Принцип работы трансформатора тока

Преимущества обычных трансформаторов

Если бы не спрос на более высокочастотное оборудование, несколько сомнительно, что планарные трансформаторы будут рассматриваться как альтернатива традиционным трансформаторам. Несмотря на все их очевидные преимущества, и даже в высокочастотных применениях, традиционные трансформаторы с проволочной обмоткой все еще имеют ряд важных преимуществ. Планарные трансформаторы занимают гораздо больше места на печатной плате, чем традиционные трансформаторы. Таким образом, если рассеяние мощности и / или запас по мощности не являются главными соображениями при проектировании, тогда разработчики обычно используют обычный трансформатор.

Наконец, время изготовления традиционных трансформаторов будет меньше, чем для планарных. Образцы могут быть намотаны в течение нескольких дней, и можно быстро внести изменения, чтобы оптимизировать производительность. Планарные устройства требуют печатной платы и специальных инструментов для изготовления материалов магнитного сердечника. В приложениях с очень большими габаритами и большей мощностью планарные трансформаторы обеспечат более высокую производительность и экономичное решение. Но обычные трансформаторы будут ответом почти для любого другого применения.

Измерительные трансформаторы

В этом классе работают два вида устройств, обеспечивающих в целях измерения параметров сети преобразования:

Измерительные трансформаторы создаются с высоким классом точности. Во время эксплуатации их метрологические характеристики периодически подвергают поверке на правильность измерения как величин, так и углов отклонения векторов тока и напряжения.

Трансформаторы тока

Главная особенность их устройства заключается в том, что они постоянно эксплуатируются в режиме короткого замыкания. У них вторичная обмотка полностью закорочена на маленькое сопротивление, а остальная конструкция приспособлена для такой работы.

Чтобы исключить аварийный режим входная мощность ограничивается специальным устройством первичной обмотки: в ней создается всего один виток, который не может создать при протекании по нему тока большого падения напряжения на обмотке и, соответственно, передать в магнитопровод высокую мощность.

Этот виток врезается непосредственно в силовую цепь, обеспечивая его последовательное подключение. У отдельных конструкций просто создается сквозное отверстие в сердечнике, через которое пропускают провод с первичным током.

Нагрузку вторичных цепей трансформатора тока, находящегося под напряжением, нельзя разрывать. Все провода и соединительные клеммы по этой причине изготавливаются с повышенной механической прочностью. В противном случае на разорванных концах сразу возникает высоковольтное напряжение, способное повредить вторичные цепи.

Благодаря работе трансформаторов тока создается возможность обеспечения постоянного контроля и анализа нагрузок, протекающих в электрической системе. Особенно это актуально на высоковольтном оборудовании.

Измерительные трансформаторы тока 110 кВ

Номинальные значения вторичных токов измерительных трансформаторов энергетики принимают в 5 ампер для оборудования до 110 кВ включительно и 1 А — выше.

Широкое применение трансформаторы тока нашли в измерительных приборах. За счет использования конструкции раздвижного магнитопровода удается быстро выполнять различные замеры без разрыва электрической цепи, что необходимо делать при использовании обычных амперметров.

Токовые клещи с раздвижным магнитопроводом трансформатора тока позволяют обхватить любой проводник с напряжением и замерить величину и угол вектора тока.

Трансформаторы напряжения

Отличительная особенность этих конструкций заключается в том, что они работают в режиме, близком к состоянию холостого хода, когда величина их выходной нагрузки невысокая. Они подключается к той системе напряжений, величина которой будет измеряться.

Измерительный трансформатор напряжения 110 кВ

Измерительные трансформаторы напряжения обеспечивают гальваническую развязку оборудования первичных и вторичных цепей, работают в каждой фазе высоковольтного оборудования.

Из них создают целые комплексы систем измерения, позволяющие фильтровать и выделять различные составляющие векторов напряжения, учет которых необходим для точной работы защит, блокировок, систем сигнализации.

За счет работы трансформаторов тока и напряжения снимают вектора вторичных величин, пропорциональные первичным в реальном масштабе времени. Это позволяет не только создавать цепи измерения и защит по току и напряжению, но и за счет математических преобразований векторов анализировать состояние мощностей и сопротивлений в действующей электрической системе.

Основные параметры и характеристики ТТ

В соответствии с ГОСТ 7746-78 «Трансформаторы тока. Общие технические требования» ими являются:
1. Номинальное напряжение — действующее значение линейного напряжения, при котором предназначен работать ТТ, указываемое в паспортной таблице ТТ. Для отечественных ТТ приняты следующие значения: 0,66; 6; 10; 15; 20; 24; 27; 286 35; 110; 150; 220; … 1150 кВ.
Номинальный первичный ток /1н (указан в паспорте) проходящий по первичной обмотке, при котором предусмотрено продолжительная работа ТТ. Шкала токов: 1; 5; 10; 15; 20; 30; … 1000; 1500; … 40 000 А. Номинальный вторичный ток 12н (указан в паспортной таблице ТТ), проходящий во вторичной обмотке. Номинальный вторичный ток принимается равным 1 А (с номинальным первичным током до 4000 А) или 5 А. По согласованию с заказчиком допускается изготовление ТТ с /2р = 2 или 2,5 А.
Вторичная нагрузка ТТ Z2h — соответствует полному сопротивлению его внешней вторичной цепи, выраженному в омах, с указанием коэффициента мощности cos-фи = 0,8, при которой гарантируется установленный класс точности ТТ или предельная кратность первичного тока относительно его номинального значения, называемая номинальной вторичной нагрузкой ТТ Z2hhom. Для отечественных трансформаторов установлены следующие значения номинальной вторичной нагрузки 52н ном, выраженной в вольт-амперах, при коэффициенте мощности cos 1,8^1/1т; для ТТ на номинальное напряжение 110, 150 и 220 кВ 1Я > 1,8 V2 IЗт;
для ТТ на номинальное напряжение до 35 кВ включительно 1л>1,8уП1Лт. Температура токоведущих частей ТТ при прохождении тока термической стойкости не должна превышать:
200 °С для токоведущих частей из алюминия; 250 °С для токоведущих частей из меди и ее сплавов, соприкасающихся с органической изоляцией или маслом.
Механические нагрузки, определяемые давлением ветра со скоростью 40 м/с на поверхность ТТ и тяжением подводящих проводов, которое должно быть не менее: 500 Н для ТТ до 35 кВ включительно;
1000 Н для ТТ 110 — 220 кВ; 1500 Н для ТТ 330 кВ и выше.
В эксплуатации должны учитываться следующие требования к ТТ: Контактные зажимы выводов первичной обмотки ТТ должны выполнятся с учетом требований ГОСТ 10434-76.
Обозначение концов первичных и вторичных обмоток согласно ГОСТ 7746-78 должно производится в соответствии с табл. 1. Линейные выводы первичной обмотки обозначаются символами JIi и JI2, которые должны наноситься так, чтобы при направлении тока в первичной обмотке от Л^ и Н^ соответственно к Кг и JI2 вторичный ток проходил по внешней цепи (приборам) от Ил к И2. Маслонаполненный трансформатор тока должен иметь маслорасширитель (компенсатор) и указатель уровня масла. Вместимость маслорасширителя должна обеспечить постоянное наличие в нем масла при всех режимах работы ТТ от отключенного состояния до нормированной токовой нагрузки и при колебаниях температуры окружающего воздуха, установленных для данного климатического района. В ТТ на номинальное напряжение 330 кВ и выше обязательно должна быть предусмотрена защита масла от увлажнения, например посредством сильфонов.
Таблица 1 Размеры указателя уровня масла должны быть такими, чтобы обслуживающий персонал мог с безопасного расстояния наблюдать за уровнем масла в ТТ.
Трансформаторы, имеющие массу более 50 кг, должны иметь приспособления для подъема. Если такие приспособления невозможно выполнить, завод-изготовитель должен указывать в инструкции места захвата ТТ при подъеме

ТТ, у которых амплитуда напряжения на разомкнутой вторичной обмотке при номинальном токе в первичной обмотке превышает 350 В, должны иметь надпись: «Внимание! Опасно! На разомкнутой обмотке высокое напряжение».
Трансформаторы, кроме встроенных, должны иметь контактную площадку для присоединения заземляющего проводника и заземляющий зажим в соответствии с требованиями ГОСТ 21130-75

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 Ф_нам). Этот поток составляет несколько процентов от потока Ф₁. Именно поток Ф_нам 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+F_нам или I₁*w₁=I₂*w₂+I_нам*w₁ или I₁=I₂*(w₂/w₁)+I_нам

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.

Монтаж, подключение, опасные факторы

При пробое изоляции обмоток возникает возможность поражения током, но риск предотвращается заземлением вывода (обозначается на корпусе) вторички.

На выводы вторичной катушки И1 и И2 токи полярные, они обязательно постоянно подсоединены на нагрузку. Идущая по первичной цепи энергия со значительным потенциалом (S=UI). В другой происходит трансформация, и при обрыве в ней там падает напряжение. Потенциал разомкнутых концов при протекании энергии большой, что представляет значительную опасность.

По описанным выше причинам все вторичные цепи ТТ собирают особо тщательно и надежно, на них и кернах, выведенных из функционирования, всегда ставят шунтирующие закоротки.

Как подключается ТТ

Есть несколько схем для изделий защитного типа. Рассмотрим подключение ТТ на трехфазное напряжение.

Полная звезда:

самая распространенная, защита одно- и многофазных систем от КЗ;
три ТТ соединяются в звезду.

Если ток ниже настроек на реле КА1–КА3, то это нормальная ситуация, защита не активируется. Ток на К0 — это сумма всех 3 фаз. При возрастании величин в одной из них растет ток и в ТТ. Произойдет сработка реле при КЗ и при превышении нагрузок.

Неполная звезда:

защита от межфазных замыканий для создания цепей с нейтралью с заземлением;
для маломощных приемников с другими вариантами защиты.

Схема «треугольник и звезда» — для дифференциальной защиты.

Схема без обесточивания при КЗ на землю используется, но редко по этой же причине. Для защиты от замыканий между фазами и всплесков в одной из них.

ТТИ подсоединяются простым последовательным подключением первичных витков изделия.

Монтаж

Монтаж трансформаторов тока:

Ревизия устройства, проверка изоляции (должно быть выше 1 кОм на 1 В);
Отключают ЭУ;
Убедится в обесточивании, зафиксировать заземления.
Разметка, установка креплений. Запрещено размещать трансформатор вплотную к ЭУ (минимальный зазор — 10 см).
Выставляются таблички, ограждения.
Первичные витки подсоединяются последовательно, но с нагрузкой на вторичных. Если нет возможности подключить измеритель, то ее контакты замыкают, чтобы не было высоких мощностей на ней, которые приведут его повреждению.

ТТ не допускает холостого функционирования, его режим близок к КЗ: вторичные витки при подключении прибора к измеряемому току обязательно замыкаются. Иначе происходит перегревание, повреждающее изоляцию. Перед отсоединением измерителей сначала закорачивают катушки. У некоторых моделей для этого есть узлы клеммы, перемычки.

Расчет

Расчет трансформатора тока можно провести по онлайн-калькуляторам, подобрать по номиналу (например, для 10 кВ). Но это слишком упрощенные инструменты. Исчисления и параметры для выбора — чрезвычайно обширная тема, поэтому опишем основы.

Точность чрезвычайно важная, поэтому потребуются тщательные исчисления специалистами. Необходимо знать множество специфических нюансов, например:

при разных схемах подсоединения, видах КЗ, есть разные формулы определения сопротивления;
проверяют первичный ток на термо- и электродинамическую стойкость;
есть свои нюансы для ТТ, для релейной защиты и для учетных целей, измерений.

Правила, как выбрать трансформатор тока в общих чертах:

номинальное рабочее напряжение ТТ должно превышать или сравниваться с номиналом ЭУ (стандартные значения 0.66, 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 750 кВ). Если обслуживаемое оборудование имеет 10 кВ, то изделие должно быть рассчитано на этот показатель;
первичный ток ТТ — больше номинального тока у ЭУ, но учитывая перегрузочную способность;
оценивают ТТ по номинальной мощности вторичной нагрузки, которая должны превышать расчетное ее значение. (Sном>=Sнагр);
оценивают размеры и расположение для установки, номинальные нагрузки (есть таблица), наработка до отказа, срок службы, класс точности.

Проверка после расчета

Правила:

после расчета ТТ проверяют по загрузке при макс. и мин. значениях, протекающих через него нагрузок;
по п. 1.5. 17 ПУЭ при макс. подключенной нагрузке ток во вторичной катушке — не менее 40 % номинала счетчика, при мин. — не менее 5 %;
макс. загрузка должна быть от 40 %, а мин. — от 5 %, и в любом случае она не должна превышать 100 %, иначе возникнет перегрузка трансформатора;
если рассчитанные величины макс./мин. загрузок меньше 40 % и 5 % соответственно, то надо подбирать изделие с меньшим номиналом, а если этого нельзя сделать по параметрам макс. нагрузки, надо предусмотреть монтаж двух счетчиков — для макс. и мин. нагрузки.

Монтаж, подключение, опасные факторы

Как подключается ТТ

Есть несколько схем для изделий защитного типа. Рассмотрим подключение ТТ на трехфазное напряжение.

Полная звезда:

самая распространенная, защита одно- и многофазных систем от КЗ;
три ТТ соединяются в звезду.

Неполная звезда:

защита от межфазных замыканий для создания цепей с нейтралью с заземлением;
для маломощных приемников с другими вариантами защиты.

Схема «треугольник и звезда» — для дифференциальной защиты.

ТТИ подсоединяются простым последовательным подключением первичных витков изделия.

Монтаж

Монтаж трансформаторов тока:

Ревизия устройства, проверка изоляции (должно быть выше 1 кОм на 1 В);
Отключают ЭУ;
Убедится в обесточивании, зафиксировать заземления.
Разметка, установка креплений. Запрещено размещать трансформатор вплотную к ЭУ (минимальный зазор — 10 см).
Выставляются таблички, ограждения.
Первичные витки подсоединяются последовательно, но с нагрузкой на вторичных. Если нет возможности подключить измеритель, то ее контакты замыкают, чтобы не было высоких мощностей на ней, которые приведут его повреждению.

Расчет

при разных схемах подсоединения, видах КЗ, есть разные формулы определения сопротивления;
проверяют первичный ток на термо- и электродинамическую стойкость;
есть свои нюансы для ТТ, для релейной защиты и для учетных целей, измерений.

Правила, как выбрать трансформатор тока в общих чертах:

номинальное рабочее напряжение ТТ должно превышать или сравниваться с номиналом ЭУ (стандартные значения 0.66, 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 750 кВ). Если обслуживаемое оборудование имеет 10 кВ, то изделие должно быть рассчитано на этот показатель;
первичный ток ТТ — больше номинального тока у ЭУ, но учитывая перегрузочную способность;
оценивают ТТ по номинальной мощности вторичной нагрузки, которая должны превышать расчетное ее значение. (Sном>=Sнагр);
оценивают размеры и расположение для установки, номинальные нагрузки (есть таблица), наработка до отказа, срок службы, класс точности.

Проверка после расчета

Правила:

после расчета ТТ проверяют по загрузке при макс. и мин. значениях, протекающих через него нагрузок;
по п. 1.5. 17 ПУЭ при макс. подключенной нагрузке ток во вторичной катушке — не менее 40 % номинала счетчика, при мин. — не менее 5 %;
макс. загрузка должна быть от 40 %, а мин. — от 5 %, и в любом случае она не должна превышать 100 %, иначе возникнет перегрузка трансформатора;
если рассчитанные величины макс./мин. загрузок меньше 40 % и 5 % соответственно, то надо подбирать изделие с меньшим номиналом, а если этого нельзя сделать по параметрам макс. нагрузки, надо предусмотреть монтаж двух счетчиков — для макс. и мин. нагрузки.

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.

Дополнительное оборудование

Устройство силового трансформатора включает в себя различные виды дополнительного навесного оборудования:

газовое реле. Это устройство выполняет защитные функции. При нестабильной работе трансформатора (нарушена система охлаждения, повреждения различного типа), масло начинает постепенно разлагаться на простые составляющие. В процессе выделяется определенное количество газов. Если реакция протекает медленно, то устройство подает предупреждающий сигнал, а если газ образуется слишком быстро, то реле просто отключает трансформатор;
индикаторы температуры. Специальные датчики на основе термопар регулярно проводят замеры температуры масла в самых горячих точках;
поглотители влаги. Так как конструкция маслонаполненной емкости не является абсолютно герметичной, то под крышкой может образоваться водяной конденсат. Специальные устройства поглощают влагу и препятствуют попаданию ее в масло;
система постоянной регенерации масла;
защита от повышения давления внутри емкости. Система комбинируется с устройствами сброса лишнего давления и работает в автоматическом режиме;
индикатор уровня масла. В большинстве случаев он выполнен в виде прибора с циферблатом и стрелкой или в виде трубки, которая заполнена маслом и соединена с емкостью по принципу сообщающихся сосудов.

Больше информации о современных силовых трансформаторах, их основных разновидностях, типах конструкции и новейших разработках в этой сфере можно узнать на международной выставке «Электро». Мероприятие состоится на территории ЦВК «Экспоцентр».

Измерительные трансформаторы тока и напряженияПринцип действия измерительных трансформаторовВысоковольтные трансформаторы

Классификация трансформаторов тока

Понять, для чего предназначается ТТ, поможет ознакомление с общепринятой классификацией этих приборов. Известные образцы преобразовательных устройств отличаются по следующим основным признакам:

Назначение – выполняемая каждым конкретным прибором функция.
Способ установки по месту эксплуатации.
Особенности конструкции, включая общее количество витков в первичной обмотке.
Рабочее напряжение и вид изоляции проводников.
Число ступеней трансформации.

Согласно назначению известные образцы ТТ делятся на лабораторные, защитные, измерительные и так называемые «промежуточные» устройства.

Высоковольтная влб-1Э-6У1

Последняя категория предназначается либо для подключения измерительных приборов, либо для выравнивания токовых значений в системах дифференциальной защиты.

По способу монтажа различают следующие виды:

только для наружной установки (в шкафах ОРУ);
для схем внутреннего монтажа (в ЗРУ);
преобразователи, встроенные в электрические агрегаты и коммутационные аппараты, к которым относятся генераторы и силовые трансформаторы;
накладные устройства, монтируемые поверх конструкции (на проходных изоляторах).

Трансформатор тока IEK ТТИ 1000/5А 10ВА, кл.т. 0,5S

По конструктивному исполнению первичной обмотки токовые устройства разделяются на многовитковые, одновитковые и шинные модели. В соответствии с рабочим напряжением цепей, в которые устанавливаются эти приборы, они делятся на трансформаторы, устанавливаемые в сетях до и более 1000 Вольт.

По типу используемых в них изолирующих материалов эти изделия подразделяются на следующие виды:

с «сухой» изоляцией на основе фарфора или эпоксидной смолы;
с бумажно-масляной либо конденсаторной защитой;
с компаундной заливкой.