Выбор трансформаторов тока: критерии, расчет, описание, виды, схемы

Включение измерительных трансформаторов тока и напряжения

Измерительные трансформаторы напряжения

Измерительные трансформаторы напряжения предназначены для возможности измерения высокого напряжения электроустановок переменного тока путем снижения этого напряжения для подачи на защитные реле, приборы измерения и системы автоматики.

При отсутствии измерительных трансформаторов понадобилось бы применять приборы и реле с большими габаритными размерами, так как необходима надежная изоляция от высокого напряжения, которая увеличивает размеры устройств. Изготовить такое оборудование практически невозможно, так как напряжения линий могут достигать величины 110 киловольт.

Измерительные трансформаторы для замера напряжения дают возможность применять стандартные обычные приборы для измерений электрических параметров, при этом увеличивая их диапазон измерения. Защитные реле, подключаемые через эти трансформаторы, могут применяться обычного исполнения.

Трансформатор напряжения выполняют в виде двухобмоточного понижающего трансформатора (рис. 3.33,а). Для обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала вторичную обмотку тщательно изолируют от первичной и заземляют.

Рис. 3.33. Схема включения (а) и векторная диаграмма измерительного трансформатора напряжения (б)

Так как сопротивления обмоток вольтметров и других приборов, подключаемых к трансформатору напряжения, велики, то он практически работает в режиме холостого хода. В этом режиме можно с достаточной степенью точности считать, чтоUl = U’2=U2k.

В действительности ток холостого хода I0 (а также небольшой ток нагрузки) создает в трансформаторе падение напряжения, поэтому, как видно из векторной диаграммы (рис. 3.33, б), и между векторами этих напряжений имеется некоторый сдвиг по фазе δu. В результате при измерениях образуются некоторые погрешности.

Трансформаторы тока или измерительные трансформаторы преобразуют высокий первичный ток нагрузки в безопасное значение, удобное для проведения измерений.

Трансформаторы тока для электросчетчиков

трансформатор тока в электросчетчиках

Трансформаторы тока для электросчетчиков нормально функционируют при рабочей частоте в 50 Гц и вторичном номинальном токе в 5 ампер. Поэтому, если коэффициент трансформации составляет 100/5, это означает максимальную нагрузку в 100 ампер, а значение измерительного тока – 5 ампер.

Следовательно, в этом случае показания трехфазного счетчика умножаются в 20 раз (100/5). Благодаря такому конструктивному решению, отпала необходимость в изготовлении более мощных приборов учета. Кроме того, обеспечивается надежная защита счетчика от коротких замыканий и перегрузок, поскольку сгоревший трансформатор меняется значительно легче по сравнению с установкой нового счетчика.

Существуют определенные недостатки при таком подключении. Прежде всего, измерительный ток в случае малого потребления, может быть меньше стартового тока счетчика. Следовательно, счетчик не будет работать и выдавать показания. В первую очередь это касается счетчиков индукционного типа с очень большим собственным потреблением. Современные электросчетчики такого недостатка практически не имеют.

Особое внимание при подключение нужно обращать на соблюдение полярности. Первичная катушка имеет входные клеммы

Одна из них предназначена для подключения фазы и обозначается Л1. Другой выход – Л2 необходим, чтобы подключиться к нагрузке. Измерительная обмотка также имеет клеммы, обозначаемые соответственно, как И1 и И2. Кабель, подключаемый к выходам Л1 и Л2, рассчитывается на необходимую нагрузку.

Для вторичных цепей используется проводник, поперечное сечение которого должно быть не ниже 2,5 мм2.

Рекомендуется применять разноцветные промаркированные провода с обозначенными выводами. Нередко подключение вторичной обмотки к счетчику осуществляется с помощью опломбированного промежуточного клеммника.

Использование клеммника позволяет проводить замену и обслуживание счетчика без отключения электроэнергии, поступающей к потребителям.

В каком режиме работает измерительный трансформатор напряжения

Важнейшими элементами высоковольтных цепей являются измерительные трансформаторы напряжения. Данные устройства предназначены для понижения высокого напряжения, после чего пониженное напряжение может питать измерительные цепи, релейную защиту, автоматику и учет, а также другие элементы. Таким образом, трансформаторы напряжения позволяют измерять напряжение в высоковольтных сетях, от них поступает питание на катушки реле минимального напряжения, счетчики, ваттметры, фазометры, а также на аппаратуру, контролирующую состояние изоляции сети.

С помощью трансформатора осуществляется понижение высокого напряжения до стандартных значений. С их помощью происходит разделение измерительных цепей и релейной защиты с первичными цепями высокого напряжения. Подключение первичной обмотки производится к источнику входного напряжения сети, а вторичная обмотка соединяется параллельно с катушками реле и измерительных приборов. Работа трансформатора напряжения осуществляется в режиме, приближенном к холостому ходу. Это связано с высоким сопротивлением приборов, подключенных параллельно и низким током, потребляемым ими.

Для обеспечения нормальной работы вторичных цепей установка трансформаторов напряжения может выполняться не только на шинах подстанции, но и на каждой точке подключения. Перед началом электромонтажных работ необходимо осмотреть устройство, проверить целостность изоляции, исправность узлов и элементов. С целью дальнейшей безопасной эксплуатации трансформатора, его корпус и вторичная обмотка заземляется. В результате, создается защита от возможного перехода высокого напряжения во вторичные цепи в случае пробоя изоляции.

Каждый трансформатор обладает определенной номинальной погрешностью и классами точности, составляющими 0,2; 0,5; 1; 3. Уровень погрешности зависит от конструкции магнитопровода, размеров вторичной нагрузки и других факторов. Компенсировать погрешность напряжения можно, если уменьшить количество витков первичной обмотки и компенсировать угловую погрешность специальными компенсирующими обмотками.

Основные части конструкции трансформатора

Основными частями конструкции трансформатора являются:

магнитопровод
обмотки
каркас для обмоток
изоляция
система охлаждения
прочие элементы (для монтажа, доступа к выводам обмоток, защиты трансформатора и т.п.)

В практичной конструкции трансформатора производитель выбирает между тремя различными базовыми концепциями:

Стержневой
Броневой
Тороидальный

Любая из этих концепций не влияет на эксплуатационные характеристики или эксплуатационную надежность трансформатора, но имеются существенные различия в процессе их изготовления. Каждый производитель выбирает концепцию, которую он считает наиболее удобной с точки зрения изготовления, и стремится к применению этой концепции на всём объёме производства.

В то время как обмотки стержневого типа заключают в себе сердечник, сердечник броневого типа заключает в себе обмотки. Если смотреть на активный компонент (т.e. сердечник с обмотками) стержневого типа, обмотки хорошо видны, но они скрывают за собой стержни магнитной системы сердечника. Видно только верхнее и нижнее ярмо сердечника. В конструкции броневого типа сердечник скрывает в себе основную часть обмоток.

Ещё одно отличие состоит в том, что ось обмоток стержневого типа, как правило, имеет вертикальное положение, в то время как в броневой конструкции она может быть горизонтальной или вертикальной.

Особенности и виды измерительных трансформаторов

Эти агрегаты предназначаются для использования в оборудовании с переменным током. Нужно это для того, чтобы выполнить изоляцию цепи, в которую подключены измерительные устройства, а также реле от сети с высоким напряжением. В противном варианте прикосновение к ним было бы опасным для жизни либо такие приборы имели бы очень сложную конструкцию.

Также, измерительные трансформаторы способны расширить предел измерения данных устройств измерения.

Измерительные трансформаторы бывают:

Трансформатор тока. Данные агрегаты выполняются двухобмоточного типа и представляют собой повышающий трансформатор. Исходная обмотка тут является проводом, который проходит сквозь магнитопровод. В электрическом оборудовании «ТТ» используют для осуществления питания токовых катушек устройств измерения. Обе обмотки намотаны на один сердечник. Первичная катушка подсоединяется последовательно, а вот к вторичной подключаются сами приборы. Если «ТТ» работает, то его вторичная обмотка обязательно должна быть с нагрузкой.
Трансформатор напряжения. Конструкция данных агрегатов схожа с силовыми трансформаторами. Первичная и вторичная обмотка тут объединена магнитной цепью, изготовленной из специального ферромагнитного материала. Оптимальный режим работы трансформаторов напряжения считается «режим холостого хода». Обусловлено это отсутствием возможности передавать мощность. Также, отличительной особенностью таких устройств является отсутствие фазового сигнала между напряжениями вторичной и первичной обмотки.

При использовании этих двух устройств можно примерять одно и то же измерительное оборудование, с помощью которого осуществляется контроль параметров тока и напряжения. Вторичная катушка «ТТ» и «ТН» необходимо заземлить. Это позволит уберечь измерительные приборы от случайного появления завышенного напряжения, способного возникнуть при аварийных ситуациях, таких как пробой изоляции и т.д.

Данные устройства классифицируются на конвертор тока в ток, тока в неэлектрическую величину (к примеру, световой поток) и тока в напряжение. К последнему типу относятся трансреакторы либо магнитные трансформаторы.

Вся измеренная данными агрегатами информация способна отображаться в аналоговом или дискретном виде.

Кроме всего этого, измерительные трансформаторы подразделяются согласно:

Способу монтажа. Сюда относятся проходные, встраиваемые и опорные агрегаты.
Виду установки. Работа на открытом воздухе, в помещении, встроенные в электрическое оборудование, установленные в специальные установки.
Согласно числу коэффициента трансформации (один или несколько).
Количеству ступеней трансформации. Измерительные трансформаторы могут быть каскадные либо одноступенчатые.
Виду первичной обмотки (один или много витков).

Сегодня в электрическом оборудовании напряжение способно достигать отметки в 750 кВ и даже больше. Ну а токи могут доходить до десяток кило Ампер. Для того чтобы их измерять, используют данные устройства, которые предназначаются для изоляции приборов и реле от цепей с высоким током или напряжением.

Также, эти агрегаты уменьшают напряжение и ток до тех величин, которые удобно измерить.

Благодаря измерительным трансформаторам тока и напряжения удаётся подсоединить амперметр, вольтметр, различные приборы релейной защиты, ваттметр, счётчики энергии.

Классификация и выбор

Подключение счетчика через трансформаторы тока

По конструкции и исполнению трансформаторы тока используемые в измерительных цепях делятся на:

Встроенные. Первичная обмотка у них служит элементом для другого устройства. Они устанавливаются на вводах и имеют только вторичную обмотку. Функцию первичной обмотки выполняет другой токоведущий элемент линейного ввода. Конструктивно это магнитопровод кольцевого типа, а его обмотки имеют отпайки, соответствующие разным коэффициентам трансформации;
Опорные. Предназначенные для монтажа и установки на опорной ровной плоскости;
Проходной. По своей структуре это тот же встроенный, только вот находиться он может снаружи другого электрического устройства;
Шинный. Первичной обмоткой служит одна или несколько шин включенных в одну фазу. Их изоляция рассчитывается с запасом, что бы он мог выдержать даже многократное увеличение напряжения;
Втулочный. Это одновременно и проходной, и шинный трансформатор тока;
Разъемный. Его магнитопровод состоит из разборных элементов;
Переносной. Это устройство электрики называют токоизмерительные клещи. Они являются переносным и удобным измерительным трансформатором тока, у которого магнитная система размыкается и замыкается уже вокруг того провода в котором и нужно измерять значение тока.

При выборе трансформатора тока стоит знать главное, что при протекании по первичной обмотке номинального тока в его вторичной обмотке, которая замкнута на измерительный прибор, будет обязательно 5 А. То есть если нужно проводить измерение токовых цепей где его расчётная рабочая величина будет примерно равна 200 А. Значит, при установке измерительного трансформатора 200/5, прибор будет постоянно показывать верхние приделы измерения, это неудобно. Нужно чтобы рабочие пределы были примерно в середине шкалы, поэтому в этом конкретном случае нужно выбирать трансформатор тока 400/5. Это значит что при 200 А номинального тока оборудования на вторичной обмотке будет 2,5 А и прибор будет показывать эту величину с запасом в сторону увеличения или уменьшения. То есть и при изменениях в контролируемой цепи будет видно насколько данное электрооборудование вышло из нормального режима работы.

Вот основные величины, на которые стоит обратить внимание при выборе измерительных трансформаторов тока:

Номинальное и максимальное напряжение в первичной обмотке;
Номинальное значение первичного тока;
Частота переменного тока;
Класс точности, для цепей измерения и защиты он разный.

Общие сведения

Перед тем как определить, для чего нужен трансформатор тока, необходимо подробно изучить его устройство, назначение, разновидности и основные преимущества. Вся эта информация поможет выбрать максимально эффективную модель для каждой конкретной установки.

Назначение и устройство

Измерительный трансформатор используется не так часто, как другие виды этого прибора. Это обусловлено его узкой направленностью, которая позволяет максимально качественно выполнять возложенную на него функцию.

Назначение трансформатора тока может быть разнообразным. Наиболее часто используют устройства такого типа в следующих целях:

Уменьшение величины первичного тока до требуемых значений. Благодаря этому появляется возможность внедрения электронных счётчиков, амперметров и прочих унифицированных измерительных устройств.
Обеспечение гальванической развязки между большим и маленьким напряжением. Это позволяет обезопасить обслуживающий персонал от удара электрическим током и прочих неприятностей.

Устройство токового трансформатора отличается своей простотой и доступностью. В нём может легко разобраться не только высококвалифицированный электрик, но и новичок. Прибор включает в себя следующие составные части:

Замкнутый сердечник. Он представляет собой объединённый набор пластин, изготовленных из листовой электротехнической стали.
Первичная обмотка, имеющая стандартное количество витков.
Одна или две вторичные обмотки.

Основные параметры

Технические характеристики всех измерительных трансформаторов тока описываются несколькими основными параметрами. Они обязательно указываются в паспорте устройства или другой прилагаемой документации. Специалисты рекомендуют по этим показателям выбирать модель прибора, которую мастер может установить на ту или иную конструкцию. Главные параметры:

Номинальное напряжение. Величина этого показателя для каждой конкретной модели трансформатора указывается в техническом паспорте. В зависимости от разновидности прибора она может составлять от 0,66 до 1150 кВ.
Номинальный ток первичной обмотки. Этот важный параметр можно найти в технической документации и литературе. Некоторые производители указывают его в паспорте. Величина тока зависит от исполнения прибора и варьируется от 1 до 40 тыс. ампер.
Номинальный ток во вторичной обмотке. В отличие от предыдущего показателя, этот имеет стандартные значения (1 или 5 ампер). Трансформаторы, которые изготавливаются по индивидуальному заказу, могут иметь параметр, который будет равен 2 или 2,5 А.
Коэффициент трансформации. Он представляет собой значение, показывающее соотношение показателей тока в первичной и вторичной обмотках. Профессионалы различают 2 разновидности этого коэффициента (действительный и номинальный) и используют их в различных расчётах.

Преимущества и недостатки

Для того чтобы лучше понять принцип действия и назначение трансформаторов тока, необходимо рассмотреть все достоинства и недостатки этого устройства. Положительных сторон намного больше, поэтому приборы пользуются популярностью у потребителей.

Преимущества измерительных трансформаторов:

минимальные затраты материала на изготовление сердечника и обмоток;
небольшие размеры;
малый вес;
длительный срок службы устройства;
устойчивость к намагничиванию постоянным током;
высокий технологический запас по классу точности;
дешевизна прибора.

Среди наиболее значимых недостатков выделяются такие:

низкая чувствительность при малом токе;
зависимость точности показаний от внешних магнитных полей;
большая чувствительность к колебаниям тока;
высокое потребление электроэнергии самим устройством.

Назначение трансформаторов напряжения

Подобное оборудование относится к однофазным устройствам, через которые присоединяют киловольтметры, фазометры для обозначения правильности чередования фаз, ваттметры для определения мощности и для подключения защитных реле в цепях напряжения 3, 6, 10 кВ промышленной частоты.

Обмотки первичного и вторичного напряжения трансформатора ТН отличаются сопротивлением большой величины и малой мощностью. Работа происходит в режиме холостого хода. Стандартное номинальное напряжение вторичной обмотки не бывает более 100 В и имеет рабочий ток от 1 до 5 А.

Рис. №1. Трансформатор напряжения масляный 6 кВ. НТМИ

Рассмотрим какие бывают трансформаторы напряжения.

Классификация трансформаторов напряжения

Типы измерительных трансформаторов напряжения включают в линейку изделия, классифицируемых следующим образом:

однофазные трансформаторы с одним заземленным концом первичной обмотки. К заземляемым относятся и трехфазные тр-ры с заземленной нейтралью катушки первичного напряжения;
незаземляемые тр-ры напряжения с полностью изолированными от «земли» участками, зажимами «первички»;
каскадный тип с обмоткой первичного напряжения, разделенной на несколько последовательных секций. В конструкции предусмотрены обмотки, выравнивающие напряжение. В наличии есть связующая катушка, которая служит для передачи мощности к обмотке вторичного напряжения;
емкостный ТН с делителем;
двухобмоточный ТН с одной обмоткой вторичного напряжения;
трехобмоточный ТН с двумя обмотками: основного напряжения и дополнительной.

Рис. №2. Трансформатор напряжения, литого типа, опорный с заземленным выводом первичной обмотки, 3НОЛ-СВЭЛ-6. Используется для КРУН, КРУ, КСО

Рис. №3. Трехфазный антирезонансный масляный трансформатор для сетей с изолированной нейтралью

Чтобы понять для каких задач нужны измерительные трансформаторы рассмотрим назначение и разберем принцип действия оборудования.