Для чего служит трансформатор тока

Устройство и принцип работы трансформатора тока

Трансформатор тока (ТТ) — статическое электромагнитное устройство, где первичная обмотка подсоединена к источнику питания, а вторая — к измерительным или защитным аппаратам, обладающим малым сопротивлением. Преобразователи широко применяются для измерения величины тока и в агрегатах релейной защиты энергетических систем. Они обеспечивают полную безопасность проведения измерений в высоковольтных линиях.

Особенности конструкции

При работе трансформатора тока вторичная обмотка всегда находится под нагрузкой, сопротивление которой регулируется требованиями к точности коэффициента трансформации. Допускается незначительное отклонение сопротивления от указанного в паспорте устройства.

Если произойдет увеличение нагрузки, то во второй обмотке резко возрастет напряжение, что может привести к пробою изоляции и поломке устройства. Такая ситуация создает угрозу безопасности сотрудникам, которые обслуживают электрический прибор. В устройство трансформатора тока входят:

основание;
магнитопровод (сердечник);
первичная обмотка;
вторичная обмотка;
клеммник для подсоединения кабеля от источника питания;
заземляющий контакт.

Первичная обмотка изготавливается в виде катушки, закрепленной на магнитопроводе, или как шина. Согласно конструктивного исполнения в некоторых устройствах нет встроенной первичной катушки, а дополняется она обслуживающим персоналом путем соединения отдельного провода через специальное окно.

Корпус устройства выполняет роль изоляции и предохранения обмоток от внешних повреждений. В последних моделях устройств сердечники изготавливаются из нанокристаллических сплавов, которые значительно увеличивают класс точности прибора.

Из-за больших потерь в сердечнике устройство начинает сильно нагреваться, что приводит к износу или выходу из строя его изоляции. Вторая обмотка в разомкнутом состоянии также создает негативное явление, так как происходит перегрев и выгорание магнитного провода.

Основной характеристикой прибора считается коэффициент трансформации, который обозначает отношение номинального тока в первичной обмотке к такому же значению во вторичной. Реальное значение этого коэффициента несколько отличается от номинального, что объясняется степенью погрешности прибора.

Связано это с тем, что в магнитных конструкциях имеются потери, связанные с намагничиванием и нагревом магнитопровода. Чтобы несколько сгладить эти погрешности производители используют витковую коррекцию.

Назначение устройства

По своему назначению трансформаторы тока относятся к специальным вспомогательным устройствам, применяемых в комплексе с различной измерительной аппаратурой и защитными механизмами в сетях переменного тока.

Принципом работы трансформатора тока считается преобразование любых величин, которые приобретают более воспринимаемые значения для получения информации и обеспечения питания защитных реле. Благодаря изоляции аппаратов, сотрудники обслуживающей организации надежно защищены от поражения током. Все виды трансформаторов могут служить для двух функций:

Измерение силы тока в цепи — с их помощью передаются данные на измерительные приборы, которые подключены ко вторичной обмотке. В этом случае трансформатор может преобразовать ток высокой величины в более приемлемые параметры.
Предохранительные действия — устройства в первую очередь передают данные на защитные аппараты и приборы управления. С помощью трансформаторов электрические показатели преобразуются для питания релейного оборудования.

По своему назначению и принципу действия трансформаторы тока способствуют подсоединению измерительных приборов к энергетическим линиям высокого напряжения, когда нет возможности подключить их напрямую. Они нужны для передачи снятых показаний на аппаратуру измерения, которая подключается ко вторичной обмотке.

Кроме того, преобразователи проводят наблюдение за состоянием электрического тока в цепи, к которому они подключены. При подсоединении к силовой автоматической защите устройство проводит мониторинг сетей, наличие и состояние заземления. Если ток достигает максимального значения, то автоматически включается защита и останавливается работа всего оборудования.

Принцип действия

Работает трансформатор тока на основе закона электромагнитной индукции. Из внешнего источника питания поступает напряжение на клеммы устройства, которые непосредственно связаны с первичной обмоткой, обладающей конкретным количеством витков. В результате образуется магнитный поток вокруг катушки, который улавливает сердечник.

Благодаря этому, потери показаний в процессе преобразования будут незначительными. Когда ток пересекает вторичную обмотку, то магнитный поток активирует электродвижущую силу, под влиянием которой происходит преодоление сопротивления катушки и нагрузки на выходе.

Параллельно с этим процессом происходит снижение напряжения со вторичной обмотки. Если происходит короткое замыкание во вторичной обмотке или подключение к ней нагрузки, то под воздействием электродвижущей силы в ней возможно определение вторичного тока.

Классификация приборов

Все разновидности агрегатов классифицируются в зависимости от конструкции и того, какими техническими показателями обладают. Кроме измерительных и защитных трансформаторов, бывают промежуточные виды этих преобразователей. В этом случае прибор подключается для проведения измерения в цепь релейной защиты.

Выделяются лабораторные виды преобразователей, которые обладают повышенной точностью измерения и множеством коэффициентов трансформации. Токовые трансформаторы подразделяются:

По способу установки — преобразователь предназначен для наружного и внутреннего монтажа. Компактные модели могут быть переносными или встраиваются в машины и электрические аппараты. Наружный и внутренний монтаж подразумевает проходной или опорный способ установки.
В зависимости от типа первичной обмотки — оборудование подразделяется на одновитковые, стержневые, многовитковые, катушечные и шинные устройства.
При изолировании трансформаторов применяются: бакелит, фарфор и другие материалы. Некоторые марки устройств для изоляции заливаются компаундом.

От того как устроен преобразователь, он может иметь одну или две ступени. Эксплуатационное напряжение устройств находится в диапазоне до 1 тыс. В и выше. Все необходимые технические данные имеют буквенные, цифровые обозначения и присутствуют на соответствующих бирках.

Принцип действия ТТ и их назначение

В сегодняшнем материале, я решил начать рассматривать вопросы, касающиеся основ теории трансформаторов тока. Сами эти аппараты распространены повсеместно в электроустановках, и я думаю, всем будет интересно и полезно обновить в памяти принцип их работы.

Назначение трансформаторов тока: преобразование тока и разделение цепей

Начнем с ответа на вопрос – для чего нужен трансформатор тока? Здесь существует несколько основных вопросов, которые решает установка трансформаторов тока.

Во-первых, это измерение больших токов, когда измерение непосредственно реальной величины первичного тока не представляется возможным. Измеряют преобразованную в меньшую сторону после трансформатора тока величину. Обычно это 1, 5 или 10 ампер.
Во-вторых, это разделение первичных и вторичных цепей. Таким образом, происходит защита изоляции релейного оборудования, приборов учета электроэнергии, измерительных приборов.

Из чего состоит ТТ, принцип его работы

Трансформатор тока имеет замкнутый сердечник (магнитопровод), который собирают из листов электротехнической стали. На сердечнике расположено две обмотки: первичная и вторичная.

Первичная обмотка включается последовательно (в рассечку) цепи, по которой течет измеряемый (первичный) ток. К вторичной обмотке присоединяются последовательно соединенные реле, приборы, которые образуют вторичную нагрузку трансформатора тока. Такое описание состава трансформатора тока достаточно для описания принципа его работы, более подробное описание реального состава трансформатора тока приведено в другой статье.

Для рассмотрения принципа действия трансформатора тока рассмотрим схему, расположенную на рисунке.

В первичной обмотке протекает ток I₁, создавая магнитный поток Ф₁. Переменный магнитный поток Ф₁ пересекает обе обмотки W₁ и W₂. При пересечении вторичной обмотки поток Ф₁ индуцирует электродвижущую силу Е₂, которая создает вторичный ток I₂. Ток I₂, согласно закону Ленца имеет направление противоположное направлению I₁. Вторичный ток создает магнитный поток Ф₂, который направлен встречно Ф₁. В результате сложения магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ образуется результирующий магнитный поток (на рисунке он обозначен Ф_нам). Этот поток составляет несколько процентов от потока Ф₁. Именно поток Ф_нам и является тем звеном, что производит передачу и трансформацию тока. Его называют потоком намагничивания.

Коэффициент трансформации идеального ТТ

В первичной обмотке w₁ создается магнитодвижущая сила F₁=w₁*I₁, а во вторичной – F₂=w₂*I₂. Если принять, что в трансформаторе тока отсутствуют потери, то магнитодвижущие силы равно по величине, но противоположны по знаку. F₁=-F₂. В итоге получаем, что I₁/I₂=w₂/w₁=n. Это отношение называется коэффициентом трансформации трансформатора тока.

Коэффициент трансформации реального ТТ

В реальном трансформаторе тока существуют потери энергии. Эти потери идут на:

создание магнитного потока в магнитопроводе
нагрев и перемагничивание магнитопровода
нагрев проводов вторичной обмотки и цепи

Читать еще: Для чего нужен предохранитель

К магнитодвижущим силам из прошлого пункта прибавится мдс намагничивания Fнам=Iнам*w1. В выражении ниже токи и мдс это вектора. F₁=F₂+F_нам или I₁*w₁=I₂*w₂+I_нам*w₁ или I₁=I₂*(w₂/w₁)+I_нам

В нормальном режиме, когда первичный ток не превышает номинальный ток трансформатора тока, величина тока Iнам не превышает 1-3 процента от первичного тока, и этой величиной можно пренебречь. При ненормальных режимах происходит так называемый бросок тока намагничивания, об этом более подробно можно почитать здесь. Из формулы следует, что первичный ток разделяется на две цепи – цепь намагничивания и цепь нагрузки. Более подробно о схеме замещения ТТ и о векторной диаграмме ТТ.

Режимы работы трансформаторов тока

У ТТ существуют два основных режима работы – установившийся и переходный.

В установившемся режиме работы токи в первичной и вторичной обмотке не содержат свободных апериодических и периодических составляющих. В переходном режиме по первичной и вторичной обмотке проходят свободные затухающие составляющие токов.

Если ТТ выбран правильно, то в обоих режимах работы погрешности не должны превышать допустимых в этих режимах, а токи в обмотках не должны превышать допустимые по термической и динамической стойкости.

ТТ для измерений предусмотрены для работы в установившемся режиме, при условии не превышения допустимых погрешностей. Работа ТТ для защиты начинается с момента возникновения тока перегрузки или тока КЗ, в этих режимах должны обеспечиваться требования определенных типов защит.

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения и силового трансформатора

Существуют существенные отличия в работе ТТ и ТН.

Во-первых, первичный ток ТТ не зависит от вторичной нагрузки, что свойственно ТН. Это определяется тем фактом, что сопротивление вторичной обмотки ТТ на порядок меньше сопротивления первичной цепи. В трансформаторах напряжения и силовых трансформаторах же первичный ток зависит от величины тока вторичной нагрузки.

Во-вторых, ТТ всегда работает с замкнутой вторичной обмоткой и величина его вторичного сопротивления нагрузки в процессе работы не изменяется.

В-третьих, не допускается работа ТТ с разомкнутой вторичной обмоткой, для ТН и силовых при размыкании вторичной обмотки происходит переход в режим работы холостого хода.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

Все о трансформаторах тока. Классификация, конструкция, принцип действия

Трансформаторами тока (ТТ) принято называть электротехнические устройства, предназначенные для трансформирования величин токов до величин требуемых для подключения приборов измерения, устройств РЗиА.

Установка в силовых электроустановках трансформаторов низкой мощности позволяет также обезопасить производство работ, поскольку их использование разделяет цепи высокого / низкого напряжения, упрощает конструктивное исполнение дорогостоящих измерительных приборов, реле.

Конструкция и принцип действия трансформатора тока

Трансформаторы тока конструктивно состоят из:

замкнутого магнитопровода;
2-х обмоток (первичной, вторичной).

Первичная обмотка включается последовательно, таким образом, сквозь нее протекает полный ток нагрузки. А вторичная — замыкается на нагрузку (защитные реле, расчетные счетчики и пр.), что позволяет создавать прохождение по ней тока, величина которого пропорциональна величине тока первичной обмотки.

Поскольку сопротивление измерительных устройств незначительно, то принято считать, что все трансформаторы тока работают в режиме близком к КЗ.

Это означает, что геометрическая сумма магнитных потоков равна разности потоков, генерируемых обеими обмотками.

Традиционно трансформаторы тока выпускают с несколькими группами вторичных обмоток, одна из которых предназначена для подключения аппаратов защиты, другие – для включения приборов контроля, диагностики и учета.

К этим обмоткам в обязательном порядке должна быть подключена нагрузка.

Ее сопротивление строго регламентируется, так как даже незначительное отклонение от нормируемой величины может привести к увеличению погрешности и как следствие снижению качества измерения, неселективной работе РЗ.

Интересное видео о трансформаторах тока смотрите ниже:

Погрешность ТТ определяется в зависимости от:

сечения магнитопровода;
проницаемости используемого для производства магнитопровода материала;
величины магнитного пути.

Значительное возрастание сопротивления нагрузки во вторичной цепи генерирует повышенное напряжение во вторичной цепи, что приводит к пробою изоляции и, как следствие, выходу из строй трансформатора.

Предельное значение сопротивление нагрузки указывается в справочных материалах.

Классификация трансформаторов тока

Трансформаторы тока принято классифицировать по следующим признакам:

В зависимости от назначения их разделяют на:
1. защитные;
2. измерительные;
3. промежуточные, используемые для подключения устройств измерения в токовые цепи, выравнивания токов в системах диф. защит и т. п.);
4. лабораторные.
По типу установки разделяют устройства:
1. наружной установки (размещаемые в ОРУ);
2. внутренней установки (размещаемые в ЗРУ);
3. встроенные в электрические машины, коммутационные аппараты: генераторы, трансформаторы, аппараты и пр.;
4. накладные — устанавливаемые сверху на проходные изоляторы;
5. переносные (для лабораторных испытаний и диагностических измерений).
Исходя из конструктивного исполнения первичной обмотки ТТ разделяют на:
1. многовитковые (катушечные, с обмоткой в виде петли или восьмерки);
2. одновитковые;
3. шинные.
По способу исполнения изоляции ТТ разбивают на устройства:
1. с сухой изоляцией (из фарфора, литой изоляции из эпоксида, бекелита и т. п.);
2. с бумажно-масляной либо конденсаторной бумажно-масляной изоляцией;
3. имеющие заливку из компаунда.
По количеству ступеней трансформации ТТ бывают:
1. одноступенчатые;
2. двухступенчатые (каскадные).
Исходя из номинального напряжения различают:
1. ТТ с номинальным напряжением — выше 1 кВ;
2. ТТ с напряжением – до 1 кВ.

Читать еще: Какой бывает ток

Ещё одно интересное видео о схемах включения трансформаторов тока:

Трансформаторы тока разных производителей

Рассмотрим несколько трансформаторов тока разных производителей:

Трансформаторы тока ТОЛ-НТЗ-10-01

Производитель ООО «Невский трансформаторный завод «Волхов», предназначены для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам и устройствам защиты и управления, для изолирования цепей вторичных соединений от высокого напряжения в комплектных устройствах внутренней и наружной установки (КРУ, КРУН, КСО) переменного тока на класс напряжения до 10 кВ и являются комплектующими изделиями.

Трансформаторы изготавливаются в виде опорной конструкции, в климатических исполнениях «УХЛ» и «Т», категории размещения «2» по ГОСТ 15150-69.

Рабочее положение трансформатора в пространстве – любое.

Трансформаторы работают в электроустановках, подвергающихся воздействию грозовых перенапряжений и имеют:

класс нагревостойкости «В» по ГОСТ 8865-93;
уровень изоляции «а» и «б» по ГОСТ 1516.3-96.

Варианты исполнения трансформатора: «Б» — оснащён изолирующими барьерами.

Расположение вторичных выводов:

«А» — параллельно установочной поверхности;
«В» — перпендикулярно установочной поверхности;
«С» — из гибкого провода, параллельно установочной поверхности;
«D» — из гибкого провода, перпендикулярно установочной поверхности.

Требования к надежности

Для трансформаторов установлены следующие показатели надежности:

средняя наработка до отказа – 2´105 ч.;
полный срок службы – 30 лет.

Пример условного обозначения опорного трансформатора тока с литой изоляцией

ТОЛ-НТЗ-10-01АБ-0,5SFs5/10Р10–5/15-300/5 31,5 кА УХЛ2

10 — номинальное напряжение;
«0» — конструктивный вариант исполнения;
«1» — исполнение по длине корпуса;
«А» — вторичные выводы расположенные параллельно установочной поверхности;
«Б» — изолирующие барьеры;
0,5S — класс точности измерительной вторичной обмотки;
(Fs)5 — коэффициент безопасности приборов вторичной обмотки для измерения;
10Р — класс точности защитной вторичной обмотки;
10 — номинальная предельная кратность вторичной обмотки для защиты;
5 — номинальная вторичная нагрузка обмотки для измерения;
15 — номинальная вторичная нагрузка обмотки для защиты;
300 — номинальный первичный ток;
5 — номинальный вторичный ток;
31,5 — односекундный ток термической стойкости;
«УХЛ» — климатическое исполнение;
2 – категория размещения ГОСТ 15150-69 при его заказе и в документации другого изделия.

Опорные трансформаторы тока TОП-0,66

Трансформаторы предназначены для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам в установках переменного тока частоты 50 или 60 Гц с номинальным напряжением до 0,66 кВ включительно. Испытательное одноминутное напряжение промышленной частоты — 3 кВ.

Трансформаторы класса точности 0,2; 0,5; 0,2S и 0,5S применяются в схемах учета для расчета с потребителями, класса точности 1,0 — в схемах измерения.

Корпус трансформаторов выполнен из самозатухающих трудногорючих материалов. Трансформаторы изготавливаются в исполнении «У» или «Т» категории 3 по ГОСТ 15150, предназначены для работы в следующих условиях:

высота над уровнем моря не более 1000 м;
температура окружающей среды: при эксплуатации — от минус 45°С до плюс 50°С, при транспортировании и хранении — от минус 50°С до плюс 50°С;
окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая пыли, химически активных газов и паров в концентрациях, разрушающих покрытия металлов и изоляцию;
рабочее положение — любое.

Первичная шина трансформаторов ТОП-0,66 и ТШП-0,66 медная, покрытая оловом. Трансформаторы ТШП-0,66 могут комплектоваться медными шинами, покрытыми оловом.

Проходные шинные трансформаторы тока для внутренней установки BB, BBO

Изготовитель — Фирма ООО «ABB»

Проходные шинные трансформаторы тока BB и BBO изготовлены в корпусе из эпоксидного компаунда и предназначены для установки в РУ напряжением до 24 кВ (25 кВ).

Трансформатор тока без первичного проводника, но с собственной первичной изоляцией может использоваться в качестве втулки.

Трансформаторы спроектированы и изготовлены согласно следующим стандартам:

МЭК, VDE, ANSI, BS, ГОСТ и CSN.
Максимальное напряжение — 3.6 кВ — 25 кВ
Первичный ток — 600 A – 5000 A
Сухой трансформатор с изоляцией из эпоксидного компаунда для внутренней установки
Предназначены для измерения и защиты, могут иметь до трех вторичных обмоток
Исполнения с возможностью переключения коэффициента трансформации на стороне первичной или вторичной обмоток.

{SOURCE}