Устройство и принцип работы трансформатора тока

Конструкция трансформатора тока

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.

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.

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

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

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.

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.

•корпус, выполненный из самозатухающего трудногорючего материала;

•магнитопровод (сердечник), изготовленный из пластин электротехнической стали;

•вторичная обмотка, представленная в виде эмальпровода, намотанного на сердечник. От количества намотанных витков зависит коэффициент трансформации;

•клеммы «И1» и «И2», на которые выведены концы вторичной обмотки; 

•первичная обмотка, выполненная в виде покрытой изоляцией прямолинейной шины. В некоторых моделях вместо шины используют проходное отверстие, через которое пропускают изолированный провод в один или несколько витков. Также применяется гибкая или жесткая изолированная или же неизолированная шина.

Магнитный поток, образованный в магнитопроводе, проходит поперек перпендикулярно расположенных витков эмалированного провода вторичной обмотки. Это приводит к возникновению ЭДС Е2 (электродвижущей силы), а она в свою очередь способствует  возникновению тока I2 в эмальпроводе. При протекании ток таким же образом преодолевает активно-индуктивное и емкостное сопротивление (полное) вторичной обмотки Z2, а также сопротивление нагрузки Zн измерительного прибора (это может быть, к примеру, амперметр). На измерительном же приборе отображается ток первичной обмотки, который уменьшен на коэффициент трансформации.

2.Обязательное закорачивание вторичных обмоток трансформатора, если не подключен измерительный прибор. Данное требование применяется в связи с тем, что если по первичной обмотке протекает ток, то на клеммах «И1» и «И2», на которые выведены концы вторичной обмотки, возникает потенциал, порой достигающий нескольких тысяч Вольт. Это также привести к электрическим травмам.

Мы рассказали, как устроен измерительный трансформатор тока, а также о том, в чем заключается работа трансформатора. Вы также можете посмотреть наше видео, в котором детально показан трансформатор тока, его конструкция и принцип работы.

Работа обычного трансформатора тока базируется на физическом явлении электромагнитной индукции. Это значит, что при подаче напряжения на первичную обмотку, в её витках будет проходить переменный ток, образующий впоследствии появление переменного магнитного потока. Появившийся магнитный поток проходит по сердечнику и пронизывает витки всех обмоток трансформатора, таким образом, индуцируя в них электродвижущие силы (э.д.с.).

Трансформатор тока – это устройство, основой которого является сердечник, шихтованный из особой трансформаторной стали. На сердечник (магнитопровод) наматываются витки одной, двух или даже нескольких вторичных обмоток, электрически изолированных друг от друга, а также и от сердечника.

Что касается первичной обмотки, то она может представлять собой катушку, также намотанную на сердечник измерительного трансформатора. Однако чаще всего первичная обмотка представляет собой алюминиевую или медную шину (пластину). Не менее часто в трансформаторе тока вообще отсутствует первичная обмотка как таковая.

Вся конструкция трансформатора тока помещается в корпус для защиты от механических повреждений. 

Обязательными элементами практически любого устройства преобразования напряжения являются изолированные обмотки, формированные из проволоки или ленты. Они располагаются на магнитопроводе, представленном сердечником из ферромагнитного материала. Связь между катушками осуществляется при помощи магнитного потока. В случае работы с высокочастотными токами (100 и более кГц) сердечник отсутствует.

В принципе работы трансформатора сочетаются основные постулаты электромагнетизма и электромагнитной индукции. Его можно рассмотреть на примере простейшего прибора с двумя катушками и стальным сердечником. Подача переменного напряжения на первичную обмотку приводит к возникновение магнитного потока в магнитопроводе, после чего во вторичной и первичной обмотке возникает ЭДС индукции, если подключить нагрузку ко вторичной обмотке то потечёт ток. Частота напряжения на выходе остаётся неизменной, а его величина зависит от соотношения витков катушек.

Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, что бы это определить нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать какой трансформатор. Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий(также это можно определить по значениям если во вторичной обмотке больше чем в первичной то такой повышающий) и наоборот если К{amp}gt;1, то понижающий(если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).

• U1 и U2 – напряжение в первичной и вторичной обмотки,
• N1 и N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке,
• I1 и I2 – ток в первичной и вторичной обмотки.

Характеристики трансформаторов определяются условиями работы, где ключевая роль отводится сопротивлению нагрузки. За основу берутся следующие режимы:

1. Холостого хода. Выводы вторичной цепи находятся в разомкнутом состоянии, сопротивление нагрузки приравнивается бесконечности. Измерения тока намагничивания, протекающего в первичной обмотке, даёт возможность подсчитать КПД трансформатора. При помощи этого режима вычисляется коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике;
2. Под нагрузкой (рабочий). Вторичная цепь нагружается определённым сопротивлением. Параметры протекающего по ней тока напрямую связаны с соотношением витков катушек.
3. Короткого замыкания. Концы вторичной обмотки закорочены, сопротивление нагрузки равно нулю. Режим информирует о потерях, которые вызываются нагревом обмоток, что на профессиональном языке значится «потерями в меди».

   

Немного истории

Благодаря английскому физику Майклу Фарадею в 1831 году человечество познакомилось с электромагнитной индукцией. Великому учёному не суждено было стать изобретателем трансформатора, поскольку в его опытах фигурировал постоянный ток. Прообразом устройства можно считать необычную индукционную катушку француза Г. Румкорфа, которая была представлена учёному миру в 1848-м.

В 1876 году русский электротехник П. Н. Яблочков запатентовал трансформатор переменного тока с разомкнутым сердечником. Современному виду устройство обязано англичанам братьям Гопкинсон, а также румынами К. Циперановскому и О. Блати. С их помощью конструкция приобрела замкнутый магнитопровод и сохранила схему до наших дней.

Расшифровка маркировки

В соответствии с ГОСТ 7746-78 «Трансформаторы тока. Общие технические требования» ими являются:1. Номинальное напряжение — действующее значение линейного напряжения, при котором предназначен работать ТТ, указываемое в паспортной таблице ТТ. Для отечественных ТТ приняты следующие значения: 0,66; 6; 10; 15; 20; 24; 27; 28635; 110; 150; 220; … 1150 кВ.

Номинальный первичный ток /1н (указан в паспорте) проходящий по первичной обмотке, при котором предусмотрено продолжительная работа ТТ. Шкала токов: 1; 5; 10; 15; 20; 30; … 1000; 1500; … 40 000 А.Номинальный вторичный ток 12н (указан в паспортной таблице ТТ), проходящий во вторичной обмотке. Номинальный вторичный ток принимается равным 1 А (с номинальным первичным током до 4000 А) или 5 А.

По согласованию с заказчиком допускается изготовление ТТ с /2р = 2 или 2,5 А.Вторичная нагрузка ТТ Z2h — соответствует полному сопротивлению его внешней вторичной цепи, выраженному в омах, с указанием коэффициента мощности cos-фи = 0,8, при которой гарантируется установленный класс точности ТТ или предельная кратность первичного тока относительно его номинального значения, называемая номинальной вторичной нагрузкой ТТ Z2hhom.

Коэффициент трансформации ТТ равен отношению первичного тока ко вторичному току.Стойкость ТТ к механическим и тепловым воздействиям характеризуется током электродинамической стойкости и током термической стойкости.Ток электродинамической стойкости /я равен наибольшей амплитуде тока КЗ за все время его протекания, которую ТТ выдерживает без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе.

Электродинамическая стойкость может характеризоваться также кратностью, представляющей собой отношение тока электродинамической стойкости к амплитуде номинального первичного тока. Требование электродинамической стойкости не распространяется на шинные, встроенные и разъемные ТТ.Ток термической стойкости 1, равен наибольшему действующему значению тока КЗ за промежуток времени fT, которое ТТ выдерживает в течение этого промежутка времени без нагрева токоведущих частей до температур, превышающих допустимые при токе короткого замыкания, и без повреждений, препятствующих его дальнейшей работе.

Термическая стойкость характеризует способность ТТ противостоять тепловым воздействиям тока КЗ. Для суждения о термической стойкости ТТ необходимо знать не только значение тока, проходящего через трансформатор, но и время его прохождения или иначе говоря, знать общее количество выделенного тепла, которое пропорционально произведению квадрата тока lt и времени его прохождения tT.

Это время в свою очередь зависит от параметров сети, в которой установлен ТТ, и изменяется от одной до нескольких секунд.В соответствии с ГОСТ 7746-78 для отечественных ТТ установлены следующие токи термической стойкости:а)        односекундный I1т — для ТТ на номинальное напряжение 330 кВ и выше;

для ТТ на номинальное напряжение 330 кВ и вышеIд{amp}gt;1,8^1/1т;для ТТ на номинальное напряжение 110, 150 и 220 кВ 1Я {amp}gt; 1,8 V2 IЗт;для ТТ на номинальное напряжение до 35 кВ включительно 1л{amp}gt;1,8уП1Лт.Температура токоведущих частей ТТ при прохождении тока термической стойкости не должна превышать:200 °С для токоведущих частей из алюминия;

250 °С для токоведущих частей из меди и ее сплавов, соприкасающихся с органической изоляцией или маслом.Механические нагрузки, определяемые давлением ветра со скоростью 40 м/с на поверхность ТТ и тяжением подводящих проводов, которое должно быть не менее:500 Н для ТТ до 35 кВ включительно;1000 Н для ТТ 110 — 220 кВ;

1500 Н для ТТ 330 кВ и выше.В эксплуатации должны учитываться следующие требования к ТТ:Контактные зажимы выводов первичной обмотки ТТ должны выполнятся с учетом требований ГОСТ 10434-76.Обозначение концов первичных и вторичных обмоток согласно ГОСТ 7746-78 должно производится в соответствии с табл. 1.

Линейные выводы первичной обмотки обозначаются символами JIi и JI2, которые должны наноситься так, чтобы при направлении тока в первичной обмотке от Л^ и Н^ соответственно к Кг и JI2 вторичный ток проходил по внешней цепи (приборам) от Ил к И2.Маслонаполненный трансформатор тока должен иметь маслорасширитель (компенсатор) и указатель уровня масла.

Вместимость маслорасширителя должна обеспечить постоянное наличие в нем масла при всех режимах работы ТТ от отключенного состояния до нормированной токовой нагрузки и при колебаниях температуры окружающего воздуха, установленных для данного климатического района. В ТТ на номинальное напряжение 330 кВ и выше обязательно должна быть предусмотрена защита масла от увлажнения, например посредством сильфонов.Таблица 1

Размеры указателя уровня масла должны быть такими, чтобы обслуживающий персонал мог с безопасного расстояния наблюдать за уровнем масла в ТТ.Трансформаторы, имеющие массу более 50 кг, должны иметь приспособления для подъема. Если такие приспособления невозможно выполнить, завод-изготовитель должен указывать в инструкции места захвата ТТ при подъеме.

ТТ, у которых амплитуда напряжения на разомкнутой вторичной обмотке при номинальном токе в первичной обмотке превышает 350 В, должны иметь надпись: «Внимание! Опасно! На разомкнутой обмотке высокое напряжение».Трансформаторы, кроме встроенных, должны иметь контактную площадку для присоединения заземляющего проводника и заземляющий зажим в соответствии с требованиями ГОСТ 21130-75.

Разнообразие в конструкции и широкий диапазон параметров трансформаторов привели к необходимости их маркировки по специальному стандарту. Не имея под рукой технического описания, характеристики устройства можно выяснить по нанесённой на его поверхности информации, выраженной буквенно-цифровым кодом.

Маркировка силовых трансформаторов содержит 4 блока.

Трансформаторы тока характеризуются следующими индивидуальными параметрами:

1. Номинальным током – позволяющим аппарату функционировать длительное время, не перегреваясь;
2. Номинальным напряжением – значение должно обеспечивать нормальную работу трансформатора. Именно этот показатель влияет на качество изоляции между обмотками, одна из которых находится под высоким напряжением, а другая заземлена.
3. Коэффициентом трансформации;
   

   

   где:

   • U1 и U2 – напряжение в первичной и вторичной обмотки,
   • N1 и N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке,
   • I1 и I2 – ток в первичной и вторичной обмотки(обычно ток во вторичной обмотке равен 1А или 5А).
4. Погрешностью значения электротока – вызывается намагничиванием;
5. Номинальной нагрузкой, определяющей нормальную работу прибора;
6. Номинальной предельной кратностью – максимально допустимое значение отношения первичного значения электротока к номинальному;
7. Предельной кратностью вторичного тока – соотношение наибольшего тока вторичной обмотки к его номинальной величине.

Схемы подключения трансформаторов тока

Вторичные цепи

Классификация трансформаторов

Существует несколько признаков, по которым трансформаторы тока делятся.

По своему назначению они бывают измерительными, защитными, а также промежуточными и лабораторными.

• Измерительные выполняют функцию измерения. К ним подключаются приборы, такие как амперметр или приборы учёта (счётчики электрической энергии).
• Защитные трансформаторы тока выполняют функцию электрической защиты совместно с устройствами защиты, поэтому к ним подключаются устройства, такие как реле тока или современные цифровые устройства высоковольтной защиты.
• Промежуточные трансформаторы тока применяют в токовых цепях релейной защиты.
• Лабораторные устройства обладают очень высокой степенью точности измерений. Также у них может быть несколько разных коэффициентов трансформации.

По виду установки трансформаторы тока бывают наружными и внутренними, а также встроенными внутрь электрооборудования (внутри высоковольтных выключателей, внутри питающих силовых трансформаторов и т.д.). Кроме того трансформаторы тока бывают накладными и переносными. Переносные трансформаторы используют для измерений токовой нагрузки в лабораторных условиях.

По исполнению первичной обмотки бывают одновитковые, многовитковые и шинные трансформаторы тока. По количеству ступеней трансформации – одно- и двухступенчатые.

По напряжению трансформаторы тока делятся на две группы – устройства с напряжением до 1000В и устройства с напряжением выше 1000В.

Кроме обычных измерительных трансформаторов тока, существуют и специальные, такие как трансформаторы тока нулевой последовательности.

Трансформаторы напряжения принято разделять по следующим признакам:

1. По количеству фаз:
2. По числу обмоток:
   • 2-х-обмоточные;
   • 3-х-обмоточные.
3. По способу действия системы охлаждения:
   • электрические устройства с масляным охлаждением;
   • электрические устройства с воздушной системой охлаждения ( с литой изоляцией либо сухие).
4. По способу установки и размещения:
   • для наружной установки;
   • для внутренней;
   • для комплектных РУ.
5. По классу точности: по нормируемым величинам погрешностей.

Все трансформаторы тока — и для измерений и для защиты — можно классифицировать по следующим основным признакам: по роду установки: трансформаторы для работы на открытом воздухе (категория размещения 1 по ГОСТ 15150-69), для работы в закрытых помещениях (тот же ГОСТ), для встраивания во внутренние полости электрооборудования (газовая среда, изолированная от наружного воздуха или трансформаторное масло, либо газовая среда не изолированная от наружного воздуха);

по способу установки: проходные ТТ, предназначенные для использования в качестве ввода и устанавливаемые в проемах стен, потолков, механических конструкциях; опорные, встраиваемые и т.д.;по числу коэффициентов трансформации: с одним коэффициентом трансформации; с несколькими коэффициентами трансформации, получаемыми изменением числа витков первичной или вторичной обмотки, или обеих обмоток;

по числу ступеней трансформации: одноступенчатые; каскадные (многоступенчатые), т.е. с несколькими ступенями трансформации тока;по выполнению первичной обмотки: одновитковые, многовитковые;по роду изоляции между первичной и вторичными обмоткамиТТ: изготавливаются с твердой (фарфор, литая изоляция, прессованная изоляция, полимерная и т.д.);

Трансформаторы классифицируются по ряду параметров, таким как:

• Назначение. Применяются: для изменения напряжения, измерения тока, защиты электрических цепей, как лабораторные и промежуточные устройства.
• Способ установки. В зависимости от размещения и мобильности трансформатор может быть: стационарным, переносным, внутренним, внешним, опорным, шинным.
• Число ступеней. Устройства подразделяются на одноступенчатые и каскадные.
• Номинальное напряжение. Бывают низко- и высоковольтными.
• Изоляция обмоток. Наиболее часто используется бумажно-масляная, сухая, компаундная.

Помимо этого, преобразовательные устройства разнятся типами, каждому из которых присуща своя система классификации.

Силовой

Наибольшее распространение получил силовой трансформатор. Приборы с непосредственным преобразованием переменного напряжения, рассчитанные на большую мощность, востребованы различными областями электроэнергетики. Они применяются на линиях электропередач с напряжениями 35–1150 кВ, в городских электросетях, работающих с напряжением 6 и 10 кВ, в обеспечении конечных потребителей напряжением 220/380В. С помощью устройств осуществляется питание всевозможных электроустановок и приборов в диапазоне от долей до сотен тысяч вольт.

Измерительные

Трансформаторы тока (ТА) понижают ток до необходимых показателей. Схема их работы отличается последовательным включением первичной обмотки и нагрузки. В то же время вторичная обмотка, находящаяся в состоянии, близком к короткому замыканию, используется для подключения измерительных приборов, исполнительных и индикаторных устройств. С помощью ТА осуществляется гальваническая развязка, что позволяет при измерениях отказаться от шунтов.

С помощью трансформаторов напряжения (ТН), тоже самое что и ТА только по напряжению. Помимо преобразования входных параметров, электроаппаратура и её отдельные элементы получают защиту от высокого вольтажа.

Импульсный

При необходимости преобразования сигналов импульсного характера применяются импульсные трансформаторы (ИТ). Изменяя амплитуду и полярность импульсов, устройства сохраняют их длительность и практически не затрагивают форму.

Автотрансформатор

В автотрансформаторах обмотки составляют одну цепь и взаимодействуют посредством электромагнитной и электрической связи. В отличие от других типов преобразователей, устройства могут содержать всего 3 вывода, позволяющих оперировать с различными напряжениями. Приборы выделяются высоким коэффициентом полезного действия, что особо сказывается при незначительном перепаде входного и выходного напряжения.

Не имея гальванической развязки, представители данного типа повышают риск высоковольтного удара по нагрузке. Обязательным условием работы устройств являются надёжное заземление и низкий коэффициент трансформации. Недостаток компенсируется меньшим расходом материалов при изготовлении, компактностью и весом, стоимостью.

Разделительный

Для разделительных трансформаторов взаимодействие между обмотками исключено. Устройства повышают безопасность электрооборудования при повреждённой изоляции.

Согласующий

Согласующие трансформаторы применяются для выравнивания сопротивлений между каскадами схем электроники. Сохраняя форму сигнала, они играют роль гальванической развязки.

Пик-трансформатор

С помощью пик-трансформатора синусоидальное напряжение преобразуется в импульсное. При этом импульсы меняют полярность с каждым полупериодом.

Сдвоенный дроссель

Особенностью сдвоенного дросселя является идентичность обмоток. Взаимная индукция катушек делает его более эффективным, по отношению стандартным дросселям. Устройства используются как входные фильтры в блоках питания, в звуко- и цифровой технике.

Сварочный

Помимо вышеперечисленных, существует понятие сварочные трансформаторы. Специализированные приборы для сварочных работ понижают напряжение бытовой сети при одновременном повышении тока, измеряемого тысячами ампер. Регулировка последнего осуществляется разделением обмоток на сектора, что отражается на индуктивном сопротивлении.

Популярные виды и стоимость трансформаторов

Бытового потребителя больше интересуют токовые трансформаторы, используемые для подключения электросчётчиков. В продаже предлагаются приборы типов:

• ТТИ;
• ТТН;
• ТОП;
• ТОЛ и другие.

Цена зависит от разновидности, конструкции, характеристик и напряжений на котором будет использоваться ТН:

• 0,66 кВ от 300 – 5000,
• 6-10 кВ 10000 – 45000,
• 35 кВ – около 50 000р,
• 110 кВ и выше – нужно уточнять у производителя.

Возможные неисправности

Указанные устройства чаще всего выходят из строя в результате повреждения изоляции, вызванного перегревом, непредусмотренным механическим воздействием или ошибкой при сборке.

Чтобы проверить состояние прибора, измеряют сопротивление межвитковой изоляции. Если она меньше установленного значения, оборудование нуждается в замене или ремонте.

Также для диагностики используются специальные приборы – тепловизоры, позволяющие проверить состояние всей действующей схемы. Наиболее сложные диагностические процедуры производятся в лабораторных условиях. Своевременная диагностика позволяет исключить аварийные ситуации и обеспечить нормальную работу устройств.

Цена трансформаторов

Цена трансформатора варьируется в широких пределах и зависит от множества факторов. Здесь учитывается тип и назначение, мощность и другие электрические параметры. На стоимости устройств отражается сложность производства и используемые материалы. Немаловажное значение играет защита и другие особенности.

Трансформатор известного производителя не может быть дешёвым. Однако покупатель может быть уверен, что приобретённое им устройство полностью соответствует указанным характеристикам, не выйдет из строя при первом включении и гарантированно отработает заложенный ресурс.