Трансформатор тока: принцип работы для измерения параметров электросетей. Назначение и принцип действия трансформатора тока Конструкция измерительных трансформаторов тока и напряжения

Трансформатор - незаменимое устройство в электротехнике.

Без него энергосистема в ее нынешнем виде не могла бы существовать.

Присутствуют эти элементы и во многих электроприборах.

Желающим познакомиться с ними поближе предлагается данная статья, тема которой - трансформатор: принцип работы и виды приборов, а также их назначение.

Так называют устройство, изменяющее величину переменного электрического напряжения. Существуют разновидности, способные менять и его частоту.

Таким аппаратами оснащают многие приборы, также они применяются в самостоятельном виде.

Например, установки, повышающие напряжение для передачи тока по электромагистралям.

Генерируемое электростанцией напряжение они поднимают до 35 – 750 кВ, что дает двойную выгоду:

• уменьшаются потери в проводах;
• требуются провода меньшего сечения.

В городских электросетях напряжение снова уменьшается до величины в 6,1 кВ, опять же с использованием . В распределительных сетях, раздающих электричество потребителям, напряжение понижают до 0,4 кВ (это привычные нам 380/).

Принцип работы

Работа трансформаторного устройства основана на явлении электромагнитной индукции, состоящей в следующем: при изменении параметров магнитного поля, пересекающего проводник, в последнем возникает ЭДС (электродвижущая сила). Проводник в трансформаторе присутствует в форме катушки или обмотки, и общая ЭДС равна сумме ЭДС каждого витка.

Для нормальной работы требуется исключить электрический контакт между витками, потому используют провод в изолирующей оболочке. Эту катушку называют вторичной.

Магнитное поле, необходимое для генерации во вторичной катушке ЭДС, создается другой катушкой. Она подключается к источнику тока и называется первичной. Работа первичной катушки основана на том факте, что при протекании через проводник тока, вокруг него формируется электромагнитное поле, а если он смотан в катушку, оно усиливается.

Как работает трансформатор

При протекании через катушку параметры электромагнитного поля не меняются и оно неспособно вызвать ЭДС во вторичной катушке. Поэтому трансформаторы работают только с переменным напряжением.

На характер преобразования напряжения влияет соотношение количества витков в обмотках – первичной и вторичной. Его обозначают «Кт» – коэффициент трансформации. Действует закон:

Кт = W1 / W2 = U1 / U2,

• W1 и W2 - количество витков в первичной и вторичной обмотках;
• U1 и U2 - напряжение на их выводах.

Следовательно, если в первичной катушке витков больше, то напряжение на выводах вторичной ниже. Такой аппарат называют понижающим, Кт у него больше единицы. Если витков больше во вторичной катушке - трансформатор напряжение повышает и называется повышающим. Его Кт меньше единицы.

Большой силовой трансформатор

Если пренебречь потерями (идеальный трансформатор), то из закона сохранения энергии следует:

P1 = P2,

где Р1 и Р2 - мощность тока в обмотках.

Поскольку P = U * I , получим:

• U1 * I1 = U2 * I2;
• I1 = I2 * (U2 / U1) = I2 / Кт.

Это означает:

• в первичной катушке понижающего устройства (Кт > 1) протекает ток меньшей силы, чем в цепи вторичной;
• с повышающими трансформаторами (Кт < 1) все наоборот: сила тока в первичной катушке выше, чем в цепи вторичной.

Данное обстоятельство учитывают при подборе сечения проводов для обмоток аппаратов.

Конструкция

Трансформаторные обмотки надевают на магнитопровод - деталь из ферромагнитной, трансформаторной или иной магнитомягкой стали. Он служит проводником электромагнитного поля от первичной катушки ко вторичной.

Под действием переменного магнитного поля в магнитопроводе также генерируются токи - они называются вихревыми. Эти токи приводят к потерям энергии и нагреву магнитопровода. Последний, с целью свести данное явление к минимуму, набирают из множества изолированных друг от друга пластин.

На магнитопроводе катушки располагают двояко:

• рядом;
• наматывают одну поверх другой.

Обмотки для микротрансформаторов изготавливают из фольги толщиной 20 – 30 мкм. Ее поверхность в результате окисления становится диэлектриком и играет роль изоляции.

Конструкция трансформатора

На практике добиться соотношения Р1 = Р2 невозможно из-за потерь трех видов:

1. рассеивание магнитного поля;
2. нагрев проводов и магнитопровода;
3. гистерезис.

Потери на гистерезис - это затраты энергии на перемагничивание магнитопровода. Направление силовых линий электромагнитного поля постоянно меняется. Каждый раз приходится преодолевать сопротивление диполей в структуре магнитопровода, выстроившихся определенным образом в предыдущей фазе.

Потери на гистерезис стремятся уменьшить, применяя разные конструкции магнитопроводов.

Итак, в реальности величины Р1 и Р2 отличаются и соотношение Р2 / Р1 называют КПД устройства. Для его измерения используются следующие режимы работы трансформатора:

• холостого хода;
• короткозамкнутый;
• с нагрузкой.

В некоторых разновидностях трансформаторов, работающих с напряжением высокой частоты, магнитопровод отсутствует.

Режим холостого хода

Первичная обмотка подключена к источнику тока, а цепь вторичной разомкнута. При таком подключении в катушке течет ток холостого хода, в основном представляющий реактивный ток намагничивания.

Такой режим позволяет определить:

• КПД устройства;
• коэффициент трансформации;
• потери в магнитопроводе (на языке профессионалов - потери в стали).

Схема трансформатора в режиме холостого хода

Короткозамкнутый режим

Выводы вторичной обмотки замыкают без нагрузки (накоротко), так что ток в цепи ограничивается лишь ее сопротивлением. На контакты первичной подают такое напряжение, чтобы ток в цепи вторичной обмотки не превышал номинального.

Такое подключение позволяет определить потери на нагрев обмоток (потери в меди). Это необходимо при реализации схем с применением вместо реального трансформатора активного сопротивления.

Режим с нагрузкой

В этом состоянии к выводам вторичной обмотки подключен потребитель.

Охлаждение

В процессе работы трансформатор греется.

Применяют три способа охлаждения:

1. естественное: для маломощных моделей;
2. принудительное воздушное (обдув вентилятором): модели средней мощности;
3. мощные трансформаторы охлаждаются при помощи жидкости (в основном используют масло).

Прибор с масляным охлаждением

Виды трансформаторов

Аппараты классифицируются по назначению, типу магнитопровода и мощности.

Силовые трансформаторы

Наиболее многочисленная группа. К ней относятся все трансформаторы, работающие в энергосети.

Автотрансформатор

У этой разновидности между первичной и вторичной обмотками имеется электрический контакт. При намотке провода делают несколько выводов - при переключении между ними задействуется разное число витков, отчего меняется коэффициент трансформации.

• Повышенный КПД . Объясняется тем, что преобразованию подвергается только часть мощности. Это особенно важно при незначительной разнице между напряжением на входе и выходе.
• Низкая стоимость. Это обусловлено меньшим расходом стали и меди (автотрансформатор имеет компактные размеры).

Эти устройства выгодно применять в сетях напряжением 110 кВ и более с эффективным заземлением при Кт не выше 3-4.

Трансформатор тока

Используется для снижения силы тока в подключенной к источнику питания первичной обмотке. Устройство находит применение в защитных, измерительных, сигнальных и управляющих системах. Преимущество в сравнении с шунтовыми схемами измерения, состоит в наличии гальванической развязки (отсутствие электроконтакта между обмотками).

Первичная катушка включается в цепь переменного тока – исследуемую или контролируемую – с нагрузкой последовательно. К выводам вторичной обмотки подключают исполнительное индикаторное устройство, к примеру, реле, или прибор измерения.

Трансформатор тока

Допустимое сопротивление в цепи вторичной катушки ограничено мизерными значениями - почти короткое замыкание. У большинства токовых величина номинального тока в этой катушке составляет 1 или 5 А. При размыкании цепи в ней формируется высокое напряжение, способное пробить изоляцию и повредить подключенные приборы.

Импульсный трансформатор

Работает с короткими импульсами, продолжительность которых измеряется десятками микросекунд. Форма импульса практически не искажается. В основном используются в видеосистемах.

Сварочный трансформатор

Данное устройство:

• понижает напряжение;
• рассчитано на номинальный ток в цепи вторичной обмотки до тысяч ампер.

Регулировать сварочный ток можно изменением числа витков обмоток, задействованных в процессе (они имеют по нескольку выводов). При этом изменяется величина индуктивного сопротивления или вторичное напряжение холостого хода. Посредством дополнительных выводов обмотки разбиты на секции, потому регулировка сварочного тока осуществляется ступенчато.

Габариты трансформатора во многом зависят от частоты переменного тока. Чем она выше, тем более компактным получится устройство.

Сварочный трансформатор ТДМ 70-460

На этом принципе основано устройство современных инверторных сварочных аппаратов. В них переменный ток перед подачей на трансформатор подвергается обработке:

• выпрямляется посредством диодного моста;
• в инверторе - управляемом микропроцессором электронном узле с быстро переключающимися ключевыми транзисторами - снова становится переменным, но уже с частотой 60 – 80 кГц.

Потому эти сварочные аппараты такие легкие и небольшие.

Также устроены блоки питания импульсного типа, например, в ПК.

Разделительный трансформатор

В этом устройстве обязательно присутствует гальваническая развязка (нет электрического контакта между первичной и вторичной обмотками), а Кт равен единице. То есть разделительный трансформатор напряжение оставляет неизменным. Он необходим для повышения безопасности подключения.

Прикосновение к токоведущим элементам оборудования, подключенного к сети через такой трансформатор, к сильному удару током не приведет.

В быту такой способ подключения электроприборов уместен во влажных помещениях- в ванных и пр.

Кроме силовых трансформаторов, существуют сигнальные разделительные. Они устанавливаются в электроцепи для гальванической развязки.

Магнитопроводы

Бывают трех видов:

1. Стержневые. Выполнены в виде стержня ступенчатого сечения. Характеристики оставляют желать лучшего, но зато просты в исполнении.
2. Броневые. Лучше стержневых проводят магнитное поле и вдобавок защищают обмотки от механических воздействий. Недостаток: высокая стоимость (требуется много стали).
3. Тороидальные. Наиболее эффективная разновидность: создают однородное сконцентрированное магнитное поле, чем способствуют уменьшению потерь. Трансформаторы с тороидальным магнитопроводом имеют наибольший КПД, но они дороги из-за сложности изготовления.

Мощность

Мощность принято обозначать в вольт-амперах (ВА). По данному признаку устройства классифицируются так:

• маломощные: менее 100 ВА;
• средней мощности: несколько сотен ВА;

Существуют установки большой мощности, измеряемой в тысячах ВА.

Трансформаторы отличаются назначением и характеристиками, но принцип действия у них одинаков: переменное магнитное поле, генерируемое одной обмоткой, возбуждает во второй ЭДС, величина которого зависит от числа витков.

Необходимость в преобразовании напряжения возникает очень часто, потому трансформаторы получили самое широкое распространение. Данное устройство можно изготовить самостоятельно.

Без электроснабжения невозможно представить нашу жизнь. Чтобы электрическая система работала без сбоев или не пришла в негодность из-за неисправности в кабеле или в силовом оборудовании, её параметры необходимо контролировать, замерять. Диагностика, заключающаяся в проведении электрических измерений, способна выявить причины сбоев и вовремя устранить их. Для этого применяются приборы, измеряющие величины токов, напряжений, мощности.

Но если в электроустановках с низким напряжением возможно подключение измерительных приборов напрямую, непосредственно к измеряемому узлу, то в высоковольтных цепях проблематично отследить параметры без применения измерительных трансформаторов. В электроустановках напряжение доходит до 750 кВ и выше, а токи устанавливаются в десятки килоампер и более. Для «прямого» измерения потребовались бы громоздкое и дорогое оборудование, а иногда измерения вообще не возможно было бы произвести. Также, при обслуживании приборов, напрямую подключенных к сети высокого напряжения, персонал подвергался бы опасности поражения током.

Измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) способствуют расширению пределов измерений обычных измерительных устройств и одновременно изолируют их от цепей высокого напряжения. Измерительные трансформаторы создаются с высоким классом точности. Во время эксплуатации их метрологические характеристики подлежат первичной и периодической поверке на правильность работы.

Наиболее часто в сетях переменного тока применяются электромагнитные трансформаторы. Они состоят из магнитопровода, первичной и одной или нескольких вторичных обмоток. ТТ преобразовывает замеряемый высокий ток в малый, а ТН - измеряемое высшее напряжение в низшее. Измерительные трансформаторы включаются в цепи между высоковольтным оборудованием и контрольно-измерительными приборами: амперметрами, вольтметрами, ваттметрами, приборами релейной защиты, телемеханики и автоматики, счетчиками энергии.

Зачем нужны измерительные трансформаторы напряжения

• трансформируют напряжение участка сети или установки в напряжение приемлемой величины для осуществления измерений с помощью стандартных измерительных устройств, питания релейной защиты, устройств сигнализации, автоматики, телемеханики;
• изолируя вторичные приборы и цепи, защищают оборудование от высокого напряжения и персонал, имеющего доступ к обслуживанию электроустановок, от поражения током.

Подключение ТН к высоковольтной части электроустановки осуществляется соединением его первичной обмотки «в параллель» к цепи высокого напряжения. Номинал вторичных обмоток трансформатора напряжения составляет обычно 100 В. Так как сопротивление измерительных приборов, подключаемых к вторичной обмотке, велико, током можно пренебречь. Поэтому основной режим работы ТН подобен режиму холостого хода типового силового трансформатора.

Трансформаторы напряжения и их конструкция

Трансформаторы напряжения подразделяются:

• по числу фаз: на одно- и трехфазные;
• по числу вторичных обмоток: двухобмоточный ТН имеет одну вторичную обмотку, трехобмоточный - две: основную и дополнительную;
• по назначению вторичных обмоток: с основной вторичной обмоткой, с дополнительной, со специальной компенсационной - для контроля изоляции цепи;
• по особенностям исполнений - на трансформаторы защищенного типа, водозащищенного типа (защита от капель и влаги), герметичные, со встроенным предохранителем и с антирезонансной конструкцией;
• по принципу действия и особенностям конструкций: на каскадные, ёмкостные, заземляемые и не заземляемые.

У каскадного ТН первичная обмотка разделена на несколько поочередно соединенных секций, передача энергии от которых к вторичным обмоткам происходит посредством связующих и выравнивающих обмоток. У ёмкостного ТН в конструкции имеется ёмкостный делитель. Заземляемый однофазный ТН - устройство, у которого один конец первичной обмотки должен быть заземлен. У заземляемого трехфазного ТН должна быть заземлена нейтраль первичной обмотки. Все части первичной обмотки не заземляемого ТН изолированы от земли.

Зачем нужны трансформаторы тока

Трансформатор тока - базовый измерительный аппарат в электроэнергетике, применяемый для преобразования тока первичной сети во вторичный стандартный ток величиной 5 А или 1 А. Первичная обмотка соединяется непосредственно с цепью высокого напряжения последовательным способом подключения. Вторичная обмотка включается во вторичные цепи измерений, защиты и учета. 5А - часто встречающийся номинал вторичной обмотки.

Принцип действия и конструкция трансформаторов тока

Первичная обмотка ТТ включается в разрез линейного провода (последовательно с нагрузкой), в котором измеряется сила тока. Вторичная обмотка замкнута на измерительное устройство с малым сопротивлением. Поэтому, в отличие от силового трансформатора, для которого режим короткого замыкания является аварийным, нормальным режимом для измерительного ТТ являются условия, близкие к КЗ, так как сопротивление во вторичной цепи у него мало.

Через первичную обмотку, имеющую определённое количество витков, течет ток. Вокруг катушки наводится магнитный поток, который улавливается магнитопроводом. Пересекая перпендикулярно ориентированные витки вторичной обмотки, магнитный поток формирует электродвижущую силу. Под влиянием последней возникает ток, протекающий по катушке и нагрузке на выходе. Одновременно на зажимах вторичной цепи образуется падение напряжения.

По конструктиву и применению ТТ условно подразделяются на несколько разновидностей:

Опорные монтируются на опорной плоскости.

Проходные используются в качестве ввода и устанавливаются в металлических конструкциях, в проемах стен или потолков.

Встраиваемые размещаются в полости оборудования: электрических выключателей, генераторов и других электроаппаратов и машин.

Разъемные не имеют своей первичной обмотки. Их магнитопроводы из двух половинок, стягиваемых болтами, можно размыкать и закреплять вокруг проводников под током. Эти проводники исполняют роль первичных обмоток.

Шинные изготавливаются тоже без первичных обмоток - их роль выполняют пропущенные сквозь окна магнитопроводов ТТ токоведущие шины распредустройств.

Накладные надеваются сверху на проходной изолятор.

Переносные предназначаются для лабораторных и контрольных измерений.

По выполнению первичной обмотки ТТ подразделяются на одновитковые и многовитковые, а по числу вторичных обмоток - на устройства с одной обмоткой и с несколькими вторичными обмотками (до четырёх, пяти). По числу ступеней трансформации - на одноступенчатые и каскадные.

К общей классификации трансформаторов обоих типов относятся: количество коэффициентов трансформации (однодиапазонные и многодиапазонные), критерии по материалу диэлектрика между первичной и вторичной обмотками и по материалу внешней изоляции - маслонаполненные, газонаполненные, сухие, с литой, фарфоровой и прессованной изоляцией, с вязкими заливочными компаундами, комбинированные бумажно-масляные. ТТ и ТН устанавливаются на открытом воздухе, в закрытых и в подземных установках, на морских и речных судах, внутри оболочек электроустановок и связываются контрольными проводами и кабелями с оборудованием вторичных цепей. По диапазону рабочего напряжения выделяют трансформаторы, функционирующие в устройствах до 1000 В и выше 1000 B. Трансформаторы также классифицируются по классу точности.

Видео про трансформаторы тока

Кратко о назначении трансформатора тока, составе и особенностях конструкции, о схеме и принципе работы. Почему нельзя допускать размыкание вторичных цепей трансформатора тока без предварительного их замыкания накоротко? Почему на напряжение выше 330 кВ изготавливаются ТТ каскадного типа? Об этом и об измерительном трансформаторе тока для подстанции 750 кВ вы узнаете из видео.

Перед тем, как рассказать об измерительных трансформаторах – немного теории. Трансформатор – элемент электрической цепи, преобразующий величину переменного напряжения. Трансформаторы могут быть:

• понижающими , выдающие на выходе меньшее напряжение, чем на входе;
• повышающими , выполняющие противоположное преобразование;
• разделительные , не изменяющие величину напряжения, применяющиеся для гальванической развязки между участками электрической сети.

Повышающие и понижающие трансформаторы обратимы: если подать номинальное выходное напряжение трансформатора на его вторичную обмотку, на первичной мы получим номинальное входное напряжение.

С токами в обмотках происходит обратная картина. Первичная обмотка рассчитывается на ток, соответствующий номинальной мощности трансформатора. Под мощность выбирается и сечение магнитопровода, и диаметр обмоточного провода первичной обмотки.

Ток вторичной обмотки понижающего трансформатора может быть больше тока в первичной во столько раз, во сколько меньше ее напряжение. Это отношение называется коэффициентом трансформации. Поэтому сечение обмоточного провода вторичной обмотки у понижающего трансформатора больше. У понижающего – все наоборот. У разделительного – все одинаково.

Зачем нужны измерительные трансформаторы напряжения

В электроустановках до 1000 В измерение напряжения производят, подключая вольтметры непосредственно к шинам или другим контролируемым участкам сети. Но в сетях 6 кВ и выше это невозможно, потому что:

• при измерении высокого напряжения требуется понизить его величину до размера, воспринимаемого рамкой стрелочного прибора или электронным преобразователем цифрового. Резистивные делители не выполнят задачу с требуемой точностью, а применение понижающего трансформатора сделает прибор громоздким;
• изоляция проводников для подключения прибора должна выдерживать номинальное напряжение электроустановки . Кроме того, должны соблюдаться междуфазные расстояния , требуемые ПУЭ. Выполнить это невозможно.

Поэтому для измерений величину напряжения понижают, и для этого нужен трансформатор напряжения

Трансформаторы напряжения и их конструкция

На какое бы напряжение не была рассчитана первичная обмотка трансформатора напряжения, напряжение на вторичной его обмотке стандартно – 100 В . Это сделано для унификации: счетчику электроэнергии без разницы, в какой электроустановке работать – 6 кВ, 10 кВ или более. Если он предназначен для эксплуатации с трансформаторами напряжения, в его технических характеристиках в графе «номинальное напряжение» указано: «3х100 В». Цифра «3» означает, что для измерений к нему подключаются три фазы.

Конструктивно трансформаторы напряжения выполняются:

• элемент преобразования одной фазы напряжения в своем корпусе, при трехфазном напряжении устанавливаются три таких трансформатора;
• один корпус содержит трансформатор для преобразования всех трех фаз .

Первичные обмотки трехфазных трансформаторов соединяются в звезду.

Вторичных обмоток у трансформаторов напряжения несколько:

• обмотка для приборов учета , имеющая класс точности 0,5s;
• обмотка для измерительных приборов – класс точности 0,5;
• обмотка для устройств релейной защиты – класс 10Р;
• обмотка для разомкнутого треугольника – класс 10Р.

Класс точности имеет значение при учете и измерениях. Но есть еще один нюанс: измерительная обмотка трансформатора работает в заявленном классе точности, если не превышена допустимая нагрузка на нее. Поэтому, вместе с классом, на бирке трансформатора указывается допустимая мощность , превышать которую нельзя.

Еще один фактор, изменяющий класс точности – сопротивление соединительных проводников . Если прибор учета или амперметр находится вдали от трансформатора напряжения и подключен контрольным кабелем с жилами недостаточного сечения, то значение напряжения на нем будет меньше, чем на трансформаторе.

Выводы вторичной обмотки трансформатора напряжения, используемого для коммерческого учета, закрывают крышкой и пломбируют.

Первичные обмотки трансформаторов напряжения защищают предохранителями. Для защиты вторичных обмоток раньше тоже применяли предохранители, но теперь их заменили автоматические выключатели.

А теперь – вспомним теорию в начале статьи. Основная опасность при работе на трансформаторах напряжения состоит в явлении обратной трансформации . Если по каким-то причинам на вторичную обмотку попадет напряжение 100 В, то первичная окажется под номинальным напряжением электроустановки. Работающие в ячейке люди окажутся под напряжением . Поэтому при выводе в ремонт трансформатора напряжения принимают меры. Исключающие обратную трансформацию.

Зачем нужны трансформаторы тока

Одна из причин, из-за которых в электроустановках выше 1000 В устанавливают трансформаторы тока – та же, что и для трансформаторов напряжения. Невозможно обеспечить изоляцию цепей для подключения приборов .

Но есть дополнительные факторы, вынуждающие использовать их и в электроустановках выше 1000 В:

• максимальный ток, на который рассчитаны электросчетчики прямого включения – 100 А. Токи выше 100 А требуется понизить .
• включение амперметров последовательно с нагрузкой снижает надежность электроснабжения ;
• вольтметр подключается к шинам через предохранители или автоматический выключатель, выводы амперметра защитить невозможно . Ток короткого замыкания в амперметре равен току КЗ на шинах. Ошибки в эксплуатации приводят к тяжелым последствиям , а неисправности прибора выводят его из строя навсегда. Поэтому и требуется выполнить гальваническую развязку амперметра с сетью.
• Заменить амперметр прямого подключения можно, только отключив нагрузку .

Принцип действия и конструкция трансформаторов тока

Трансформатор тока тоже имеет первичную и вторичную обмотку. Но особенность его в том, что первичная обмотка имеет один или несколько витков, а в большинстве изделий представляет собой шину, проходящую через корпус трансформатора. Вариант – трансформаторы, не имеющие собственной первичной обмотки. Они надеваются на шину с измеряемым током или через них пропускается провод, жила кабеля.

Вторичная обмотка у трансформатора тока на напряжение до 1000 В одна, но у высоковольтных их – минимум две, но бывает и больше. Работает он аналогично повышающему трансформатору, поэтому – все, что сказано в начале статьи о соотношении токов в них для него справедливо.

Номинальный ток вторичной обмотки трансформатора тока всегда равен 5 А , на какой бы ток не была рассчитана первичная. Классы точности обмоток для подключения аппаратуры различаются так же, как и у трансформаторов напряжения.

Но вот подключить к трансформатору тока, используемому для учета электроэнергии, ничего больше не получится. По правилам, кроме счетчика, там не должно быть ничего. И если для аппаратов выше 1000 В это требование легко выполнить (один трансформатор имеет несколько обмоток), то для электроустановок до 1000 В при необходимости устанавливают по два трансформатора на одну фазу: один – для учета, другой – для всего остального (амперметры, ваттметры, устройства защиты, компенсация реактивной мощности). Выводы вторичной обмотки для коммерческого учета у всех трансформаторов закрываются крышкой и пломбируются.

Трансформатор тока должен работать в замкнутой на нагрузку или накоротко вторичной обмоткой . Иначе на ней наводится ЭДС далеко не безопасной величины как для людей, так и для электрооборудования. При обрыве во вторичных цепях можно получить смертельный удар током , даже проведя рукой рядом с клеммами амперметра или счетчика. А электронные схемы на входе приборов выйдут из строя под действием высокого напряжения .

Поэтому для замены амперметров и электросчетчиков в токовых цепях устанавливают специальные клеммы , на которых перед демонтажем прибора обмотку трансформатора закорачивают . Для приборов учета рядом устанавливают клеммы для отключения цепей напряжения. Это функции совмещены в специальном устройстве, называющимся «колодка клеммная измерительная ». Для коммерческих цепей учета эти коробки пломбируются, для чего винт, крепящий ее крышку, имеет прорезь в головке (как у винтов крепления крышки корпуса электросчетчика).

Видео про трансформаторы тока

Почему нельзя размыкать вторичную обмотку трансформатора тока и зачем ее обязательно заземлять? Попутно вы узнаете о технических характеристиках и конструкции трансформаторов тока, особенностях их применения.

Трансформаторы тока широко используются в современной энергетике как оборудование по изменению различных электрических параметров в аналогичные с сохранением основных значений. Работа оборудования базируется на законе индукции, который актуален для полей магнитного и электрического типа, меняющихся синусоидально. Трансформатор преображает первичное значение тока с соблюдением модуля и передачи угла пропорционально исходным данным. Выбирать оборудование требуется, исходя из сферы использования приборов и количества подключенных потребителей.

Данное оборудование используется в промышленности, городских коммуникациях и инженерных сетях, на производстве и в других сферах для подачи тока с определенными физическими параметрами. Подача напряжения производится на витки первичной обмотки, где в результате воздействия магнитного излучения образуется переменный ток. Это же излучение проходит по остальным виткам, за счет чего происходит движение сил ЭДС, а при закоротивших вторичных витках или при подключении к электроцепи в системе появляется вторичный ток.

Современные трансформаторы тока позволяют преобразовывать энергию с такими параметрами, чтобы ее применение не позволило нанести вред оборудованию, которое работает на ней. Кроме того, они дают возможность измерить повышенную нагрузку с максимальной безопасностью для техники и персонала, поскольку витки первичного и вторичного ряда имеют надежную изоляцию друг от друга.

Назначение трансформаторов

Определить, для чего нужен трансформатор тока, достаточно просто: сфера применения включает все отрасли, в которых происходит преобразование энергетических величин. Эти устройства относятся к числу вспомогательного оборудования, которое используется параллельно с измерительными приборами и реле при создании цепи переменного тока. В этих случаях трансформаторы преобразуют энергию для более удобной расшифровки параметров или соединения оборудования с разными характеристиками в одну цепь.

Также выделяют измерительную функцию трансформаторов: они служат для запуска электроцепей с повышенным напряжением, к которым требуется подключить измерительные приборы, но не представляется возможным сделать это напрямую. Основная задача таких трансформаторов – передача полученной информации о параметрах тока на приборы для измерительных манипуляций, которые подсоединены к обмотке вторичного типа. Также оборудование дает возможность контролировать ток в цепи: при использовании реле и достижении максимальных токовых параметров активируется защита, выключающая оборудование во избежание перегорания и нанесения вреда персоналу.

Принцип работы

Действие такого оборудования основано на законе индукции, согласно которому напряжение попадает на первичные витки и ток преодолевает создаваемое сопротивление обмотки, что вызывает формирование магнитного потока, передающегося на магнитопровод. Поток идет в перпендикулярном направлении относительно тока, что позволяет минимизировать потери, а при пересечении им витков вторичной обмотки активируется сила ЭДС. В результате ее воздействия в системе появляется ток, который сильнее сопротивления катушки, при этом напряжение на выходной части вторичных витков снижается.

Простейшая конструкция трансформатора, таким образом, включает сердечник из металла и пару обмоток, не соединенных друг с другом и выполненных в виде проводки с изоляцией. В некоторых случаях нагрузка идет только на первичные, а не вторичные витки: это так называемый холостой режим. Если же ко вторичной обмотке подсоединяют оборудование, потребляющее энергию, по виткам проходит ток, который создает электродвижущая сила. Параметры ЭДС обусловлены количеством витков. Соотношение электродвижущей силы для первичных и вторичных витков известно как коэффициент трансформации, вычисляется по отношению их числа. Регулировать напряжение для конечного потребителя энергии можно, изменяя число витков первичной либо вторичной обмотки.

Классификация трансформаторов тока

Существует несколько типов такого оборудования, которые разделяются по ряду критериев, включая назначение, метод монтажа, число ступеней преобразования и иные факторы. Перед тем как выбрать трансформатор тока, требуется учесть эти параметры:

• Назначение. По этому критерию выделяют измерительные, промежуточные и защищающие модели. Так, устройства промежуточного типа используются при подключении приборов для вычислительных действий в системах релейной защиты и прочих цепях. Отдельно выделяют лабораторные трансформаторы, которые обеспечивают повышенную точность показателей, имеют большое количество коэффициентов преобразования.
• Способ установки. Существуют трансформаторы для внешнего и внутреннего монтажа: они не только по-разному выглядят, но и имеют различные показатели устойчивости к внешним воздействиям (так, устройства для уличной эксплуатации имеют защиту от осадков и перепадов температур). Также выделяют накладные и портативные трансформаторы; последние имеют сравнительно небольшую массу и габариты.
• Тип обмотки. Трансформаторы бывают одно- и многовитковыми, катушечными, стержневыми, шинными. Отличаться может как первичная, так и вторичная обмотка, также отличия касаются изоляции (сухая, фарфоровая, бакелитовая, масляная, компаундовая и пр.).
• Уровень ступеней трансформации. Оборудование бывает одно- и двухступенчатым (каскадным), предел напряжения 1000 В может быть минимальным либо, напротив, максимальным.
• Конструкция. По этому критерию выделяют две разновидности трансформаторов тока – масляные и сухие. В первом случае витки обмотки и магнитопровод находятся в емкости, содержащей специальную маслянистую жидкость: она играет роль изоляции и позволяет регулировать рабочую температуру среды. Во втором случае охлаждение происходит воздушным путем, такие системы применяют в промышленных и жилых зданиях, поскольку масляные трансформаторы нельзя устанавливать внутри по причине повышенной пожарной опасности.
• Вид напряжения. Трансформаторы могут быть понижающими и повышающими: в первом случае напряжение на первичных витках снижено, а во втором – повышено.
• Еще один вариант классификации – выбор трансформатора тока по мощности. Этот параметр зависит от назначения оборудования, количества подключенных потребителей, их свойств.

Параметры и характеристики

При выборе такого оборудования требуется учитывать основные технические параметры, влияющие на спектр применения и стоимость. Главные качества:

• Номинальная нагрузка, или мощность: подбор по этому критерию можно сделать, воспользовавшись сравнительной таблицей характеристик трансформаторов. Значение параметра определяет другие токовые характеристики, поскольку строго нормируется и служит для определения нормального функционирования оборудования в выбранном классе точности.
• Номинальный ток. Этот показатель определяет, в течение какого периода прибор может функционировать, не перегреваясь до критичных температур. В трансформаторном оборудовании, как правило, заложен солидный запас по уровню нагрева, при перегрузке до 18-20% работа происходит в нормальном режиме.
• Напряжение. Показатель важен для качества обмоточной изоляции, обеспечивает бесперебойное функционирование техники.
• Погрешность. Это явление возникает по причине воздействия магнитного потока, показатель погрешности является разницей между точными данными первичного и вторичного тока. Усиление магнитного потока в трансформаторном сердечнике способствует пропорциональному возрастанию погрешности.
• Коэффициент трансформации, представляющий собой соотношение тока в первичных и во вторичных витках. Реальное значение коэффициента отличается от номинала на величину, равную степени потерь при преобразовании энергии.
• Предельная кратность, выраженная в отношении первичного тока в действительном виде к номиналу.
• Кратность тока, возникающего в витках обмотки вторичного типа.

Определяются ключевые данные трансформатора тока схемой замещения: она позволяет изучить характеристики оборудования в разных режимах, от холостого хода до полной нагрузки.

Главные показатели обозначают на корпусе прибора в виде специальной маркировки. Также она может содержать данные о способе подъема и монтажа оборудования, предостерегающие сведения о повышенном напряжении на вторичных витках (свыше 350 Вольт), информацию о наличии заземляющей площадки. Маркировка преобразователя энергии наносится в виде наклейки или с помощью краски.

Возможные неисправности

Как любое другое оборудование, трансформаторы время от времени выходят из строя, и им требуется квалифицированное обслуживание с диагностикой. Перед тем как проверить устройство, необходимо знать, какие бывают поломки, какие признаки им соответствуют:

• Неравномерный шум внутри корпуса, потрескивание. Это явление обычно говорит об обрыве заземляющего элемента, перекрытии на корпус с витков обмотки или ослаблении прессовки листов, служащих для магнитопровода.
• Слишком большой нагрев корпуса, увеличение силы тока на стороне потребления. Проблема может быть вызвана замыканием обмотки из-за износа или механического повреждения изоляционного слоя, частыми перегрузками, возникающими вследствие короткого замыкания.
• Трещины изоляторов, скользящие разряды. Они появляются при не выявленном до старта эксплуатации производственном браке, набросе инородных предметов и перекрытием между вводом фаз разного значения.
• Выбросы масла, в ходе которых разрушается мембрана выхлопной конструкции. Проблема объясняется межфазовым замыканием, происходящим по вине износа изоляции, снижением масляного уровня, перепадами напряжения или появлением сверхтоков при условии появления короткого замыкания сквозного типа.
• Протечки масляной жидкости из-под прокладок или в кранах трансформатора. Основные причины – некачественная сварка узлов, слабое уплотнение, разрушение прокладок или непритертые крановые пробки.
• Включение реле газозащиты. Такое явление возникает при разложении масла, которое происходит по причине обмоточного замыкания, обрыва цепи, выгорания контактов переключающего устройства или в случае замыкания на трансформаторный корпус.
• Выключение реле газовой защиты. Проблему вызывает активное разложение масляной жидкости в результате межфазового замыкания, перенапряжения внутренней или внешней части либо вследствие так называемого «пожара стали».
• Сработавшая дифференциальная защита. Эта неисправность появляется при пробое на вводный корпус, при перекрытии между фазами или в иных случаях.

Чтобы максимально повысить эффективность функциональности прибора, требуется регулярно выполнять поверку, используя тепловизор: оборудование позволяет диагностировать снижение качества контактов и уменьшение рабочей температуры. В ходе поверки специалисты выполняют следующий спектр манипуляций:

• 1. Снятие показателей по напряжению и силе тока.
  2. Проверка нагрузки с использованием внешнего источника.
  3. Определение параметров в рабочей схеме.
  4. Вычисление коэффициента трансформации, сравнение и анализ показателей.

Расчет трансформатора

Основной принцип работы этого устройства определяется формулой U1/U2=n1/n2 , элементы которой расшифровывают следующим образом:

• U1 и U2 – напряжение первичных и вторичных витков.
• n1 и n2 – их количество на обмотках первичного и вторичного типа соответственно.

Для определения площади сечения сердечника используют другую формулу: S=1,15 * √P , в которой мощность измеряют в ваттах, а площадь – в квадратных сантиметрах. Если сердечник, использующийся в оборудовании, имеет форму буквы Ш, показатель сечения вычисляют для среднего стержня. При определении витков в обмотке первичного уровня применяют формулу n=50*U1/S, при этом компонент 50 не является неизменяемым, в расчетах для профилактики появления электромагнитных помех рекомендуется ставить вместо него значение 60. Еще одна формула – d=0,8*√I , в которой d – это сечение провода, а I – показатель силы тока; она используется для вычисления диаметра кабеля.

Полученные при расчетах цифры доводят до круглых значений (например, расчетную мощность в 37,5 Вт округляют до 40). Округление допустимо исключительно в большую сторону. Все указанные формулы применяют для подбора трансформаторов, работающих в сети 220 Вольт; при сооружении высокочастотных линий используют другие параметры и расчетные методы.

Трансформаторы в инфраструктуре систем энергетического обеспечения могут иметь разное значение. Классические конструкции используются с целью преобразования отдельных параметров тока до величин, оптимально подходящих для проведения замеров. Есть и другие разновидности, в перечень задач которых входит коррекция характеристик напряжения до уровня, оптимального с точки зрения дальнейшей передачи и распределения энергетического ресурса. При этом назначение определяет не только его конструкционное устройство, но и перечень дополнительных функций, не говоря о принципе работы.

Устройство трансформаторов

Практически все модификации трансформаторов такого типа оснащаются магнитопроводами, которые снабжаются вторичной обмоткой. Последняя нагружается при эксплуатации в соответствии с регламентными величинами в показателях сопротивления. Соблюдение определенных нагрузочных показателей важно для последующей точности измерения. Разомкнутая обмотка не может создавать компенсации магнитных потоков в сердечнике, что способствует перегреву магнитопровода, а в некоторых случаях - и его сгоранию.

В то же время формируемый обмоткой первичного ряда, отличается более высокими рабочими характеристиками, что также может способствовать перегреву магнитного провода и его сердечника. Надо сказать, что токопроводящая инфраструктура формирует общую систему, на которой базируются трансформаторы тока и напряжения. Назначение электротехнического агрегата в данном случае не имеет принципиального значения - особенности функционирования обуславливаются скорее применяемыми материалами. В случае с преобразователями тока, например, сердечник магнитопровода изготавливается из аморфных нанокристаллических сплавов. Такой выбор связан с тем, что конструкция получает возможность работы с более широким диапазоном технико-эксплуатационных величин в зависимости от класса точности.

Назначение трансформатора тока

Главной задачей традиционного трансформатора тока является преобразование. Аппаратная электротехническая начинка корректирует характеристики обслуживаемого тока, используя для этого первичную обмотку, включенную в цепь последовательно. В свою очередь, вторичная обмотка выполняет функцию непосредственного измерения преобразованного тока. Для этого в данной части предусмотрены реле с приборами измерения, а также устройства защиты и автоматической регуляции. В частности, назначение измерительного трансформатора тока может заключаться в измерении и учете с помощью приборов низкого напряжения. При этом соблюдается условие, при котором ток высокого напряжения регистрируется с доступом персонала к непосредственному наблюдению за процессом. Фиксация рабочих величин требуется для более рационального использования энергии при передаче в последующих линиях. Пожалуй, это одна из немногих общих подфункций, которую имеют преобразующие и силовые модели трансформаторов. Подробнее стоит рассмотреть отличия между этими агрегатами.

Отличия от трансформатора напряжения

Чаще всего специалисты указывают на способ выполнения изоляции между обмотками. В трансформаторах тока первичную обмотку изолируют от вторичной в соответствии с показателями полного принимаемого напряжения. При этом вторичная обмотка будет иметь заземление, поэтому и потенциал ее соответствует аналогичному показателю. Кроме того, функционируют в условиях, приближенных к ситуациям короткого замыкания, поскольку у них весьма скромный уровень сопротивления на вторичной линии. В этом нюансе и проявляется специфическое назначение измерительных трансформаторов тока и напряжения, а также разница в требованиях к условиям эксплуатации.

Так, если работа под угрозой короткого замыкания для напряжения недопустима из-за риска аварии, то для обычного преобразователя тока этот режим функционирования считается нормальным и безопасным. Хотя, конечно, есть у таких трансформаторов и свои угрозы, для предотвращения которых предусматриваются специальные средства защиты.

Принцип работы

Электромагнитная индукция является базовым принципом, на котором основывается рабочий процесс таких трансформаторов. Как уже отмечалось, основными функциональными элементами выступают магнитный проводник и два уровня обмоток. К первому подается электрический заряд от переменного тока, а второй уровень реализует уже непосредственно рабочую функцию в виде измерения. По мере прохождения тока через витки обмотки происходит индукция.

Далее, по который как раз обуславливает назначение и принцип работы трансформаторов тока, фиксируются рабочие величины на линии. Пользователь с помощью специального оборудования может определить характеристики магнитного потока - следовательно, фиксируются частота и напряжение источника тока. Техническим параметром обследования характеристик работы цепи будет являться скорость произведения замера - это значение не является целевым, но его важно оценивать для понимания эффективности работы самого трансформатора.

Разновидности трансформаторов тока

Выделяют три основные категории преобразователей тока. Наиболее распространены так называемые у которых первый уровень обмотки вовсе не изолируется от первого. Соответственно, параметры вторичного тока напрямую зависят от показателя коэффициента преобразования.

Также популярны тороидальные модели, конструкция которых предусматривает возможность их установки на кабель или шину. По этой причине вовсе пропадает потребность в первичной обмотке, которой оснащаются типовые трансформаторы тока и напряжения. Назначение и устройство таких моделей определяются их особым принципом работы - в данном случае первичный ток будет протекать по центральному проводнику в корпусе, позволяя вторичной обмотке напрямую фиксировать рабочие показатели. Но в силу разных причин, в том числе связанных с низкой точностью замеров и ненадежностью конструкции, такие модели редко применяются для оценки характеристик тока. Чаще их используют в целях вспомогательного защитного звена на случай короткого замыкания.

Также применяются и высоковольтные трансформаторы - газовые и масляные. Их обычно задействуют в специализированных проектах в промышленности.

Коэффициент трансформации

Для оценки эффективности работы самого трансформатора была введена величина коэффициента преобразования. Его номинальное значение обычно указывается в официальной документации к трансформатору. Данный коэффициент обозначает отношение первичного номинального тока к аналогичному показателю второй обмотки. К примеру, это может быть значение 100/5 А. Оно может резко изменяться в зависимости от количества секций с витками.

Также следует учитывать, что номинальный коэффициент далеко не всегда соответствует фактическому. Отклонение определяется условиями, в которых эксплуатируются трансформаторы тока. Назначение и принцип действия во многом определяют показатели погрешности, но и этот нюанс не является причиной для отказа от учета номинального коэффициента трансформации. Зная величину той же погрешности, пользователь может ее нивелировать посредством специальной электротехнической аппаратуры.

Установка трансформатора тока

Простейшие шинные модели трансформаторов практически не требуют применения специальной техники и даже инструмента. Такое устройство может установить один мастер с помощью специальной зажимной арматуры. Стандартные же конструкции требуют создания фундамента, на котором монтируются несущие стойки. Далее электросваркой крепится каркас, который выступит своего рода электротехническим коробом для заключения необходимой аппаратуры. На заключительном этапе производится монтаж оборудования. Каким будет комплект технического оснащения, определяет назначение трансформатора тока и особенности его будущей эксплуатации. Как минимум интегрируется инфраструктура, требуемая для выполнения замеров характеристик обслуживаемой цепи.

Способы подключения трансформаторов

Для облегчения процедуры соединения проводки с оборудованием производители комплектующих наносят на них маркировку - например, токовые реле и трансформаторы могут обозначаться ТАа, ТА1, КА1 и т. д. Благодаря такой маркировке обслуживающий персонал сможет быстро и безошибочно произвести сопряжение между элементами, которыми оснащается трансформатор тока. Устройство, назначение и принцип действия установки в данном случае тесно взаимосвязаны и оказывают влияние на способ подключения, но при этом немалое влияние на характер технической реализации системы преобразования оказывает и обслуживаемая сеть как таковая. Например, трехфазные линии с изолированной нейтралью допускают установку трансформаторов лишь на двух фазах. Такая особенность обусловлена тем, что сети с диапазоном 6 -35 кВ не имеют нулевого провода.

Поверка трансформаторов

Комплекс поверочных мероприятий состоит из нескольких операций. В первую очередь это визуальный осмотр объекта, в ходе которого оценивается целостность конструкции, корректность тех же маркировок, соответствие паспортным данным и т. д. Затем производится размагничивание оборудования - например путем плавного увеличения тока на обмотке первого уровня. После этого значение тока плавно снижается до нуля.

Далее подготавливаются основные поверочные действия, которым будут подвержены измерительные трансформаторы тока. Назначение и принцип действия важно учитывать при такой подготовке, поскольку уровень нагрузки и другие эксплуатационные факторы обуславливают разные величины погрешностей в регистрации характеристик рабочей среды. Сама же поверка предусматривает оценку соответствия полярности клемм обмоток нормативным параметрам, а также фиксацию погрешностей с последующей их сверкой со значениями, указанными в паспорте агрегата.

Безопасность при эксплуатации трансформатора

Главные опасности в эксплуатации трансформаторов тока связаны с качеством выполнения обмоток. Важно учитывать, что под слоями витков работает металлическая основа, которая в оголенном виде может представлять немалую угрозу для персонала. Поэтому составляется график обслуживания, в соответствии с которым регулярно проверяются трансформаторы тока. Назначение и принцип действия в данном случае могут быть ориентированы и на преобразование напряжения, и на измерение тока. В обоих случаях обслуживающий персонал должен тщательно следить за состоянием обмоток. В качестве мер предохранения в рабочую конструкцию вводятся шунтирующие закоротки, а также поддерживается заземление выводов обмотки.

Заключение

По мере повышения эксплуатационных нагрузок на линии электропроводки заметно понижается рабочий ресурс обслуживающих станций. Несмотря на то что назначение трансформатора тока не связано с преобразованием высокого напряжения, такое оборудование также подвергается серьезному износу. В целях повышения эксплуатационного ресурса таких установок производители используют более технологичные материалы и для электромагнитной оснастки, и для выполнений той же обмотки. Вместе с этим совершенствуется оборудование на измерительных реле, в результате чего минимизируется и коэффициент погрешности замеров.