Что такое трансформаторы тока

В числе задач, которые решает электротехника – проведение профессиональных измерений при больших значениях величин. В качестве вспомогательного оборудования при проведении «исследований» выступает трансформатор тока. Основными элементами прибора выступают его обмотки. Для производства «измерений» осуществляется последовательное подключение первичной обмотки к сети переменного (исследуемого) тока. При этом вторичный контур прибора замыкается на контрольно-измерительную аппаратуру. В числе ведущих характеристик трансформатора высокая точность, которая достигается постоянным пропорциональным соотношением значений тока между обмотками. В целях исследований могут применяться прибора с большим количеством обмоток.

Главным отличием прибора для измерения токов от аналогичных устройств мощности или напряжения является использование нескольких витков. Первичная обмотка изготавливается в виде катушки или плоского, установленных на сердечник. Есть и другие варианты исполнения, например, в виде шины, расположенной на центральном отверстии. В нашем случае применяются трансформаторы тока Т-0,66 и ТШП.

Особенности вспомогательных приборов

Компоновка первичной обмотки трансформатора обычно не имеет более одного витка. Такое расположение позволяет подключать прибор в последовательную цепь. Вторичная же обмотка выполняется с большим количеством витков, посаженных на многослойный сердечник, что обеспечивает низкую плотность магнитного поля. В этой части трансформатора будет происходить короткое замыкание (при подаче на амперметр), либо ток будет подаваться на резистивную нагрузку. Во втором случае происходит эффект насыщения сердечника с одновременным пробоем напряжения до отказа.

Вне зависимости от подаваемого на первичную обмотку тока, значение на вторичном контуре будет равняться 1 или 5 Ампер. В отличие от последовательного прибора, на трансформаторе напряжения зависимость входящего и выходного значений сохраняется.

Типы вспомогательных приборов, используемых в промышленных целях:

1. Обмоточный трансформатор. Первичная обмотка устройства имеет постоянное последовательное соединение с проводником. На этом участке цепи протекает замеренный ток. Вторичная обмотка выдает электрическую величину, значение которой будет зависеть от количества витков.
2. Тороидальный трансформатор. Такие устройства не имеют первичной обмотки. Для изготовления приборов используется рулонная сталь. Ток проходит через специальное окно практически без потерь, при этом наблюдается высокая индукция насыщения. Сам сердечник может быть выполнен в раздельном виде, что позволяет отключать его без разрыва цепи. В числе преимуществ тороидального трансформатора меньшие вес, объем и уровень шума, экономия энергии и простой монтаж. Среди недостатков отмечаются более высокая стоимость, отсутствие магнитного зазора и повышенная чувствительность к сетевому напряжению.
3. Стержневой трансформатор. В качестве первичной обмотки используется подключаемый кабель или шина основной цепи. Элементы фиксируются на жесткой сцепке, подключаются только при выполнении измерений.

Сухой силовой трансформатор обеспечивает снижение больших значений тока до нормативных 1 или 5 Ампер. При таких условиях может работать контрольно-измерительная аппаратура или управляющая автоматика. Таким образом проявляется защитная функция приборов, в паре с которыми могут подключаться к высоковольтным линиям передач защитные реле, магнитные выключатели, измерители мощности или МСВ (модульные автоматические расцепители). Также устройства используются при оборудовании комплектных трансформаторных подстанций (КТП).

Конструктивные особенности

На практике трансформаторы тока не используются в качестве одиночной компоненты. Включаются в цепь как вспомогательные приборы. Примером такой связки служит согласованная пара трансформатора и амперметра. При этом под различные типы контрольно-измерительной аппаратуры подбирается подходящий тип устройства. В случае с трансформатором осуществляется калибровка на предмет установления пропорциональной зависимости между первичной и вторичной обмотками.

В технических характеристиках вспомогательных приборов чаще можно найти стандартное значение вторичной мощности 5 А. Соотношение на первичной и вторичной обмотках при этом устанавливается как 100/5. Расшифровка пропорции означает, что входящий ток больше выходного в 20 раз. Для соотношения 500/5 будет применяться соответственно стократное превышение на первичной обмотке.

Учитывая стандартные параметры трансформаторов и их возможности, появляется возможность регулирования значений выходного тока за счет увеличения количества вторичных обмоток. В этом случае используется обратная пропорциональность между количеством витков между двумя контурами устройства. Исходя из этого подтверждаются два уравнения электрической цепи:

1. Соотношение витков T.R.=N=Np/Ns=Is/Ip.
2. Для вычисления выходного тока (на вторичной обмотке) Is=Ip*Np/Ns.

Коэффициент тока как параметр трансформатора устанавливает соотношение для витков в обмотках. Если в первичном контуре может быть один или несколько оборотов проводника, то на втором их число может достигать нескольких сотен. При этом соотношения 100/5 и 20/1 не определяют аналогичные трансформаторы, поскольку входные токи будут разные. Что касается преобразования трансформаторов, это можно сделать за счет изменения проходов на входной обмотке. Так, для преобразования прибора 300/5А в меньший достаточно поменять (увеличить) число витков на первичном контуре. Наращивание числа витков позволит получить трансформатор с максимальными выходными параметрами.

Примеры расчетов

Назначением трансформатора стержневого типа с количеством витков 1 и 160 на первичной и вторичной обмотках соответственно будет использование в паре с амперметром 0.2 Ом. Измерительный прибор рассчитан на максимальный входной ток в 800 А. Для расчета выходных параметров будет использоваться формула:

Is=Ip*Np/Ns=800/160=5 A.

Напряжение на амперметре рассчитается следующим образом: vs=Is*Ra=5*0.2=1 V

Формула показывает, что при использовании силового трансформатора тока в паре с амперметром малого сопротивления падение напряжения будет незначительным. При условиях подачи максимального тока составит 1 В.

При удалении из связки измерительного прибора произойдёт размыкание вторичной обмотки. При таком условии трансформатор станет повышающим, поскольку на выходном сердечнике будет наблюдаться значительное увеличение намагничивающего потока. Для расчета возрастающего напряжения используется формула Vp*Ns/Np. К примеру, если трансформатор включен в цепь линии электропередач с расчетным напряжением 480 В, то на выходе значение будет 76.8 кВ. Указанное значение получится по формуле Vp*Ns/Np=480 В*160 витков первичной обмотки/1 проход первичного контура.

Исходя из этого использование трансформатора без нагрузки не допускается. Аналогично вспомогательные приборы для напряжения не могут включаться без короткого замыкания. Для того чтобы исключить поражение электрическим током, перед удалением измерительной аппаратуры следует закоротить вторичный контур.

Возвращаясь к расчетной формуле, растущее напряжение является только показателем высокого насыщения. Отсутствие сдерживающих факторов может привести к повреждению изоляционного слоя проводника и пробою цепи. В этом случае на выходе трансформатора возрастает риск поражения электрическим током.

Дополнительная классификация устройств

Промышленное назначение трансформаторов задается не только конструкцией первичной обмотки. Включение в цепь осуществляется по таким параметрам рабочих условий, принципу работы или типу установки:

• Назначение приборов. Промежуточные, защитные или измерительные трансформаторы используются в паре с соответствующими устройствами. Назначение задает схему подключения, в том числе для проведения лабораторных испытаний, где важны коэффициенты трансформации;
• Тип установки. Трансформаторы могут быть встраиваемыми, накладными или переносными. Тип установки внутренний или наружный учитывается при включении устройств в схему промышленного оборудования или специальных аппаратов. При монтаже также учитываются опорные или проходные способы;
• При активной эксплуатации трансформаторов имеет значение тип изоляции. В технических характеристиках приборов встречаются описания конденсаторных, сухих, фарфоровых или бакелитных исполнений. Самый надежных вид изоляции – заливка компаундом;
• Количество ступеней трансформации. Этот параметр определяет возможности приборов по корректировке значений входного тока. Существуют одноступенчатые или каскадных устройства.

Технические характеристики трансформаторов тока, определяющие практическое применение

Поскольку вспомогательные приборы используются в промышленных условиях, выбор устройств должен осуществляться профессионально, по ряду параметров. В их числе следующие:

1. Номинальный ток. Это не максимальное значение цепи, а параметр, при котором будет сохраняться отказоустойчивость трансформатора. Запас перегрева обычно находится на уровне 20% от номинального тока.
2. Коэффициент трансформации. Отличается от установленного значения номинального тока. Определяет соотношение между токами на входной (первичной) и выходной (вторичной) обмотках.
3. Номинальное напряжение. Аналогично нормативному значению для тока задает нормальные для прибора условия работы. Номинальное напряжение определяет качество изоляции, способность к отказоустойчивости в режиме перегрузок.
4. Токовая погрешность. Явление, возникающее под действием намагничивающего тока. Обозначает разницу между параметрами входного и выходного токов. Возрастает при увеличении намагничивания сердечника в трансформаторе.
5. Нагрузка номинальная. Под этим параметром понимается значение в Ом, определяющее нормативные условия работы устройства. Нормированными остаются значение входного тока и класс точности.
6. Номинальная предельная кратность. Соотношение тока первичного к току номинальному.
7. Максимальное значение кратности для вторичного контура. Соотношение токов на выходной обмотке к номинальному току задает предельный уровень насыщения магнитопровода.

Трансформаторы тока остаются популярными приборами с широким спектром применения в электроэнергетике. Используются для измерений, защиты или в качестве промежуточных устройств корректировки цепи. Самый высокий класс точности применяется в лабораторных условиях.