициентом трансформации.
Ко вторичной обмотке уже можно подключать амперметр и, зная коэффициент трансформации, определить силу тока в первичной обмотке. Например: для трансформаторов 100/5 с коэффициентом трансформации 20 показатель силы тока в 5 ампер во вторичной обмотке будет означать, что через первичную обмотку идет ток в 20 раз больший — то есть 100 ампер.
Соотношение напряжений в обмотках будет обратным, если в первичной оно будет 100 вольт, то во вторичной — 2000 вольт. Чтобы показания на вторичной обмотке были достоверными, она должна работать без нагрузки, и ток в ней должен течь практически без сопротивления (сопротивление самого амперметра очень мало и его можно не учитывать) — то есть в режиме короткого замыкания.
И нарушать этот режим весьма опасно: при такой разнице потенциалов и такой силе тока электричество может запросто «пробить» обычные изоляторы (вроде резиновых перчаток или пластиковых накладок на ручках пассатижей) — и тогда поражение электричеством будет смертельным. Поэтому одну из клемм (И1) при подключении трансформатора тока закорачивают на землю. А при работе с учетом, подключенным через трансформаторы тока, не отключая нагрузку, клеммы И1 и И2 закорачивают между собой.
Это значит, что трансформаторы тока по определению не могут иметь такого же внешнего вида, как обычные бытовые трансформаторы напряжения, а должны быть надежно упрятаны в толстые эбонитовые корпуса с клеммами в виде болтов и гаек достаточно солидных сечений.
Приобрести качественный трансформатор тока можно в ТВК «ЭлектроЦентр» и на сайте интернет-магазина stv39.ru .
