Назначение, принцип действия трансформаторов тока и отличие от ТН

Описание и назначение устройств

Электроустановки высокой мощности работают с питанием, достигающим несколько сот Вт, при силе тока, превышающей десятки кА. Логично, что произвести измерения величин подобного порядка, обычными приборами, попросту невозможно. Для этого используют трансформаторы тока, выполняющие одновременно несколько функций. Благодаря появлению преобразователей, значительно расширился потенциал измерительных приборов. И открылась возможность передачи энергии по гальванической развязке.

Конструкция аппаратов является их дополнительным преимуществом. К примеру, если бы существовали типовые устройства для измерения напряжения высоковольтных сетей переменного тока, они были бы очень габаритными и дорогостоящими. В отличие от трансформаторов, которые выглядят, относительно, компактно и имеют защиту от неблагоприятных внешних факторов и механических повреждений.

Основная задача трансформаторов тока – преобразовать первичную величину (подаваемого напряжения) до уровня, позволяющего подключить измерительные приборы и системы защиты. Дополнительная функция – обеспечить гальваническую развязку между потребителями низкого и высокого питания, устраняя риски для обслуживающего персонала.

Проще говоря, цель приборов – моделирование определенных условий и процессов в электроустановках для безопасного снятия показаний.

Принцип работы и описание процессов

Главным элементом трансформатора тока является сердечник, состоящий из двух тонких пластин электротехнической стали, первичной и вторичной обмотки. Первичная служит для подключения цепи контролируемого напряжения. К вторичной подключают измерительные приборы и различные реле. Принцип работы устройства основан на законе об электромагнитной индукции, объясняющем действие магнитных и электрических полей, работающих по принципу гармоник переменных синусоид (величин переменного тока).

Прежде чем вникать в подробности работы аппарата, стоит детальнее рассмотреть свойства элементов. Особенно, понятие сопротивления. Начать стоит с того, что трансформаторы тока классифицируются по определенным характеристикам, в том числе и типу конструкции. Наиболее распространенной является обмотка в виде катушек.

Сопротивление

Теперь о главном, – от сечения и металлов зависит уровень сопротивления. В свою очередь, чем выше показатель сопротивления, тем больше выделяется тепла, при «прохождении» напряжения по металлу, а значит, есть риск перегрева. Поэтому, для обмотки выбирают, в большинстве случаев, медную проволоку, как металл, характеризующийся высокой электропроводимость и низким сопротивлением. К тому же, медь обладает высокой эластичностью, устойчивостью к коррозиям и повышенным эксплуатационным нагрузкам, что важно для создания обмотки.

Однако, помимо преимуществ, у меди есть и существенный недостаток – высокая стоимость. В целях экономии, для катушек используют алюминий, но только, для аппаратов низкой и средней мощности. А, так же, при изготовлении устройств, оптимально выбирается площадь поперечного сечения, исключающая возможность перегрева. Для защиты используются масляные смазочные материалы.

Итак, к работе… Ток, поступающий на первичную обмотку, имеющую определенное количество витков, преодолевает ее сопротивление и формирует магнитное поле (направленный поток), направляющееся магнитопроводом, имеющим расположение перпендикулярно направлению вектора. Такая конструкция обеспечивает минимальные потери электроэнергии во время ее преобразования.

Как говорилось ранее, пересекающий первичную обмотку ток формирует в ней электромагнитную энергию, которая воздействует и включает в работу вторичную обмотку. Направленный поток, проходит через нее и «теряет заряд» на ее зажимах. А вот, соотношение векторов носит название – коэффициент трансформации, позволяющий измерить подаваемое  напряжение по формуле.

Трансформаторы тока разных производителей

Рассмотрим несколько трансформаторов тока разных производителей:

Трансформаторы тока ТОЛ-НТЗ-10-01

Производитель ООО «Невский трансформаторный завод «Волхов», предназначены для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам и устройствам защиты и управления, для изолирования цепей вторичных соединений от высокого напряжения в комплектных устройствах внутренней и наружной установки (КРУ, КРУН, КСО) переменного тока на класс напряжения до 10 кВ и являются комплектующими изделиями.

Трансформаторы изготавливаются в виде опорной конструкции, в климатических исполнениях «УХЛ» и «Т», категории размещения «2» по ГОСТ 15150-69.

Рабочее положение трансформатора в пространстве – любое.

Трансформаторы работают в электроустановках, подвергающихся воздействию грозовых перенапряжений и имеют:

• класс нагревостойкости «В» по ГОСТ 8865-93;
• уровень изоляции «а» и «б» по ГОСТ 1516.3-96.

Варианты исполнения трансформатора: «Б» — оснащён изолирующими барьерами.

Расположение вторичных выводов:

• «А» — параллельно установочной поверхности;
• «В» — перпендикулярно установочной поверхности;
• «С» — из гибкого провода, параллельно установочной поверхности;
• «D» — из гибкого провода, перпендикулярно установочной поверхности.

Требования к надежности

Для трансформаторов установлены следующие показатели надежности:

• средняя наработка до отказа – 2´105 ч.;
• полный срок службы – 30 лет.

Разновидности

Есть много видов ТТ, но в наиболее общем виде выбор трансформаторов тока учитывает, что изделия подразделяются на измерительные (ТТИ) и для защиты.

Назначение	защита или контроль (измерение); промежуточные — для замеров, выравнивания токов в АВДТ; лабораторные.
Конструкция	В обмоточных первичка включена последовательно в измеряемый проводник. В тороидальных вместо нее — линия сети (в отверстии ТТ), а в стержневых в ее роли — кабель цепи, что эквивалентно 1 витку.
Монтаж	для размещения снаружи (в ОРУ), или внутри (в ЗРУ); встраиваемые (в ЭУ, измерителях, коммутационных агрегатах); накладные; для переноски (для лабораторий, тестирования).
Количество витков	с множеством витков (петлеобразные, восьмеркой); одновитковые.
Изоляция	сухая: (фарфор, эпоксид, бэкелит); промасленное покрытие; компаунд.
Ступени	Одна или больше (каскадные)
Под какой номинал	До 1 кВ и выше (например, для тока 10 кВ)

Токовый трансформатор может выполняться с возможностью открывать его, устанавливать и запирать, без отключения, в онлайн режиме.

Защитные ТТ

Трансформаторы защитные обычно релейного типа, «следят», чтобы проводящий манипуляции, влезающий в электросети электростанции, не получил смертельный удар. Внутри электросистем, создающих, транспортирующих, распределяющих энергию, для корректной работы присутствуют опасные значения. Но любое оборудование требует проверки, починки, обслуживания, поэтому оставляют «окно» безопасности в виде ТТ для специалистов-ремонтников.

Измерительные ТТ

Задача измерительного трансформатора тока ТТИ — преобразовывать величины, создавая возможность подсоединять вольтметр, амперметр, другой измеритель, не боясь, что он перегорит от чрезмерной нагрузки. При этом получают максимально точные, достоверные данные измерений. Другими словами, ТТ изолирует подключаемый девайс, не только для замеров, но и любой другой по потребности, от высоких мощностей.

Главные параметры и характеристики

У каждого устройства есть рабочие показатели, включающие такие аспекты, как – максимальная нагрузка, погрешности, предел мощности и другие. Имеют свои индивидуальные характеристики и трансформаторы тока. К ним относятся:

Номинальный ток

Это предельная величина напряжения при которой, может работать устройство. Подразумевается допустимый номинал первичного тока, проходящего по первичной обмотке. Данный показатель указывается в паспорте, обязательно прилагающемся в базовой комплектации. Выделяют стандартный ряд, отображающийся, так же, в маркировке аппаратов.

Стоит отметить, что чем выше величина, тем габаритнее будет устройство.

Существует еще одно понятие – номинал вторичного тока. Зачастую от стандартный – двух величин 1А или 5А. Однако, некоторые производители предлагают выпуск устройств по индивидуальным характеристикам. Но и в этом случае, выбор будет не велик и ограничится двумя показателями 2А или 2.5А.

Коэффициент трансформации

Это соотношение, позволяющее определить, во сколько раз понижается подаваемое напряжение на первичную обмотку, проходящее через обе обмотки, в сравнении с выходящим. Определяется таким образом – показатель тока, поступающего на первичную обмотку, делится на величину, измеренную во вторичной, получают Кт. При этом, первичную обмотку необходимо закоротить – прервать передачу напряжения по цепи. Рассчитывается коэффициент на производстве. Серийный выпуск устройств производится по аналогии. Все показатели указываются в паспорте или в маркировке.

Токовая погрешность

Это процентное соотношение математической разности величин вторичного тока и первичного, к показателю приведенного тока ко вторичной цепи. Включает в себя два понятия – угловая и относительная погрешности. В соответствии с вышеупомянутым законом об электромагнитной индукции, направленные колебания или векторы образуют угол между первичными и вторичными потоками. Рассчитывает показатель по формуле и выражается в минутах.

Относительная погрешность – это математическая разница между величинами первичного и вторичного тока к реальной величине, приведенного тока ко вторичной цепи. Выделяют дополнительное понятие – относительно полной погрешности. Данный показатель подразумевает соотношение геометрической разности, тех же величин, только, в соответствии с мгновенным значением, т.е. замеренным в определенный интервал времени.

Номинальная предельная кратность

Показатель максимального значения кратности первичного тока, при условии, что полная погрешность на вторичной нагрузке не превысит 10%.

Максимальная кратность вторичного тока

Соотношение наибольшего показателя вторичного тока к его номинальной величине, при номинальном значении вторичной нагрузки. Данный показатель формируется насыщением самого магнитопровода, при условии, что дальнейшее возрастание не приводит к увеличению потока.

Классы точности

Один из важнейших показателей. Регламентирован и контролируется нормативной документацией. Согласно ГОСТу – рассчитывается для каждого типа устройств и должен строго соответствовать установленным нормам. Различают 9 основных классов точности для измерительных приборов и два для защитных. В стандарте предусмотрена таблица с точной нормировкой и условными обозначениями. От класса точности устройства будет зависеть, насколько точны будут показатели измерительных устройств.

Из чего состоит ТТ, принцип его работы

Трансформатор тока имеет замкнутый сердечник (магнитопровод), который собирают из листов электротехнической стали. На сердечнике расположено две обмотки: первичная и вторичная.

Первичная обмотка включается последовательно (в рассечку) цепи, по которой течет измеряемый (первичный) ток. К вторичной обмотке присоединяются последовательно соединенные реле, приборы, которые образуют вторичную нагрузку трансформатора тока. Такое описание состава трансформатора тока достаточно для описания принципа его работы, более подробное описание реального состава трансформатора тока приведено в другой статье.

Для рассмотрения принципа действия трансформатора тока рассмотрим схему, расположенную на рисунке.

В первичной обмотке протекает ток I1, создавая магнитный поток Ф1. Переменный магнитный поток Ф1 пересекает обе обмотки W1 и W2. При пересечении вторичной обмотки поток Ф1 индуцирует электродвижущую силу Е2, которая создает вторичный ток I2. Ток I2, согласно закону Ленца имеет направление противоположное направлению I1. Вторичный ток создает магнитный поток Ф2, который направлен встречно Ф1. В результате сложения магнитных потоков Ф1 и Ф2 образуется результирующий магнитный поток (на рисунке он обозначен Фнам). Этот поток составляет несколько процентов от потока Ф1. Именно поток Фнам и является тем звеном, что производит передачу и трансформацию тока. Его называют потоком намагничивания.

Коэффициент трансформации идеального ТТ

В первичной обмотке w1 создается магнитодвижущая сила F1=w1*I1, а во вторичной — F2=w2*I2. Если принять, что в трансформаторе тока отсутствуют потери, то магнитодвижущие силы равно по величине, но противоположны по знаку. F1=-F2. В итоге получаем, что I1/I2=w2/w1=n. Это отношение называется коэффициентом трансформации трансформатора тока.

Коэффициент трансформации реального ТТ

В реальном трансформаторе тока существуют потери энергии. Эти потери идут на:

• создание магнитного потока в магнитопроводе
• нагрев и перемагничивание магнитопровода
• нагрев проводов вторичной обмотки и цепи

К магнитодвижущим силам из прошлого пункта прибавится мдс намагничивания Fнам=Iнам*w1. В выражении ниже токи и мдс это вектора. F1=F2+Fнам или I1*w1=I2*w2+Iнам*w1 или I1=I2*(w2/w1)+Iнам

В нормальном режиме, когда первичный ток не превышает номинальный ток трансформатора тока, величина тока Iнам не превышает 1-3 процента от первичного тока, и этой величиной можно пренебречь. При ненормальных режимах происходит так называемый бросок тока намагничивания, об этом более подробно можно почитать здесь. Из формулы следует, что первичный ток разделяется на две цепи – цепь намагничивания и цепь нагрузки. Более подробно о схеме замещения ТТ и о векторной диаграмме ТТ.

Назначение и принцип действия трансформаторов тока

Трансформаторы тока преобразуют первичный ток во вторичный ток меньшей величины в процессе гальванического разделения цепи. Они служат для включения амперметров и токовых катушек приборов измерения, отличающихся очень малым сопротивлением.

Трансформаторы тока постоянно работают в режиме короткого замыкания. Вторичная цепь защищается от сильных токов за счет эффекта насыщения стального сердечника.

Применяются ТТ там, где затруднительно произвести замеры токовых величин напрямую.

С использованием измерительных трансформаторов выполняют учет потребления электроэнергии.

О измерительных трансформаторах напряжения иы вкратце узнали. За более подробной информацией обращайтесь к менеджеру компании «КубаньЭлектрощит»  Задавайте вопросы на сайте. Мы ответим в самые короткие сроки.

Классификация трансформаторов тока

Типы измерительных трансформаторов тока подразделяют на следующие классы:

• по функциональности: на измерительные и защитные;
• по току: постоянного и переменного тока;
• по коэффициенту трансформации: одно и многодиапазонные;
• по способу монтажа: внутреннего и наружного размещения, встроенные, накладные;
• по напряжению: низкого и среднего;
• по типу изготовления и диэлектрическому материалу: газо- и маслонаполненные, сухие.

Рис. №4. Внешний вид трансформатора тока ТОЛ-СЭЩ-20

Рис. №5. Опорный трансформатор тока ТОЛ-СЭЩ-10, внешний вид

Измерительные подключают напрямую к считывающему, записывающему и вычисляющему измерительному оборудованию. Также их подключают к защите от сверхтоков. Разделяются на однопроводниковые ТТ и трансформаторы с первичной обмоткой. Однопроводниковый трансформатор – это устройство с проемом для первичной цепи, он устанавливается на первичный проводник.

Мощность трансформаторов тока зависит от коэффициента трансформации и поперечного сечения сердечника.

При низком токе первичной обмотки применяется трансформатор тока с высокой пропускной способностью. Для того чтобы получить трансформатор тока с первичной обмоткой через однопроводниковый трансформатор несколько раз пропускают первичный проводник.

Маркировка клемм первичной обмотки: Р1 (К) и Р2 (L), вторичной S1 (k) S2 (i). Полярность соответствует направлению прохождению тока.

Трансформатор постоянного тока

Трансформатор для измерения постоянного тока работает по принципу магнитного усилителя и включает в свою конструкцию ферромагнитный сердечник и две обмотки постоянного и переменного тока.

Выбор трансформатора тока

При решении вопроса, как выбрать трансформатор тока, прежде всего, необходимо руководствоваться требованиями по установке устройства.

Классификация трансформаторов тока

Трансформаторы подразделяются на классы по роду установки, в зависимости от места нахождения устройства:

1. Установка ТТ в ОРУ.
2. УстановкиТТ в ЗРУ.
3. Для работы внутри оболочек устройстви внутри масляной или газовой среды,например, внутри высоковольтных масляных или элегазовых выключателей.
4. Специальная установка.

По способу установки, зависящей то конструктивной особенности устройства:

1. Опорные, для монтажа на ровной опорной поверхности;
2. Проходные ТТ находятся на шинопроводах в комплексных распределительных устройствах, используются в качестве проходного изолятора;
3. Шинные –особенность этого трансформатора заключается в том, что в роли первичной обмоткивыступает шина РУ,которая пропущена через окно трансформатора, устройство крепиться на шине специальными винтами на планке;
4. Встроенные используются для установки в силовых трансформаторах, баковых выключателях или токопроводах;
5. Разъемные, предназначены для быстрой установки на шинах или кабелях без отключения токовой цепи.

По типу изоляции:

1. Литая изоляция;
2. Исполнение в пластмассовом корпусе;
3. Применение твердой изоляции, с использованием фарфора, бакелита, полимеров, эпоксидной смолы;
4. Вязкая изоляция из заливочных обволакивающих компаундов;
5. Маслонаполненные;
6. Газонаполненные,применяемая для трансформаторов, установленных на высоких и сверхвысоких напряжениях.
7. Смешанная изоляция, (бумажно-масляная), ресурс бумажной изоляции даже после 40 лет без эксплуатации может оставаться очень большим.

Недостаточная защита трансформатора может привести к конденсированнию влаги на его дне, влажность может достичь опасных значений, приводящих к электрическому или тепловому пробою.

В зависимости от количества ступеней трансформации:

1. Одноступенчатые (один коэффициент трансформации)
2. Многоступенчатые или каскадные (несколько коэффициентов трансформации)

По количеству вторичных обмоток:

1. Наличие одной вторичной обмотки.
2. Существование нескольких вторичных обмоток.

По функциональному назначению вторичной обмотки:

1. Для измерения или учета.
2. Для выполнения защитных функций.
3. Для измерения и защиты.
4. Для выполнения измерений в различных переходных режимах.

По количеству коэффициентов трансформации:

1. Наличие одного коэффициента трансформации.
2. Несколько коэффициентов трансформации, полученных после изменения числа витков в обмотках или при наличии нескольких вторичных обмоток.

Трансформаторы тока различаются по классу напряжения:

1. До 1000 В.
2. Выше 1000 В.

Методы преобразования:

1. Электромагнитные.
2. Оптико-электронные.

По типу изоляции обмоток:

1. Твердая изоляция.
2. Газовая изоляция

Таблица №1. Типы трансформаторов тока

Таблица №1. Типы трансформаторов тока

Таблица №1. Типы трансформаторов тока

Класс точности трансформатора тока

При правильном выборе трансформатора тока нужно, прежде всего, руководствоваться сферой измерения где будет применяться трансформатор тока, если ТТ, например, будет применяться для АИИС КУЭ для снятия показаний коммерческого учета, то он должен иметь высокий класс точности.

Погрешности ТТ прежде всего зависимы от габаритов и конструктивных особенностей магнитопровода, а также от количества витков и сечения провода обмотки. На погрешность в показаниях большое влияние оказывает материал, из которого изготовлен магнитопровод.

При использовании в современных системах коммерческого учета нашли применение ТТ с магнитопроводом, выполненным из нанокристаллических (аморфных) сплавов, ТТ приобретает высокий класс точности измерения 0.5, 0,5S. 0.2S, при малом значении первичного тока.

Аморфные сплавы при повышении класса точности ТТ способствуют увеличению максимальной мощности обмоток, улучшают защиту измерительных приборов, подключенных в цепь с трансформатором, сводят к нулю эффект старения, что позволяет сохранить характеристики устройства. Так получают точные и качественные изделия,которые гарантируют стабильное функционирование систем АИИС КУЭ.

Высокий класс точности создает наиболее узкий диапазон трансформаторных погрешностей.

Различие между классами точности 0,5. 0,2и 0,5S, 0.2S заключается в погрешности обмотки класса 0,5 или 0,2ниже 5% от номинального тока. В таком значении тока,выявляется недоучет электроэнергии, сокращаемый при использовании трансформаторов с классом точности S.

Для различного вида технических измерений, возможно, подключение трансформаторов с классом точности – 1. Для применения в подключении указывающих амперметров разрешается применение ТТ с классом точности – 3.

Как правильно выбрать трансформатор тока

Выбор трансформаторов тока производится, руководствуясь определенными значениями, это: напряжение сети, значения номинального первичного тока, мощность зависящая от нагрузочных показателей потребителя, коэффициент трансформации.

Выбор трансформаторов тока по напряжению

Номинальное значение напряжения (Uном ) ТТ выбирается большим или равным значению максимального рабочего напряжения Uуст.

Выбор трансформатора по первичному току

Значение( I1ном) номинального тока первичной обмотки должно быть выше или быть равным по значению(Iрабmax) рабочему расчетному установочному току высоковольтной линии отходящего от распредустройства. Расчет выбора трансформатора тока также зависит от Iкз, величины термического импульса Iкз в течении 1 сек, и термического импульса тока КЗ в течении 0,525 сек, по результатам срабатывания защит.

При выборе номинального тока трансформатора руководствуются необходимостью обеспечения требований по термической и динамической стойкости к Iкз

Выбор трансформатора тока по нагрузке

При малых номинальных токах и высоких номинальных кратковременных токах термической стойкости, трансформатор ограничен по мощности из-за своих размеров и максимальной магнитодвижущей силы. При увеличении силы намагничивания вдвое, мощность увеличивается в четыре раза. Мощность ограничена зависимостью МДС от тока динамической стойкости. Причина кроется в силовом воздействии электрического поля, которое в случае КЗ будет симметрировать витки первичной обмотки друг против друга. Мощность ограничена малыми габаритными размерами ТТ.

Расчет выбора трансформатора тока по мощности производится в зависимости сечения токопроводящего проводника и расчетной мощности.

Формула расчета в зависимости от сечения проводника

Rпр.=(Lпр.∙ρ)/Sпр.выбр

Где Sпр.выбр — выбранное сечение проводника, (мм2)

Расчет нагрузочной мощности определяется по формуле

Sрас.=I²ном∙(Rпр.+Rcч.+Rк )

Согласно ГОСТУ параметры ТТ по нагрузке, определяются для трансформаторов тока номинальной мощностью равной 5ВА и 10 ВА с нижним пределом устанавливаемым 3,75 ВА.

Таблица выбора трансформаторов тока

Выбор трансформатора тока по коэффициенту трансформации

Не допускается установка трансформатора тока, имеющего завышенный коэффициент трансформации.

В случае повышенного коэффициента разрешается ставить счетчики на приемном вводе потребителя. На силовых трансформаторах счетчики могут монтироваться со стороны низшего напряжения.

Наибольшим спросом пользуются трансформаторы, имеющие один коэффициент трансформации, он не изменяется на протяжении всего срока эксплуатации.

Виды трансформаторов тока

В современном мире существует огромное различных видов трансформаторов, которых можно классифицировать сразу по нескольким признакам.

По месту установки

Начнем с видов трансформаторов, которые классифицируются по месту установки:

1. Специальные (используются в транспортных средствах и производственных предприятиях);
2. Встроенные (устанавливаются в конструкции других электрических приборах);
3. Внутренние (используются в закрытых комплексных предприятиях);
4. Наружные (устанавливаются на открытом воздухе);
5. Переносные (универсальные, можно устанавливать и на открытом воздухе, и в закрытых лабораториях).

По способу установки

Продолжим видами трансформаторов, которые классифицируются по способу установки:

1. Опорные (одноступенчатые и многоступенчатые устройства);
2. Проходные (образуют металлическую подставку и устанавливаются на производственных станциях).

По типу витков

Подошла очередь видов тех трансформаторов, которые классифицируются по типу витков:

1. С одним витком (имеют форму стержня и используются в производственных предприятиях);
2. Со множеством витков (имеют форму петли и устанавливаются в многофазных системах и конструкциях);
3. Без первичной обмотки (имеют форму шин и применяются в качестве контроля фаз электрической сети ).

По назначению

Заканчиваем видами трансформаторов, которые классифицируются по различным назначениям:

1. Лабораторные (способны обеспечить высокую точность величин);
2. Измерительные (являются приборами учета);
3. Многоступенчатые (имеют сложное строение, поэтому способны устроить процесс трансформации электротока);
4. Промежуточные (способны преобразовать значение тока первичной обмотки или вторичной);
5. Защитные.

Монтаж, подключение, опасные факторы

При пробое изоляции обмоток возникает возможность поражения током, но риск предотвращается заземлением вывода (обозначается на корпусе) вторички.

На выводы вторичной катушки И1 и И2 токи полярные, они обязательно постоянно подсоединены на нагрузку. Идущая по первичной цепи энергия со значительным потенциалом (S=UI). В другой происходит трансформация, и при обрыве в ней там падает напряжение. Потенциал разомкнутых концов при протекании энергии большой, что представляет значительную опасность.

По описанным выше причинам все вторичные цепи ТТ собирают особо тщательно и надежно, на них и кернах, выведенных из функционирования, всегда ставят шунтирующие закоротки.

Как подключается ТТ

Есть несколько схем для изделий защитного типа. Рассмотрим подключение ТТ на трехфазное напряжение.

Полная звезда:

• самая распространенная, защита одно- и многофазных систем от КЗ;
• три ТТ соединяются в звезду.

Если ток ниже настроек на реле КА1–КА3, то это нормальная ситуация, защита не активируется. Ток на К0 — это сумма всех 3 фаз. При возрастании величин в одной из них растет ток и в ТТ. Произойдет сработка реле при КЗ и при превышении нагрузок.

Неполная звезда:

• защита от межфазных замыканий для создания цепей с нейтралью с заземлением;
• для маломощных приемников с другими вариантами защиты.

Схема «треугольник и звезда» — для дифференциальной защиты.

Схема без обесточивания при КЗ на землю используется, но редко по этой же причине. Для защиты от замыканий между фазами и всплесков в одной из них.

ТТИ подсоединяются простым последовательным подключением первичных витков изделия.

Монтаж

Монтаж трансформаторов тока:

1. Ревизия устройства, проверка изоляции (должно быть выше 1 кОм на 1 В);
2. Отключают ЭУ;
3. Убедится в обесточивании, зафиксировать заземления.
4. Разметка, установка креплений. Запрещено размещать трансформатор вплотную к ЭУ (минимальный зазор — 10 см).
5. Выставляются таблички, ограждения.
6. Первичные витки подсоединяются последовательно, но с нагрузкой на вторичных. Если нет возможности подключить измеритель, то ее контакты замыкают, чтобы не было высоких мощностей на ней, которые приведут его повреждению.

ТТ не допускает холостого функционирования, его режим близок к КЗ: вторичные витки при подключении прибора к измеряемому току обязательно замыкаются. Иначе происходит перегревание, повреждающее изоляцию. Перед отсоединением измерителей сначала закорачивают катушки. У некоторых моделей для этого есть узлы клеммы, перемычки.

Расчет

Расчет трансформатора тока можно провести по онлайн-калькуляторам, подобрать по номиналу (например, для 10 кВ). Но это слишком упрощенные инструменты. Исчисления и параметры для выбора — чрезвычайно обширная тема, поэтому опишем основы.

Точность чрезвычайно важная, поэтому потребуются тщательные исчисления специалистами. Необходимо знать множество специфических нюансов, например:

• при разных схемах подсоединения, видах КЗ, есть разные формулы определения сопротивления;
• проверяют первичный ток на термо- и электродинамическую стойкость;
• есть свои нюансы для ТТ, для релейной защиты и для учетных целей, измерений.

Правила, как выбрать трансформатор тока в общих чертах:

• номинальное рабочее напряжение ТТ должно превышать или сравниваться с номиналом ЭУ (стандартные значения 0.66, 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 750 кВ). Если обслуживаемое оборудование имеет 10 кВ, то изделие должно быть рассчитано на этот показатель;
• первичный ток ТТ — больше номинального тока у ЭУ, но учитывая перегрузочную способность;
• оценивают ТТ по номинальной мощности вторичной нагрузки, которая должны превышать расчетное ее значение. (Sном>=Sнагр);
• оценивают размеры и расположение для установки, номинальные нагрузки (есть таблица), наработка до отказа, срок службы, класс точности.

Проверка после расчета

Правила:

• после расчета ТТ проверяют по загрузке при макс. и мин. значениях, протекающих через него нагрузок;
• по п. 1.5. 17 ПУЭ при макс. подключенной нагрузке ток во вторичной катушке — не менее 40 % номинала счетчика, при мин. — не менее 5 %;
• макс. загрузка должна быть от 40 %, а мин. — от 5 %, и в любом случае она не должна превышать 100 %, иначе возникнет перегрузка трансформатора;
• если рассчитанные величины макс./мин. загрузок меньше 40 % и 5 % соответственно, то надо подбирать изделие с меньшим номиналом, а если этого нельзя сделать по параметрам макс. нагрузки, надо предусмотреть монтаж двух счетчиков — для макс. и мин. нагрузки.

Схема трансформатора тока

Схема трансформатора тока состоит из следующих важных элементов:

1. Нескольких магнитных проводов;
2. Первичной обмотки;
3. Вторичной обмотки;
4. Клеммов;
5. Выводов;
6. Стального сердечника;
7. Реле;

Обмотки трансформатора тока располагаются на повальном сердечнике (что играет роль в возникновении явления электромагнитной индукции).

Если говорить о сердечнике, то он выполняется при помощи электротехнического материала и играет роль магнитного провода.

Клеммы, в свою очередь, имеющие определенную маркировку, главным образом обеспечивают процесс входа и выхода тока с первичной и вторичной обмоток.

А вот реле трансформатора тока, подключенное к кабелю, обеспечивает правильное функционирование устройства, снижая величину тока до необходимого значения.

Как устроен трансформатор тока?

На следующем рисунке схематично обозначены процессы, протекающие в трансформаторе тока при превращении электроэнергии.

По первичной силовой обмотке с количеством витков ω1 течет ток I1, при этом он преодолевает ее полное сопротивление Z1. Вокруг катушки возникает магнитный поток Ф1, он фиксируется с помощью магнитопровода, находящегося перпендикулярно по отношению к вектору I1. Подобный способ расположения позволяет превращать электрическую энергию в магнитную с наименьшими потерями.

При пересечении перпендикулярных витков обмотки ω2 поток Ф1 создает в них электродвижущую силу Е2, под ее действием во вторичной обмотке появляется ток I2, который преодолевает полное сопротивление катушки Z2 и подсоединенной на выходе нагрузки Zн. В процессе напряжение U2 на зажимах вторичной цепи падает.

Коэффициент трансформации К1, можно посчитать, разделив вектор I1 на вектор I2. Это один из основных параметров трансформаторов тока, он определяется прежде, чем начинают проектировать устройство, а в действующих трансформаторах его измеряют. Однако, как и при работе любых приборов, реальные показания отличаются от теоретических. Для учета таких погрешностей существует специальная метрологическая характеристика, или класс точности трансформатора тока.

В отличие от расчетов, при работе трансформатора тока в жизни величины токов в обмотках не являются константами, так что коэффициент трансформации рассчитывают по номиналам. К примеру, если коэффициент трансформации равен 1000/5, то это значит, что в первичном витке течет ток величиной 1 кА, а во вторичных действует нагрузка 5 А. Исходя из данных величин, можно понять, как долго трансформатор тока прослужит.

Магнитный поток Ф2, возникающий благодаря вторичному току I2, понижает величину потока Ф1 в магнитопроводе. В процессе возникающий поток трансформатора Фт рассчитывается как геометрическая сумма векторов Ф1 и Ф2.

Где и как используют трансформаторы тока?

Самые разные виды трансформаторов тока применяются в электронных устройствах, начиная от небольших и заканчивая приборами размером в несколько метров. Обычно их классифицируют по признакам эксплуатации.

Классификация трансформаторов тока:

По предназначению:

• для измерений (с их помощью на измерительные устройства подается электрический ток);
• для защиты (их подключают к цепям защит);
• для лабораторных применений (такие трансформаторы тока имеют большой класс точности);
• для повторных преобразований (промежуточные).

В работе объектов используют следующие трансформаторы тока:

• для внешнего монтажа (на улице);
• для внутреннего монтажа (для закрытых установок);
• вмонтированные внутрь корпуса прибора;
• накладные ( их надевают на проходной изолятор);
• переносные (для проведения измерений в различных местах).

По значению рабочего напряжения оборудования трансформаторы тока делятся на:

• высоковольтные (обладающие напряжением свыше 1000 В);
• с номинальным напряжением не более 1 кВ.

Существуют и другие деления трансформаторов тока на виды, в том числе по способу материалов для изоляции, по числу ступеней трансформации и другим характеристикам.

Для чего нужны трансформаторы тока?

Чаще всего трансформаторы тока используют в цепях учета измерения электроэнергии, для замеров и защит линий или силовых автотрансформаторов обычно применяют переносные трансформаторы тока.

На следующем изображении приведено расположение трансформаторов тока для каждой фазы линии и монтаж вторичных цепей в клеммном ящике на ОРУ-110 кВ для силового автотрансформатора.

Таким же целям служат трансформаторы тока на ОРУ-330 кВ, однако они гораздо больших размеров из-за сложностей конструкции, так как они предназначены для более высоковольтного оборудования.

На энергетическом оборудовании нередко используют встроенные конструкции трансформаторов тока, их помещают непосредственно на корпусе силового объекта.

Их конструкция предполагает вторичные обмотки с выводами, которые находятся вокруг высоковольтного ввода в герметичном корпусе. Кабели от зажимов трансформатора тока подведены к закрепленным тут же клеммным ящикам.

В трансформаторах тока, характеризующихся высоким напряжением, обычно как изолятор применяют трансформаторное масло. На следующем изображении показан вариант такой конструкции для трансформаторов тока серии ТФЗМ для работы при напряжении, равном 35 кВ.

При напряжениях, не превышающих 10 кВ, в целях изоляции между обмотками при производстве корпуса прибора, применяют твердые диэлектрические материалы.

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

На следующей упрощенной схеме показан пример подключения вторичной токовой цепи одного из кернов защит REL 511 для выключателя линии 110 кВ.

Как понять, что трансформатор тока испорчен, и найти неисправности?

Когда трансформатор тока находится под нагрузкой, у него может быть нарушено электрическое сопротивление изоляции обмоток или их проводимость. Это происходит из-за воздействия теплового перегрева, нанесенных случайным образом механических повреждений или неправильной сборки.

В процессе работы трансформатора тока вероятнее всего возникновение проблем с изоляцией, в результате чего случаются замыкания обмоток между витками и понижение передаваемой мощности. Также из-за этого может произойти утечка через случайно созданные цепи, что, в свою очередь, может закончиться коротким замыканием.

Для того, чтобы обнаружить точки, в которых конструкция была собрана неправильно, трансформатор тока необходимо регулярно проверять с помощью тепловизора. Тогда будет возможно вовремя обнаружить и исправить дефекты в виде, например, нарушенных контактов, и снизить перегрев устройства.

На предмет отсутствия межвитковых замыканий приборы проверяют специалисты лабораторий РЗА с помощью:

• снятия вольтамперной характеристики;
• прогрузки трансформатора тока от постороннего источника;
• замеров основных характеристик прибора в рабочей схеме.

Они же проводят анализ величину коэффициента трансформации.

При всех работах замеряется отношение между векторами первичных и вторичных токов по величине. Их угловые отклонения в данном случае не замеряют, так как высокоточных фазоизмерительных устройств для проверки трансформаторов тока в метрологических лабораториях не существует.

Высоковольтные испытания диэлектрических свойств проводятся специалистами лаборатории службы изоляции.