Трансформатор тока

Трансформатор тока – это устройство, первичная обмотка которого последовательно включена в рабочую цепь, а вторичная служит для проведения измерений. Подобные устройства используются не только в лабораториях для оценки величин. Истинное место трансформаторов тока возле электростанций, где они помогают контролировать режимы, внося коррективы в процесс эксплуатации оборудования.

Защита и измерения при помощи трансформаторов тока

Однажды понадобилось передать энергию на расстояние. Это произошло в тот момент развития истории, когда генераторы стали располагать вблизи рек. Заводы находились на обычных местах: на месте залегания ресурсов, близ больших городов – источников рабочей силы. Оказалось, что напряжение 220, тем более 110 В, неэффективно передавать на расстояние — растут потери. Объяснение — при постоянной мощности потребления увеличивается ток, что прямо ведёт к повышению выделяемого в проводах тепла.

Схемы обмотки трансформаторов тока

Схемы обмотки трансформаторов тока

Вариант увеличить сечение провода быстро отбросили в сторону как слишком затратный. Тогда стали применять повышающие трансформаторы. В результате установлено, что с приемлемым КПД удаётся передать на большие расстояние электричество только при напряжении в десятки киловольт. Понятно, что настолько гигантскую мощность требуется контролировать. Часть последствий обрыва фазных проводов линий электропередач:

  1. Гибель людей, призванных устранить неисправность и случайно оказавшихся на месте.
  2. Выход из строя двигателей трёхфазного питания.
  3. Взрывоопасные и пожароопасные ситуации.

В год на участок 100 км линии передач напряжения 380 В приходится 40 — 50 аварий, 40% приходится на обрыв фазного провода. В ходе устранения нештатных ситуаций гибнет 4 — 5 человек. Воздушные линии ненадёжны, но это лучший сегодня метод передачи электрической энергии на расстояние, требующий мер контроля и защиты. Вдобавок используются трансформаторы тока и в измерительной технике. К примеру, в тандеме с трёхфазными счётчиками напряжения.

Классификация трансформаторов тока

Трансформаторы тока принято классифицировать:

  • По роду тока. Измеряемое напряжение различается по роду. Для проведения измерений в цепи постоянного тока используется нарезка сигнала на импульсы. Напрямую трансформация невозможна:
  1. для переменного тока;
  2. для постоянного тока.
  • По назначению. Мы уже сказали, что часто трансформаторы тока применяются для измерений (к примеру, кВт ч). Называют системы, где требуется защитить персонал для повышения безопасности. Разумеется, методики применяются и для локализации и устранения нештатных ситуаций:
  1. измерительные;
  2. защитные.
  • По типу преобразования. Контроллеры или измерители работают с током или напряжением. Сообразно этому выпускаются трансформаторы:
  1. ток-ток;
  2. ток-напряжение.
  • По способу представления информации:
  1. аналоговые;
  2. цифровые.
  • По роду установки:
  1. для закрытых помещений;
  2. для работы на открытом воздухе (согласно ГОСТ 15150 категория размещения 1);
  3. встраиваемые;
  4. специальные.
  • По способу установки:
  1. опорные (установка на плоскости);
  2. проходные (преимущественно устройства ввода в здание);
  3. встраиваемые (бывает без первичной обмотки, представляет магнитопровод, надеваемый на изоляцию токонесущей жилы): шинный (ставится на шину питания); разъёмный (магнитопровод состоит из двух частей, стягиваемых болтами).
  • По количеству коэффициентов трансформации. Согласно ГОСТ выделяют ряд напряжений, отличающихся друг от друга на порядок. Для сопряжения с одинаковыми приборами контроля коэффициент трансформации приходится менять:
  1. с одним коэффициентом трансформации;
  2. с несколькими коэффициентами трансформации;
  • По числу ступеней трансформации. Не всегда удаётся получить приемлемый уровень сигнала при помощи единственного преобразования. Тогда приходится количество обмоток увеличивать и снимать напряжение неоднократно, понижая или повышая:
  1. одноступенчатые;
  2. каскадные.
  • По конструкции первичной обмотки:
  1. одновитковые: с собственной первичной обмоткой (первичная обмотка прямоугольная или круглая стержневая или U-образная); без собственной первичной обмотки;
  2. ноговитковые.
  • По роду изоляции между первичной и вторичной обмотками:
  1. с вязкой (в виде компаундов);
  2. с твёрдой (композитные материалы, фарфор);
  3. с газообразной (воздух);
  4. с комбинированной (масло и бумага).
  • По принципу преобразования тока:
  1. оптико-электронные;
  2. электромагнитные.

Конструкция, в иных случаях и принцип действия, определяются вольтажом, для которого предназначен прибор. Трансформаторы тока подразделяют на два семейства: для низкого напряжения (до 1 кВ) и повышенного (прочие). Приборы весьма специфичные. Приборы, привычные по школьному курсу физики, напоминают лишь трансформаторы тока с многовитковой обмоткой, приближённо напоминающей катушку.

Разновидности трансформаторов тока

Разновидности трансформаторов тока

Параметры трансформаторов тока

При выборе для работы в тандеме с трёхфазным счётчиком первым делом обращают внимание на коэффициент трансформации. Ряд значений стандартизирован, и нужно выбирать приборы, способные работать в паре. Выше говорилось, что в иных случаях коэффициент трансформации возможно менять, и нужно этим пользоваться.

Помимо рабочего напряжения роль играет ток в первичной обмотке (исследуемой сети). Понятно, что с ростом увеличивается нагрев, и однажды токонесущая часть может сгореть. Это требование не столь актуально для трансформаторов без первичной обмотки. Номинальный вторичный ток обычно равен 1 либо 5 А, что служит критерием для согласования с сопрягаемыми устройствами.

Полагается обращать внимание на сопротивление нагрузки в цепи измерения. Вряд ли найдётся счётчик, выбивающийся из общего ряда, но нужно контролировать момент. В противном случае не гарантируется точность показаний. Коэффициент нагрузки обычно не ниже 0,8. Это уже касается измерительных приборов, с индуктивностями в составе. ГОСТ нормирует значение в вольт-амперах. Для получения сопротивления в омах требуется поделить цифру на квадрат тока вторичной обмотки.

Предельные режимы работы обычно характеризуются током электродинамической стойкости, возникающим при коротком замыкании. В паспорте пишут значение, при котором прибор проработает сколь угодно долго без выхода из строя. В условиях короткого замыкания ток столь силен, что начинает оказывать механическое воздействие. Порой вместо тока электродинамической стойкости указывается кратность его к номинальному. Остаётся лишь произвести операцию умножения. Указанный параметр не касается приборов без первичной обмотки.

Вдобавок определяется ток термической стойкости, который трансформатор выдерживает без критического перегрева. Этот вид устойчивости способен выражаться кратностью. Но разделяют токи термической устойчивости по времени, пока прибор останется исправным:

  1. Односекундный.
  2. Двухсекундный.
  3. Трёхсекундный.
Зависимости между токами стойкости

Зависимости между токами стойкости

Между токами электродинамической и термической стойкости существуют зависимости, представленные на рисунке. При этом температура первичной обмотки из алюминия не должна превышать 200 градусов Цельсия, а из меди – от 250 до 300 в зависимости от типа изоляции. Для высоковольтных трансформаторов нормируется механическая стойкость, определяемая действием ветра со скоростью 40 м/с (ураган):

  1. 500 Н для изделий с номинальным напряжением до 35 кВ.
  2. 1000 Н для изделий с номинальным напряжением от 110 до 220 кВ.
  3. 1500 Н для изделий с номинальным напряжением от 330 кВ.

Включение трансформатора тока в цепь и принцип действия

В общем случае прибор состоит из магнитопровода и двух обмоток. Но трансформатор тока в отличие от привычного включается особым образом. Первичная обмотка последовательно входит в основную цепь, где находятся потребители, вторичная замыкается на измерительный прибор или защитное реле.

При протекании в первичной обмотке тока внутри магнитопровода появляется поле, вызывающее отклик. Одновременно во вторичной обмотке наводится ток. Его поле направлено противоположно породившему, а результирующий поток равен разности исходного и вновь образовавшегося. Он составляет лишь несколько процентов от первоначального и, собственно, является передаточным звеном системы. Результирующее магнитное поле пронизывает по пути следования сердечника витки первичной и вторичной обмоток, наводя в первой противо-ЭДС, а во второй ЭДС.

Электродвижущая сила порождает вторичный ток, кратность к первичному зависит от отношения числа витков. Это коэффициент трансформации. Вторичный ток останется неизменным, а первичный станет расти, пока результирующее поле не станет равно полю при холостом ходе. В результате прибор обретёт достаточно низкое сопротивление.

Поясним для полного понимания поведение трансформатора в режиме холостого хода. В этом случае первичный ток наводит в магнитопроводе магнитное поле. Поток циркулирует по замкнутому контуру из электротехнической стали с небольшим затуханием. Его действие таково, что созданная ЭДС в первичной обмотке по направлению противоположна напряжению сети. Это происходит потому, что в индуктивности ток отстаёт на 90 градусов, наводимая ЭДС отстаёт ещё на 90 градусов от магнитного поля.

Первичная и вторичная обмотки

Первичная и вторичная обмотки

Теперь представим, что вторичную обмотку нагрузили. В результате энергия поля начинает передаваться на выход, образуя ток. От вторичной обмотки образуется магнитное поле в противофазе от породившего его. Противо-ЭДС на входе падает, начинает расти потребление. Повысившийся ток увеличивает первичное магнитное поле. Процесс идёт до наступления равновесия. Это случится, когда результирующее магнитное поле сравняется с полем на холостом ходу. Устройство начнёт потреблять больше энергии, теперь в системе совершается работа.

Из сказанного понятно:

  1. Трансформатор любого типа в режиме холостого хода в сеть включать бесполезно. Энергия будет тратиться лишь на потери за счёт перемагничивания сердечника (вихревые токи почти не образуются, благодаря специальной конструкции в виде изолированных друг от друга пластин).
  2. Малое количество витков в трансформаторах тока требуется, чтобы снизить в указанном сегменте цепи потребление до минимума. Отдельные экземпляры не имеют первичной обмотки. Что смотрится логичным при больших протекающих токах.

Мы видели, между токами существует магнитная связь. Название трансформаторов представляется вполне логичным. Разработаны конструкции для защиты по перегрузке (в режиме короткого замыкания) и дифференциальные схемы, сравнивающие величины токов фазного и нулевого провода. В последнем случае предусматривается некоторый порог нечувствительности схемы для учёта токов утечки системы.

Точность трансформаторов

Рассматриваемый класс устройств имеет два типа погрешностей, требующих упоминания:

  1. Токовой погрешностью называется расхождение реального коэффициента трансформации с номинальным.
  2. Угловой погрешностью называют расхождение вектора выходного тока от идеального случая (в противофазе относительно входного).

Существуют специальные методы компенсации указанных недостатков. К примеру, при помощи витковой коррекции устраняют токовую погрешность. Угол расхождения устраняют правильным выбором величины магнитной индукции в сердечнике.