Принцип работы и классификация трансформаторов тока, схема подключения

Одно из важнейших открытий человечества – это электричество. Данная форма энергии стала настоящим прорывом и колоссальным потенциалом для научно-технического прогресса. Было разработано множество приборов для преобразования и измерения этого ресурса. Наиболее ярким примером являются трансформаторы тока, которые широко применяются в самых различных сферах.

Зачастую, простые обыватели считают идентичными устройства тока и напряжения, что в корне неправильно. Назначение, конструкция и принцип действия у них, совершенно различные. Разобраться в отличиях будет проще, зная основные понятия и функции преобразователей. А так же, виды, применение и модификации аппаратов.

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.

Основная классификация

По назначению

• Измерительные — для подключения измерительных приборов.
• Защитные – для подключения релейных устройств или для гальванической развязки.
• Промежуточные – для выравнивания силовой нагрузки и подключения релейных устройств.
• Лабораторные – служат для подключения измерительных приборов высокой точности.

 По типу установки

• Наружного подключения – для открытых распределительных устройств.
• Закрытого подключения.
• Встроенные в различные приборы и аппараты.
• Накладные – «одеваются» сверху на проходной изолятор.
• Переносные – для контрольных и аналитических измерений.

По конструкциям первичных обмоток

• Многовитковые.
• Одновитковые.
• Шинные.

По способу монтажа

• Проходные.
• Опорные.

По типу изоляции

• Сухая, к которой относится группа материалов – литая, эпоксидная, фосфорная, бакелитовая и т.д.
• Бумажно-масляная.
• Конденсаторная бумажно-масляная.
• Газонаполнительная.
• Заливочная – с компаундом.

По количеству ступеней трансформации

• Одноступенчатые.
• Двухступенчатые.

По номиналу рабочего напряжения

• До 1 000В.
• Более 1 000В.

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.

Расшифровка маркировки и обозначений

Все специализированные, да и бытовые устройства, маркируются, в обязательном порядке. И если для продавца, большую роль играет штрих- или QR-код, то для потребителя, основным является буквенно-числовой индекс, отражающий характеристики и основную информацию о приобретении. Маркировка трансформаторов тока содержит такие основные показатели:

• Первая заглавная буква «Т» — обозначает наименование продукта – трансформатор тока.
• Вторая указывает тип конструкции – «П» проходной, «О» опорный, «Ф» фарфоровая покрышка.
• Третья обозначает тип изоляции – «М» масляная и «Л» литая.
• Число после сочетания букв – это класс изоляции. Указывается просто цифрой подразумевает величину в кВ.

• Буквы «У» и «Х» означают возможность эксплуатации в умеренном и холодном климате. В большинстве моделей «УХ».
• За ним идет число указывающее категорию устройства.
• В конце индекса указывается коэффициент трансформации через «/» — первичной и вторичной обмотки.

Схемы подключения и вариации цепи

Подключение трансформатора тока, стандартно, рассматривается на примере электросчетчика. Более простая, доступная и понятная схема имеет два основных варианта и включает ряд ограничений. Категорически запрещено подключать трансформатор тока к приборам, питающимся напрямую от электросети. На примере трехфазного счетчика:

• Внимательно изучите техническую схему расположения контактов. В большинстве устройств их местоположение идентичное, т.к. и принцип работы. Клеммы будут размещаться на тех же местах в прибор различной модификации. Но, все же, будьте внимательны.
• Контакт обозначающийся К1 – это питание трансформатора. К2- подключение цепи напряжения. К3 – выходной контакт трансформатора.
• По аналогии подключаются остальные две фазы. Имеющие, так же, по три значения с буквой К и последовательным числом.

Наиболее распространенной считается схема раздельного подключения вторичных потоков цепи. На фазный зажим от входного автомата необходимо подать фазовый ток. Для упрощения процесса, к этому же контакту производится подключение второй клеммы катушки напряжения (фаза счетчика). Окончание первичной обмотки трансформатора – это выход фазы, которая подключается к нагрузке распределительного щита. Выход вторичной обмотки трансформатора подсоединяют к концу токовой обмотки учетного прибора. И дальше, по аналогии.

Существует и другой вариант, по схеме совмещенных цепей тока. Подобное явление встречается очень редко, по большей части являясь исключением, если нет других вариантов. При такой последовательности возникают существенные погрешности в измерениях и отсутствует возможность своевременно выявить «пробой». Конечно, вариации есть, однако, данный пример считается наиболее оптимальным и рабочим.

Возможные неисправности и признаки нарушений работоспособности

Трансформаторы сталкиваются с различными негативными факторами в процессе работы. Это и высокие непрерывные нагрузки. Механические повреждения. Окружающие неблагоприятные воздействия. Короткие замыкания. Перегрузы, перегрев устройства и многое другое. Для работы трансформаторов, так же, требуется создавать определенные условия в помещениях, где они располагаются. Регулярно анализировать рабочие процессы, проводить диагностику и своевременно устранять нарушения, предотвращая поломки. Не допускается:

• Высокая температура и влажность в помещении.
• Отсутствие оптимального уровня масла.
• Работа при внутренних повреждениях.

Выявить отклонения на ранних стадиях помогут:

• Проверки нагрузки.
• Ведение «журнала» обслуживания.
• Изменение звука рабочих процессов.
• Температура.
• Высокие вибрации.
• Осмотр обмотки.

Сферы применения

Трансформаторы тока, в тех или иных целях, всегда, активно применяются во всех сферах – промышленной, коммерческой, бытовой и других, где предусмотрена эксплуатация электросети, в частности, высокого напряжения. В тех случаях, когда необходимо преобразование тока, по принципу магнитной индукции, от первичной схемы переменного тока в другую – вторичную. При этом, отличия одной от другой, могут быть самые разнообразные – напряжение, количество фаз, частота и т.д.

В дополнение, защитные устройства, позволяющие подключать приборы и аппараты по гальванической развязке, предотвращают риски, как для потребителя, так и обслуживающего персонала или пользователя. Незаменимы трансформаторы тока для измерения показателей, особенно регулярных или непрерывных.

Методики расчета

Алгоритм расчета при выборе устройств достаточно прост и основывается на характеристиках самих трансформаторов тока. Каждый показатель играет роль. Определяется оптимальная величина напряжения, коэффициент трансформации, уровень погрешности, конструкция устройств и т.д. Все расчеты производятся по формулам. Коэффициент трансформации, к примеру, необходимо определять согласно минимальным и максимальным величинам первичного тока. С учетом данных о присоединяемом устройстве и установленной мощности силовых трансформаторов. Наиболее популярным является метод упрощенного расчета. Берется:

• Напряжение первичной обмотки.
• Вторичной.
• Ток вторичной обмотки.
• И ее мощность.

При условии, что обмоток будет несколько – за расчетное берется суммарное значение. Результат выводится по формуле.

Все данные, обозначения и формулы указываются в нормативной документации. К тому же, главная рекомендация: обращайте внимание на технические аспекты, а не стоимость. Это всегда помогает при любом выборе.