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.

Принцип работы

Действие устройств базируется на явлении электромагнитной индукции. При подаче напряжения в ТТ через витки первой обмотки проходит переменный ток, который в дальнейшем формирует переменный магнитный поток. В результате большие величины преобразуются в те значения, которые безопасны и удобны для измерения.

Первичная обмотка запускается медленно и последовательно, чаще все она представляет собой алюминиевую или медную пластину, реже используются катушки. Для замыкания на нагрузку используется вторичная обмотка, в которой создается ток, его величина пропорциональна потоку в первом элементе.

Полученный ток проходит по сердечнику и перераспределяется во все обмотки, продуцируя в них электродвижущие силы. При включении в цепь последующих обмоток в их витках также образовывается вторичный ток.

Конструкция ТТ

Данные изделия можно встретить как в небольших электронных приборах, так и в значительных по объему энергетических установках. Различия между ними заключаются лишь в габаритах.

Конструктивно трансформаторы состоят из двух элементов:

  • замкнутый магнитопровод (сердечник);
  • 2 и более обмотки (первичная и вторичные).

Все детали помещаются в специальный корпус, который служит как защита от механических повреждений.

Основные характеристики

Одним из важнейших параметров ТТ является номинальное напряжение, то есть максимальные значения напряжения, при которых устройство может корректно работать. Этот показатель указывается в паспорте трансформатора, средняя цифра составляет от 0,66 до 750 кВ.

К числу основных параметров ТТ относят и коэффициент трансформации. Он определяется как отношение первичного тока к вторичному.

Другая важная характеристика систем – номинальный ток первичной сети (протекающий по первичной обмотке). Значение может составлять от 1 А до 40 тысяч А. Показатели вторичного тока всегда равняются 1 А или 5 А, по заказу изготавливаются модели с 2 А и 2,5 А.

Еще два важных параметра устройств – это электродинамическая и термическая стойкость. Первая – характеризует максимальную амплитуду тока короткого замыкания. Если сказать проще, то это способность трансформатора противостоять разрушающему воздействию короткого замыкания.

Термическая стойкость – это максимальный показатель для короткого замыкания, которое система может выдержать за определенный промежуток времени и не пострадать от высоких температур.

Виды трансформаторов тока по назначению

Выделяют следующие разновидности:

  • Измерительные. Подобные устройства служат для передачи токов на специальные приборы измерения. Используются, если прямое подключение измерителей невозможно или небезопасно. ТТ рассчитываются таким образом, чтобы минимально влиять на первичную цепь и минимизировать любые искажения силы тока.
  • Промежуточные. Применяются в целях релейной защиты, обеспечивают изоляцию тока в первичной и вторичной обмотке.
  • Лабораторные. Отличаются повышенной точностью, предназначаются для моделирования определенной силы тока.
  • Защитные. Подключаются к токовым цепям защиты. Нередко номинальный ток таких систем существенно отличается от тока сети. Производители присваивают защитным устройствам определенный класс точности, что позволяет использовать их в качестве измерительных.

Классификация по способу исполнения

Отдельно стоит рассматривать способ исполнения ТТ, так как в этом случае также существует несколько вариантов. Выделяют следующие виды:

  • Тороидальные. Устанавливаются на кабели или шины, поэтому первичная обмотка им вообще не нужна. Первичный ток в этом случае протекает по шине, проходит через сердечник и фиксируется вторичной обмоткой.
  • Сухие. У таких изделий первичная обмотка не имеет изоляции, поэтому свойства получаемого тока зависят от используемого коэффициента преобразования.
  • Высоковольтные (масляные и газовые). Используются для дополнительной защиты от короткого замыкания, а для измерительных работ – не годятся.

Варианты установки трансформаторов

Помимо назначения и способа исполнения, трансформатор тока можно разделить на несколько видов в зависимости от способа монтажа. Выделяют следующие устройства:

  • Переносные. Мобильные модели, которые служат для диагностических и лабораторных испытаний.
  • Накладные. Применяются для установки сверху на проходные изоляторы, отличаются компактностью и имеют специальные крепления для монтажа.
  • Встраиваемые. Такие изделия встроены в электрические машины или коммутационные аппараты (например, в генераторы или похожие устройства).

Дополнительно выделяют трансформаторы для наружной установки (нужны для ОРУ – открытых распределительных устройств) и внутреннего монтажа (для ЗРУ – закрытых распределительных устройств).

Независимо от типа и способа монтажа, все устройства, кроме встроенных, имеют специальную контактную площадку. С ее помощью подсоединяется заземляющий проводник и зажим, что, в конечном счете, максимально упрощает процесс установки.

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

Устройство и принцип работы трансформатора тока

Время на чтение:

Трансформатор тока (ТТ) — статическое электромагнитное устройство, где первичная обмотка подсоединена к источнику питания, а вторая — к измерительным или защитным аппаратам, обладающим малым сопротивлением. Преобразователи широко применяются для измерения величины тока и в агрегатах релейной защиты энергетических систем. Они обеспечивают полную безопасность проведения измерений в высоковольтных линиях.

Особенности конструкции

При работе трансформатора тока вторичная обмотка всегда находится под нагрузкой, сопротивление которой регулируется требованиями к точности коэффициента трансформации. Допускается незначительное отклонение сопротивления от указанного в паспорте устройства.

Если произойдет увеличение нагрузки, то во второй обмотке резко возрастет напряжение, что может привести к пробою изоляции и поломке устройства. Такая ситуация создает угрозу безопасности сотрудникам, которые обслуживают электрический прибор. В устройство трансформатора тока входят:

  • основание;
  • магнитопровод (сердечник);
  • первичная обмотка;
  • вторичная обмотка;
  • клеммник для подсоединения кабеля от источника питания;
  • заземляющий контакт.

Первичная обмотка изготавливается в виде катушки, закрепленной на магнитопроводе, или как шина. Согласно конструктивного исполнения в некоторых устройствах нет встроенной первичной катушки, а дополняется она обслуживающим персоналом путем соединения отдельного провода через специальное окно.

Корпус устройства выполняет роль изоляции и предохранения обмоток от внешних повреждений. В последних моделях устройств сердечники изготавливаются из нанокристаллических сплавов, которые значительно увеличивают класс точности прибора.

Из-за больших потерь в сердечнике устройство начинает сильно нагреваться, что приводит к износу или выходу из строя его изоляции. Вторая обмотка в разомкнутом состоянии также создает негативное явление, так как происходит перегрев и выгорание магнитного провода.

Основной характеристикой прибора считается коэффициент трансформации, который обозначает отношение номинального тока в первичной обмотке к такому же значению во вторичной. Реальное значение этого коэффициента несколько отличается от номинального, что объясняется степенью погрешности прибора.

Связано это с тем, что в магнитных конструкциях имеются потери, связанные с намагничиванием и нагревом магнитопровода. Чтобы несколько сгладить эти погрешности производители используют витковую коррекцию.

Назначение устройства

По своему назначению трансформаторы тока относятся к специальным вспомогательным устройствам, применяемых в комплексе с различной измерительной аппаратурой и защитными механизмами в сетях переменного тока.

Принципом работы трансформатора тока считается преобразование любых величин, которые приобретают более воспринимаемые значения для получения информации и обеспечения питания защитных реле. Благодаря изоляции аппаратов, сотрудники обслуживающей организации надежно защищены от поражения током. Все виды трансформаторов могут служить для двух функций:

  1. Измерение силы тока в цепи — с их помощью передаются данные на измерительные приборы, которые подключены ко вторичной обмотке. В этом случае трансформатор может преобразовать ток высокой величины в более приемлемые параметры.
  2. Предохранительные действия — устройства в первую очередь передают данные на защитные аппараты и приборы управления. С помощью трансформаторов электрические показатели преобразуются для питания релейного оборудования.

По своему назначению и принципу действия трансформаторы тока способствуют подсоединению измерительных приборов к энергетическим линиям высокого напряжения, когда нет возможности подключить их напрямую. Они нужны для передачи снятых показаний на аппаратуру измерения, которая подключается ко вторичной обмотке.

Кроме того, преобразователи проводят наблюдение за состоянием электрического тока в цепи, к которому они подключены. При подсоединении к силовой автоматической защите устройство проводит мониторинг сетей, наличие и состояние заземления. Если ток достигает максимального значения, то автоматически включается защита и останавливается работа всего оборудования.

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.

Классификация приборов

Все разновидности агрегатов классифицируются в зависимости от конструкции и того, какими техническими показателями обладают. Кроме измерительных и защитных трансформаторов, бывают промежуточные виды этих преобразователей. В этом случае прибор подключается для проведения измерения в цепь релейной защиты.

Выделяются лабораторные виды преобразователей, которые обладают повышенной точностью измерения и множеством коэффициентов трансформации. Токовые трансформаторы подразделяются:

  1. По способу установки — преобразователь предназначен для наружного и внутреннего монтажа. Компактные модели могут быть переносными или встраиваются в машины и электрические аппараты. Наружный и внутренний монтаж подразумевает проходной или опорный способ установки.
  2. В зависимости от типа первичной обмотки — оборудование подразделяется на одновитковые, стержневые, многовитковые, катушечные и шинные устройства.
  3. При изолировании трансформаторов применяются: бакелит, фарфор и другие материалы. Некоторые марки устройств для изоляции заливаются компаундом.

От того как устроен преобразователь, он может иметь одну или две ступени. Эксплуатационное напряжение устройств находится в диапазоне до 1 тыс. В и выше. Все необходимые технические данные имеют буквенные, цифровые обозначения и присутствуют на соответствующих бирках.

Популярные модели

Любая выпускаемая марка прибора обладает отдельными параметрами и техническими характеристиками. Отечественные производители выпускают большое количество этих устройств. К ним относятся:

  1. ТОЛ-НТЗ-10−01 — выпускается Невским трансформаторным заводом «Волхов» и используется для передачи показаний к измерительной аппаратуре. Кроме того, его применяют в электрических цепях с устройствами защиты и управления. Преобразователь выпускается в виде опорной конструкции второй категории размещения. Прибор применяется в сетях с напряжением до 10 кВ и обладает сроком службы до 30 лет.
  2. ТОП-0,66 — применяются в энергетических сетях переменного тока с напряжением до 0,66 кВ. Корпус устройства изготовлен из негорючего материала. Эксплуатация агрегата возможна в диапазоне температур от -45 до +50 °C и в любом положении. Первичная шина трансформатора состоит из меди, покрытой оловом.
  3. ВВ, ВВО — проходные шинные трансформаторы тока, изготовленные в компаундном корпусе. Используют приборы в сетях переменного тока напряжением до 24 кВ. Обладают механическим изменением коэффициента трансформации на обеих обмотках.

Трехфазные устройства подключаются в сеть «треугольником» или «звездой». В первом случае удается получить большое значение тока во вторичной обмотке, а во втором — возможно отследить значение тока в каждой фазе.

Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение

Доверь свою работу кандидату наук!

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

  • импульсные трансформаторы;
  • силовые трансформаторы;
  • трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд – ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!