Трансформатор тока

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

Защита и измерения при помощи трансформаторов тока

В своё время понадобилось передать энергию на расстояние. Это произошло в тот момент развития истории, когда генераторы стали располагать вблизи рек. В то время как заводы находились на своих обычных местах: на месте залегания ресурсов, близ больших городов – источников рабочей силы. Оказалось, что напряжение 220, а тем более 110 В, неэффективно передавать на расстояние, потому что растут потери. Это происходит потому, что при постоянной мощности потребления увеличивается ток, что прямо ведёт к повышение выделяемого в проводах тепла.

Схемы обмотки трансформаторов тока

Схемы обмотки трансформаторов тока

Вариант увеличить сечение провода быстро был отброшен в сторону, как слишком затратный. Тогда и стали применять повышающие трансформаторы. В результате было установлено, что с приемлемым КПД можно передать на большие расстояние электричество только при напряжении в десятки киловольт. Понятно, что такую гигантскую мощность нужно как-то контролировать. Вот лишь некоторые из последствий обрыва фазных проводов линий электропередач:

  1. Гибель людей, как призванных устранить неисправность, так и совершенно 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 от 40 до 50 аварий, 40% которых приходится на обрыв фазного провода. В ходе устранения этих нештатных ситуаций гибнет от 4 до 5 человек. Воздушные линии очень ненадёжны, но это лучший на сегодняшний день метод передачи электрической энергии на расстояние. Все это требует наличия мер контроля и защиты. Кроме того используются трансформаторы тока и в измерительной технике. Например, в тандеме с трёхфазными счётчиками напряжения.

Классификация трансформаторов тока

Трансформаторы тока принято классифицировать:

  • По роду тока. Измеряемое напряжение может быть разного рода. Для проведения измерений в цепи постоянного тока используется нарезка сигнала на импульсы. Напрямую в этом случае трансформация невозможна:
  1. для переменного тока;
  2. для постоянного тока.
  • По назначению. Мы уже сказали, что часто трансформаторы тока применяются для измерений (например, кВт ч), а ещё есть системы, где требуется защитить персонал для повышения безопасности. Разумеется, эти же методики применяются и для локализации и устранения нештатных ситуаций:
  1. измерительные;
  2. защитные.
  • По типу преобразования. Контроллеры или измерители могут работать с током или напряжением. Сообразно этому выпускаются и 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 (в основном устройства ввода в здание);
  3. встраиваемые (может не иметь первичной обмотки, представляет собой 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 существует целый ряд напряжений, и они могут отличаться друг от друга на порядок. Для сопряжения с одними и теми же 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 одного преобразования. Тогда приходится количество обмоток увеличивать и снимать напряжение несколько раз, понижая или повышая его:
  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.
Читайте также:  Скачок напряжения

Конструкция, а в иных случаях и принцип действия определяются вольтажом, для которого предназначен прибор. Согласно этому трансформаторы тока можно делить на два семейства: для низкого напряжения (до 1 кВ) и высокого (все прочие). Вы видите, что приборы это довольно специфичные. Приборы, привычные нам по школьному курсу физики, напоминают только трансформаторы тока с многовитковой обмоткой, которая приближённо имеет вид катушки.

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, которые способны работать в паре. Выше говорилось, что в иных случаях коэффициент трансформации можно менять, и нужно этим пользоваться.

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

Кроме того нужно обращать внимание на сопротивление нагрузки в цепи измерения. Мы бы сказали, что вряд ли можно найти счётчик, выбивающийся из общего ряда, но нужно все-таки контролировать этот момент. В противном случае не гарантируется точность показаний. Коэффициент нагрузки обычно не ниже 0,8. Это уже касается измерительных приборов, в состав которых часто входят индуктивности. Следует добавить, что ГОСТ нормирует значение в вольт-амперах. Для получения сопротивления в омах нужно нужно поделить эту цифру на квадрат тока вторичной обмотки.

Предельные режимы работы обычно характеризуются током электродинамической стойкости, который возникает при коротком замыкании. В паспорте пишут значение, при котором прибор может работать сколь угодно долго без выхода из строя. В условиях короткого замыкания ток столь силен, что начинает оказывать механическое воздействие. Иногда вместо тока электродинамической стойкости указывается кратность его к номинальному. В этом случае остаётся только произвести операцию умножения. Указанный параметр не касается приборов без первичной обмотки.

Помимо того определяется ток термической стойкости, который трансформатор может выдержать без критического перегрева. Этот вид устойчивости тоже может выражаться кратностью. Но разделяют токи термической устойчивости по времени, в течение которого 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 также нормируется механическая стойкость, которая определяется действием ветра со скоростью 40 м/с (ураган) следующим образом:

  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.
Читайте также:  Герконовый датчик

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 нам включается особым образом. Первичная обмотка последовательно входит в основную цепь, где находятся потребители, а вторичная замыкается на измерительный прибор или защитное реле.

При протекании в первичной обмотке тока внутри магнитопровода появляется поле. Оно вызывает отклик. За счёт чего во вторичной обмотке наводится ток. Его поле направлено противоположно породившему его, а результирующий поток равен разности исходного и вновь образовавшегося. Он составляет всего лишь несколько процентов от первоначального и, собственно, является передаточным звеном всей 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 которого к первичному зависит от отношения числа витков. Это и есть коэффициент трансформации. Вторичный ток будет неизменным, в то время, как первичный станет расти до тех пор, пока результирующее поле не станет равно тому, какое было при холостом ходе. В результате прибор будет иметь 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 тех пор, пока не наступит равновесие. А это случится тогда, когда результирующее магнитное поле сравняется с тем, что было при холостом ходе. Понятно, что устройство начнёт потреблять больше энергии. Это оттого, что теперь в системе совершается работа.

Из сказанного нужно понять следующее:

  1. Трансформатор любого типа в режиме холостого хода в сеть включать бесполезно. Энергия будет тратиться только 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 делается для того, чтобы снизить в этом сегменте цепи потребление до минимума. Более того, некоторые экземпляры не имеют первичной обмотки вовсе. Что смотрится логичным при больших протекающих токах.

Мы видели, что между токами существует магнитная связь. Поэтому название трансформаторов представляется вполне логичным. Следует отметить, что существуют конструкции как для защиты по перегрузке (в режиме короткого замыкания), так 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, о которых стоит упомянуть:

  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. Например, при помощи витковой коррекции устраняют токовую погрешность. Что касается угла расхождения, то его устраняют правильным выбором величины магнитной индукции в сердечнике.