Какие режимы работы рассчитаны трансформаторы тока

Как работает трансформатор тока

В процессе эксплуатации энергетических систем довольно часто решаются вопросы, связанные с необходимостью каких-либо установленных электрических величин в аналогичные величины с измененными значениями в определенной пропорции. Для этого необходимо знать, как работает трансформатор тока, действие которого основано на законе электромагнитной индукции, применяемого для электрических и магнитных полей. В процессе работы выполняется преобразование первичной величины вектора тока, протекающего в силовой цепи, во вторичный ток с пониженным значением. Во время такого преобразования соблюдается пропорциональность по модулю и точная передача угла.

Закон Фарадея

По закону электромагнитной индукции во вторичной обмотке создается ЭДС напряжение. Вычисляется по формуле – U2 = −N2*dΦ/dt.

Справка! Фарадея – основной закон электродинамики. Гласит о том, что генерируемая электродвижущая сила равняется скорости изменения магнитного потока, но взятой со знаком минус. Именно Майкл Фарадей сделал открытие, когда в ходе экспериментов объявил, что электродвижущая сила начинает появляться в проводнике только при изменении магнитного поля. Величина этой силы прямо пропорциональна скорости изменения магнитного поля.

Все факты содержатся в одном уравнении. Однако, знак минус в законе – правило Ленца, указывающее на возникновение индукционного электрического тока при изменении магнитного поля в проводнике. Действие тока направлено на магнитное поле, начинающего противодействовать изменению магнитного потока.

Правило Ленца не подчиняется законам электродинамики, ведь индукционный ток появляется как в обмотках, так и в сплошных металлических блоках.

В каком режиме работает трансформатор тока

Работа трансформатора может осуществляться в нескольких режимах. Одним из них является режим холостого хода, при котором вторичная обмотка находится в разомкнутом состоянии. Потребление тока первичной цепью самое минимальное, поэтому он называется током холостого хода. Магнитное поле холостого хода образуется вокруг первичной обмотки. Данный режим считается абсолютно безвредным для трансформатора.

Основным является режим нагрузки, в который трансформатор переходит из режима холостого хода. Во вторичной обмотке начинается течение тока, создающего магнитный поток, направленный против магнитного поля в первичной обмотке. В первый момент значение этого магнитного потока уменьшается, что приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции в первичной обмотке.

Поскольку внешнее напряжение, приложенное к генератору, не изменяется, это приводит к нарушению электрического равновесия между приложенным напряжением и ЭДС самоиндукции, а ток в первичной обмотке увеличивается. Соответственно увеличивается и магнитный поток, а также электродвижущая сила самоиндукции. Однако значение тока в первичной обмотке будет выше, чем в режиме холостого хода. Таким образом, сумма магнитных потоков первичной и вторичной обмоток в режиме нагрузки, будет равна магнитному потоку первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода.

В режиме нагрузки, когда появляется вторичный ток, происходит возрастание первичного тока. Это приводит к падению напряжения во вторичной обмотке и его уменьшению. В случае снижения нагрузки, при которой вторичный ток уменьшается, наступает уменьшение и размагничивающего действия вторичной обмотки. Наблюдается рост магнитного потока в сердечнике и соответствующий рост самоиндукции ЭДС. Данный процесс, касающийся электрического равновесия, продолжается до тех пор, пока оно полностью не восстановится.

Одним из основных считается и режим короткого замыкания, при котором во вторичной цепи будет практически нулевое сопротивление. Ток во вторичной цепи достигает максимального значения, магнитное поле во вторичной обмотке также будет иметь наивысший показатель. Одновременно, магнитное поле в первичной обмотке уменьшается и становится минимальным. Следовательно, происходит и снижение индуктивного сопротивления в этой обмотке. В то же время возрастает ток, потребляемый первичной цепью. Данная ситуация приводит к возникновению режима короткого замыкания, опасного не только для самого трансформатора, но и для всей цепи. Защита от короткого замыкания обеспечивается путем установки предохранителей в первичной или вторичной цепи.

Особенности работы трансформатора тока в разных условиях:

• Режим работы приближается к короткому замыканию, поскольку сопротивление нагрузки, подключаемой совместно со вторичной обмоткой, имеет минимальное значение. Фактически, работа трансформатора тока происходит в режиме короткого замыкания.
• Трансформатор тока своим режимом работы существенно отличается от других трансформаторных устройств. При изменении нагрузки в обычном трансформаторе, значение магнитного потока в сердечнике не изменяется при условии постоянно приложенного напряжения.

Трансформаторы напряжения назначение и принцип действия

Трансформаторы напряжения предназначены для преобразования энергии источника напряжения в напряжение с нужным нам значением (амплитудой). Нужно заметить, что такие трансформаторы работают только с переменным напряжением и его частота остается неизменной.

Для чего нужен трансформатор напряжения?

Трансформаторы напряжения, в силу своей универсальности, необходимы в блоках питания, устройствах обработки сигналов, передающих устройствах, аппаратах передачи электроэнергии и во многом другом оборудовании.

По коэффициенту трансформации эти устройства могут делиться на 3 типа:

1. трансформатор напряжения понижающий – на выходе устройства напряжение ниже входного (n>1), например, применяется в блоках питания;
2. повышающий трансформатор – на выходе устройства напряжение выше, чем напряжение на входе (n<1), например, применяется в ламповых усилителях;
3. согласующий – трансформатор параметры напряжения не изменяет, происходит только гальваническая развязка цепей (n~1), например, применяется в звуковых усилителях.

В основе работы трансформатора лежит принцип электромагнитной индукции и для наиболее полной передачи энергии, для уменьшения потерь при трансформации, устройство обычно выполняется на магнитопроводе.

Как правило, первичная катушка одна, а вот вторичных может быть несколько, все зависит от назначения трансформатора.

Как работает трансформатор напряжения?

После того, как в первичной обмотке появится переменное напряжение U1, в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток Ф, который возбуждает напряжение во вторичной обмотке U2. Это наиболее простое и краткое описание принципа работы трансформатора напряжения.

Самым главным параметром трансформаторов является «коэффициент трансформации» и обозначается латинской «n». Он вычисляется делением напряжение в первичной обмотке на напряжение во вторичной обмотке или количества витков в первой катушки на количество витков во второй катушке.

Этот коэффициент позволяет рассчитать необходимые параметры вашего трансформатора для выбранного устройства. Например, если первичная обмотка имеет 2000 витков, а вторичная -100 витков, то n=20. При напряжении сети 240 вольт, на выходе устройства должно быть 12 вольт. Так же, можно определить количество витков при заданных, входном и выходном, напряжениях.

В каком режиме работает измерительный трансформатор напряжения

Важнейшими элементами высоковольтных цепей являются измерительные трансформаторы напряжения. Данные устройства предназначены для понижения высокого напряжения, после чего пониженное напряжение может питать измерительные цепи, релейную защиту, автоматику и учет, а также другие элементы. Таким образом, трансформаторы напряжения позволяют измерять напряжение в высоковольтных сетях, от них поступает питание на катушки реле минимального напряжения, счетчики, ваттметры, фазометры, а также на аппаратуру, контролирующую состояние изоляции сети.

С помощью трансформатора осуществляется понижение высокого напряжения до стандартных значений. С их помощью происходит разделение измерительных цепей и релейной защиты с первичными цепями высокого напряжения. Подключение первичной обмотки производится к источнику входного напряжения сети, а вторичная обмотка соединяется параллельно с катушками реле и измерительных приборов. Работа трансформатора напряжения осуществляется в режиме, приближенном к холостому ходу. Это связано с высоким сопротивлением приборов, подключенных параллельно и низким током, потребляемым ими.

Для обеспечения нормальной работы вторичных цепей установка трансформаторов напряжения может выполняться не только на шинах подстанции, но и на каждой точке подключения. Перед началом электромонтажных работ необходимо осмотреть устройство, проверить целостность изоляции, исправность узлов и элементов. С целью дальнейшей безопасной эксплуатации трансформатора, его корпус и вторичная обмотка заземляется. В результате, создается защита от возможного перехода высокого напряжения во вторичные цепи в случае пробоя изоляции.

Каждый трансформатор обладает определенной номинальной погрешностью и классами точности, составляющими 0,2; 0,5; 1; 3. Уровень погрешности зависит от конструкции магнитопровода, размеров вторичной нагрузки и других факторов. Компенсировать погрешность напряжения можно, если уменьшить количество витков первичной обмотки и компенсировать угловую погрешность специальными компенсирующими обмотками.

Источник

Классификация трансформаторов напряжения

ТНы классифицируются по следующим параметрам:

• напряжение первичной обмотки (3, 6, 10 … 750кВ)
• напряжение основной вторичной обмотки (100 В — для однофазных, включаемых между фазами, трехфазных; 100√3 — однофазных, включаемых между фазой и землей напряжение дополнительной вторичной обмотки (100В — однофазные в сети с заземленной нейтралью, 100√3 — однофазные в сети с изолированной нейтралью
• число фаз (однофазные, трехфазные)
• количество обмоток (двухобмоточные, трехобмоточные)
• класс точности (0,1 0,2 0,5 1 3 3Р 6Р)
• способ охлаждения (сухие, масляные, газонаполненные)
• изоляция (воздушно-бумажная, литая, компаунд, газ, масло, фарфор)

На напряжение 6, 10кВ используют литые ТНы, залитые эпоксидной смолой. Эти аппараты устанавливают в распредустройствах. Они занимают меньшие габариты, по сравнению с масляными. Также к их плюсам стоит отнести меньшее количество ухода за ними.

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 Фнам). Этот поток составляет несколько процентов от потока Ф1. Именно поток Фнам и является тем звеном, что производит передачу и трансформацию тока. Его называют потоком намагничивания.

§65. Режимы работы трансформатора и его характеристики

Режим холостого хода. При разомкнутой вторичной обмотке трансформатор работает в режиме холостого хода. Ток холостого хода i0, проходящий по первичной обмотке, имеет две составляющие: активную i0a и реактивную i0р. При этом

Í = Í0a + Í0р

Реактивная составляющая называется намагничивающим током, этот ток создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Активная составляющая обеспечивает поступление в трансформатор электрической энергии, необходимой для компенсации потерь энергии в стали магнитопровода. Она невелика, поэтому ток холостого хода практически можно считать равным намагничивающему току: I0≈ I0р. При проектировании трансформаторов магнитное сопротивление магнитопровода стремятся сделать малым, чтобы ток холостого хода для мощных трансформаторов составлял 3—4%, а трансформаторов средней мощности — 8—10% номинального тока.

Э. д. с, индуцированные в первичной и вторичной обмотках, согласно закону электромагнитной индукции пропорциональны скорости изменения магнитного потока. Следовательно, они пропорциональны максимальному значению магнитного потока Фm и частоте его изменения. В каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется э. д. с, действующее значение которой EВ = 4,44 fФт , где 4,44 = 2√2 — постоянная.

Соответственно:

E1 = 4,44 fω1Фт; E2 = 4,44 fω2Фт

При холостом ходе э. д. с. Е1 практически равна питающему напряжению U1, так как падение напряжения в первичной обмотке, создаваемое небольшим током холостого хода, мало. Если изменяется напряжение U1, то будут меняться э. д. с. Е1, магнитный поток Фт и ток холостого хода I0. Зависимость э. д. с. Е1 от тока холостого хода называется характеристикой холостого хода (рис. 221, а). При малых напряжениях U1 и э. д. с. Е1 магнитный поток трансформатора мал, и для его создания требуется небольшой ток холостого хода. В этом случае магнитная система трансформатора не насыщена и ток I0 возрастает пропорционально U1 (так же как и ток возбуждения в генераторе постоянного тока). При дальнейшем увеличении напряжения U1 магнитная цепь трансформатора насыщается и ток I0 начинает расти быстрее, чем э. д. с. Е1. Значительное увеличение напряжения U1 свыше номинального недопустимо, так как при этом резко увеличивается ток холостого хода.

Нагрузочный режим. При подключении нагрузки ZH к вторичной обмотке трансформатора (рис. 222) он начинает отдавать нагрузке некоторую мощность. Соответственно увеличивается и мощность, получаемая первичной обмоткой из питающей сети. Следовательно, при увеличении тока i2 во вторичной обмотке возрастает и ток i1 в первичной обмотке.

Магнитный поток трансформатора определяется значением питающего напряжения U1 и практически не зависит от нагрузки. Поэтому результирующая м. д. с, создаваемая при нагрузке то-

Рис. 221. Характеристики силовых и выпрямительных трансформаторов: а — холостого хода; б— внешние (φ2> 0 — активно-индуктивная нагрузка, (φ2<0— активно-емкостная)

Рис. 222. Схема магнитных потоков в трансформаторе при нагрузке

ками i1, и i2, должна оставаться такой же, как и при холостом ходе:

F1 + F2 = F0

где

F1=I1ω1 — м. д. с. первичной обмотки при нагрузке; F2=I2ω2—м. д. с. вторичной обмотки при нагрузке; F0=I0ω0—м. д. с. первичной обмотки при холостом ходе.

Уравнение (78) называется уравнением равновесия магнитодвижущих сил трансформатора. Если поделить обе его части на ω1, то получим: Í1= Í0 — Í2ω2/ ω1, откуда следует, что наличие тока I2 во вторичной обмотке трансформатора вызывает автоматически увеличение тока I1, в первичной обмотке. Обычно в трансформаторах большой и средней мощности ток I0 составляет несколько процентов от номинального значения тока I0. Поэтому при нагрузках, близких к номинальной, можно считать, что Í1 ≈ Í2ω2/ ω1

Токи i1 и i2, проходя по обмоткам трансформатора, создают в них падения напряжения — активные и реактивные (индуктивные). Активные падения напряжения возникают в результате прохождения токов i1 и i2 по активным сопротивлениям R1 и R2 обмоток. Реактивные падения напряжения обусловливаются действием потоков рассеяния Ф?1 и Ф?2, создаваемых токами i1, и i2. В отличие от основного потока Ф, который замыкается по сердечнику и сцеплен одновременно с обеими обмотками, потоки Ф?1 и Ф?2 сцеплены каждый только со своей собственной обмоткой и индуцируют в них э. д. с. самоиндукции еL1 и еL2. Эти э. д: с, как было показано в § 51, создают индуктивные сопротивления Х1 и Х2 обмоток, в которых при прохождении токов i1 и i2 возникают падения напряжения.

Для определения изменения вторичного напряжения трансформатора при нагрузке напряжения U2 обычно приводят к первичному, умножая его на коэффициент трансформации п. т. е. U’2=U’2n. Точно так же приводят к первичной обмотке ток I2, умножая его на 1/n, т. е. I’2 = I’2/n. Величины U’2 и I’2 называются приведенными вторичным напряжением и вторичным током.

Изменение вторичного напряжения можно определить по внешней характеристике трансформатора (см. рис. 221,б), которая представляет собой графическую зависимость приведенного вторичного напряжения U’2 от приведенного вторичного тока I’2. При холостом ходе приведенное вторичное напряжение U’2 будет равно

Рис. 223. Внешняя характеристика сварочного трансформатора

первичному U1, при нагрузке же из-за падений напряжений в сопротивлениях R1, R2, Х1 и Х2 первичной и вторичной обмоток оно будет меньше U1. В трансформаторах средней и большой мощности реактивное падение напряжения обычно в несколько раз превышает активное. Поэтому и активно-индуктивная нагрузка вызывает большее изменение напряжения, чем активная (изменение напряжения возрастает с уменьшением cos?2 в цепи нагрузки). В трансформаторах малой мощности, наоборот, активное падение напряжения обычно больше реактивного и изменение напряжения уменьшается с увеличением cosφ2.

Обычно изменение напряжения ?U при работе трансформатора под нагрузкой определяют при номинальном значении первичного напряжения U1НОМ и выражают в процентах:

Δu% = [(U1НОМ — U2n) / U1НОМ ] 100

Величину ?u % иногда называют относительной потерей напряжения в трансформаторе. В силовых и выпрямительных трансформаторах изменение напряжения при номинальном токе обычно составляет 2—6% (в зависимости от cos?2).

Короткое замыкание. В паспорте трансформатора указывают не изменение напряжения, которое различно для разных cosφ2, а результирующее падение напряжения в его обмотках при номинальном нагрузочном токе. Это падение напряжения называют напряжением короткого замыкания, и его можно определить опытным путем, если питать трансформатор с замкнутой накоротко вторичной обмоткой пониженным напряжением UK (опыт короткого замыкания). В этом случае напряжение UK будет равно такому напряжению U1, при котором по обмоткам замкнутого накоротко трансформатора протекают номинальные токи.

Напряжение короткого замыкания является весьма важным эксплуатационным показателем, его выражают в процентах от U1НОМ:

uk% = (Uk / U1НОМ) 100

Для трансформаторов средней мощности uk% = 5-7%, для мощных трансформаторов 6—12%.

Если короткое замыкание происходит в процессе эксплуатации трансформатора при номинальном напряжении, то в обеих обмотках возникают большие токи, превышающие номинальное значение в 10—20 раз, при этом повышается температура обмоток и на них действуют большие электромагнитные силы. Такое замыкание является аварийным и требует специальной защиты, которая должна отключить трансформатор в течение долей секунды. Установившийся ток короткого замыкания трансформатора в общем случае

Ik = Iном (100 / uk%)

где Iном — номинальный ток первичной обмотки.

Для ограничения токов короткого замыкания мощные трансформаторы выполняют с повышенными значениями uк%, т. е. с повышенным внутренним индуктивным сопротивлением обмоток.

Характеристики сварочных трансформаторов. В некоторых случаях желательно, чтобы трансформатор имел крутопадающую внешнюю характеристику (рис. 223). Такую характеристику должны, например, иметь сварочные трансформаторы, так как она обеспечивает устойчивое горение электрической дуги. Кроме того, при электросварке режим короткого замыкания является нормальным рабочим режимом и при крутопадающей характеристике ток Iкз ? Iном.

Для получения крутопадающей характеристики последовательно с вторичной обмоткой трансформатора включают реактор с большим индуктивным сопротивлением (рис. 224, а). В некоторых конструкциях сварочных трансформаторов магнитопровод добавочного реактора совмещают с магнитопроводом трансформатора (рис. 224,б). Регулирование тока I2 электрической дуги осуществляется в таких трансформаторах двумя способами: ступенчатое — путем изменения числа витков вторичной обмотки и плавное — путем изменения воздушного зазора d. При изменении воздушного зазора изменяется индуктивность реактора и, следовательно, наклон внешней характеристики трансформатора.

Рис. 224. Принципиальные схемы сварочных трансформаторов: а —с внешней индуктивностью (реактором), б – с реактором на общем сердечнике; 1 — трансформатор; 2 — реактор

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 отличия в работе ТТ и ТН.

• 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 и вообще, чем оно ближе к нулю, тем точнее аппарат. В трансформаторах напряжения и силовых трансформаторах же первичный ток зависит от величины тока вторичной нагрузки.
• ТТ всегда работает с замкнутой вторичной обмоткой и величина его вторичного сопротивления нагрузки в процессе работы не изменяется.
• 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

Источник



Зачем нужны измерительные трансформаторы напряжения

Измерительные ТН относятся к преобразователям электрической энергии, которые:

• трансформируют напряжение участка сети или установки в напряжение приемлемой величины для осуществления измерений с помощью стандартных измерительных устройств, питания релейной защиты, устройств сигнализации, автоматики, телемеханики;
• изолируя вторичные приборы и цепи, защищают оборудование от высокого напряжения и персонал, имеющего доступ к обслуживанию электроустановок, от поражения током.

Подключение ТН к высоковольтной части электроустановки осуществляется соединением его первичной обмотки «в параллель» к цепи высокого напряжения. Номинал вторичных обмоток трансформатора напряжения составляет обычно 100 В. Так как сопротивление измерительных приборов, подключаемых к вторичной обмотке, велико, током можно пренебречь. Поэтому основной режим работы ТН подобен режиму холостого хода типового силового трансформатора.

Трансформаторы тока — принцип работы и применение

При эксплуатации энергетических систем часто возникает необходимость преобразования определенных электрических величин в подобные им аналоги с пропорционально измененными значениями. Это позволяет моделировать определенные процессы в электроустановках, безопасно выполнять измерения.
Работа трансформатора тока (ТТ) основана на законе электромагнитной индукции, действующего в электрических и магнитных полях, изменяющихся по форме гармоник переменных синусоидальных величин.

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

Принцип работы трансформатора тока

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

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

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

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

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

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

Опасные факторы при работе трансформатора тока

Возможность поражения высоковольтным потенциалом при пробое изоляции

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

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

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

Возможность поражения высоковольтным потенциалом при разрыве вторичной цепи

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

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

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

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

Конструкторские решения, используемые в схемах трансформаторов тока

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

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.

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.

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.

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

Конструкция и принцип действия

Внешний вид типичного трансформатора тока представлен на рисунке 1. Характерным признаком этих моделей является наличие у них диэлектрического корпуса. Формы корпусов могут быть разными – от прямоугольных до цилиндрических. В некоторых конструкциях отсутствуют проходные шины в центре корпуса. Вместо них проделано отверстие для обхвата провода, который выполняет функции первичной обмотки.

Рис. 1. Трансформатор тока

Материалы диэлектриков выбирают в зависимости от величины напряжений, для которых предназначено устройство и от условий его эксплуатации. Для обслуживания промышленных энергетических систем изготавливают мощные ТТ с керамическими корпусами цилиндрической формы (см. рис. 2).

Рис. 2. Промышленный керамический трансформатор тока

Особенностью трансформатора является обязательное наличие нагрузочного элемента (сопротивления) во вторичной обмотке (см. рис. 3). Резистор необходим для того, чтобы не допускать работы в режиме без вторичных нагрузок. Функционирование трансформатор тока с ненагруженными вторичными обмотками недопустимо из-за сильного нагревания (вплоть до разрушения) магнитопровода.

Трансформаторы. Режимы работы

Трансформатор, как любое электромагнитное устройство, имеет несколько устойчивых режимов, в которых может (и должен) работать неограниченно долго.

Режимы работы трансформатора

Существует пять характерных режимов работы трансформатора:

1. Рабочий режим;
2. Номинальный режим;
3. Оптимальный режим;
4. Режим холостого хода;
5. Режим короткого замыкания;

Рабочий режим

Режим характеризуется следующими признаками:

• Напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему (dot_1 ≈ dot_<1ном>);
• Ток первичной обмотки меньше своего номинального значения или равен ему (dot_1 ≤ dot_1ном).

В рабочем режиме эксплуатируются большинство трансформаторов. Например, силовые трансформаторы работают с напряжениями и токами обмоток отличными от номинальных. Так происходит из-за переменчивого характера их нагрузки.

Измерительные, импульсные, сварочные, разделительные, выпрямительные, вольтодобавочные и другие трансформаторы, также обычно эксплуатируются в рабочем режиме просто из-за того, что напряжение сети к которой они подключены отличается от номинального.

Номинальный режим работы

Характерные признаки режима:

• Напряжение первичной обмотки равно номинальному (dot_1 = dot_<1ном>);
• Ток первичной обмотки равен номинальному (dot_1 = dot_<1ном>).

Номинальный режим работы является частным случаем рабочего режима. В таком режиме могут работать все трансформаторы, но как правило, с бóльшими в сравнении с рабочим режимом потерями и как следствие, с меньшим КПД (коэффициентом полезного действия). Из-за этого при эксплуатации трансформатора его избегают.

Оптимальный режим работы

Режим характеризуется условием:

Где (P_<�хх>) — потери холостого хода; (P_<�кз>) — потери короткого замыкания; (k_<�нг>) — коэффициент нагрузки трансформатора, определяемый по формуле:

Где (P_2) — ток нагрузки вторичной обмотки; (P_<2ном>) — номинальный ток вторичной обмотки.

В оптимальном режиме работы трансформатор работает с максимальным КПД, поэтому выражение (1) по существу представляет собой условие максимального КПД [2, с.308] (Смотри «Трансформаторы. Оптимальный режим работы»).

Режим холостого хода

Характерные признаки режима:

• Вторичная обмотка трансформатора разомкнута или к ней подключена нагрузка с сопротивлением гораздо большим сопротивления номинальной нагрузки обмотки (1) трансформатора;
• К первичной обмотке приложено напряжение (dot_ <1хх>= dot_<1ном>);
• Ток вторичной обмотки (dot_2 ≈ 0) (для трехфазного трансформатора — (dot_ <2ф>≈ dot_ <2л>≈ 0).

На рисунке 1 изображена схема опыта холостого хода однофазного, а на рисунке 2 — трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

Рисунок 1 — Схема опыта холостого хода однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 2 — Схема опыта холостого хода трехфазного двухобмоточного трансформатора

По существу в режиме холостого хода трансформатор представляет собой катушку на магнитопроводе, к которой подключен источник напряжения. Режим холостого хода является рабочим для трансформаторов напряжения. Кроме того, этот режим служит для определения тока (i_х), мощности (ΔQ_хх) холостого хода и ряда других параметров [2, c. 291][3, с. 207] (смотри «Опыт холостого хода трансформатора»).

Примечание
:
1. Под сопротивлением номинальной нагрузки обмотки понимается величина (R_<�Нном>), равная отношению номинального напряжения обмотки (U_<�ном>) к её номинальному току обмотки (I_<�ном>)

Режим короткого замыкания

Режим короткого замыкания характеризуется:

• Вторичная обмотка замкнута накоротко или к ней подключена нагрузка сопротивлением гораздо меньшим внутреннего сопротивления трансформатора;
• К первичной обмотке приложена такая величина напряжения (dot_1), что ток первичной обмотки равен её номинальному току (dot_1 = dot_<1ном>)
• Напряжение вторичной обмотки (dot_2 = 0) (для трехфазного трансформатора — (dot_ <2ф>= dot_ <2л>= 0).

Схема опыта короткого замыкания изображена на рисунке 3 для однофазного, а на рисунке 4 — для трехфазного двухобмоточных трансформаторов.

Рисунок 3 — Схема опыта короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора

Рисунок 4 — Схема опыта короткого замыкания трехфазного двухобмоточного трансформатора

Режим короткого замыкания является рабочим режимом для трансформаторов тока и сварочных трансформаторов, в тоже время являясь аварийным для других трансформаторов. Также он используется для определения напряжения (u_к), мощности (ΔP_кз) короткого замыкания и других параметров трансформатора [2, c. 294][3, с. 209] (смотри «Опыт короткого замыкания трансформатора»).

Классификация

Семейство трансформаторов тока классифицируют по нескольким признакам.

1. По назначению:
   защитные;
2. линейки измерительных трансформаторов тока;
3. промежуточные (используются для выравнивания токов в системах дифференциальных защит);
4. лабораторные.
5. По способу монтажа:
   наружные (см. рис. 8), применяются в ОРУ;
6. внутренние (размещаются в ЗРУ);
7. встраиваемые;
8. накладные (часто совмещаются с проходными изоляторами);
9. переносные.

Рис. 8. Пример наружного использования ТТ

• Классификация по типу первичной обмотки: многовитковые, к которым принадлежат катушечные конструкции, и трансформаторы, с обмотками в виде петель;

• одновитковые;

• шинные.

• Свыше 1 кВ.

Трансформаторы тока можно классифицировать и по другим признакам, например, по типу изоляции или по количеству ступеней трансформации.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока

Приборы с работой под высоким напряжением нуждаются в периодическом измерении.

Для чего этих целей в помощь – измерительные устройства, которые:

• снижают величину напряжения до нужного уровня;
• обеспечивают гальваническую развязку измерительному оборудованию от цепей с повышенной опасностью.

Расшифровка маркировки

Каждому типу трансформаторов присваиваются буквенно-цифровые символы, по которым можно определить его основные параметры:

• Т — трансформатор тока;
• П — буква указывающая на то, что перед нами проходной трансформатор. Отсутствие буквы П указывает, что устройство принадлежит к классу опорных ТТ;
• В — указывает на то, что трансформатор встроен в конструкцию масляного выключателя или в механизм другого устройства;
• ВТ — встроенный в конструкцию силового трансформатора;
• Л— со смоляной (литой) изоляцией;
• ФЗ — устройство в фарфоровом корпусе. Звеньевой тип первичной обмотки;
• Ф — с надежной фарфоровой изоляцией;
• Ш — шинный;
• О — одновитковый;
• М — малогабаритный;
• К — катушечный;
• 3 — применяется для защиты от последствий замыкания на землю;
• У — усиленный;
• Н — для наружного монтажа;
• Р — с сердечником, предназначенным для релейной защиты;
• Д — со вторичной катушкой, предназначенной для питания электричеством дифференциальных устройств защиты;
• М — маслонаполненный. Применяется для наружной установки.

1. Номинальное напряжение (в кВ) указывается после буквенных символов (первая цифра).
2. Числами через дробь обозначаются классы точности сердечников. Некоторые производители вместо цифр проставляют буквы Р или Д.
3. следующие две цифры «через дробь» указывают на параметры первичного и вторичного токов;
4. после позиции дробных символов — код варианта конструкционного исполнения;
5. буквы, расположенные после кода конструкционного варианта, обозначают тип климатического исполнения;
6. цифра на последней позиции — категория размещения.

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:

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.

Устройство и принцип действия

Конструктивно ТН особо не отличается от других типов преобразующих устройств. Его устройство:

• магнитный сердечник, шихтованный из пластин электротехнической стали;
• первичная катушка;
• одна или две вторичные обмотки;
• защитный кожух (для конструкций уличного типа).

Внешний вид и схематическое изображение изделия смотрите на рис.1. На картинке изображено устройство с одной (основной) вторичной обмоткой. На некоторых моделях есть дополнительная вторичная обмотка, которая может использоваться, например, для подключения приборов измерения.

Обратите внимание на то, что между выводами первичных обмоток и вторичными катушками отсутствует гальваническая связь. Это главное отличие измерительных трансформаторов от конструкции обычного понижающего трансформатора.

Защитные кожухи изготовляются из разных материалов. В моделях, используемых для обслуживания высоковольтных ЛЭП, применяют диэлектрики, изготовленные из фарфора (рис. 2),

Для охлаждения обмоток таких высоковольтных агрегатов применяют специальные трансформаторные масла.

В сетях средней мощности применяют модели с корпусами на основе эпоксидных смол (рис. 3).

Трехфазные ТН с нулевыми выводами выполняются на магнитопроводе с пятью стержнями. Такая конструкция защищает обмотки от перегрева, так как при однофазных замыканиях в цепях высоковольтных проводов цепь линий суммарного магнитного потока в самом трансформаторе замыкается по стали сердечника.

Принцип действия также мало отличается от работы силового понижающего трансформатора. Магнитный поток, возникающий в первичной катушке, распространяется по магнитопроводу, вызывая напряжение ЭДС во вторичной обмотке. Величина напряжения зависит от соотношения числа витков в катушках. Поскольку вторичные обмотки состоят из малого количества витков, то и выходное напряжение небольшое (обычно оно не превышает 100 В).

Принцип работы ТН объясняет схема на рисунке 4.

Важной задачей при изготовлении трансформаторов данного типа является выполнение требований по достижению необходимых амплитудных и угловых параметров синусоиды, определяющих соответствующий класс точности: 0,5; 1; 3. В эталонных образцах применяется класс точности 0,2. Для измерительных приборов важно чтобы класс точности был максимально высоким. Чем он выше, тем меньшая погрешность измерения прибора.

Точность параметров преобразованных переменных токов зависит от нагрузки. Чем выше нагрузка вторичной цепи, тем больше погрешность трансформатора напряжения (снижается класс точности). Оптимальные параметры напряжения на выходе трансформатора достигаются при номинальных нагрузках. В этом режиме эффективность преобразования тока возрастает по мере приближения к номинальному коэффициенту трансформации.

Работа ТН эффективна при малых номинальных мощностях во вторичных цепях. Для этих устройств длительное состояние в режиме холостого хода является нормой. Поэтому они эффективно используются в системах защиты линий, которые большую часть времени находятся в режиме ожидания и потребляют мало тока.

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:

• 0,1;
• 0,5;
• 1;
• 3;
• 10P.

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.

КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Конструктивное исполнение ТН зависит от того, для работы в каких электрических сетях он предназначен, где его предполагается устанавливать и какие приборы будут к нему подключены.

Классификация трансформаторов напряжения может производиться по следующим признакам:

• класс напряжения, на которое рассчитана первичная обмотка;
• однофазное или трёхфазное исполнение;
• величина U вторичного;
• общее число обмоток — двухобмоточные или трёхобмоточные;
• класс точности, значение которого может быть 0.1, 0.2, 0.5, 1, 3, 3Р, 6Р;
• тип изоляции — сухие, литые, маслонаполненные;

место предполагаемого монтажа — наружной либо внутренней установки.

Вторичное значение U в ТН унифицировано, его величина зависит от схемы подключения первичной обмотки. Трёхфазные и однофазные трансформаторы, подключаемые к фазам первичной сети, на выходе выдают 100 вольт. Однофазные ТН, при включении их на фазное напряжение имеют на низкой стороне 100/√3 вольт.

Вид исполнения изоляции и способ охлаждения тепла при изготовлении ТН выбирается так же, как для силовых трансформаторов.

Сухая либо литая изоляция может применяться в устройствах до 35 кВ, в остальных случаях используются только маслонаполненные конструкции.

Обмотки и магнитная система маслонаполненного ТН помещены в стальной бак, заполненный трансформаторным маслом. Масло в данном случае играет роль изолятора и осуществляет отвод тепла к стенкам бака и в окружающее пространство.

Чаще всего бак имеет форму цилиндра, на верхнем торце которого установлены фарфоровые изоляторы проходного типа. Изоляторы являются вводами ТН.