Трансформатор тока: принцип работы и использование

Трансформатор тока: принцип работы и использование

Работа трансформатора тока (ТТ) основана на законе электромагнитной индукции, действующим в электрических и магнитных полях, изменяющихся по форме гармоник переменных синусоидальных величин.

ТТ применяются для измерения тока в приборах электроэнергетических систем. Они обеспечивают безопасность процедуры, так как позволяют изолировать первичную цепь с высоким напряжением от измерительной цепи. Кроме этого, трансформаторы позволяют выполнить моделирование определенных процессов и обеспечивают защиту электроустановок.

Разновидности и классификация трансформаторов тока

Добро пожаловать на страницы сайта «Заметки электрика».

В прошлой статье я рассказал Вам про трансформаторы тока и их назначение.

Но в настоящее время на рынке существует большой выбор и разнообразие трансформаторов тока. И чтобы Вам было легче ориентироваться среди них, необходимо их классифицировать.

Вот сегодня мы и поговорим об их разновидностях и классификации.

Классификация ТТ по назначению

Как разделяются трансформаторы тока по назначению, я подробно описал в статье про применение и назначение трансформаторов тока.

Еще существуют лабораторные трансформаторы тока, о которых я не упомянул в вышесказанной статье. Эти лабораторные ТТ имеют высокий класс точности и имеют несколько коэффициентов трансформации.

Так выглядит лабораторный трансформатор тока УТТ-6м1, установленный на моем рабочем стенде для проверки релейной защиты. Также мы его используем для измерения тока в первичной цепи при прогрузке автоматических выключателей более 100 (А).

Сейчас я подробно на нем останавливаться не буду. Расскажу о нем в отдельной статье. Кому интересно, то можете подписываться на статьи (в правой колонке сайта) и получать уведомление на почту о выходе новой статьи на сайте.

Классификация трансформаторов тока по месту установки

По месту установки трансформаторов тока их можно классифицировать следующим образом:

Наружные трансформаторы тока могут устанавливаться на открытом воздухе, т.е. это может быть открытое распределительное устройство (ОРУ). Категория размещения электрооборудования в данном случае является I и регламентируется ГОСТ 15150-69.

На фотографии ниже показаны трансформаторы тока наружной установки, установленные на стороне 110 (кВ).

Внутренние трансформаторы тока могут быть установлены только в закрытых помещениях. Это может быть закрытое распределительное устройство (ЗРУ), так и комплектное распределительное устройство (КРУ), а также все помещения закрытого типа, регламентируемого ГОСТом 15150-69.

Пример внутренней установки трансформаторов тока смотрите на фотографиях ниже.

Вот установка высоковольтного трансформатора тока ТПШЛ-10 в ЗРУ-110 (кВ). Этот трансформатор стоит в цепи короткозамыкателя.

На фотографии ниже показан пример установки высоковольтных трансформаторов тока ТПЛ-10 в кабельном отсеке ячейки КРУ напряжением 10 (кВ).

Это трансформаторы ТПФМ-10 на одной из распределительных подстанций 10 (кВ).

А это несколько примеров низковольтных трансформаторов тока внутренней установки: КЛ-0,66 и ТТИ-А.

Встроенные трансформаторы тока встраиваются в силовые трансформаторы, выключатели, генераторы и другие электрические машины. В качестве внутренней среды электрооборудования применяется трансформаторное масло или газ.

Пример встроенных ТТ Вы можете посмотреть на фотографии ниже. Эти трансформаторы тока ТВТ встроены в бак силового трансформатора 110/10 (кВ) мощностью 40 (МВА). Они установлены на стороне 110 (кВ) и основная цель их установки — это осуществление дифференциальной защиты трансформатора.

Переносные ТТ применяются для лабораторных электрических измерений и испытаний электрооборудования. Примером переносного трансформатора тока является лабораторный трансформатор тока, о котором я говорил в самом начале статьи.

Специальные ТТ предназначаются и устанавливаются в специальных электроустановках шахт, морских судов, электровозов. Сюда можно отнести трансформаторы тока, установленные в силовой цепи питания электрических печей высокой частоты. Мне лично не приходилось их видеть своими глазами.

Разделение ТТ по способу установки

По способу установки трансформаторов тока их можно классифицировать следующим образом:

Проходные ТТ применяют тогда, когда необходимо их установить в проеме стены или металлической поверхности (основания). Чаще всего они применяются в качестве вводов, а также на старых подстанциях с бетонным распределительным устройством (БРУ), по особенностям конструкций бетонных перегородок. Проходные трансформаторы тока играют роль проходного изолятора.

Как видно по фотографиям, проходные трансформаторы тока легко узнать по особенностям расположения выводов первичной обмотки. Один вывод всегда расположен вверху, другой — внизу.

Опорные трансформаторы тока применяют и устанавливают на ровную опорную плоскость.

Отличительной особенностью опорных трансформаторов тока является то, что вывода первичной обмотки располагаются либо все вверху, либо один вывод слева, другой — справа.

Классификация трансформаторов тока по коэффициенту трансформации

В чем же заключается классификация трансформаторов тока по коэффициенту трансформации?

Трансформаторы тока бывают:

Трансформаторы тока с одним коэффициентом трансформации имеют на протяжении всего срока их службы и эксплуатации один постоянный коэффициент, который никаким образом изменить нельзя. Они и нашли самое широкое применение.

У трансформаторов тока с несколькими коэффициентами трансформации можно изменить этот коэффициент путем несложных манипуляций. Например, изменить число витков обмоток, как первичной, так и вторичной.

Опять же в пример Вам привожу свой лабораторный трансформатор тока УТТ-6м1.

Классификация трансформаторов тока по первичной обмотке

По конструкции первичной обмотки, трансформаторы тока можно разделить следующим образом:

Об этом мы поговорим с Вами в отдельной статье про одновитковые и многовитковые трансформаторы тока, т.к. материала по этой теме очень много.

Разделение ТТ по типу изоляции

Суть этого разделения заключается в способах изоляции обмоток трансформатора тока (первичной и вторичной). Существует следующие способы изоляции обмоток между собой:

• твердая изоляция
• вязкая изоляция
• смешанная изоляция
• газовая изоляция

Под твердой изоляцией подразумевается использование фарфора, полимерных материалов, бакелита, капрона и эпоксидной изоляции (смолы).

Вязкая изоляция состоит из компаундов различных составов.

Под смешанной изоляцией понимают бумажно-масляную изоляцию.

В качестве газовой изоляции применяется воздух или элегаз.

Классификация ТТ по методу преобразования

Классификация трансформаторов тока по методу преобразования заключается в самом принципе преобразования переменного электрического тока.

Различают следующие методы преобразования:

Классификация трансформаторов тока по классу напряжения

Ну вот мы и добрались до класса напряжения. И конечно же трансформаторы тока тоже по ним делятся. Деление происходит очень легко и просто:

Разницу по классу напряжения трансформаторов тока видно не вооруженным глазом.

Выводы

Из опыта эксплуатации и технического обслуживания трансформаторов тока на подстанциях своего предприятия скажу, что чаще всего трансформаторы тока с классом напряжения от 3-10 (кВ) выполняются проходными, реже опорными. Все они предназначены для внутренней установки и имеют один коэффициент трансформации. Также у них используется 2 вторичные обмотки, одна из которых используется для цепей измерения и учета электроэнергии, а другая — для релейной защиты.

Классификация

Семейство трансформаторов тока классифицируют по нескольким признакам.

1. По назначению:
   • защитные;
   • линейки измерительных трансформаторов тока;
   • промежуточные (используются для выравнивания токов в системах дифференциальных защит);
   • лабораторные.
2. По способу монтажа:
   • наружные (см. рис. 8), применяются в ОРУ;
   • 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.

Виды трансформаторов по типу магнитопровода

Магнитопровод — это устройство, которое усиливает магнитные потоки, возникающие от электротока в обмотках трансформаторов.

Магнитопроводы (сердечники) являются неотъемлемыми частями различного электрооборудования: катушек индуктивности, реле и пр.

В современном мире существуют различные конструкции трансформаторов, созданных под определенные цели и передачу напряжения разной мощности.

По типу сердечников устройства бывают:

• стержневого типа (применяются, как правило, для трехфазных трансформаторов);
• броневого типа (для трехфазных приборов);
• тороидального типа (используются в трансформаторах, расположенных в различных электротехнических устройствах).

В стержневом типе используются вертикальные сердечники со ступенчатым сечением, которые образуют окружность с горизонтальными ярмами (часть стержней без обмоток). Обмотки в таких магнитопроводах находятся на вертикальных элементах. Система сердечника представляет собой замкнутую цепь.

В броневом типе сердечники имеют форму прямоугольника в сечении и располагаются в горизонтальном положении. Обмотки также выполнены в прямоугольной форме. Такая конструкция довольно сложная в изготовлении, поэтому используется нечасто, на специальных видах устройств.

В тороидальном (кольцевом) типе используют кольцевые ленточные сердечники. Их применяют для создания силовых однофазных трансформаторов. Сердечники делают из электротехнической стали толщиной 0,3 и 0,35 мм, изготовленной по специальной технологии. Материалом для тороидальных магнитопроводов являются феррит или карбонильное железо. Такие сердечники широко распространены в радиоэлектронике.

Конструкции магнитопроводов отличаются способами соединения сердечников с частью стержней, на которых нет обмотки.

• В стыковом соединении части магнитопроводов собирают раздельно. Сначала на вертикальные сердечники устанавливаются обмотки, затем они соединяются при помощи шпилек с верхними ярмом. Монтируется нижнее горизонтальное ярмо. В такой конструкции можно легко поменять обмотки.
• В шихтованном соединении стержни и ярма представляют собой слоенные плиты. Соединение деталей осуществляется вхождением элементов друг в друга в промежутки между слоями сердечника. Такая конструкция более сложная в сборке.

Уравнения идеального трансформатора

Для того чтобы рассчитать основные характеристики трансформаторов, принято пользоваться простыми уравнениями, которые знает каждый современный школьник. Для этого используют понятие идеального трансформатора. Идеальным трансформатором называется такой трансформатор, в котором нет потерь энергии на нагрев обмоток и вихревые токи. В идеальном трансформаторе энергия первичной цепи превращается полностью в энергию магнитного поля, а затем – в энергию вторичной обмотки. Именно поэтому мы можем написать:
P1= I1*U1 = P2 = I2*U2,
где P1, P2 – мощности электрического тока в первичной и вторичной обмотке соответственно.

Трансформаторы тока. Виды и устройство. Назначение и работа

В системе обеспечения электрической энергией трансформаторы выполняют различные функции. Конструкции классического вида применяются для изменения определенных свойств тока до значений, наиболее подходящих для осуществления измерений. Существуют и другие виды трансформаторов, которые выполняют задачи по корректировке свойств напряжения до значений, подходящих наилучшим образом для последующего распределения и передачи электроэнергии. Трансформаторы тока согласно своему назначению имеют особенности конструкции, и перечень основных и вспомогательных функций.

Назначение

Основной задачей такого трансформатора является преобразование тока. Он корректирует свойства тока с помощью первичной обмотки, подключенной в цепь по последовательной схеме. Вторичная обмотка измеряет измененный ток. Для такой задачи установлены реле, измерительные приборы, защита, регуляторы.

По сути дела, трансформаторы тока – это измерительные трансформаторы, которые не только измеряют, но и осуществляют учет с помощью приборов. Запись и сохранение рабочих параметров тока нужно для рационального применения электроэнергии при ее транспортировке. Это одна из функций трансформатора тока. Модели конструкций бывают преобразующего типа и силовые варианты исполнений.

Устройство

Обычно все варианты исполнений трансформаторов подобного вида снабжены магнитопроводами с вторичной обмоткой, которая при эксплуатации нагружена определенными значениями параметров сопротивления. Выполнение показателей нагрузки важно для дальнейшей точности измерений. Разомкнутая цепь обмотки не способна создавать компенсации потоков в сердечнике. Это дает возможность чрезмерному нагреву магнитопровода, и даже его сгоранию.

С другой стороны, магнитный поток, образуемый первичной обмоткой, имеет отличие в виде повышенных эксплуатационных характеристик, что также приводит к перегреву магнитопровода. Сердечник трансформатора тока изготавливают из нанокристаллических аморфных сплавов. Это вызвано тем, что трансформатор может работать с более широким интервалом эксплуатационных величин, которые зависят от класса точности.

Отличие от трансформатора напряжения

Одним из некоторых отличий является способ создания изоляции между двумя обмотками. Первичную обмотку в трансформаторах тока изолируют соответственно параметрам принимаемого напряжения. Вторичная обмотка имеет заземление.

Трансформаторы тока работают в условиях, подобных к случаю короткого замыкания, так как у них небольшое сопротивление вторичной обмотки. В этом и заключается назначение трансформаторов, измеряющих ток, а также отличие от трансформатора напряжения по условиям работы.

Для трансформатора напряжения при коротком замыкании его работа опасна из-за риска возникновения аварии. Для трансформатора тока такой режим работы вполне приемлемый и безопасный. Хотя бывают у таких трансформаторов также угрозы аварии, но для этого устанавливают свои системы и средства защиты.

Виды

Трансформаторы тока имеют три основных вида. Наиболее применяемые из них:

• Сухие.
• Тороидальные.
• Высоковольтные (масляные, газовые).

У сухих трансформаторов первичная обмотка без изоляции. Свойства тока во вторичной обмотке зависят от коэффициента преобразования.

Тороидальные исполнения трансформаторов устанавливают на шины или кабели. Поэтому первичная обмотка для них не нужна, в отличие от обычных трансформаторов напряжения и тока. Первичный ток протекает по шине, которая проходит в центре трансформатора. Он дает возможность вторичной обмотке фиксировать показатели тока.

Такие трансформаторы тока редко используются для замера параметров тока, так как их надежность и точность измерений оставляет желать лучшего. Они чаще используются для дополнительной защиты от короткого замыкания.

Принцип работы и применение

При эксплуатации в цепях с большим током появляется необходимость использовать небольшие устройства, которые бы помогали контролировать нужные параметры тока бесконтактным методом. Для таких задач широко применяются токовые трансформаторы. Они измеряют ток, а также выполняют много вспомогательных функций.

Такие трансформаторы производятся в значительном количестве и имеют разные формы и модели исполнения. Отличительными параметрами этих устройств является интервал измерения, класс защиты устройства и его конструкция.

В настоящее время новые трансформаторы тока работают по простому методу, который был известен в то время, когда появилось электричество. При действии с нагрузкой в проводе образуется электромагнитное поле, улавливающееся чувствительным прибором (трансформатором тока). Чем сильнее это поле, тем больший ток проходит в проводе. Нужно только рассчитать коэффициент усиления прибора и передать сигнал в управляющую цепь, либо в цепь контроля.

Трансформаторы выполняют функцию рамки на силовом проводе и реагируют на значение сети питания. Современные измерительные трансформаторы выполнены из большого числа витков, имеют хороший коэффициент трансформации. Во время настройки устройства определяют вольтамперные свойства для расчета точки перегиба кривой. Это нужно для выяснения участка графика с интервалом устойчивости функции трансформатора, который также имеет свой коэффициент усиления.

Кроме задач измерения, измеритель дает возможность разделить цепи управления и силовые цепи, что является важным с точки зрения безопасности. Применяя современные трансформаторы тока, получают сигнал небольшой мощности, не опасный для человека и удобный в работе.

В качестве нагрузки такого устройства может быть любой прибор измерения, который может работать с ним. При большом расстоянии оказывает влияние внутреннее сопротивление линии. В этом случае прибор калибруют. Также, сигнал можно передавать в цепь защиты и управления на основе электронных приборов.

С помощью них производят аварийное отключение линий. Приборы производят контроль сети, определяют нужные параметры. При проектировании встает задача по подбору прибора для измерения и контроля. Трансформаторы выбирают по средним параметрам сети и конструкции прибора измерения. Чаще всего мощные установки комплектуются своими измерительными устройствами.

На современном производстве широко применяются измерительные трансформаторы. Также они нашли применение и в обыденной жизни. Чувствительные приборы осуществляют защиту дорогостоящего оборудования, создают безопасные условия для человека. Они работают в электроцепях, создавая контроль над эксплуатационными параметрами.

Коэффициент трансформации

Этот коэффициент служит для оценки эффективности функционирования трансформатора. Его значение по номиналу дается в инструкции к прибору. Коэффициент означает отношение тока в первичной обмотке к току вторичной обмотки. Это значение может сильно меняться от числа секций и витков.

Нужно учитывать, что этот показатель не всегда совпадает с фактической величиной. Есть отклонение, определяемое условиями работы прибора. Назначение и метод работы определяют значения погрешности. Но этот фактор также не может быть причиной отказа от контроля коэффициента трансформации. Имея значение погрешности, оператор сглаживает ее аппаратурой специального назначения.

Установка

Простые трансформаторы тока, работающие на шинах, устанавливаются очень просто, и не требуют инструмента или техники. Прибор ставится одним мастером при помощи крепежных зажимов. Стационарные требуют оборудования фундамента, монтажа несущих стоек. Каркас крепится сваркой. К этому каркасу монтируется аппаратура. Комплект оснащения зависит назначение устройства и его особенности.

Подключение

Чтобы облегчить процесс соединения проводов с устройством, изготовители маркируют комплектующие детали цифровым и буквенным обозначением. С помощью такой маркировки операторы, которые обслуживают устройство, могут легко сделать соединение элементов.

Способ подключения взаимосвязан с устройством, принципом работы и назначением прибора. Также оказывает влияние и схема обслуживаемой сети. Трехфазные линии с нейтралью предполагают установку прибора только на двух фазах. Эта особенность вызвана тем, что электрические сети на напряжение 6-35 киловольт не оснащены нулевым проводом.

Контроль

Это мероприятие состоит из разных операций: визуальный осмотр, дается оценка всей конструкции, проверяется маркировка, паспортные данные и т.д. Далее, осуществляется размагничивание трансформатора с помощью медленного повышения тока на первичной обмотке. Далее, величину тока уменьшают.

Затем готовят главные мероприятия по измерению параметров. Поверка основывается на оценке правильности полярности клемм катушек по нормам, также определяют погрешность с дальнейшей сверкой с паспортными данными.

Безопасность

Основные опасности при функционировании измерительных трансформаторов обусловлены качеством намотки катушек. Необходимо учитывать, что под витками действует основа из металла, которая в открытом виде создает опасность и угрозу для обслуживающего персонала.

Поэтому создается график обслуживания, по которому проводится периодическая проверка устройства. Персонал обязан следить за состоянием обмоток катушек. Перед проведением проверки трансформатор отключается и подключаются шунтирующие закоротки и заземление обмотки.

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.

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.

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.

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