Для чего нужны трансформаторы тока и чем они отличаются от трансформаторов напряжения

Говоря о трансформаторе напряжения, мы имеем ввиду электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения определенной частоты: из высокого — в пониженное, или из низкого — в более высокое, в зависимости от назначения трансформатора, и в конечном счете — от коэффициента трансформации данного экземпляра. При помощи трансформатора напряжения электрическая мощность с достаточно высоким КПД передается из первичной цепи — во вторичную, к которой обычно и подключается нагрузка, то есть потребитель.

Потребитель должен соответствовать трансформатору напряжения по мощности: он может быть меньшей мощности, чем трансформатор в состоянии передать, но никогда не должен быть большей мощности, чем та, на которую спроектирован данный трансформатор, иначе напряжение на вторичной обмотке данного трансформатора начнет уменьшаться, сердечник станет постоянно входить в насыщение, и как обмотки так и сердечник будут перегреваться, КПД трансформатора упадет.

Тем не менее, напряжение на вторичной обмотке трансформатора напряжения, работающего под нагрузкой в штатном режиме или на холостом ходу, всегда остается почти неизменным, по крайней мере с высокой точностью близким к номинальному напряжению вторичной обмотки трансформатора, то есть будет лежать в определенном известном, довольно узком диапазоне. Но при этом ток нагрузки может быть очень разным — варьироваться от нуля до максимально допустимого, в зависимости от импеданса и характера нагрузки, которую трансформатор питает в данный момент.

Трансформатор тока существенно отличается от трансформатора напряжения, как конструктивно, так и по назначению, и по особенностям применения. В то время как первичная и вторичная (или вторичные, если их несколько) обмотки трансформатора напряжения зачастую имеют немалое количество витков, отвечающее коэффициенту трансформации и параметрам сердечника, то первичная обмотка трансформатора тока — это всего один виток, проходящий через окно магнитопровода. Вторичная же обмотка трансформатора тока имеет множество витков, и всегда соединена с активной нагрузкой строго определенного номинала, например с резистором.

Теперь если через первичную обмотку потечет переменный ток определенной величины, то вторичная обмотка, будучи нагружена на постоянную активную нагрузку в виде резистора, создаст на нем падение напряжения, пропорциональное току первичной обмотки (через коэффициент трансформации) и сопротивлению нагрузки. То есть, в зависимости от тока первичной цепи, напряжение вторичной обмотки трансформатора тока может изменяться в широких пределах — от нуля до максимально допустимого.

Очевидно, такой режим отличается от режима работы трансформатора напряжения. Здесь (у трансформатора тока) как правило нет узкого диапазона номинальных напряжений вторичной обмотки, характерного для трансформаторов напряжения. Типичное применение трансформатора тока — измерение тока в цепях, к которым уже подключена нагрузка.

Трансформаторы тока, кроме расширения пределов измерения, изолируют измерительные приборы от высокого напряжения и делают возможным измерение тока в сетях с напряжением выше 1000 В.

Первичная обмотка трансформатора тока имеет изоляцию, рассчитанную на полное рабочее напряжение сети. Для обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала (в случае пробоя изоляции) один из зажимов вторичной обмотки и сердечник трансформатора должны быть заземлены.

В отличие от силовых трансформаторов ток вторичной обмотки в трансформаторе тока зависит от тока первичной обмотки (измеряемого тока). Поэтому при работе с трансформатором тока необходимо особенно внимательно следить за тем, чтобы вторичная обмотка была замкнута. Для этого они имеют приспособление для замыкания вторичной обмотки при отключении измерительного прибора.

В тех случаях, когда проводник с током нельзя разъединить, для подключения трансформатора тока применяются трансформаторы в виде токовых клещей. Сердечник таких трансформаторов состоит из двух половин, скрепленных шарниром, что позволяет охватить проводник с током, не разрывая его. Вторичная обмотка замкнута на амперметр, который обычно укрепляется на самом сердечнике.

Итак, трансформатор напряжения предназначен для преобразования электрической мощности переменного тока с целью питания нагрузок различного номинала, рассчитанных на напряжение вторичной обмотки трансформатора.

К трансформаторам напряжения относятся мощные промышленные трансформаторы, трансформаторы подстанций, сетевые трансформаторы, сварочные трансформаторы, трансформаторы в блоках питания некоторых бытовых приборов и т. д. эти трансформаторы могут быть как повышающими, так и понижающими.

Измерительные трансформаторы напряжения предназначены для преобразования высокого напряжения сети в напряжение, доступное для измерения обычными приборами, т. е. для расширения пределов измерения приборов на переменном токе по напряжению.

Трансформаторы тока используются в измерительных целях — там, где необходимо узнать величину переменного тока, текущего по проводу. Трансформатор тока включается в разрыв этого провода, а к его вторичной обмотке подсоединяется амперметр или вольтметр, соединенный с резистором известного номинала. Путем несложных вычислений легко найти величину тока первичной обмотки. Вычисления может производить как человек, так и электроника.

Источник

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.

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

Коэффициент трансформации идеального ТТ

Коэффициент трансформации реального ТТ

В реальном трансформаторе тока существуют потери энергии. Эти потери идут на:

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

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. Из формулы следует, что первичный ток разделяется на две цепи – цепь намагничивания и цепь нагрузки. Более подробно о схеме замещения ТТ и о векторной диаграмме ТТ.

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.

Источник

Назначение трансформатора тока и принцип его работы

Своевременная поверка и замена трансформатора тока, обязательные, так как от устройства зависит точность измерений при обслуживании особо мощных электроустановок, безопасность функционирования и взаимодействие с ними. Устройство понижает мощность до нужного уровня, давая возможность подключать измерительные приборы. Выбор трансформатора тока осуществляется под задачи (защита или измерение), конкретную мощность и особенности оборудования.

Понятие трансформатор тока, назначение

Под трансформаторами тока (ТТ) подразумевают аппараты статичного типа с электромагнитным принципом с обмотками (две или больше) на металлическом стержне (магнитопроводе) с выводами для подключения в сеть и к измерительным приборам.

Для чего применяют ТТ:

ТТ работают с переменными, в крайнем случае с пульсирующими напряжением — если подключить к постоянному, то на выходе потенциал будет нулевым. Иногда встречается название «трансформатор постоянного тока», это значит, что в нем используются специальные выпрямители.

Где используются

ТТ широко применяются при транспортировке электроэнергии на большие расстояния, для распределения между приемниками. Они отличаются тем, что предназначены для выпрямительных, стабилизирующих, сигнальных, усиливающих, контрольных узлов, на станциях и объектах, производящих электричество. Именно поэтому к их точности и подключению требования чрезвычайно высокие — даже ничтожные отклонения значимые.

Где чаще всего и зачем применяют:

В чем разница между трансформаторами тока и напряжения

Если рассматривать вопрос, чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения, то это алгоритм действия, назначение и компоновка, но иногда внешне приборы могут быть схожими.

Наличие в ЭУ слабо и среднемощных ТТ обезопасит работы — элемент разделяет цепи высоких/низких мощностей, упрощает измерители, реле.

Устройства, например, способны осуществлять понижение с тысяч ампер до 5 А, 1 А.

Разновидности

Есть много видов ТТ, но в наиболее общем виде выбор трансформаторов тока учитывает, что изделия подразделяются на измерительные (ТТИ) и для защиты.

Токовый трансформатор может выполняться с возможностью открывать его, устанавливать и запирать, без отключения, в онлайн режиме.

Защитные ТТ

Измерительные ТТ

Задача измерительного трансформатора тока ТТИ — преобразовывать величины, создавая возможность подсоединять вольтметр, амперметр, другой измеритель, не боясь, что он перегорит от чрезмерной нагрузки. При этом получают максимально точные, достоверные данные измерений. Другими словами, ТТ изолирует подключаемый девайс, не только для замеров, но и любой другой по потребности, от высоких мощностей.

Устройство и принцип работы

В основе работы — электромагнитная индукция. Аппарат разделяет высоковольтные токонесущие части и трансформирует величины энергии до безопасных или требуемых.

Суть работы ТТ. Если через первичку идет переменный определенной силы ток, то вторичная катушка, будучи с постоянной активной нагрузкой, например (резистор или обслуживаемая ЭУ), создает на них падение напряжения пропорционально току первички (зависимо от коэффициента трансформации) и сопротивлению. Напряжение уменьшается в максимально возможном диапазоне, возможности понижения почти бесконечные.

Устройство, схема трансформатора тока:

Первичные витки подсоединяются последовательным методом, поэтому там полная нагрузка, вторичная же замыкается на нее (реле защиты, счетчики), пропуская ток пропорциональный величине на первой. Сопротивление измерителей малое и считается, что все трансформаторы тока функционируют в состоянии КЗ.

Есть несколько вариантов вторичных обмоток, обычно они создаются для подсоединения защитных приспособлений и для приборов контрольных, учетных. К катушкам обязательно должна подключаться нагрузка со строго регламентированным сопротивлением — даже ничтожные отклонения приводит к критическим погрешностям замеров, не селективности РЗ.

Работа ТТ поэтапно на примере схемы

Трансформатор тока как устроен, принцип работы поэтапно:

Принцип работы, отличия трансформатора напряжения основываются на электромагнитных явлениях, как и в токовых. Но разница в количестве витков обмоток и назначении. Важно учесть цели, на которые конструкция рассчитана, трансформаторы напряжения обслуживают потребителей, поэтому «заточены» на трансформацию питания для электроприборов, ТТ — для защитных и измерительных устройств, а также они используются при осуществлении контроля и работают в режиме КЗ.

Важность коэффициента трансформации, класса точности, погрешности

Коэффициент трансформации (КТ) — определяет пропорциональность преобразования, задается при проектировании ТТ, при выпуске обязательно проверяется. На схеме это К1, определяемый соотношением l1/l2 (двумя векторами).

Эффективность коэффициентов собранных изделий отображает класс точности. При реальном функционировании токовые величины не постоянные, поэтому коэффициент обозначают номинальным. Пример: 1000/5 — при 1 кА рабочего тока (первичного) во вторичной цепи действует нагрузка 5 А. Именно по описанным значениям и проводится расчет продолжительность эксплуатации этого трансформаторного тока.

Погрешность ТТ влияет на класс его точности и определяется сечением, уровнем проницаемости материала магнитопровода, величинами магнитного пути.

Возрастание сопротивления нагрузки во вторичной цепи, превышающее возможности ТТ (при этом там генерируется повышенное напряжение), провоцирует пробой изоляции — трансформатор выходит из строя, перегорает. Поэтому важно правильно подбирать данный параметр. Предельное сопротивление есть в справочных материалах.

Монтаж, подключение, опасные факторы

При пробое изоляции обмоток возникает возможность поражения током, но риск предотвращается заземлением вывода (обозначается на корпусе) вторички.

На выводы вторичной катушки И1 и И2 токи полярные, они обязательно постоянно подсоединены на нагрузку. Идущая по первичной цепи энергия со значительным потенциалом (S=UI). В другой происходит трансформация, и при обрыве в ней там падает напряжение. Потенциал разомкнутых концов при протекании энергии большой, что представляет значительную опасность.

По описанным выше причинам все вторичные цепи ТТ собирают особо тщательно и надежно, на них и кернах, выведенных из функционирования, всегда ставят шунтирующие закоротки.

Как подключается ТТ

Есть несколько схем для изделий защитного типа. Рассмотрим подключение ТТ на трехфазное напряжение.

Если ток ниже настроек на реле КА1–КА3, то это нормальная ситуация, защита не активируется. Ток на К0 — это сумма всех 3 фаз. При возрастании величин в одной из них растет ток и в ТТ. Произойдет сработка реле при КЗ и при превышении нагрузок.

Схема «треугольник и звезда» — для дифференциальной защиты.

Схема без обесточивания при КЗ на землю используется, но редко по этой же причине. Для защиты от замыканий между фазами и всплесков в одной из них.

ТТИ подсоединяются простым последовательным подключением первичных витков изделия.

Монтаж

Монтаж трансформаторов тока:

ТТ не допускает холостого функционирования, его режим близок к КЗ: вторичные витки при подключении прибора к измеряемому току обязательно замыкаются. Иначе происходит перегревание, повреждающее изоляцию. Перед отсоединением измерителей сначала закорачивают катушки. У некоторых моделей для этого есть узлы клеммы, перемычки.

Расчет

Расчет трансформатора тока можно провести по онлайн-калькуляторам, подобрать по номиналу (например, для 10 кВ). Но это слишком упрощенные инструменты. Исчисления и параметры для выбора — чрезвычайно обширная тема, поэтому опишем основы.

Точность чрезвычайно важная, поэтому потребуются тщательные исчисления специалистами. Необходимо знать множество специфических нюансов, например:

Правила, как выбрать трансформатор тока в общих чертах:

Проверка после расчета

Самостоятельная сборка ТТ

Создание ТТ своими руками — отдельная тема, так как для процедуры потребуются широкое описание расчетов с формулами, но упрощенно процесс выглядит как наматывание рассчитанного количества витков медной проволоки на стержень (железо, сталь).

В основе лежит известный принцип. Токи на первичке и вторичке обозначают соотношением. Например, 100/5: величина на первой в 20 раз превышает таковую на второй, то есть, когда на ней есть 100 А, то на другой будет 5 А. Изделие 500/5 понижает 500 А до 5 А (на вторичных витках). Указанные величины зависят от соотношения количества витков.

Поверка

Поверка измерительных трансформаторов, трансформаторов напряжения, поверки трансформаторов тока всех возможных видов не имеют одного фиксированного срока. Разные типы и модели имеют свою периодичность поверочных мер.

Межповерочный интервал находится в диапазоне 4–16 лет. Например (модель — срок в годах):

Узнать сроки можно из таких источников:

Поверки нужны для допуска к эксплуатации, мероприятие осуществляют специальные аккредитованные и лицензированные учреждения, лаборатории, структуры энергетических компаний. Исполнитель должен иметь соответствующее свидетельство. После мероприятия его проведение и состояние изделия подтверждается поверительным клеймом, пломбой, отметкой в паспорте, протоколом.

При тестировании используют несколько методик и приборов (мегаомметры, вольтметры, амперметры, приборы сравнения токов). Подробно процедура прописана в ГОСТе 8.217-2003.

Где купить

Чтобы максимально быстро приобрести трансформатор, можно посетить ближайший специализированный магазин. Оптимальным же, по соотношению цена-качество, остаётся вариант покупки в Интернет-магазине АлиЭкспресс. Обязательное длительное ожидание посылок из Китая осталось в прошлом, ведь сейчас множество товаров находятся на промежуточных складах в странах назначения: например, при заказе вы можете выбрать опцию «Доставка из Российской Федерации»:

Видео по теме

Источник