Измерительный трансформатор тока: сведения об устройстве, назначение, виды конструкций и их принцип действия

Принцип работы трансформаторов тока

1.3 Принцип работы Трансформатор тока состоит из замкнутого сердечника, набранного из тонких листов электротехнической стали, и двух обмоток — первичной и вторичной. Первичную обмотку включают последовательно в контролируемую цепь, ко вторичной обмотке присоединяют токовые катушки различных приборов и реле. Рисунок 1 – Трансформатор тока: а — устройство, б, в — схемы включения амперметра непосредственно в контролирующую цепь и через трансформатор тока Устройство трансформатора тока и схемы включения амперметра показаны на рисунке 1, а—в. Магнитный поток в магнитопроводе 3 создается токами первичной 1 и вторичной 2 обмоток. Соотношение первичного I1 и вторичного I2 токов определяется формулой: KТТ = I1/I2 = w2/wl , где KТТ — коэффициент трансформации; w1 и w2 — число витков первичной и вторичной обмоток. Если в силовых трансформаторах и трансформаторах напряжения увеличение сопротивления во вторичной цепи вызывает уменьшение тока во вторичной и в первичной цепях, а напряжение на выводах обеих обмоток почти не изменяется, то у трансформаторов тока увеличение сопротивления во вторичной цепи приводит к повышению напряжения на выводах вторичной обмотки. Это объясняется тем, что ток в первичной цепи не зависит от нагрузки трансформатора тока. Ток во вторичной цепи трансформатора тока практически не меняется с изменением ее сопротивления при данном режиме первичной цепи. Вследствие этого нагрузка трансформатора тока увеличивается с возрастанием сопротивления во вторичной цепи, складывающегося из сопротивлений, подключенных к трансформатору тока аппаратов и приборов, соединительных проводов и переходных контактов. Трансформаторы тока для электроустановок напряжением до 1000 В показаны на рисунке 2, а, б, в (катушечный, шинный ТШ-0,5 и шинный с литой изоляцией ТШЛ-0,5). В шинных трансформаторах тока в качестве первичной обмотки используют шину, пропускаемую через окно 5 сердечника трансформатора тока, на который намотана вторичная обмотка. Проходные трансформаторы тока для внутренней установки на напряжение 10 кВ выполняют многовитковыми, одновитковыми и шинными с фарфоровой и пластмассовой (литой) изоляцией (Рисунок 3, а—в). Опорный трансформатор тока ТФНД-220 для наружной установки на напряжение 220 кВ (Рисунок 4) имеет обмотки, помещенные в фарфоровый корпус 3, залитый маслом и укрепленный на основании 4. На верхнем торце фарфорового корпуса укреплен чугунный расширитель 1 для масла с маслоуказателем и зажимами 2 первичной обмотки. Сердечник с вторичной обмоткой охватывается первичной обмоткой, имеющей в этом месте форму кольца. Выводы вторичной обмотки размещены в коробке 5 на основании трансформатора. Рисунок 2 – Трансформаторы тока на напряжение до 1000 В: а — катушечный, б, в — шинные ТШ-0,5 и ТШЛ-0,5; 1 — каркас, 2, 4 — зажимы вторичной и первичной обмоток, 3 — защитный кожух, 5 — окно

Рисунок 3 – Трансформаторы тока на напряжение 10 кВ с литой изоляцией: а — многовитковый ТПЛ-10, б — одновитковый ТПОЛ-10, в —шинный ТПШЛ-10; 1, 2 — зажимы первичной и вторичной обмоток, 3 — литая изоляция, 4 — установочный угольник, 5 — сердечник

Рисунок 4 – Опорный трансформатор тока ТФНД-220 наружной установки В высоковольтных распределительных устройствах подстанций применяют проходные (Рисунок 5, а) и опорные (Рисунок 5, б) трансформаторы тока. Рисунок 5 – Трансформаторы тока: а — проходной ТПФМ-10 на 10 кВ, б — опорный ТФН-35М на 35 кВ; 1 и 3 — первичная и вторичная обмотки, 2 — фарфоровый изолятор, 4 — сердечник вторичной обмотки, 5 — контактный угольник, 6 — крышка, 7 — кожух, 8 — верхний фланец, 9 — зажимы выводов вторичной обмотки, 10 — якореобразный болт, 11 — крышка, 12 — фарфоровая покрышка, 13 — изоляционное масло, 14 — кольцевые обмотки («восьмеркой»), 15 — полухомут, 16 — масловыпускатель, 17 — цоколь, 18 — коробка вторичных выводов, 19 — кабельная муфта, 20 — маслоуказатель

Измерительные трансформаторы напряжения и тока

Специальные измерительные трансформаторы – это особый тип преобразователей, позволяющих включать контрольные устройства в силовые цепи. Их основное назначение – преобразование тока или напряжения в величину, удобную для измерения параметров сети. Необходимость в этом возникает в следующих ситуациях:

при снятии показаний электрическими счетчиками;
в случае установки в силовых питающих цепях реле защиты по напряжению и току;
при наличии в ней других устройств автоматики.

Измерительные приборы классифицируются по конструкции, типу установки, коэффициенту трансформации и числу ступеней. Согласно первому признаку они бывают встроенными, проходными и опорными, а по месту размещения – наружными или предназначенными для монтажа в ячейках КРУ закрытого типа. По числу ступеней преобразования они делятся на одноступенчатые и каскадные, а по коэффициенту трансформации – на изделия, имеющие одно или несколько значений.

Принцип работы трансформаторов тока

Рисунок 1 – Трансформатор тока: а — устройство, б, в — схемы включения амперметра непосредственно в контролирующую цепь и через трансформатор тока Устройство трансформатора тока и схемы включения амперметра показаны на рисунке 1, а—в. Магнитный поток в магнитопроводе 3 создается токами первичной 1 и вторичной 2 обмоток. Соотношение первичного I1 и вторичного I2 токов определяется формулой: KТТ = I1/I2 = w2/wl , где KТТ — коэффициент трансформации; w1 и w2 — число витков первичной и вторичной обмоток. Если в силовых трансформаторах и трансформаторах напряжения увеличение сопротивления во вторичной цепи вызывает уменьшение тока во вторичной и в первичной цепях, а напряжение на выводах обеих обмоток почти не изменяется, то у трансформаторов тока увеличение сопротивления во вторичной цепи приводит к повышению напряжения на выводах вторичной обмотки. Это объясняется тем, что ток в первичной цепи не зависит от нагрузки трансформатора тока. Ток во вторичной цепи трансформатора тока практически не меняется с изменением ее сопротивления при данном режиме первичной цепи. Вследствие этого нагрузка трансформатора тока увеличивается с возрастанием сопротивления во вторичной цепи, складывающегося из сопротивлений, подключенных к трансформатору тока аппаратов и приборов, соединительных проводов и переходных контактов. Трансформаторы тока для электроустановок напряжением до 1000 В показаны на рисунке 2, а, б, в (катушечный, шинный ТШ-0,5 и шинный с литой изоляцией ТШЛ-0,5). В шинных трансформаторах тока в качестве первичной обмотки используют шину, пропускаемую через окно 5 сердечника трансформатора тока, на который намотана вторичная обмотка. Проходные трансформаторы тока для внутренней установки на напряжение 10 кВ выполняют многовитковыми, одновитковыми и шинными с фарфоровой и пластмассовой (литой) изоляцией (Рисунок 3, а—в). Опорный трансформатор тока ТФНД-220 для наружной установки на напряжение 220 кВ (Рисунок 4) имеет обмотки, помещенные в фарфоровый корпус 3, залитый маслом и укрепленный на основании 4. На верхнем торце фарфорового корпуса укреплен чугунный расширитель 1 для масла с маслоуказателем и зажимами 2 первичной обмотки. Сердечник с вторичной обмоткой охватывается первичной обмоткой, имеющей в этом месте форму кольца. Выводы вторичной обмотки размещены в коробке 5 на основании трансформатора.

Рисунок 2 – Трансформаторы тока на напряжение до 1000 В: а — катушечный, б, в — шинные ТШ-0,5 и ТШЛ-0,5; 1 — каркас, 2, 4 — зажимы вторичной и первичной обмоток, 3 — защитный кожух, 5 — окно

Советуем изучить — Механические характеристики электроприводов

Рисунок 5 – Трансформаторы тока: а — проходной ТПФМ-10 на 10 кВ, б — опорный ТФН-35М на 35 кВ; 1 и 3 — первичная и вторичная обмотки, 2 — фарфоровый изолятор, 4 — сердечник вторичной обмотки, 5 — контактный угольник, 6 — крышка, 7 — кожух, 8 — верхний фланец, 9 — зажимы выводов вторичной обмотки, 10 — якореобразный болт, 11 — крышка, 12 — фарфоровая покрышка, 13 — изоляционное масло, 14 — кольцевые обмотки («восьмеркой»), 15 — полухомут, 16 — масловыпускатель, 17 — цоколь, 18 — коробка вторичных выводов, 19 — кабельная муфта, 20 — маслоуказатель

Виды трансформаторов тока

Данные электротехнические устройства классифицируются по нескольким характеристикам. В зависимости от назначения токовые трансформаторы могут быть:

защитными – снижающими параметры тока для предотвращения выхода из строя потребляющих устройств;
измерительными – через которые подключаются средства измерения, в том числе электросчётчики;
промежуточными – устанавливаемыми в системы релейной защиты;
лабораторными – используемыми для исследовательских целей, обладающими низкой погрешностью измерения, нередко – с несколькими коэффициентами трансформации.

Также читайте: Однофазный литой трансформатор тока — ТПОЛ Учитывая характер условий эксплуатации, различают трансформаторы:

для наружной установки – защищённые от воздействия атмосферных факторов, которые можно использовать на открытом воздухе;
Три трансформатора тока для 3-х фаз(А, B? C)
внутренние – применяемые внутри помещений;
ТТ для установки внутри помещений
встроенные – расположенные внутри электрических приборов и являющиеся их составной частью(3 ТА для каждой фазы показаны стрелкой).
Встроенные ТТ

В зависимости от исполнения первичных обмоток различают устройства:

одновиткового исполнения;
многовитковые;
шинные.

С учётом способа установки их подразделяют на следующие типы:

проходной;
опорный.

По числу ступеней изменения тока выделяют трансформаторы:

одноступенчатого,
двухступенчатого (каскадного) типа.

Устройства, в зависимости от величины напряжения, на которое они рассчитаны делят на предназначенные для работы в условиях более и менее 1000 В.

Для изготовления сердечника применяется специальная трансформаторная сталь. Изоляция выполняется сухой (бакелитовой, фарфоровой), обычной или бумажно-масляной.

Основное определение

Чтобы понимать, «чем принципиально отличаются трансформатор и автотрансформатор», нужно рассмотреть их определение.

Трансформатор – электромагнитный прибор статического типа, преобразующий электрический ток переменного значения с определенным показателем напряжения в электроэнергию другого уровня. Прибор способен повышать или понижать этот показатель. Система способна преобразовывать частоту и количество фаз электрического тока. Также рекомендуем ознакомиться с конструкцией и принципами работы трансформатора.

Оборудование включает несколько обмоток. Контуры находятся на сердечнике из специального сплава. Первичная катушка подключается к сети переменного типа. Вторичная катушка или все остальные обмотки соединены с установкой, потребляющей исходящее электричество.

Основным принципом работы прибора является закон Фарадея. При перемещении через обмотку магнитного потока определяется некоторая электродвижущая сила.

При необходимости менять параметры незначительно, разрешается применять «автотрансформатор». Этот агрегат представляет собой систему с двумя обмотками, объединенными в одну катушку. Это обеспечивает возникновение электромагнитной, электрической связи. Подробнее о автотрансформаторе мы писали здесь.

Классификация по способу исполнения

Отдельно стоит рассматривать способ исполнения ТТ, так как в этом случае также существует несколько вариантов. Выделяют следующие виды:

Тороидальные. Устанавливаются на кабели или шины, поэтому первичная обмотка им вообще не нужна. Первичный ток в этом случае протекает по шине, проходит через сердечник и фиксируется вторичной обмоткой.
Сухие. У таких изделий первичная обмотка не имеет изоляции, поэтому свойства получаемого тока зависят от используемого коэффициента преобразования.
Высоковольтные (масляные и газовые). Используются для дополнительной защиты от короткого замыкания, а для измерительных работ – не годятся.

Варианты установки трансформаторов

Помимо назначения и способа исполнения, трансформатор тока можно разделить на несколько видов в зависимости от способа монтажа. Выделяют следующие устройства:

Переносные. Мобильные модели, которые служат для диагностических и лабораторных испытаний.
Накладные. Применяются для установки сверху на проходные изоляторы, отличаются компактностью и имеют специальные крепления для монтажа.
Встраиваемые. Такие изделия встроены в электрические машины или коммутационные аппараты (например, в генераторы или похожие устройства).

Дополнительно выделяют трансформаторы для наружной установки (нужны для ОРУ – открытых распределительных устройств) и внутреннего монтажа (для ЗРУ – закрытых распределительных устройств).

Независимо от типа и способа монтажа, все устройства, кроме встроенных, имеют специальную контактную площадку. С ее помощью подсоединяется заземляющий проводник и зажим, что, в конечном счете, максимально упрощает процесс установки.

Типы трансформаторов

В зависимости от использования, конструкции и мощности существуют такие виды трансформаторов, рассмотрим каждый класс подробно:

Автотрансформатор (от от 0,3 до 6 кВт) имеет одну обмотку с двумя концевыми клеммами, а также один или более терминалов в промежуточных точках трансформатора, в котором размещены первичные и вторичные катушки. Чаще всего это однофазный трансформатор напряжения. Представлен маркой ОСМ;
Трансформатор тока имеет первичную и вторичную обмотку, магнитный сердечник, а также специальные резисторы, оптические датчики, которые помогают ускорять процессы регулировки напряжения. Переменный ток, протекающий в первичной, производит переменное магнитное поле в сердечнике, который затем индуцирует переменный ток в обмотке вторичной цепи. Главной целью устройства трансформации является обеспечение первичной и вторичной цепей и уравнение их сигналов, так чтобы во вторичной цепи ток был линейно пропорционален первичному току. Для этого провода устройства соединяют в разомкнутый треугольник. На рисунке изображена а) схема трансформатора; б) диаграмма векторная; в)диаграмма векторов идеального трансформатора. Фото – Диагармма
Силовой трансформатор – это электрический прибор, который передает ток между двумя контурами при помощи электромагнитной индукции. В свою очередь эти высоковольтные трансформаторы бывают понижающие, повышающие, масляные и сухие. НТС, НТМИ, НКФ, СРА, СРВ, ТМГ, ТСЗИ, ABB, ОМ-0,63 до 160 КВА не может работать с постоянным током, хотя, когда он подключен к источнику постоянного тока, трансформатор обычно дает краткий выходной импульс, во время подъема напряжения. Фото – Силовой трансформатор
Трансформатор антирезонансного типа – литые устройства с полузакрытой структурой и хорошей тепловой изоляцией. Этот прибор может быть трёхфазный, однофазный. По принципу действия практически не отличается от силового трансформатора, но имеет небольшие размеры, хорошо подходит для всех видов климатических условий. Это серии НАМИТ, НАМИ, ВАВИН. Антирезонансные приборы используются в условиях сильных нагрузок или передачи сигналов на большие расстояния.
Заземляемые трансформаторы (или догрузочные) – устройства специального назначения, главной особенностью которых являются обмотки, соединенные между собой звездой или зигзагом. Они используются, чтобы позволить три провода (дельте) многофазной системы соединяться с фазой и нейтралью нагрузок, обеспечивая обратный путь для тока в нейтрали. Заземление трансформаторов часто включают одну обмотку трансформатора с зигзагообразной конфигурацией, но иногда работает при помощи соединения звезда-треугольник из выделенных обмоток трансформатор, чаще всего применяются для подключения счетчика. Представлены моделями ЗНОЛ, НОЛ, НОМ, ЗНОЛП, ЗНОМ. Фото – Заземляемый трансформатор
Пик-трансформаторы используются для сопоставления импульсных источников и нагрузки, с целью изменить полярность импульса, чтобы отделить постоянный и переменный токи, добавить сигналы. Чаще всего используются в компьютерных системах, радиосвязи. У них упрощенная конструкция: вокруг ферримагнитного сердечника расположена обмотка с определенным количеством витков. Он защищает чувствительные устройства от замыкания, сейчас используется редко, его могут заменить предохранители или частотный стабилизатор. Это идеальные приспособления для защиты электрической сети частного дома, если позволяют характеристики определенной модели;
Домашний разделительный трансформатор используется для передачи электрической энергии от источника переменного тока к оборудованию или устройству, при этом блокируя передаточные способности источника питания. Бытовые разделительные трансформаторы 220 220 вольт обеспечивают гальваническую развязку, регулирование напряжения, и чаще всего используются для защиты от поражения электрическим током, для подавления электрических помех на чувствительных устройствах или передачи энергии между двумя не подключенными контурами. Этот вид преобразователей способен блокировать передачу постоянного тока от одной схемы к другой, но при этом пропуская переменный ток. На его проверке используется напряжение короткого замыкания трансформатора (до 10 кВ, для более мощных приборов возможны показатели до 110 кВ).

Классификация трансформаторов тока

Трансформаторы тока принято классифицировать по следующим признакам:

В зависимости от назначения их разделяют на: защитные;
измерительные;
промежуточные, используемые для подключения устройств измерения в токовые цепи, выравнивания токов в системах диф. защит и т. п.);
лабораторные.

По типу установки разделяют устройства:

наружной установки (размещаемые в ОРУ);

внутренней установки (размещаемые в ЗРУ);
встроенные в электрические машины, коммутационные аппараты: генераторы, трансформаторы, аппараты и пр.;
накладные — устанавливаемые сверху на проходные изоляторы;
переносные (для лабораторных испытаний и диагностических измерений).
Исходя из конструктивного исполнения первичной обмотки ТТ разделяют на:

многовитковые (катушечные, с обмоткой в виде петли или восьмерки);

одновитковые;
шинные.

По способу исполнения изоляции ТТ разбивают на устройства:

с сухой изоляцией (из фарфора, литой изоляции из эпоксида, бекелита и т. п.);

с бумажно-масляной либо конденсаторной бумажно-масляной изоляцией;
имеющие заливку из компаунда.

По количеству ступеней трансформации ТТ бывают:

одноступенчатые;

двухступенчатые (каскадные).

Исходя из номинального напряжения различают:

ТТ с номинальным напряжением — выше 1 кВ;

ТТ с напряжением – до 1 кВ.

Отличие от трансформатора напряжения

Одним из некоторых отличий является способ создания изоляции между двумя обмотками.

Первичную обмотку в трансформаторах тока изолируют соответственно параметрам принимаемого напряжения. Вторичная обмотка имеет заземление.

Трансформаторы тока работают в условиях, подобных к случаю короткого замыкания, так как у них небольшое сопротивление вторичной обмотки.

Для трансформатора напряжения при коротком замыкании его работа опасна из-за риска возникновения аварии.

Для трансформатора тока такой режим работы вполне приемлемый и безопасный. Хотя бывают у таких трансформаторов также угрозы аварии, но для этого устанавливают свои системы и средства защиты.

Коэффициент трансформации

Этот коэффициент служит для оценки эффективности функционирования трансформатора. Его значение по номиналу дается в инструкции к прибору. Коэффициент означает отношение тока в первичной обмотке к току вторичной обмотки. Это значение может сильно меняться от числа секций и витков.

Нужно учитывать, что этот показатель не всегда совпадает с фактической величиной. Есть отклонение, определяемое условиями работы прибора. Назначение и метод работы определяют значения погрешности. Но этот фактор также не может быть причиной отказа от контроля коэффициента трансформации. Имея значение погрешности, оператор сглаживает ее аппаратурой специального назначения.

Установка

Простые трансформаторы тока, работающие на шинах, устанавливаются очень просто, и не требуют инструмента или техники.

Прибор ставится одним мастером при помощи крепежных зажимов.

Стационарные требуют оборудования фундамента, монтажа несущих стоек.

Каркас крепится сваркой. К этому каркасу монтируется аппаратура. Комплект оснащения зависит назначение устройства и его особенности.

Контроль

Это мероприятие состоит из разных операций: визуальный осмотр, дается оценка всей конструкции, проверяется маркировка, паспортные данные и т.д. Далее, осуществляется размагничивание трансформатора с помощью медленного повышения тока на первичной обмотке. Далее, величину тока уменьшают.

Затем готовят главные мероприятия по измерению параметров. Поверка основывается на оценке правильности полярности клемм катушек по нормам, также определяют погрешность с дальнейшей сверкой с паспортными данными.

Безопасность

Основные опасности при функционировании измерительных трансформаторов обусловлены качеством намотки катушек. Необходимо учитывать, что под витками действует основа из металла, которая в открытом виде создает опасность и угрозу для обслуживающего персонала.

Поэтому создается график обслуживания, по которому проводится периодическая проверка устройства. Персонал обязан следить за состоянием обмоток катушек. Перед проведением проверки трансформатор отключается и подключаются шунтирующие закоротки и заземление обмотки.