Из-за такого расположения трансформатор тока также часто называют “последовательным трансформатором”, поскольку первичная обмотка, которая никогда не имеет более нескольких витков, соединена последовательно с проводником, по которому течет ток, питающий нагрузку.
Как работает трансформатор тока
Трансформатор тока – это тип “измерительного трансформатора”, который предназначен для получения переменного тока во вторичной обмотке, пропорционального току, измеряемому в первичной обмотке. Трансформаторы тока уменьшают ток высокого напряжения до гораздо меньшего значения и обеспечивают удобный способ безопасного контроля фактического электрического тока, протекающего в сети переменного тока, с помощью стандартного амперметра.
Основной принцип работы трансформатора тока несколько отличается от принципа работы обычного трансформатора напряжения.
Трансформатор тока состоит из одной или нескольких катушек, образующих его первичную обмотку. Первичная обмотка может иметь одну плоскую катушку, или катушку из сверхпрочного провода, намотанного на сердечник, или просто проводник или шину, расположенную в центральном отверстии, как показано на рисунке.
Из-за такой схемы трансформатор тока также часто называют “последовательным трансформатором”, поскольку первичная обмотка, которая никогда не имеет более нескольких витков, соединена последовательно с проводником, по которому течет ток для питания нагрузки.
Однако вторичная обмотка может иметь большое количество витков, намотанных на многослойный сердечник из магнитного материала с низкими потерями. Этот сердечник имеет большую площадь поперечного сечения, поэтому плотность создаваемого магнитного потока низкая, если используется проводник с меньшей площадью поперечного сечения, в зависимости от того, какой ток должен быть ступенчатым при попытке выдать постоянный ток, независимо от подключенной нагрузки.
Вторичная обмотка подает ток либо на короткозамкнутый амперметр, либо на резистивную нагрузку до тех пор, пока напряжение, индуцированное во вторичной обмотке, не станет достаточно большим, чтобы насытить сердечник или вызвать повреждение из-за чрезмерного пробоя напряжения.
В отличие от трансформатора напряжения, первичный ток трансформатора тока не зависит от вторичного тока нагрузки, а управляется внешней нагрузкой. Вторичный ток обычно имеет стандартный номинал 1 Ампер или 5 Ампер для больших значений первичного тока.
Существует три основных типа трансформаторов тока:
- Трансформатор тока с обмоткой – первичная обмотка трансформатора физически соединена последовательно с проводником, по которому течет измеряемый ток, протекающий в цепи. Величина вторичного тока зависит от коэффициента скрутки трансформатора.
- Тороидальный трансформатор тока – не имеет первичной обмотки. Вместо этого линия, по которой течет ток в цепи, проходит через окно или отверстие в тороидальном трансформаторе. Некоторые трансформаторы тока имеют “расщепленный сердечник”, что позволяет открывать, устанавливать и закрывать их без отключения цепи, к которой они подключены.
- Трансформатор тока с сердечником – этот тип трансформатора использует фактический кабель или шину главной цепи в качестве первичной обмотки, что соответствует одной катушке. Они полностью изолированы от высокого рабочего напряжения системы и обычно крепятся болтами к токоведущему устройству.
Обозначения:
Конструкция и принцип действия трансформаторов тока
Конструктивно трансформаторы тока состоят из:
- Замкнутая магнитная цепь;
- 2 обмотки (первичная, вторичная).
Первичная обмотка соединена последовательно, так что через нее протекает ток полной нагрузки. Вторичная обмотка замыкается на нагрузку (защитные реле, измерительные приборы и т.д.) так, что в ней протекает ток, пропорциональный току первичной обмотки.
Поскольку сопротивление измерительных устройств пренебрежимо мало, предполагается, что все трансформаторы тока работают в режиме, подобном схеме.
Это означает, что геометрическая сумма магнитных потоков равна разности потоков, создаваемых двумя обмотками.
Традиционно трансформаторы тока изготавливаются с несколькими группами вторичных обмоток, одна из которых предназначена для подключения устройств защиты, а другие – для подключения устройств контроля, диагностики и измерения.
К этим обмоткам должна быть подключена нагрузка.
Его сопротивление строго регламентировано, так как даже небольшое отклонение от опорного значения может привести к увеличению погрешности, а значит, к снижению качества измерения, неселективной работе реле.
Смотрите ниже интересное видео о трансформаторах тока:
Погрешность КТ определяется в зависимости от:
- площадь поперечного сечения магнитопровода;
- проницаемость материала, из которого изготовлен магнитопровод;
- размер магнитного пути.
Большое увеличение сопротивления нагрузки во вторичной цепи создает высокое напряжение во вторичной цепи, что приводит к пробою изоляции и, как следствие, к выходу трансформатора из строя.
Предел устойчивости к нагрузкам указан в справочных материалах.
Соединение в первичной цепи осуществляется последовательно с проводником. Вторичная обмотка подключается к какой-либо нагрузке в виде измерительных приборов и различных реле. Между токами двух обмоток существует пропорциональная зависимость, соответствующая количеству витков. Для высоковольтных трансформаторов изоляция между обмотками должна быть рассчитана на полное рабочее напряжение. Обычно один конец вторичной обмотки заземлен, так что потенциал обмотки и потенциал земли будут примерно одинаковыми.
Все трансформаторы тока предназначены для выполнения двух основных функций: измерения и защиты. В некоторых устройствах обе функции могут быть совмещены.
Назначение трансформаторов тока
Трансформаторы тока относятся к категории специальных вспомогательных устройств, используемых совместно с различными измерительными приборами и реле в цепях переменного тока. Основной задачей этих трансформаторов является преобразование любого значения тока в значение, наиболее подходящее для измерения, питания разъединителей и обмоток реле. Благодаря изоляции оборудования обслуживающий персонал надежно защищен от токов высокого напряжения.
Трансформаторы тока предназначены для высоковольтных электрических цепей, где прямое подключение измерительных приборов невозможно. Их основная функция – передача показаний электрического тока измерительным приборам, подключенным к вторичной обмотке.
Важной функцией трансформаторов является контроль состояния электрического тока в цепи, к которой они подключены. Во время подключения к силовому реле производится непрерывная проверка сети, наличия и состояния заземления. Когда ток достигает аварийного значения, срабатывает защита, отключая все используемое оборудование.
Опасности, связанные с трансформаторами тока
Трансформаторы тока – принцип действия и применение
В электроэнергетических системах часто необходимо преобразовывать определенные электрические величины в аналоги с пропорционально измененными значениями. Это позволяет моделировать определенные процессы в электроустановках и безопасно проводить измерения.
Работа трансформатора тока (ТТ) основана на законе электромагнитной индукции, действующей в электрическом и магнитном полях, которые изменяются в виде гармонических переменных синусоидальных величин.
Он преобразует первичное значение вектора тока, протекающего в цепи питания, во вторичное уменьшенное значение с пропорциональным модулем и точным угловым коэффициентом.
Принцип работы трансформатора тока
Процессы, происходящие при преобразовании электрической энергии в трансформаторе, показаны на схеме.
Через первичную силовую обмотку с числом витков w1 протекает ток I1, преодолевая ее сопротивление Z1. Вокруг этой катушки создается магнитный поток F1, который принимается массивом магнитных катушек, перпендикулярных направлению вектора I1. Такая ориентация обеспечивает минимальные потери электрической энергии при преобразовании ее в магнитную.
Проходя через перпендикулярно расположенные катушки обмотки w2, поток F1 индуцирует электродвижущую силу E2, которая вызывает ток I2 во вторичной обмотке, преодолевая полное сопротивление катушки Z2 и подключенной выходной нагрузки Zn. Это вызывает падение напряжения U2 на клеммах вторичной цепи.
Величина K1, определяемая соотношением векторов I1/I2, называется коэффициентом трансформации. Его величина определяется при проектировании устройства и измеряется в сборных конструкциях. Разница между реальными значениями модели и расчетными значениями оценивается по метрологической характеристике – классу точности трансформатора тока.
В реальных условиях эксплуатации токи обмоток не являются постоянными величинами. По этой причине принято определять коэффициент трансформации по его номинальным значениям. Например, выражение 1000/5 означает, что при рабочем первичном токе в 1 килоампер во вторичных обмотках будет действовать нагрузка в 5 ампер. На основе этих значений рассчитывается долгосрочная работа трансформатора тока.
Магнитный поток Ф2 от вторичного тока I2 уменьшает значение потока Ф1 в магнитопроводе. Генерируемый таким образом поток Фт трансформатора определяется геометрической суммой векторов F1 и F2.
Учебный плакат “Трансформаторные измерения:
Опасности, связанные с эксплуатацией трансформаторов тока
Потенциальная опасность поражения электрическим током из-за высокого потенциала напряжения в случае нарушения изоляции.
Поскольку магнитопровод ТТ изготовлен из металла, является высокопроводящим и соединяет изолированные обмотки (первичную и вторичную) магнитным способом, существует повышенный риск поражения электрическим током персонала или повреждения оборудования в случае нарушения изоляционного слоя.
Чтобы этого не произошло, один из выводов вторичной обмотки трансформатора заземляется для отвода через него потенциала высокого напряжения в случае неисправности.
Эта клемма всегда обозначена на устройстве и указана на электрических схемах.
Опасность поражения высоким напряжением из-за обрыва вторичной цепи
Клеммы вторичной обмотки обозначены “I1” и “I2”, поэтому направление протекающих токов полярное, совпадающее во всех обмотках. Они всегда должны быть подключены к нагрузке при работающем трансформаторе.
Это происходит потому, что ток, протекающий в первичной обмотке, имеет высокий потенциал (S=UI), который преобразуется во вторичной цепи с малыми потерями, и при ее разрыве составляющая тока резко уменьшается до значения утечки в окружающей среде, но падение напряжения на разорванном участке значительно увеличивается.
Потенциал через разомкнутые контакты во вторичной цепи может достигать нескольких киловольт при протекании тока в первичной цепи, что очень опасно.
По этой причине все вторичные цепи трансформаторов тока всегда должны быть надежно собраны, а на обмотках или сердечниках, вышедших из строя, всегда должны быть установлены шунтирующие наконечники.
Конструктивные решения, используемые в системах трансформаторов тока
Как электротехническое устройство, каждый трансформатор тока предназначен для выполнения определенных задач при эксплуатации электроустановок. Промышленность выпускает их в широком ассортименте. Однако в некоторых случаях проще использовать готовые модели с отработанной технологией, чем разрабатывать и производить новые.
Принцип работы одной катушки ТТ (в первичной цепи) является базовым и показан на рисунке слева.
В этом случае первичная обмотка, экранированная изоляцией, состоит из простой шины L1-L2, проходящей через магнитопровод трансформатора, а вторичная обмотка намотана катушками вокруг него и подключена к нагрузке.
Принцип изготовления многокатушечного томографа с двумя сердечниками показан справа. В этом случае берутся два одножильных трансформатора с собственными вторичными цепями и через их сердечники пропускается определенное количество витков питающей обмотки. Таким образом, не только усиливается мощность, но и дополнительно увеличивается количество подключенных выходных цепей.
Эти три принципа могут быть модифицированы различными способами. Например, использование нескольких одинаковых обмоток вокруг одной катушки обычно используется для создания отдельных, независимых вторичных цепей, которые работают независимо друг от друга. Их принято называть ядрами. Таким образом, к токовым цепям одного трансформатора тока подключаются различные автоматические выключатели или линейные защитные устройства (трансформаторы).
Комбинированные трансформаторы тока используются в силовом оборудовании с тяжелой катушкой трансформатора тока, которая используется для аварийного режима работы оборудования, и обычным трансформатором тока, который используется для измерений при номинальных условиях сети. Обмотки, намотанные на армированное железо, используются для управления устройствами безопасности, а обычные обмотки – для измерения тока или мощности/сопротивления.
Они известны как:
защитные обмотки, обозначенные индексом “Р” (реле);
измерительные обмотки, обозначенные цифрами класса метрологической точности CT, например, “0,5”.
Защитные обмотки измеряют вектор первичного тока с точностью 10% при нормальной работе трансформатора тока. По этой причине их называют “десятью процентами”.
Принцип определения точности трансформатора можно оценить по схеме, показанной на рисунке. В этой схеме все значения первичных величин условно связаны с действием во вторичных обмотках.
Диаграмма описывает все процессы в обмотках с учетом энергии, затраченной на намагничивание сердечника током I.
Из векторной диаграммы, построенной на основе этой диаграммы (треугольник SB0), видно, что ток I2 отличается от I’1 на величину намагниченности I us.
Чем больше эти отклонения, тем ниже точность трансформатора тока. Для того чтобы учесть погрешности измерения КТ, были приняты следующие термины:
относительная погрешность тока, выраженная в процентах;
угловая погрешность, рассчитанная по длине дуги AB в радианах.
Абсолютная величина отклонения векторов тока первичной и вторичной обмоток определяется сегментом переменного тока.
Общепромышленные трансформаторы тока выпускаются в классах точности 0,2; 0,5; 1,0; 3 и 10%.
Практическое применение трансформаторов тока
Разнообразие их моделей можно встретить как в небольших электронных устройствах, помещающихся в маленький корпус, так и в силовом оборудовании со значительными габаритами в несколько метров. Они делятся на категории в зависимости от сферы применения.
Классификация трансформаторов тока
Они делятся на различные типы в зависимости от их функции:
- измерительные токи, которые передают токи на измерительные устройства;
- трансформаторы тока защиты, которые подключаются к токовым цепям устройств защиты;
- лаборатории, с высоким классом точности;
- промежуточный, используется для повторных преобразований.
Измерительные системы используются при эксплуатации объектов:
для наружной установки;
для закрытых установок;
встроенные в оборудование;
Поверхностный – носится на рукаве;
Портативность, позволяющая проводить измерения в различных местах.
В зависимости от величины рабочего напряжения устройства ТТ могут быть:
высокое напряжение (более 1000 В);
номинальное напряжение до 1 киловольта.
Трансформаторы тока также классифицируются в зависимости от способа изготовления изоляционных материалов, количества ступеней трансформации и других характеристик.
Дистанционные трансформаторы тока используются для работы систем измерения энергии, учета и защиты линий или силовых автотрансформаторов.
На рисунке ниже показано их расположение для каждой фазы линии и монтаж вторичных цепей в клеммной коробке в распределительном устройстве 110 кВ для силового автотрансформатора.
Те же задачи выполняют трансформаторы тока в распределительных устройствах 330 кВ, но из-за сложности оборудования более высокого напряжения они имеют гораздо большие размеры.
В энергетическом оборудовании обычно используются конструкции встраиваемых трансформаторов тока, которые размещаются непосредственно на корпусе силовой установки.
Они имеют вторичные обмотки с выводами, расположенными вокруг высоковольтных втулок в герметичном корпусе. Кабели от клемм ТТ прокладываются к клеммным коробкам, прикрепленным здесь.
Внутри высоковольтных трансформаторов тока в качестве изолятора обычно используется специальное трансформаторное масло. Пример такой конструкции показан на чертеже трансформаторов тока серии ТФЗМ, предназначенных для работы при напряжении 35 кВ.
До 10 кВ включительно для изоляции между обмотками в конструкции корпуса используются твердые диэлектрические материалы.
Примером может служить трансформатор тока марки ТПЛ-10, используемый в распределительных устройствах и других типах коммутационных аппаратов.
Пример подключения цепи вторичного тока одного из сердечников защиты REL 511 для выключателя линии 110 кВ показан на упрощенной схеме.
Неисправности в трансформаторах тока и их устранение
В случае трансформаторов тока под нагрузкой сопротивление электрической изоляции или проводимость обмоток могут быть повреждены из-за перегрева, непреднамеренных механических воздействий или неправильного монтажа.
В работающем оборудовании изоляция часто повреждается, что приводит к короткому замыканию между обмотками (ограничение передачи мощности) или токам утечки через случайно образованные цепи вплоть до короткого замыкания.
Для выявления неисправностей в монтаже силовой цепи проводятся периодические проверки рабочего контура с помощью тепловизионных камер. Это является основой для своевременного устранения неисправных контактов и снижения перегрева оборудования.
Отсутствие межобмоточных коротких замыканий проверяется специалистами лабораторий релейной защиты:
Считывание вольт-токовых характеристик;
загрузка трансформатора от внешнего источника;
измерение основных параметров в рабочей цепи.
Они также анализируют значение коэффициента трансформации.
Связь между векторами тока первичной и вторичной обмоток по величине оценивается во всех операциях. Их угловое отклонение не реализуется из-за отсутствия точного фазоизмерительного оборудования, которое используется для поверки трансформаторов тока в метрологических лабораториях.
Проведение высоковольтных диэлектрических испытаний входит в обязанности лаборатории по обслуживанию изоляции.
Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею с нами в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!
Сердечник изготовлен из специальной трансформаторной стали. Изоляция сухая (бакелитовая, фарфоровая), обычная или бумажно-масляная.
Схемы подключения трансформаторов тока
Энергетическое оборудование
Схема подключения для 110 кВ и выше:
Схема подключения 6-10 кВ в распределительных устройствах:
Вторичные цепи
Схема подключения трансформатора тока в звезде:
Схема подключения трансформатора тока для неполной звезды (Это векторная сумма фаз A и C, которые противоположны фазе B, когда сеть находится в режиме симметричной нагрузки, из-за распределения тока во вторичной обмотке):
Схема подключения трансформатора тока в неполной звезде (для контроля тока линии с помощью реле):
Трансформатор тока в схеме “полная звезда” с релейной обмоткой, подключенной к фильтру нулевого порядка (ФТНП):
Трансформаторы тока (далее ТТ) широко используются для измерения электрического тока и в устройствах релейной защиты энергосистем, поэтому к ним предъявляются высокие требования по точности. Трансформаторы тока обеспечивают безопасность измерений, изолируя измерительные цепи от первичной стороны при высоком напряжении, которое может достигать сотен киловольт.
Трансформатор тока
- Трансформатор тока – это трансформатор, первичная цепь которого подключена к источнику тока, а вторичная цепь закорочена на низкоомные измерительные приборы или защитные устройства.
Трансформатор тока – это трансформатор, предназначенный для преобразования тока в значение, пригодное для измерения. Первичная обмотка трансформатора тока подключается последовательно с измеряемым переменным током, а вторичная обмотка содержит измерительные приборы. Ток, протекающий во вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке.
Трансформаторы тока (далее ТТ) широко используются для измерения электрического тока и в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем, поэтому к ним предъявляются высокие требования по точности. Трансформаторы тока обеспечивают безопасность измерений, изолируя измерительные цепи от первичной цепи, где присутствуют высокие напряжения, часто достигающие сотен киловольт.
Связанные термины
Ссылки на литературу
Связанные условия (продолжение)
Полупроводниковый стабилитрон, или диод Зенера, – полупроводниковый диод, работающий с обратным смещением в режиме отказа. Перед выходом из строя токи утечки пренебрежимо малы, а сопротивление очень велико. Когда происходит сбой, ток через стабилитрон быстро увеличивается, а его дифференциальное сопротивление падает до значений от долей ома до сотен ом для различных устройств. Поэтому в режиме неисправности напряжение на стабилитроне поддерживается с определенной точностью.
Читайте далее:- Измерительный инструмент – это инструмент для измерения. Что такое измерительный инструмент?.
- Значение слова 'потенциал' в 9 словарях.
- Трансформатор напряжения (ТН, ТВ): принципиальные схемы и принцип работы.
- Векторная диаграмма трансформатора.
- Шаговые двигатели: свойства и практические схемы управления. Часть 2.
- Как определить обмотки неизвестного трансформатора, первичную и вторичную обмотки.
- Расчет основных электрических величин и первичной изоляции обмоток трансформатора.