Принцип действия ТТ и их назначение

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.

  • Во-первых, это измерение больших токов, когда измерение непосредственно реальной величины первичного тока не представляется возможным. Измеряют преобразованную в меньшую сторону после трансформатора тока величину. Обычно это 1, 5 или 10 ампер.
  • Во-вторых, это разделение первичных и вторичных цепей. Таким образом, происходит защита изоляции релейного оборудования, приборов учета электроэнергии, измерительных приборов.

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 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.

Коэффициент трансформации идеального ТТ

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.

Коэффициент трансформации реального ТТ

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. 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 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

Трансформаторы тока и напряжения

Без электроснабжения невозможно представить нашу жизнь. Чтобы электрическая система работала без сбоев или не пришла в негодность из-за неисправности в кабеле или в силовом оборудовании, её параметры необходимо контролировать, замерять. Диагностика, заключающаяся в проведении электрических измерений, способна выявить причины сбоев и вовремя устранить их. Для этого применяются приборы, измеряющие величины токов, напряжений, мощности.

Читайте также:  Ремонт электронного балласта для люминесцентных ламп

Но если в электроустановках с низким напряжением возможно подключение измерительных приборов напрямую, непосредственно к измеряемому узлу, то в высоковольтных цепях проблематично отследить параметры без применения измерительных трансформаторов. В электроустановках напряжение доходит до 750 кВ и выше, а токи устанавливаются в десятки килоампер и более. Для «прямого» измерения потребовались бы громоздкое и дорогое оборудование, а иногда измерения вообще не возможно было бы произвести. Также, при обслуживании приборов, напрямую подключенных к сети высокого напряжения, персонал подвергался бы опасности поражения током.

Измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) способствуют расширению пределов измерений обычных измерительных устройств и одновременно изолируют их от цепей высокого напряжения. Измерительные трансформаторы создаются с высоким классом точности. Во время эксплуатации их метрологические характеристики подлежат первичной и периодической поверке на правильность работы.

Наиболее часто в сетях переменного тока применяются электромагнитные трансформаторы. Они состоят из магнитопровода, первичной и одной или нескольких вторичных обмоток. ТТ преобразовывает замеряемый высокий ток в малый, а ТН — измеряемое высшее напряжение в низшее. Измерительные трансформаторы включаются в цепи между высоковольтным оборудованием и контрольно-измерительными приборами: амперметрами, вольтметрами, ваттметрами, приборами релейной защиты, телемеханики и автоматики, счетчиками энергии.

Зачем нужны измерительные трансформаторы напряжения

Измерительные ТН относятся к преобразователям электрической энергии, которые:

  • трансформируют напряжение участка сети или установки в напряжение приемлемой величины для осуществления измерений с помощью стандартных измерительных устройств, питания релейной защиты, устройств сигнализации, автоматики, телемеханики;
  • изолируя вторичные приборы и цепи, защищают оборудование от высокого напряжения и персонал, имеющего доступ к обслуживанию электроустановок, от поражения током.

Подключение ТН к высоковольтной части электроустановки осуществляется соединением его первичной обмотки «в параллель» к цепи высокого напряжения. Номинал вторичных обмоток трансформатора напряжения составляет обычно 100 В. Так как сопротивление измерительных приборов, подключаемых к вторичной обмотке, велико, током можно пренебречь. Поэтому основной режим работы ТН подобен режиму холостого хода типового силового трансформатора.

Трансформаторы напряжения и их конструкция

Трансформаторы напряжения подразделяются:

  • по числу фаз: на одно- и трехфазные;
  • по числу вторичных обмоток: двухобмоточный ТН имеет одну вторичную обмотку, трехобмоточный — две: основную и дополнительную;
  • по назначению вторичных обмоток: с основной вторичной обмоткой, с дополнительной, со специальной компенсационной — для контроля изоляции цепи;
  • по особенностям исполнений — на трансформаторы защищенного типа, водозащищенного типа (защита от капель и влаги), герметичные, со встроенным предохранителем и с антирезонансной конструкцией;
  • по принципу действия и особенностям конструкций: на каскадные, ёмкостные, заземляемые и не заземляемые.

У каскадного ТН первичная обмотка разделена на несколько поочередно соединенных секций, передача энергии от которых к вторичным обмоткам происходит посредством связующих и выравнивающих обмоток. У ёмкостного ТН в конструкции имеется ёмкостный делитель. Заземляемый однофазный ТН — устройство, у которого один конец первичной обмотки должен быть заземлен. У заземляемого трехфазного ТН должна быть заземлена нейтраль первичной обмотки. Все части первичной обмотки не заземляемого ТН изолированы от земли.

Зачем нужны трансформаторы тока

Трансформатор тока — базовый измерительный аппарат в электроэнергетике, применяемый для преобразования тока первичной сети во вторичный стандартный ток величиной 5 А или 1 А. Первичная обмотка соединяется непосредственно с цепью высокого напряжения последовательным способом подключения. Вторичная обмотка включается во вторичные цепи измерений, защиты и учета. 5А — часто встречающийся номинал вторичной обмотки.

Принцип действия и конструкция трансформаторов тока

Первичная обмотка ТТ включается в разрез линейного провода (последовательно с нагрузкой), в котором измеряется сила тока. Вторичная обмотка замкнута на измерительное устройство с малым сопротивлением. Поэтому, в отличие от силового трансформатора, для которого режим короткого замыкания является аварийным, нормальным режимом для измерительного ТТ являются условия, близкие к КЗ, так как сопротивление во вторичной цепи у него мало.

Через первичную обмотку, имеющую определённое количество витков, течет ток. Вокруг катушки наводится магнитный поток, который улавливается магнитопроводом. Пересекая перпендикулярно ориентированные витки вторичной обмотки, магнитный поток формирует электродвижущую силу. Под влиянием последней возникает ток, протекающий по катушке и нагрузке на выходе. Одновременно на зажимах вторичной цепи образуется падение напряжения.

По конструктиву и применению ТТ условно подразделяются на несколько разновидностей:

      • Опорные монтируются на опорной плоскости.
      • Проходные используются в качестве ввода и устанавливаются в металлических конструкциях, в проемах стен или потолков.
      • Встраиваемые размещаются в полости оборудования: электрических выключателей, генераторов и других электроаппаратов и машин.
      • Разъемные не имеют своей первичной обмотки. Их магнитопроводы из двух половинок, стягиваемых болтами, можно размыкать и закреплять вокруг проводников под током. Эти проводники исполняют роль первичных обмоток.
      • Шинные изготавливаются тоже без первичных обмоток — их роль выполняют пропущенные сквозь окна магнитопроводов ТТ токоведущие шины распредустройств.
      • Накладные надеваются сверху на проходной изолятор.
      • Переносные предназначаются для лабораторных и контрольных измерений.

По выполнению первичной обмотки ТТ подразделяются на одновитковые и многовитковые, а по числу вторичных обмоток — на устройства с одной обмоткой и с несколькими вторичными обмотками (до четырёх, пяти). По числу ступеней трансформации — на одноступенчатые и каскадные.

К общей классификации трансформаторов обоих типов относятся: количество коэффициентов трансформации (однодиапазонные и многодиапазонные), критерии по материалу диэлектрика между первичной и вторичной обмотками и по материалу внешней изоляции — маслонаполненные, газонаполненные, сухие, с литой, фарфоровой и прессованной изоляцией, с вязкими заливочными компаундами, комбинированные бумажно-масляные. ТТ и ТН устанавливаются на открытом воздухе, в закрытых и в подземных установках, на морских и речных судах, внутри оболочек электроустановок и связываются контрольными проводами и кабелями с оборудованием вторичных цепей. По диапазону рабочего напряжения выделяют трансформаторы, функционирующие в устройствах до 1000 В и выше 1000 B. Трансформаторы также классифицируются по классу точности.

Читайте также:  Электродвигатель с фазным ротором

Видео про трансформаторы тока

Кратко о назначении трансформатора тока, составе и особенностях конструкции, о схеме и принципе работы. Почему нельзя допускать размыкание вторичных цепей трансформатора тока без предварительного их замыкания накоротко? Почему на напряжение выше 330 кВ изготавливаются ТТ каскадного типа? Об этом и об измерительном трансформаторе тока для подстанции 750 кВ вы узнаете из видео.

Измерительный трансформатор тока

Трансформатором тока(ТН, TV) – называют электротехническое устройство, изменяющее величину выходного значения электротока в процессе передачи с первичной на вторичную обмотку. В результате пропуска через трансформатор, электрический ток передаётся из одной системы в другую, пропорционально изменяясь, в зависимости от поставленной задачи.

Высоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа)

  1. Особенности конструкции и принцип работы
  2. Виды трансформаторов тока
  3. Расшифровка маркировки
  4. Технические параметры
  5. Схемы подключения трансформаторов тока
  6. Силового оборудования
  7. Вторичные цепи
  8. Популярные виды и стоимость трансформаторов
  9. Возможные неисправности

Особенности конструкции и принцип работы

Принцип работы трансформаторов тока основан на использовании закона электромагнитной индукции.

Прибор состоит из следующих элементов:

  • первичной и вторичной обмоток;
  • замкнутого сердечника (магнитопровода).

Принцип работы трансформатора

Обмотки накручены вокруг сердечника, изолированно от него и друг от друга. Иногда первичная обмотка может заменяться медной или алюминиевой шиной. Трансформация величины электрического тока происходит за счёт разницы количества витков первичной и вторичной обмоток. В большинстве случаев устройство предназначено для снижения показателя тока, поэтому вторичная обмотка выполняется с меньшим количеством витков, нежели первичная.

Электроток подаётся на первичную обмотку при последовательном подключении. В результате на катушке формируется магнитный поток и наводится электродвижущая сила, вызывающая возникновение тока на выходной катушке.

К выходной обмотке подключают потребляющий прибор, в зависимости от целей, для которых используется устройство.

Некоторые устройства выполняются с несколькими выходными катушками, что позволяет путём переключения изменять величину трансформации электрического тока. В целях безопасности, для обеспечения защиты при пробое изоляции, выходной контур заземляется.

Виды трансформаторов тока

Данные электротехнические устройства классифицируются по нескольким характеристикам. В зависимости от назначения токовые трансформаторы могут быть:

  • защитными – снижающими параметры тока для предотвращения выхода из строя потребляющих устройств;
  • измерительными – через которые подключаются средства измерения, в том числе электросчётчики;
  • промежуточными – устанавливаемыми в системы релейной защиты;
  • лабораторными – используемыми для исследовательских целей, обладающими низкой погрешностью измерения, нередко – с несколькими коэффициентами трансформации.

Учитывая характер условий эксплуатации, различают трансформаторы:

    для наружной установки – защищённые от воздействия атмосферных факторов, которые можно использовать на открытом воздухе;

Три трансформатора тока для 3-х фаз(А, B? C)
внутренние – применяемые внутри помещений;

ТТ для установки внутри помещений
встроенные – расположенные внутри электрических приборов и являющиеся их составной частью(3 ТА для каждой фазы показаны стрелкой).

Встроенные ТТ

В зависимости от исполнения первичных обмоток различают устройства:

  • одновиткового исполнения;
  • многовитковые;
  • шинные.

С учётом способа установки их подразделяют на следующие типы:

  • проходной;
  • опорный.

По числу ступеней изменения тока выделяют трансформаторы:

  • одноступенчатого,
  • двухступенчатого (каскадного) типа.

Устройства, в зависимости от величины напряжения, на которое они рассчитаны делят на предназначенные для работы в условиях более и менее 1000 В.

Для изготовления сердечника применяется специальная трансформаторная сталь. Изоляция выполняется сухой (бакелитовой, фарфоровой), обычной или бумажно-масляной.

Расшифровка маркировки

Технические параметры

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; Формула по вычислению коэффициента трансформации

  • 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).
  • Погрешностью значения электротока – вызывается намагничиванием;
  • Номинальной нагрузкой, определяющей нормальную работу прибора;
  • Номинальной предельной кратностью – максимально допустимое значение отношения первичного значения электротока к номинальному;
  • Предельной кратностью вторичного тока – соотношение наибольшего тока вторичной обмотки к его номинальной величине.
  • Значения которыми могут обладать ТТ

    При выборе устройства необходимо учитывать значение указанных и других характеристик.

    Схемы подключения трансформаторов тока

    Силового оборудования

    Схема подключения для 110 кВ и выше:

    Схема подключения для 6-10 кВ в ячейках КРУ:

    Вторичные цепи

    Схема включение трансформатора тока в полную звезду:

    Схема включение трансформатора тока в неполную звезду(З а счет распределения токов на дополнительном приборе получается отобразить векторную сумму фаз А и С, которая противоположно направлена вектору фазы В при симметричном режиме нагрузки сети):

    Схема включение трансформатора тока в неполную звезду(для контроля линейного тока с помощью реле):

    Схема включение трансформатора тока в полную звезду с подключением обмотки реле к фильтру нулевой последовательности(ФТНП):

    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.

    Для чего предназначен трансформатор тока

    Вторичные обмотки трансформатора тока (не менее одной на каждый магнитопровод) обязательно нагружаются. Сопротивление нагрузки строго регламентировано требованиями к точности коэффициента трансформации. Незначительное отклонение сопротивления вторичной цепи от номинала (указанного на табличке) по модулю полного Z или cos ф (обычно cos = 0.8 индукт.) приводит к изменению погрешности преобразования и возможно ухудшению измерительных качеств трансформатора. Значительное увеличение сопротивления нагрузки создает высокое напряжение во вторичной обмотке, достаточное для пробоя изоляции трансформатора, что приводит к выходу трансформатора из строя, а также создает угрозу жизни обслуживающего персонала. Кроме того, из-за возрастающих потерь в сердечнике магнитопровод трансформатора начинает перегреваться, что так же может привести к повреждению (или, как минимум, к износу) изоляции и дальнейшему её пробою. Полностью разомкнутая вторичная обмотка ТТ не создает компенсирующий магнитный поток в сердечнике, что приводит к перегреву магнитопровода и его выгоранию. При этом магнитный поток, созданный первичной обмоткой имеет очень высокое значение и потери в магнитопроводе сильно нагревают его.

    Коэффициент трансформации измерительных трансформаторов тока является их основной характеристикой. Номинальный (идеальный) коэффициент указывается на шильдике трансформатора в виде отношения номинального тока первичной (первичных) обмоток к номинальному току вторичной (вторичных) обмоток, например, 100/5 А или 10-15-50-100/5 А (для первичных обмоток с несколькими секциями витков). При этом реальный коэффициент трансформации несколько отличается от номинального. Это отличие характеризуется величиной погрешности преобразования, состоящей из двух составляющих – синфазной и квадратурной. Первая характеризует отклонение по величине, вторая отклонение по фазе вторичного тока реального от номинального. Эти величины регламентированы ГОСТами и служат основой для присвоения трансформаторам тока классов точности при проектировании и изготовлении. Поскольку в магнитных системах имеют место потери связанные с намагничиванием и нагревом магнитопровода, вторичный ток оказывается меньше номинального (т.е. погрешность отрицательная) у всех трансформаторов тока. В связи с этим для улучшения характеристик и внесения положительного смещения в погрешность преобразования применяют витковую коррекцию. А это означает, что коэффициент трансформации у таких откорректированных трансформаторов не соответствует привычной формуле соотношений витков первичной и вторичной обмоток.

    Схемы подключения измерительных трансформаторов тока


    В трехфазных сетях с напряжением 6-10 кВ устанавливаются трансформаторы как во всех трех фазах, так и только в двух (A и C). В сетях с напряжением 35 кВ и выше трансформаторы тока в обязательном порядке устанавливаются во всех трех фазах.

    В случае установки в три фазы вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются в «звезду» (рис.1), в случае двух фаз — «неполную звезду» (рис.2). Для дифференциальных защит трансформаторов с электромеханическими реле трансформаторы подключают по схеме «треугольника»

    Классификация трансформаторов тока

    Трансформаторы тока классифицируются по различным признакам:

    1. По назначению трансформаторы тока можно разделить на измерительные, защитные, промежуточные (для включения измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты, для выравнивания токов в схемах дифференциальных защит и т. д.) и лабораторные (высокой точности, а также со многими коэффициентами трансформации).

    2. По роду установки различают трансформаторы тока: а) для наружной установки (в открытых распределительных устройствах); б) для закрытой установки; в) встроенные в электрические аппараты и машины: выключатели, трансформаторы, генераторы и т. д.; г) накладные – надевающиеся сверху на проходной изолятор (например, на высоковольтный ввод силового трансформатора); д) переносные (для контрольных измерений и лабораторных испытаний).

    3. По конструкции первичной обмотки трансформаторы тока делятся на:

    а) многовитковые (катушечные, с петлевой обмоткой и с восьмерочной обмоткой); б) одновитковые (стержневые); в) шинные.

    4. По способу установки трансформаторы тока для закрытой и наружной установки разделяются на:

    а) проходные; б) опорные.

    5. По выполнению изоляции трансформаторы тока можно разбить на группы: а) с сухой изоляцией (фарфор, бакелит, литая эпоксидная изоляция и т. д.); б) с бумажно-масляной изоляцией и с конденсаторной бумажно-масляной изоляцией; в) газонаполненные (элегаз); в) с заливкой компаундом.

    6. По числу ступеней трансформации имеются трансформаторы тока:

    а) одноступенчатые; б) двухступенчатые (каскадные).

    7. По рабочему напряжению различают трансформаторы:

    а) на номинальное напряжение свыше 1000 В; б) на номинальное напряжение до 1000 В.