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

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.

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:  Как прикрутить розетку

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.
Читайте также:  Как померить силу тока мультиметром

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.

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.

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.

Читайте также:  Как замерить сопротивление изоляции

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

Что такое и зачем нужен трансформатор тока

Для измерения токов в силовых цепях переменного напряжения применяют трансформаторы тока. Они применяются как в цепях до 1000 В так и выше 1000 В. Они имеют стандартные токи вторичной цепи – 1 А или 5 А и измерительные приборы и реле выполняют на этот ток. Вторичная обмотка трансформатора обязательно заземляется, чтоб в случае пробоя изоляции измерительные устройства не оказались под напряжением первичной цепи.

Схема такого трансформатора показана ниже:

Главной особенностью таких устройств является то, что ток, протекающий в первичной цепи абсолютно независим от режимов работы вторичной цепи. Во вторичной цепи трансформатора предохранитель не ставят, так как обрыв вторичной цепи трансформатора тока – это аварийный режим работы. Почему так мы рассмотрим в следующих статьях.

Основные параметры трансформаторов тока

Номинальное напряжение

Это напряжение линейное сети, в которой должен работать трансформатор. Именно это напряжение будет определять изоляцию между обмотками, одна из которых будет находится под высоким потенциалом, а вторая заземлена.

Номинальные токи

Токи, при которых устройство может работать в длительном режиме не перегреваясь. Как правило, такие трансформаторы имеют большой запас по нагреву и могут работать нормально с перегрузкой в 20%.

Коэффициент трансформации

Отношение первичного и вторичного тока определяемый формулой:

Коэффициент трансформации действительный будет иметь отличия от номинального ввиду потерь в трансформаторе.

Токовая погрешность

В процентах имеет вид:

Где I2 – вторичный, I1 ‘ — первичный приведенный токи.

Угловая погрешность

В реальном трансформаторе первичная составляющая по фазе сдвинута от вторичной на угол отличный от 180 0 . Для отсчета угловой погрешности вектор вторичной составляющей поворачивают на 180 0 . Угол между вектором первичной составляющей и этим вектором носит название угловой погрешности. Если перевернутый вектор вторичной составляющей опережает первичную – то погрешность будет положительной, если отстает – отрицательной. Измеряется такой вид погрешности в минутах.

Соответственно трансформаторы тока имеют свой класс точности согласно ГОСТ – 0,2;0,5;1;3;10. Класс точности говорит о допустимой погрешности в процентах Z2 = Z2н.

Полная погрешность

Определяется в процентах %, и имеет формулу:

Где: I1 – действующее первичное значение, i1, i2 – мгновенные значения первичных и вторичных токов, Т – период частоты напряжения переменного.

Номинальная нагрузка

Нагрузка, определяемая в Омах, при которой трансформатор будет работать в пределах своего класса точности и с cosφ=0,8. Иногда могут применять понятие номинальной мощности Р:

Поскольку значение I строго нормировано, то мощность трансформатора будет зависеть только от нагрузки Z.

Номинальная предельная кратность

Кратность первичного тока к значению его номинальному, при котором погрешность его может достигать примерно 10%. При этом нагрузка и ее коэффициенты мощности должны быть номинальными.

Максимальная кратность вторичного тока

Отношение максимального вторичного тока, к номинальному его значению при действующей вторичной нагрузке равной номинальной. Максимальная кратность определяется насыщением магнитопровода, это когда при дальнейшем увеличении первичного тока, вторичный остается неизменным.