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.

Учебный плакат «Измерительные траснформаторы»:

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.

Принцип создания одновиткового ТТ (в первичной схеме) является базовым и показан на картинке слева.

Здесь первичная обмотка, покрытая изоляцией, выполнена прямолинейной шиной Л1-Л2, проходящей через магнитопровод трансформатора, а вторичная намотана витками вокруг него и подключена на нагрузку.

Принцип создания многовиткового ТТ с двумя сердечниками, показан справа. Здесь берется два одновитковых трансформатора со своими вторичными цепями и через их магнитопроводы пропускается определенное количество витков силовых обмоток. Таким способом не только усиливается мощность, но дополнительно увеличивается количество выходных подключаемых цепочек.

Три этих принципа могут быть модифицированы различными способами. Например, применение нескольких одинаковых обмоток вокруг одного магнитопровода широко распространено для создания отдельных, независимых друг от друга вторичных цепей, которые работают в автономном режиме. Их принято называть кернами. Таким способом подключают различные по назначению защиты выключателей или линий (трансформаторов) к токовым цепям одного трансформатора тока.

В устройствах энергетического оборудования работают комбинированные трансформаторы тока с мощным магнитопроводом, используемом при аварийных режимах на оборудовании, и обычным, предназначенным для замеров при номинальных параметрах сети. Обмотки, навитые вокруг усиленного железа, используют для работы защитных устройств, а обычные — для измерений тока или мощности/сопротивления.

Их так и называют:

защитными обмотками, маркируемыми индексом «Р» (релейные);

измерительными, обозначаемыми цифрами метрологического класса точности ТТ, например, «0,5».

Защитные обмотки при нормальном режиме работы трансформатора тока обеспечивают измерение вектора первичного тока с точностью 10%. Их по этой величине так и называют — «десятипроцентными».

Принцип определения точности работы трансформатора позволяет оценить его схема замещения, показанная на картинке. В ней все значения первичных величин условно приведены к действию во вторичных витках.

Схема замещения описывает все процессы, действующие в обмотках с учетом энергии, затрачиваемой на намагничивание сердечника током I.

Построенная на ее основе векторная диаграмма (треугольник СБ0) свидетельствует, что ток I2 отличается от значений I’1 на величину I нам (намагничивания).

Чем выше эти отклонения, тем ниже точность работы трансформатора тока. Чтобы учесть ошибки измерения ТТ введены понятия:

относительной токовой погрешности, выражаемой в процентах;

угловой погрешности, вычисляемой длиной дуги АБ в радианах.

Абсолютную величину отклонения векторов первичного и вторичного тока определяет отрезок АС.

Общепромышленные конструкции трансформаторов тока выпускаются для работы в классах точности, определяемых характеристиками 0,2; 0,5; 1,0; 3 и 10%.

Практическое применение трансформаторов тока

Разнообразное количество их моделей можно встретить как в маленьких электронных приборах, размещенных в небольшом корпусе, так и в энергетических устройствах, занимающих значительные габариты в несколько метров. Они разделяются по эксплуатационным признакам.

Классификация трансформаторов тока

По назначению их разделяют на:

измерительные, осуществляющие передачу токов на приборы измерения;
защитные, подключаемые к токовым цепям защит;
лабораторные, обладающие высоким классом точности;
промежуточные, используемые для повторного преобразования.

При эксплуатации объектов используют ТТ:

наружного монтажа на открытом воздухе;

для закрытых установок;

встроенные в оборудование;

накладные — надеваемые на проходной изолятор;

переносные, позволяющие делать замеры в разных местах.

По величине рабочего напряжения оборудования ТТ бывают:

высоковольтными (более 1000 вольт);

на значения номинального напряжения до 1 киловольта.

Также трансформаторы тока классифицируют по способу изоляционных материалов, количеству ступеней трансформации и другим признакам.

Для работы цепей учета электрической энергии, измерений и защит линий или силовых автотрансформаторов используются выносные измерительные трансформаторы тока.

На фото ниже показано их размещение для каждой фазы линии и монтаж вторичных цепей в клеммном ящике на ОРУ-110 кВ для силового автотрансформатора.

Эти же задачи выполняют трансформаторы тока на ОРУ-330 кВ, но, учитывая сложность более высоковольтного оборудования, они имеют значительно большие габариты.

На энергетическом оборудовании часто применяют встроенные конструкции трансформаторов тока, которые размещают прямо на корпусе силового объекта.

Они имеют вторичные обмотки с выводами, размещаемыми вокруг высоковольтного ввода в герметичном корпусе. Кабели от зажимов ТТ проложены к прикрепленным здесь же клеммным ящикам.

Внутри высоковольтных трансформаторов тока чаще всего в качестве изолятора используется специальное трансформаторное масло. Пример такой конструкции показан на картинке для трансформаторов тока серии ТФЗМ, рассчитанной на работу при 35 кВ.

До 10 кВ включительно используются твердые диэлектрические материалы для изоляции между обмотками при изготовлении корпуса.

Примером может служить трансформатор тока марки ТПЛ-10, используемый в КРУН, ЗРУ и других видах распределительных устройств.

Пример подключения вторичной токовой цепи одного из кернов защит REL 511 для выключателя линии 110 кВ демонстрирует упрощенная схема.

Неисправности трансформатора тока и способы их отыскания

У включенного под нагрузку трансформатора тока может нарушиться электрическое сопротивление изоляции обмоток или их проводимость под действием теплового перегрева, случайных механических воздействий либо из-за некачественного монтажа.

В действующем оборудовании чаще всего повреждаются изоляция, что приводит к межвитковым замыканиям обмоток (снижению передаваемой мощности) или возникновению токов утечек через случайно созданные цепи вплоть до КЗ.

С целью выявления мест некачественного монтажа силовой схемы периодически проводятся осмотры работающей схемы тепловизорами. На их основе своевременно устраняются дефекты нарушенных контактов, уменьшается перегрев оборудования.

Проверку отсутствия межвитковых замыканий осуществляют специалисты лабораторий РЗА:

снятием вольтамперной характеристики;

прогрузкой трансформатора от постороннего источника;

замерами основных параметров в рабочей схеме.

Они же анализируют величину коэффициента трансформации.

При всех работах оценивается соотношение между векторами первичных и вторичных токов по величине. Отклонения их по углу не осуществляется из-за отсутствия высокоточных фазоизмерительных устройств, которые применяются при поверках трансформаторов тока в метрологических лабораториях.

Высоковольтные испытания диэлектрических свойств возложены на специалистов лаборатории службы изоляции.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Что такое трансформатор тока, его конструкция и принцип работы

Для нормального функционирования устройств обеспечивающих релейную защиту высоковольтных ЛЭП, требуется контролировать параметры электрической линии. Снимать показания с высоковольтных проводов напрямую – опасно и не эффективно. Режим работы обычного трансформатора не позволяет контролировать изменение тока. Решает эту проблему трансформатор тока, у которого показатели вторичной цепи изменяются пропорционально величине тока первичной обмотки.

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).

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.

Классификация

Семейство трансформаторов тока классифицируют по нескольким признакам.

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

Читайте также: Анкер мола что это

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.

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.

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:

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.

О назначении

Основная сфера применения трансформаторов – защита измерительного и другого оборудования от разрушительного действия предельно высоких токов. ТТ применяются для подключения электрического счетчика, изоляции реле от воздействия мощных токовых нагрузок.