Устройство измерительных трансформаторов тока, принцип действия

Конструкция и принцип действия

Внешний вид типичного трансформатора тока представлен на рисунке 1. Характерным признаком этих моделей является наличие у них диэлектрического корпуса. Формы корпусов могут быть разными – от прямоугольных до цилиндрических. В некоторых конструкциях отсутствуют проходные шины в центре корпуса. Вместо них проделано отверстие для обхвата провода, который выполняет функции первичной обмотки.

Рис. 1. Трансформатор тока

Материалы диэлектриков выбирают в зависимости от величины напряжений, для которых предназначено устройство и от условий его эксплуатации. Для обслуживания промышленных энергетических систем изготавливают мощные ТТ с керамическими корпусами цилиндрической формы (см. рис. 2).

Рис. 2. Промышленный керамический трансформатор тока

Особенностью трансформатора является обязательное наличие нагрузочного элемента (сопротивления) во вторичной обмотке (см. рис. 3). Резистор необходим для того, чтобы не допускать работы в режиме без вторичных нагрузок. Функционирование трансформатор тока с ненагруженными вторичными обмотками недопустимо из-за сильного нагревания (вплоть до разрушения) магнитопровода.

Рис. 3. Принципиальная схема трансформатора тока

В отличие от трансформаторов напряжения, ТТ оснащены только одним витком первичной обмотки (см. рис. 4). Этим витком часто является шина, проходящая сквозь кольцо сердечника с намотанными на него вторичными обмотками (см. рис. 5).

Рис. 4. Схематическое изображение ТТ

Рис. 5. Устройство ТТ

Иногда в роли первичной обмотки выступает проводник электрической цепи. Для этого конструкция сердечника позволяет применить шарнирное соединение частей трансформатора для обхвата провода (см. рис. 6).

Рис. 6. ТТ с разъемным корпусом

Сердечники трансформаторов выполняются способом шихтования кремнистой стали. В моделях высокого класса точности сердечники изготовляют из материалов на основе нанокристаллических сплавов.

Принцип действия.

Основная задача токовых трансформаторов понизить (повысить) значение тока до приемлемой величины. Принцип действия основан на свойствах трансформации переменного электрического тока. Возникающий переменный магнитный поток улавливается магнитопроводом, перпендикулярным направлению первичного тока. Этот поток создается переменным током первичной катушки и наводит ЭДС во вторичной обмотке. После подключения нагрузки начинает протекать электрический ток по вторичной цепи.

Зависимости между обмотками и токами выражены формулой: k = W2 / W1 = I1 / I2 .

Поскольку ток во вторичной катушке обратно пропорционален количеству витков в ней, то путем увеличения (уменьшения) коэффициента трансформации, зависящего от соотношения числа витков в обмотках, можно добиться нужного значения выходного тока.

На практике, чаще всего, эту величину устанавливают подбором количества витков во вторичной обмотке, делая первичную обмотку одновитковой.

Линейная зависимость выходного тока (при номинальной мощности) позволяет определять параметры величин в первичной цепи. Численно эта величина во вторичной катушке равна произведению реального значения тока на номинальный коэффициент трансформации.

В идеале I1 = kI2 = I2W2/W1. С учетом того, что W1 = 1 (один виток) I1 = I2W2 = kI2. Эти несложные вычисления можно заложить в программу электронного измерителя.

Рис. 7. Принцип действия трансформатора тока

На рисунке 7 не показан нагрузочный резистор. При измерениях необходимо учитывать и его влияние. Все допустимые погрешности в измерениях отображает класс точности ТТ.

Что такое трансформатор тока — рабочий, строительный, тип

Трансформатор тока (ТТ) — это тип измерительного трансформатора, предназначенный для измерения больших токов в энергосистеме. Первичная обмотка имеет несколько витков толстой проволоки, а вторичная обмотка трансформатора тока имеет много витков тонкой проволоки.

Трансформаторы тока в основном используются для выполнения двух задач. В первую очередь для понижения высокого значения тока энергосистемы до низких значений, обычно 5 А или 1 А, которые подходят для работы защитных реле, а во-вторых, для измерения больших токов в энергосистеме путем понижения до уровня измерения для низковольтных измерительных устройств.

Трансформатор тока

Обычно ток вторичной обмотки составляет 5 А или 1 А. поскольку текущий рейтинг вторичного стандартизирован. следовательно, номинальный ток для реле и измерительных устройств также стандартизирован до 5А. Это позволяет обмениваться трансформаторами тока между различными производителями реле и счетчиков.

{tocify} $title={Table of Contents}

Принцип работы трансформатора тока

Работа трансформатора тока электромагнитного типа в некоторой степени аналогична силовому трансформатору, поскольку оба имеют одинаковый принцип работы. (электромагнитная индукция), но есть некоторые отличия, например, силовой трансформатор является устройством с шунтирующим управлением. в то время как CT является устройством последовательного действия. Трансформаторы тока соединены последовательно с энергосистемой, потому что первичный ток высок и имеет мало витков.

CT представляет собой повышающий трансформатор, т. е. повышающий напряжение с первичной обмотки на вторичную. Таким образом, ток уменьшается от первичной обмотки к вторичной. Следовательно, понижение текущего значения для целей измерения или защиты.

Номинальное напряжение трансформатора тока меньше, чем у силового трансформатора, а номинальный ток вторичной обмотки составляет от 5 до 1 А. но они должны быть спроектированы таким образом, чтобы выдерживать высокое значение тока короткого замыкания в течение нескольких секунд в ненормальных условиях системы.

Конструкция трансформатора тока

В зависимости от конструкции трансформаторы тока бывают двух типов:

Обмоточный
Стержневой

Трансформатор тока с обмоткой

При обмотке первичная обмотка наматывается на сердечник ТТ более чем на один полный оборот. В трансформаторах тока с обмоткой низкого напряжения вторичная обмотка намотана в бакелитовом каркасе.

Первичная обмотка сильного тока наматывается непосредственно поверх вторичной обмотки, между ними помещается подходящая изоляция. Трансформаторы тока могут быть кольцевого или оконного типа.

Для изготовления сердечника ТТ используют материал железоникелевый сплав, а перед изоляцией сердечник вторичной обмотки изолируют с помощью концевых хомутов и кольцевых витков из прессованного картона.

Трансформатор тока стержневого типа

ТТ стержневого типа не содержит первичной обмотки, вместо этого прямой проводник, являющийся частью энергосистемы, действует как первичная обмотка трансформатора тока. В этом типе ТТ первичный элемент не обязательно является частью ТТ.

Первичный проводник, по которому течет ток, окружен кольцевым сердечником из сплава железа, на который намотана вторичная обмотка в виде тороида, как показано на схеме. Между начальным и конечным концами оставляют небольшой зазор для изоляции.

В клещевом ТТ сам токонесущий проводник действует как одновитковая первичная обмотка.

Схема трансформатора тока

Амперметр нижнего диапазона подключается через вторичную обмотку трансформатора тока. потому что внутреннее сопротивление амперметра пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением обмотки ТТ вторичной обмотки. Поэтому ТТ предназначен для работы в условиях короткого замыкания.

В трансформаторе тока ток намагничивания слишком мал, а плотность потока в сердечнике относительно низкая. Также сердечник никогда не насыщается при нормальных условиях эксплуатации.

Поскольку вторичная обмотка этого типа ТТ намотана тороидально. Поэтому он называется тороидальным ТТ. Этот стержневой тип конструкции имеет низкий поток рассеяния как первичной, так и вторичной обмотки, следовательно, обладает низким реактивным сопротивлением.

Почему вторичную обмотку трансформатора тока нельзя оставлять разомкнутой?

Если вторичная обмотка остается разомкнутой, трансформатор тока может потерять свою калибровку и дать неточные показания.

Первичная обмотка все еще проводит ток, а вторичный ток, противодействующий ее МДС, отсутствует.

Ток первичной обмотки действует как ток намагничивания и увеличивает магнитный поток в сердечнике.

Виды трансформаторов

Всего есть три основных типа трансформаторов тока:

Сухие – это трансформаторы первичной обмотки, физически последовательно соединены с проводником, который несет измеренный ток, протекающий в цепи. Величина вторичного тока зависит от коэффициента трансформации трансформатора.
Тороидальные трансформаторы — они не содержат первичную обмотку. Вместо этого линия, которая несет ток, протекающий в сети, проводит его через специальное «окно» или отверстие тороидального трансформатора. Некоторые торроидального типа имеют «раздвоенное ядро», которое позволяет им открываться, работать и закрываться, не отключая напряжения цепи, к которой они подключены. Они широко используются для защиты от замыкания в проводке частного дома или квартиры многоэтажки.
Высоковольтные масляные трансформаторы (элегазовые). Эти устройства для нормализации тока используют кабель или шинные передатчики главной цепи первичной обмоткой, их периодичность эквивалентна одному ходу стандартного сухого трансформатора. Они полностью изолированы от высокого рабочего напряжения системы, как правило, присоединены болтами к нагрузочной системе устройства.
Также они могут быть разборные, они же разъемные, встроенные, оптические, и т.д.

Трансформаторы тока и напряжения могут уменьшать или увеличивать текущие уровни от тысячи ампер к стандартному выходу, в зависимости от марки (Circutor, ASK, Schneider Electric, АВВ, Армавир) и типа, они могут быть рассчитаны на 6 кв, 630 кв, 10 кв. Таким образом, малые и точные приборы и устройства управления могут использоваться с КТ, потому что они изолированы от любых линий электропередач высокого напряжения. Есть множество приборов учета, которые используются для трансформаторов тока, начиная с амперметра и ваттметром, и заканчивая специальными выключателями нагрузки, УЗО-автоматами и т.д.

Фото — Трансформаторы тока тор

Особенности работы ТН в сетях с изолированной и заземленной нулевой точкой

Электрические высоковольтные сети имеют два исполнения: с изолированной нулевой шиной, либо с компенсированной и заземленной нейтралью. Первый режим подсоединения нулевой точки позволяет не отключать сеть при однофазных (ОЗ) или дуговых замыканиях (ДЗ). ПУЭ допускают работу линий с изолированной нейтралью до восьми часов при однофазном замыкании, но с оговоркой, что в это время ведутся работы по устранению неисправности.

Повреждение электрооборудования возможно из-за повышения фазного напряжения до линейного и последующего за этим появления дуги, носящей переменный характер. Независимо от причины возникновения и режима работы это наиболее опасный вид замыканий с большим коэффициентом перенапряжения. Именно в этом случае велика вероятность появления феррорезонанса в сети.

Феррорезонансный контур в силовых сетях с изолированной нейтралью представляет собой цепочку нулевой последовательности с нелинейным намагничиванием. Трехфазный не заземляемый ТН по сути – это три однофазных трансформатора, соединенные по схеме звезда-звезда. При перенапряжениях в зонах, где он установлен, индукция в его сердечнике увеличивается примерно в 1,73 раза, являясь причиной появления феррорезонанса.

Для защиты от этого явления разработаны особые методы:

изготовление ТН и ТТ с низкой собственной индукцией;
включение в их цепь дополнительных демпферных элементов;
изготовление 3-хфазных трансформаторов с единой магнитной системой в 5-тистержневом исполнении;
заземление нейтрального провода через токоограничивающий реактор;
использование компенсационных обмоток и т.п.;
применение релейных схем, защищающих обмотки ТН от сверхтоков.

Эти меры защищают измерительные ТН, но полностью не решают проблему безопасности. Помочь в этом могут заземляемые приборы, устанавливаемые в сетях с изолированной нейтральной шиной.

В ПУЭ приводится обоснование допустимости кратковременного заземления нейтрали небольшой индуктивностью обмотки ТН. Для этого в сети используется автоматика, которая силовыми контактами при возникновении ОЗ через 0,5 секунды ненадолго подключает трансформатор к сборным шинам. Благодаря эффекту глухозаземленной нейтрали при однофазном замыкании на землю в защитной цепи начинает течь ток, ограниченный индуктивностью ТН. Вместе с тем его величина достаточна для того, чтобы сработала аппаратура защиты от ОЗ и создала условия для гашения опасного дугового разряда.

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 магнитный поток, 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.

Что такое трансформатор тока?

К трансформаторам тока относятся устройства, в которых вторичный ток, применяемый для измерений, находится в пропорциональном соотношении с первичным током, поступающим из электрической сети.

Включение в цепь первичной обмотки осуществляется последовательно с токопроводом. Подключение вторичной обмотки выполняется на какую-либо нагрузку в виде измерительных приборов и различных реле. Между токами обеих обмоток возникает пропорциональная зависимость, соответствующая количеству витков. В трансформаторных устройствах высокого напряжения выполняется изоляция между обмотками из расчета на полное рабочее напряжение. Как правило производится заземление одного из концов вторичной обмотки, поэтому потенциалы обмотки и земли будут примерно одинаковыми. Все трансформаторы тока предназначены для выполнения двух основных функций: измерения и защиты. В некоторых устройствах обе функции могут совмещаться.

Измерительные трансформаторы передают полученную информацию к подключенным измерительным приборам. Они устанавливаются в цепях с высоким напряжением, в которые невозможно включить напрямую приборы для измерений. Поэтому только во вторичную обмотку трансформатора выполняется подключение амперметров, счетчиков, токовых обмоток ваттметров и прочих приборов учета. В результате, трансформатор преобразует переменный ток даже очень высокого значения, в переменный ток с показателями, наиболее приемлемыми для использования обычных измерительных приборов. Одновременно обеспечивается изоляция измерительных приборов от цепей с высоким напряжением, повышается электробезопасность обслуживающего персонала.
Защитные трансформаторные устройства в первую очередь передают полученную измерительную информацию на устройства управления и защиты. С помощью защитных трансформаторов, переменный ток любого значения преобразуется в переменный ток с наиболее подходящим значением, обеспечивающим питание устройств релейной защиты. Одновременно выполняется изоляция реле, к которых имеется доступ персонала, от цепей высокого напряжения.

Как сделать свой трансформатор

Трансформаторы состоят из двух цепей, связанных с намагничивающимся материалом, которые называют «сердечником». Оба контура имеют определенную длину, она должна быть такой, чтобы катушки вокруг сердечника могли передавать энергию от одного контура к другому. В трансформаторе тока первичные цепи (энергия-передача) петли проходят через сердечник только один раз. Вторичная цепь петли проходит несколько раз вокруг ядра. Сердечник может быть стационарным, т.е. находиться на месте постоянно, или быть шарнирным, чтобы соответствовать направлению тока, что лучше защищает приборы от короткого замыкания.

Для того чтобы собрать мини-трансформатор нам понадобится:

Изоляционная лента;
Медная проволока для намагничивания (у меди особая плотность, которая помогает создать нужное магнитное поле);
Железное кольцо;
Амперметр.

Как сделать малогабаритный трансформатор своими руками:

Медную проволоку нужно обернуть вокруг железного кольца, чтобы она охватывала практически всю поверхность кольца. Обмотки могут перекрываться или нет. Чем больше число витков, тем меньше вторичный ток будет принят через вторичную обмотку.
Обмотайте конструкцию изолентой, чтобы детали держались вместе;
Снимите покрытие с концов провода;
Прикрепите зачищенные провода к концам амперметра;
Присоедините линию напряжения сети к железному кольцу. Используйте измерения на амперметре для определения коэффициента преобразования, чтобы можно было определить параметры трансформации и сравнить их с данными из вторичной обмотки;
Вставьте линию питания, которая проходит тестирование к амперметру. Сравните данные, для настройки измените количество витков.

Фото — Одновитковый трансформатор

Таким образом, шинный и импульсный трансформатор может быть добавлен к линии уже на месте, съемный сердечник может быть сделан путем присоединения четырех стержней из мягкого железа к линии питания, чем ближе – тем лучше. Три стержня должны быть намотаны заранее. Четвертый при необходимости можно не обматывать, просто прикрепить при помощи изоляционной ленты.

Цена трансформаторов

Цена трансформатора варьируется в широких пределах и зависит от множества факторов. Здесь учитывается тип и назначение, мощность и другие электрические параметры. На стоимости устройств отражается сложность производства и используемые материалы

Немаловажное значение играет защита и другие особенности

Трансформатор известного производителя не может быть дешёвым. Однако покупатель может быть уверен, что приобретённое им устройство полностью соответствует указанным характеристикам, не выйдет из строя при первом включении и гарантированно отработает заложенный ресурс.

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.

Классификация трансформаторов тока

Все трансформаторы тока можно классифицировать, в зависимости от их особенностей и технических характеристик:

По назначению. Устройства могут быть измерительными, защитными или промежуточными. Последний вариант используется при включении измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты и других аналогичных схемах. Кроме того, существуют лабораторные трансформаторы тока, отличающиеся высокой точностью и множеством коэффициентов трансформации.
По типу установки. Существуют трансформаторные устройства для наружной и внутренней установки, накладные и переносные. Некоторые виды приборов могут встраиваться в машины, электрические аппараты и другое оборудование.
В соответствии с конструкцией первичной обмотки. Устройства разделяются на одновитковые или стержневые, многовитковые или катушечные, а также шинные, например, ТШ-0,66.
Внутренняя и наружная установка трансформаторов предполагает проходные и опорные способы монтажа этих устройств.
Изоляция трансформаторов бывает сухая, с применением бакелита, фарфора, и других материалов. Кроме того, применяется обычная и конденсаторная бумажно-масляная изоляция. В некоторых конструкциях используется заливка компаундом.
По количеству ступеней трансформации, устройства могут быть одно- или двухступенчатыми, то есть, каскадными.
Номинальное рабочее напряжение трансформаторов может быть до 1000 В или более 1000 В.

Все характерные классификационные признаки присутствуют в условных обозначениях трансформаторов тока, состоят из определенных буквенных и цифровых символов.

Типы трансформаторов

Силовые трансформаторы — Данный вид трансформатора предназначен для преобразования электрической энергии в электрических сетях , для питания различного электрооборудования, в осветительных цепях.

Автотрансформаторы — у данного типа трансформаторов обмотки соединены между собой гальванически. В основном автотрансформаторы применяются для изменения и регулировки напряжения.

Трансформаторы тока — трансформатор, созданный для понижения первичного тока до величины применяемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение вторичной обмотки 1А , 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке на коэффициент трансформации.

Разделительные трансформаторы — имеют первичную обмотку, которая не связана электрически со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы служат для повышения безопасности в электросетях. Сигнальные разделительные трансформаторы предназначены для обеспечения гальванической развязки электрических цепей.

Импульсные трансформаторы — трансформатор, созданный для преобразования импульсных сигналов с продолжительностью импульса до 10-ов микросекунд с наименьшим искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электронного импульса (очень крутой фронт и срез, относительно неизменная амплитуда).

Пик-трансформаторы – трансформатор, преобразующий синусоидальное напряжение в импульсы пикообразной формы. Данный вид трансформаторов применяется для управления тиристорами либо другими полупроводниковыми и электронными устройствами.

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Классификация трансформаторов

Существует несколько признаков, по которым трансформаторы тока делятся.

По своему назначению они бывают измерительными, защитными, а также промежуточными и лабораторными.

Измерительные выполняют функцию измерения. К ним подключаются приборы, такие как амперметр или приборы учёта (счётчики электрической энергии).
Защитные трансформаторы тока выполняют функцию электрической защиты совместно с устройствами защиты, поэтому к ним подключаются устройства, такие как реле тока или современные цифровые устройства высоковольтной защиты.
Промежуточные трансформаторы тока применяют в токовых цепях релейной защиты.
Лабораторные устройства обладают очень высокой степенью точности измерений. Также у них может быть несколько разных коэффициентов трансформации.

По виду установки трансформаторы тока бывают наружными и внутренними, а также встроенными внутрь электрооборудования (внутри высоковольтных выключателей, внутри питающих силовых трансформаторов и т.д.). Кроме того трансформаторы тока бывают накладными и переносными. Переносные трансформаторы используют для измерений токовой нагрузки в лабораторных условиях.

По исполнению первичной обмотки бывают одновитковые, многовитковые и шинные трансформаторы тока. По количеству ступеней трансформации – одно- и двухступенчатые.

По напряжению трансформаторы тока делятся на две группы – устройства с напряжением до 1000В и устройства с напряжением выше 1000В.

Кроме обычных измерительных трансформаторов тока, существуют и специальные, такие как трансформаторы тока нулевой последовательности.

{SOURCE}

Общее устройство

Конструкция изделия в общем виде выглядит достаточно просто.

Основу устройства составляют такие важнейшие его элементы:

Первичная обмотка катушка, на которую намотано N количество витков проводника. Два электрических контакта позволяют подключать к ней источники постоянного тока или напряжения.
Вторичная обмотка по типу конструкции полностью повторяет первичную, но имеет отличное от нее количество витков проводника M. Также здесь расположены контакты для вывода электрического сигнала на следующего или конечного потребителя тока или напряжения.
Магнитный стержень, обычно прямоугольной формы, на который по его сторонам надеты в плотном контакте к основе упомянутые выше катушки. Предназначен для того, чтобы передавать возникшее в результате действия электромагнитной индукции магнитное поле с первой на вторую катушку и возбуждать в нем пропорциональный электрический сигнал.

Все указанные элементы могут находиться в корпусе, который иногда бывает заполнен специальным трансформаторным маслом. Устроен прибор просто, и даже самая примитивная схема замещения легко объясняет его принципы работы.