Трансформатор тока: конструкция, принцип работы, классификация

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.

Рис. 3. Принципиальная схема трансформатора тока

В отличие от трансформаторов напряжения, ТТ оснащены только одним витком первичной обмотки (см. рис. 4). Этим витком часто является шина, проходящая сквозь кольцо сердечника с намотанными на него вторичными обмотками (см. рис. 5).

Рис. 4. Схематическое изображение ТТ

Рис. 5. Устройство ТТ

Иногда в роли первичной обмотки выступает проводник электрической цепи. Для этого конструкция сердечника позволяет применить шарнирное соединение частей трансформатора для обхвата провода (см. рис. 6).

Рис. 6. ТТ с разъемным корпусом

Сердечники трансформаторов выполняются способом шихтования кремнистой стали. В моделях высокого класса точности сердечники изготовляют из материалов на основе нанокристаллических сплавов.

Принцип действия.

Основная задача токовых трансформаторов понизить (повысить) значение тока до приемлемой величины. Принцип действия основан на свойствах трансформации переменного электрического тока. Возникающий переменный магнитный поток улавливается магнитопроводом, перпендикулярным направлению первичного тока. Этот поток создается переменным током первичной катушки и наводит ЭДС во вторичной обмотке. После подключения нагрузки начинает протекать электрический ток по вторичной цепи.

Зависимости между обмотками и токами выражены формулой: k = W2 / W1 = I1 / I2 .

Поскольку ток во вторичной катушке обратно пропорционален количеству витков в ней, то путем увеличения (уменьшения) коэффициента трансформации, зависящего от соотношения числа витков в обмотках, можно добиться нужного значения выходного тока.

На практике, чаще всего, эту величину устанавливают подбором количества витков во вторичной обмотке, делая первичную обмотку одновитковой.

Линейная зависимость выходного тока (при номинальной мощности) позволяет определять параметры величин в первичной цепи. Численно эта величина во вторичной катушке равна произведению реального значения тока на номинальный коэффициент трансформации.

В идеале I1 = kI2 = I2W2/W1. С учетом того, что W1 = 1 (один виток) I1 = I2W2 = kI2. Эти несложные вычисления можно заложить в программу электронного измерителя.

Рис. 7. Принцип действия трансформатора тока

На рисунке 7 не показан нагрузочный резистор. При измерениях необходимо учитывать и его влияние. Все допустимые погрешности в измерениях отображает класс точности ТТ.

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.

Классификация

Семейство трансформаторов тока классифицируют по нескольким признакам.

По назначению:
линейки измерительных трансформаторов тока;
промежуточные (используются для выравнивания токов в системах дифференциальных защит);
лабораторные.
По способу монтажа:
внутренние (размещаются в ЗРУ);
встраиваемые;
накладные (часто совмещаются с проходными изоляторами);
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.

По величине номинальных напряжений:

До 1 кВ;

Свыше 1 кВ.

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

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.

Что такое диод — принцип работы и устройство

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.

Классическое устройство ТТ

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.

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

Как работает устройство

Когда стало понятно, что из себя представляет трансформация, пришло время рассмотреть подробнее принцип действия трансформатора тока.

Подключаем трансформатор 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.

Принцип действия ТТ

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.

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.

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения и силового трансформатора

Существуют отличия в работе ТТ и .

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.

Классы точности ТТ

ОСНОВНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Сфера применения преобразующих устройств типа ТТ тесно связана с их основными параметрами и техническими решениями конструкции. В соответствии с ГОСТ 7746-2015 (общие техусловия), различают следующие ключевые параметры.

Номинальное напряжение.

Показатель рабочей величины напряжения в измеряемой электросети.

Номинальный ток.

Различают два типа этого показателя для первичной и вторичной цепи. Они протекают соответственно по первичной и вторичной обмотке устройства. При этом, номинальный рабочий электроток является константой и равен 1 или 5 А.

Вторичная нагрузка.

Показатель суммарного сопротивления всех устройств внешней цепи, подключенной к вторичной обмотке: счетчики электроэнергии, амперметры, устройства релейной защиты, таковые преобразователь. Параметр измеряется в омах (Ом).

Коэффициент трансформации.

Соотношение показателей первичного и вторичного тока. Данный параметр принято разделять на номинальный и реальный (действительный).

Электродинамическая стойкость.

Выражается в виде максимального показателя амплитуды электрического тока при коротком замыкании за единицу времени (как правило, за одну секунду). Обмотки трансформатора тока должны выдерживать указанное значение без пробоев или каких-либо других повреждений.

Показатели электродинамической стойкости не касаются разъёмных, встроенных или шинных ТТ.

Термостойкость.

Максимальное значение силы тока при коротком замыкании за единицу времени (1 сек), при котором нагрев токоведущих частей трансформатора не превышает критических температур и не вызывает повреждений.

Классификация трансформаторов тока

Принцип работы трансформатора тока, а также способы подключения и назначения позволяют провести их разделение по следующим различиям:

назначению;
типу установки;
способу размещения;
выполнению первичной обмотки;
типу изоляции;
рабочему напряжению;
количеству ступеней трансформации.

Кроме того, есть другие качества, позволяющие произвести классификацию ТТ. Одна из отличительных черт – специфика конструкции.

По конструктивным особенностям ТТ различаются на:

одновитковые;
многовитковые;
оптико-электронные.

У каждого из этих видов есть типы моделей, которые желательно рассмотреть отдельно.

ТТ катушечного типа

Это одни из несложных трансформаторов тока. Они относятся к ранним ТТ, построенным и продвигавшимся на структуре, где за основу взят силовой трансформатор. Обе обмотки (первая и вторая) набраны на каркас с изоляционными свойствами. Каждая из них представляет собой катушку. Отсюда происходит название. Кроме того, что они компактны и дёшевы в изготовлении, можно выделить недостаток: низкое разрядное напряжение из-за слабой изоляции катушек.

Такая конструкция позволяет использовать их только на напряжение до 3 кВ. Чтобы повысить величину Uразр., приходится увеличивать окно сердечника и отделять первичную обмотку от внутренней поверхности пластин. В образовавшийся в результате этого зазор вставляется изоляционная прокладка, имеющая п-образный вид.

Катушечный трансформатор

Проходной трансформатор

Устройства распределения (РУ), напряжением от 6 до 35 кВ, подразумевают установку подобных трансформаторов тока. Это многовитковый ТТ, где за базу взята пара проходных изоляторов, соединённых между собой посередине. Такая сборка позволяет проходить через стены и использовать их в закрытых РУ. При этом отпадает необходимость специально задействовать проходной изолятор.

Обмотка, служащая первичной, прокладывается через пустоту, расположенную внутри. Количество витков берётся из расчёта нужных «ампер-витков» для соответствующего класса точности. Под фланцем, который заземлён, помещены втулки. В их средине закреплены магнитопроводы вторичных обмоток, закрытых кожухом.

Внимание! Расположение обмоточного вывода для первичной обмотки приходится на верхнюю плоскость, относительно заземлённого фланца.

Проходной высоковольтный ТТ

Стержневое устройство

Данный тип устройства предназначен для работы с U = 10-20 кВ и Iн = 600 и 1500 А. Такой ТТ относится к проходным одновитковым трансформаторам, имеющим фарфоровую изоляцию. У него токоведущий стержень, пронзающий фарфоровый изолятор, служит первичной обмоткой.

Стержневой трансформатор тока

Шинный прибор

Следующая конструкция предназначена для установки в комплектные трансформаторные подстанции (КТП). Они реализовывают передачу информации об измерениях на контрольно-измерительные приборы (КИП). Сигналы от аналогичных ТТ передаются также на схемы защиты и управления.

Шинный ТТ типа ТШЛ-0,66-1

Преимущества и недостатки

У каждого из перечисленных устройств есть свои плюсы и минусы. Рассматривать их предпочтительнее на разделении: одновитковые и многовитковые модели.

К плюсам одновитковых ТТ можно отнести:

простоту устройства;
низкую стоимость;
малые габариты;
устойчивость к токам КЗ (короткого замыкания).

Сюда же можно добавить то, что, изменяя сечение токовода (стержня), добиваются изменения термической устойчивости.

Минусом у таких моделей является невысокая точность при маленьких измеряемых токах.

Что касается многовитковых моделей, то явным положительным моментом является наличие некоторого количества витков в первичной обмотке. Это позволило значительно повысить класс точности измерений. К отрицательным характеристикам относятся:

сложность конструкции;
удорожание;
подверженность первичной обмотки межвитковым перенапряжениям.

При этом сюда же можно отнести низкую устойчивость к токам КЗ.

Что такое трансформатор тока, его конструкция и принцип работы