Трансформаторы тока — принцип работы и применение

При эксплуатации энергетических систем часто возникает необходимость преобразования определенных электрических величин в подобные им аналоги с пропорционально измененными значениями. Это позволяет моделировать определенные процессы в электроустановках, безопасно выполнять измерения.

Работа трансформатора тока (ТТ) основана на законе электромагнитной индукции, действующего в электрических и магнитных полях, изменяющихся по форме гармоник переменных синусоидальных величин.

Он преобразует первичную величину вектора тока, протекающего в силовой цепи, во вторичное пониженное значение с соблюдением пропорциональности по модулю и точной передачей угла.

Принцип работы трансформатора тока

Демонстрацию процессов, происходящих при преобразованиях электрической энергии внутри трансформатора, поясняет схема.

Через силовую первичную обмотку с числом витков w1 протекает ток I1, преодолевая ее полное сопротивление Z1. Вокруг этой катушки формируется магнитный поток Ф1, который улавливается магнитопроводом, расположенным перпендикулярно направлению вектора I1. Такая ориентация обеспечивает минимальные потери электрической энергии при ее преобразовании в магнитную.

Пересекая перпендикулярно расположенные витки обмотки w2, поток Ф1 наводит в них электродвижущую силу Е2, под влиянием которой возникает во вторичной обмотке ток I2, преодолевающий полное сопротивление катушки Z2 и подключенной выходной нагрузки Zн. При этом на зажимах вторичной цепи образуется падение напряжения U2.

Величина К1, определяемая отношением векторов I1/I2, называется коэффициентом трансформации . Ее значение задается при проектировании устройств и замеряется в готовых конструкциях. Отличия показателей реальных моделей от расчетных значений оценивается метрологической характеристикой — классом точности трансформатора тока .

В реальной работе значения токов в обмотках не являются постоянными величинами. Поэтому коэффициент трансформации принято обозначать по номинальным значениям. Например, его выражение 1000/5 означает, что при рабочем первичном токе 1 килоампер во вторичных витках будет действовать нагрузка 5 ампер. По этим значениям и рассчитывается длительная эксплуатация этого трансформатора тока.

Магнитный поток Ф2 от вторичного тока I2 уменьшает значение потока Ф1 в магнитопроводе. При этом создаваемый в нем поток трансформатора Фт определяется геометрическим суммированием векторов Ф1 и Ф2.

Учебный плакат «Измерительные траснформаторы»:

Опасные факторы при работе трансформатора тока

Возможность поражения высоковольтным потенциалом при пробое изоляции

Поскольку магнитопровод ТТ выполнен из металла, обладает хорошей проводимостью и соединяет между собой магнитным путем изолированные обмотки (первичную и вторичную), то возникает повышенная опасность получения электротравм персоналом или повреждения оборудования при нарушениях изоляционного слоя.

С целью предотвращения таких ситуаций используется заземление одного из вторичного выводов трансформатора для стекания через него высоковольтного потенциала при авариях.

Эта клемма всегда имеет обозначение на корпусе прибора и указывается на схемах подключения.

Возможность поражения высоковольтным потенциалом при разрыве вторичной цепи

Выводы вторичной обмотки маркируют «И1» и «И2» так, чтобы направление протекающих токов было полярным, совпадало по всем обмоткам. При работе трансформатора они всегда должны быть подключены на нагрузку.

Объясняется это тем, что проходящий по первичной обмотке ток обладает мощностью (S=UI) высокого потенциала, которая трансформируется во вторичную цепь с малыми потерями и при разрыве в ней резко уменьшается составляющая тока до значений утечек через окружающую среду, но при этом значительно возрастает падение напряжения на разорванном участке.

Потенциал на разомкнутых контактах вторичной обмотки при прохождении тока в первичной схеме может достигать нескольких киловольт, что очень опасно.

Поэтому все вторичные цепи трансформаторов тока постоянно должны быть надежно собраны, а на выведенных из работы обмотках или кернах всегда устанавливаются шунтирующие закоротки.

Конструкторские решения, используемые в схемах трансформаторов тока

Любой трансформатор тока, как электротехническое устройство, предназначен для решения определенных задач при эксплуатации электроустановок. Промышленность выпускает их большим ассортиментом. Однако, в некоторых случаях при усовершенствовании конструкций бывает проще использовать готовые модели с отработанными технологиями, чем заново проектировать и изготавливать новые.

Принцип создания одновиткового ТТ (в первичной схеме) является базовым и показан на картинке слева.

Здесь первичная обмотка, покрытая изоляцией, выполнена прямолинейной шиной Л1-Л2, проходящей через магнитопровод трансформатора, а вторичная намотана витками вокруг него и подключена на нагрузку.

Принцип создания многовиткового ТТ с двумя сердечниками, показан справа. Здесь берется два одновитковых трансформатора со своими вторичными цепями и через их магнитопроводы пропускается определенное количество витков силовых обмоток. Таким способом не только усиливается мощность, но дополнительно увеличивается количество выходных подключаемых цепочек.

Три этих принципа могут быть модифицированы различными способами. Например, применение нескольких одинаковых обмоток вокруг одного магнитопровода широко распространено для создания отдельных, независимых друг от друга вторичных цепей, которые работают в автономном режиме. Их принято называть кернами. Таким способом подключают различные по назначению защиты выключателей или линий (трансформаторов) к токовым цепям одного трансформатора тока.

В устройствах энергетического оборудования работают комбинированные трансформаторы тока с мощным магнитопроводом, используемом при аварийных режимах на оборудовании, и обычным, предназначенным для замеров при номинальных параметрах сети. Обмотки, навитые вокруг усиленного железа, используют для работы защитных устройств, а обычные — для измерений тока или мощности/сопротивления.

защитными обмотками, маркируемыми индексом «Р» (релейные);

измерительными, обозначаемыми цифрами метрологического класса точности ТТ, например, «0,5».

Защитные обмотки при нормальном режиме работы трансформатора тока обеспечивают измерение вектора первичного тока с точностью 10%. Их по этой величине так и называют — «десятипроцентными».

Принцип определения точности работы трансформатора позволяет оценить его схема замещения, показанная на картинке. В ней все значения первичных величин условно приведены к действию во вторичных витках.

Схема замещения описывает все процессы, действующие в обмотках с учетом энергии, затрачиваемой на намагничивание сердечника током I.

Построенная на ее основе векторная диаграмма (треугольник СБ0) свидетельствует, что ток I2 отличается от значений I’1 на величину I нам (намагничивания).

Чем выше эти отклонения, тем ниже точность работы трансформатора тока. Чтобы учесть ошибки измерения ТТ введены понятия:

относительной токовой погрешности, выражаемой в процентах;

угловой погрешности, вычисляемой длиной дуги АБ в радианах.

Абсолютную величину отклонения векторов первичного и вторичного тока определяет отрезок АС.

Общепромышленные конструкции трансформаторов тока выпускаются для работы в классах точности, определяемых характеристиками 0,2; 0,5; 1,0; 3 и 10%.

Практическое применение трансформаторов тока

Разнообразное количество их моделей можно встретить как в маленьких электронных приборах, размещенных в небольшом корпусе, так и в энергетических устройствах, занимающих значительные габариты в несколько метров. Они разделяются по эксплуатационным признакам.

Классификация трансформаторов тока

По назначению их разделяют на:

• измерительные, осуществляющие передачу токов на приборы измерения;
• защитные, подключаемые к токовым цепям защит;
• лабораторные, обладающие высоким классом точности;
• промежуточные, используемые для повторного преобразования.

При эксплуатации объектов используют ТТ:

наружного монтажа на открытом воздухе;

встроенные в оборудование;

накладные — надеваемые на проходной изолятор;

переносные, позволяющие делать замеры в разных местах.

По величине рабочего напряжения оборудования ТТ бывают:

высоковольтными (более 1000 вольт);

на значения номинального напряжения до 1 киловольта.

Также трансформаторы тока классифицируют по способу изоляционных материалов, количеству ступеней трансформации и другим признакам.

Для работы цепей учета электрической энергии, измерений и защит линий или силовых автотрансформаторов используются выносные измерительные трансформаторы тока.

На фото ниже показано их размещение для каждой фазы линии и монтаж вторичных цепей в клеммном ящике на ОРУ-110 кВ для силового автотрансформатора.

Эти же задачи выполняют трансформаторы тока на ОРУ-330 кВ, но, учитывая сложность более высоковольтного оборудования, они имеют значительно большие габариты.

На энергетическом оборудовании часто применяют встроенные конструкции трансформаторов тока, которые размещают прямо на корпусе силового объекта.

Они имеют вторичные обмотки с выводами, размещаемыми вокруг высоковольтного ввода в герметичном корпусе. Кабели от зажимов ТТ проложены к прикрепленным здесь же клеммным ящикам.

Внутри высоковольтных трансформаторов тока чаще всего в качестве изолятора используется специальное трансформаторное масло. Пример такой конструкции показан на картинке для трансформаторов тока серии ТФЗМ, рассчитанной на работу при 35 кВ.

До 10 кВ включительно используются твердые диэлектрические материалы для изоляции между обмотками при изготовлении корпуса.

Примером может служить трансформатор тока марки ТПЛ-10, используемый в КРУН, ЗРУ и других видах распределительных устройств.

Пример подключения вторичной токовой цепи одного из кернов защит REL 511 для выключателя линии 110 кВ демонстрирует упрощенная схема.

Неисправности трансформатора тока и способы их отыскания

У включенного под нагрузку трансформатора тока может нарушиться электрическое сопротивление изоляции обмоток или их проводимость под действием теплового перегрева, случайных механических воздействий либо из-за некачественного монтажа.

В действующем оборудовании чаще всего повреждаются изоляция, что приводит к межвитковым замыканиям обмоток (снижению передаваемой мощности) или возникновению токов утечек через случайно созданные цепи вплоть до КЗ.

С целью выявления мест некачественного монтажа силовой схемы периодически проводятся осмотры работающей схемы тепловизорами. На их основе своевременно устраняются дефекты нарушенных контактов, уменьшается перегрев оборудования.

Проверку отсутствия межвитковых замыканий осуществляют специалисты лабораторий РЗА:

снятием вольтамперной характеристики;

прогрузкой трансформатора от постороннего источника;

замерами основных параметров в рабочей схеме.

Они же анализируют величину коэффициента трансформации.

При всех работах оценивается соотношение между векторами первичных и вторичных токов по величине. Отклонения их по углу не осуществляется из-за отсутствия высокоточных фазоизмерительных устройств, которые применяются при поверках трансформаторов тока в метрологических лабораториях.

Высоковольтные испытания диэлектрических свойств возложены на специалистов лаборатории службы изоляции.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Назначение и принцип действия трансформатора тока

Человечество в значительной мере зависит от тока. Но просто так он не подчиняется, необходимы специальные аппараты. В качестве оного выступает трансформатор тока. Чем он является и каково его предназначение? Каков принцип действия трансформатора тока? И насколько он важен?

Что такое трансформатор тока?

Под ТТ понимают измерительный аппарат, который необходим, чтобы преобразовать ток. Конструктивно в трансформаторе первичная обмотка включена в цепь последовательно, тогда как вторичная имеет измерительные приборы, а также реле защиты и автоматики. ТТ является основным измерительным устройством в электроэнергетике. Обе обмотки находятся в изоляции. Вторичная во время эксплуатации обычно имеет потенциал, который близок к «земле», что достигается путём заземления одного конца.

Благодаря трансформатору можно учитывать и измерять ток высокого напряжения, используя приборы для низкого. В конце сводится всё к измерению первичного, значение которого записывают в амперах. Следует отличать измерительный трансформатор тока от силового. Так, в первом индукция является непостоянной и напрямую зависит от режима эксплуатации. Поэтому и считаются универсальными трансформаторы тока.

Назначение и принцип действия

Как всё происходит? Каков принцип действия трансформатора тока? Через силовую первичную обмотку, которая имеет определённое число витков, протекает напряжение, которое преодолевает полное сопротивление. Вокруг катушки возникает магнитный поток, который может уловить магнитопровод. Его необходимо расположить перпендикулярно относительно направления тока. Таким образом, будет теряться минимум электроэнергии во время её преобразования в электрическую. Пересекая перпендикулярно расположенные витки вторичной обмотки, магнитный поток активирует электродвижущую силу, под влиянием которой и возникает ток, преодолевающий полное сопротивление катушки и выходной нагрузки. Вместе с этим на зажимах 2-й цепи возникает падение напряжения.

Теперь немного о частных случаях:

• Принцип действия сварочного трансформатора базируется на максимальной отдаче мощности. Его конструкция должна выдерживать высокое напряжение.
• Принцип действия однофазного трансформатора базируется на магнитном потоке. Так, если замкнуть вторичную обмотку на какое-то сопротивление, то при появлении тока возникнет движущая сила. Если обратить внимание на закон Ленца, то можно сделать заключение, что магнитный поток будет уменьшаться. Но принцип действия однофазного трансформатора предусматривает подведение постоянного тока к первичной обмотке, в результате чего уменьшения магнитного потока не происходит.

Классификация

Все трансформаторы тока (как для измерений, так и для защиты) поддаются классификации по таким признакам:

• По роду установки.
• ТТ, предназначенные для работы в воздухе.
• Трансформаторы тока для функционирования в условиях закрытых помещений.
• ТТ, предназначенные для встраивания внутрь электрооборудования.

Основные параметры

Трансформаторам тока выдвигают целый ряд требований. Вся необходимая информация должна быть указана в паспорте или приложенной таблице.

• Номинальное напряжение может находиться в широком диапазоне.
• Номинальный первичный ток, который идёт по 1-й обмотке. Указываются значения для длительной работы аппаратуры.
• Номинальный вторичный ток, проходящий по 2-й обмотке. Его качество обозначается показателем в 1 или 5 ампер.
• Вторичная нагрузка соответствует сопротивлению во внешней 2-й цепи и выражается в омах.

Ограничения

• I1т – рассчитан на номинальное напряжение выше 330 кВ.
• I3т – применяется в диапазоне значений в 110-220 кВ.
• I4т – используется при напряжении, которое не превышает 35 кВ.

Принцип действия трансформатора может зависеть от материала:

• При изготовлении токопроводящих частей из алюминия температура не должна превышать 200°С.
• Если детали, что проводят ток, сделаны из меди или её сплавов и соприкасаются с маслом или органической изоляцией, то ограничение составляет 250°С.

Также существуют требования к механическим нагрузкам, которые должен выдерживать трансформатор тока при скорости ветра в 40 м/с. Принцип действия устройства может немного поменяться из-за конструктивных дополнений:

• Если ТТ до 35 кВ, то это значение составляет 500 ньютонов.
• При значениях в 110-220 кВ необходима стойкость в 1000 Н.
• При превышении 330 кВ требование к механическим нагрузкам возрастает до уровня 1500 ньютонов.

Опасные факторы при работе с трансформатором тока

При работе с ТТ необходимо быть чрезвычайно осторожным, поскольку существуют значительные риски пострадать вплоть до летального исхода. Итак, следует опасаться:

• Возможности поражения высоковольтным потенциалом, что может случиться в случае повреждения изоляции. Так как магнитопровод трансформатора тока сделан из металла, то он имеет хорошую проводимость и соединяет магнитным путём отделенные обмотки ТТ (первичную и вторичную). Поэтому существует повышенная опасность, что персонал получит электротравмы, или повредится оборудование вследствие дефектов в изоляционном слое. Чтобы избежать таких ситуаций, заземляют один из вторичных выводов трансформатора.

• Возможность поражения высоковольтным потенциалом из-за разрыва вторичной цепи. Её выводы промаркированы как «И1» и «И2». Чтобы направление, по которому протекает ток, было полярным и совпадало по всем обмоткам, они всегда во время работы трансформатора подключаются на нагрузку. Это необходимо из-за того, что ток, проходящий по первичной обмотке, имеет мощность высокого потенциала, которая передаётся во вторичную цепь с незначительными потерями. При разрыве в таких случаях резко уменьшаются показатели из-за утечки во внешнюю среду. При таких происшествиях значительно ускоряется падение напряжения на данном разорванном участке. Потенциал, который сформировывается на разомкнутых контактах, при прохождении тока достигает нескольких киловольт. Такое значение является опасным для жизни. Поэтому необходимо убеждаться, что все вторичные цепи на трансформаторах тока надежно собраны. А при выходе из строя устанавливаются шунтирующие закоротки. Принцип действия трансформатора не терпит пренебрежения правилами безопасности, и получить электротравму очень легко.

• Конструкторские решения, которые были использованы в трансформаторах тока. Любой ТТ, как и все электротехнические устройства, должен решать определённые задачи, которые возникают во время эксплуатации электроустановок. Благо, промышленность предлагает значительный ассортимент. Но в некоторых случаях бывает лучше усовершенствовать имеющуюся конструкцию с точки зрения предприятия, чем изготавливать что-то новое, чем многие и пользуются, не имея достаточного опыта. Без знания, что собой представляет принцип действия трансформатора, последствия такого вмешательства могут создать ситуации, опасные для жизни.

Заключение

В рамках статьи мы обсудили назначение и принцип действия трансформатора тока. Как видите, это устройство является очень важным для нормального функционирования общества. Но вместе с этим оно является и довольно опасным, поэтому всегда стоит придерживаться осторожности и без надобности не лезть внутрь аппарата, особенно тогда, когда работают трансформаторы тока. Назначение и принцип действия таких приспособлений были нами рассмотрены настолько, насколько это позволил размер статьи. Однако все самое важное мы изучили.

Источник