Советы профессионалов, как выбрать и рассчитать трансформатор тока

Номинальная работа релейной аппаратуры, модулей управления, измерительных приборов в силовых цепях энергетических установок обеспечивается с помощью трансформаторов тока. Выбор такого оборудования зависит от многих параметров и значений, помочь познакомится с которыми, осветить общие принципы действия, призвана данная статья.

Описание и принцип действия

Трансформатор тока – электромагнитное преобразовательное устройство, конструктивно, состоящее из:

• цельный магнитопровод;
• две обмотки, обязательно изолированные между собой и от земли (первичная и вторичная);
• пластиковый запаянный неразборный корпус;
• контактные клеммы для подключения прибора для измерений;
• крепежные элементы для монтажа прибора;
• табличка на корпусе, бумажный паспорт.

Обмотки преобразователя делятся между собой на первичную и вторичную, включаются в энергетическую цепь строго по определенным правилам.

Первичная обмотка подключается к электрической цепи последовательно (рассекая токопровод). Вторичная обмотка замкнута на определенную нагрузку измерительных элементов, релейной аппаратуры и автоматики. Она пропускает через себя величину тока, которая пропорциональна токовому значению первичной обмотки.

Принцип действия любого из них основан на законе электромагнитной индукции, действующий в равной степени в электрических и магнитных полях электрических машин и механизмов.

Его суть — преобразование величины тока, протекающего через силовую цепь энергетической установки, к которой подключается первичная обмотка трансформатора тока с определенным количеством витков, во вторичное пониженное значение тока, соблюдая при этом пропорциональность значения.

Эта пропорциональная величина электротока на выходных клеммах вторичной обмотки трансформатора необходима для нормальной работы измерительной, релейной аппаратуры, приборов учета электроэнергии в системах силовых энергетических установках до и выше 1000 вольт.

Прослеживается прямая зависимость номинальной работы всех измерительных систем, приборов контроля и управления от правильного выбора трансформаторов тока.

Классификация

Преобразователи, кроме описанных выше направлений функционирования, принято классифицировать по основным признакам, знание которых необходимо для их правильного выбора в различных силовых электроустановках.

Последовательные трансформаторы принято классифицировать по:

По роду установки

Класс измерительных токовых устройств делится на несколько вариантов общего или специального назначения:

• Переносные – трансформаторы специального назначения, применяемые для контрольных измерений или испытаний в мобильных электротехнических лабораториях;
• Накладные – устройства преобразования специального назначения, использующиеся на высоковольтных установках, наложением сверху проходных изоляторов цепей силового трансформатора сети;

• Встроенные – измерительные трансформаторы специального типа, применяемые внутри различных электрических аппаратов и машин для преобразования величин внутренней цепи оборудования;
• Внутренней установки – электротехнические устройства общего назначения применяемые на высоковольтных распределительных электросистемах, или силовых цепях низкого напряжение (400В);
• Наружной установки – приборы преобразования общего назначения, применяемые открытых распределительных сетях высокого напряжения (свыше 1000В).

Точное определение оборудования на участке цепи, к которым будут подключены последовательные преобразователи становится одним из важных критериев их выбора.

По способу установки

Видовые различия корпусов последовательных трансформаторов электрической сети разделяет их по классу монтажа на:

• Проходные – играют роль проходного изолятора сквозь определенное препятствие в системе электроустановки. Выводы первичных обмоток у них всегда расположен сверху, другой снизу;
• Опорные – конструктивно имеют расположение всех первичных выводов на одной стороне. Их установка производится всегда на ровную опорную поверхность.

Правильное определение типа монтажа измерительного прибора для преобразования тока не допустит ошибок дальнейшего проектирования новой энергетической системы или ремонте уже созданной установки.

По типу изоляции

Группы измерительных приборов преобразования имеют различия в составе материала изоляции своих обмоток и корпуса, делятся на несколько основных:

• Твердая — тип сухой изоляцией в виде фарфора, бакелита и подобных материалов;
• Вязкая – изоляция, полученная путем заливки различным компаундом.
• Смешанная – использование в виде изолирующего материала бумажно-масляных элементов;
• Газовая – изолирование первичной от вторичной обмотки проводится воздушным зазором.

Изоляционный материал оборудования выбирается от типа электроустановок, где они применяются. Он зависит и от величины номинального напряжения на участке установки приборов, климатических условий, где будет эксплуатироваться распределительное устройство и других факторов.

По количеству ступеней трансформации

Трансформаторы делятся на два основных типа в этом разрезе классификации:

• Одноступенчатые – такие устройства имеют одну первичную и одну вторичную обмотку в устройстве, один неизменяемый коэффициент трансформации;
• Многоступенчатые – электромагнитный аппараты каскадного вида, устройство которых содержит или возможность изменения числа витков первичной или вторичной обмотки, или содержит сразу несколько вторичных обмоток с дифферентом их числа витков. Эта конструкция позволяет иметь несколько коэффициентов трансформации в одном устройстве;

Первый класс трансформаторов наиболее распространен в применении энергетических установок общего назначения. Второй тип применяется в специализированных участках распределительных сетей по необходимости.

По количеству вторичных обмоток

Соответственно, исходя из количества ступеней трансформации приборы делятся на:

• С одной вторичной обмоткой;
• С двумя и более вторичными обмотками.

Основной вид трансформаторов в таком делении относит первые его вид к приборам общего назначения, второй к типу специального назначения.

По назначению

Основное назначение этого электромагнитного прибора – трансформация тока из одной величины в другую. Существует два основных направления, использования трансформаторов:

• Для измерений – передача измерительных параметров приборам, показания которых снимает персонал электроустановки с целью анализа работы энергетических установок высокого напряжения (>1000В). Первичная обмотка трансформатора тока включается в разрыв энергетической цепи, а к его вторичной обмотке подключается требуемый измерительный прибор, типа амперметра, обмоток ваттметров или счетчиков учета электроэнергии. Их монтаж производится в энергетических установках, где невозможно прямое подключение измерительной аппаратуры, обмоток электросчетчиков напрямую, но необходимо при этом их нормальное функционирование.
• Для защиты – передача измерительной информации устройствам защиты, или любым модулям управления энергетической системы, в состав которой они включены. Обеспечивает изолированную работу этих приборов в высоковольтных установках или силовых цепях с напряжением 400В. Изоляция реле и контрольных приборов от первичной цепи установки обеспечивает безопасную доступность к таким модулям обслуживающего персонала для их ремонта и эксплуатации.

Часто трансформаторы тока имеют смешанный функционал.

По классу напряжения

Важным критерием выбора устройств преобразования. Он включает в себя два основных класса:

• Для высоковольтных распределительных установок – 6/10/35 киловольт и выше – применения преобразователей в таких сетях имеют увеличенных габарит и некоторые конструктивные различия;
• Для низковольтных распределительных устройств – применение до 1000В – наиболее распространенный класс напряжения таких приборов равен 400В. В этом классе габариты трансформаторов зависят от номинальных токов первичных обмоток, а конструктивное исполнение обладает значительным многообразием в зависимости от типа монтажа и расположения участка их установки.

Неправильный подбор класс напряжения при выборе трансформаторов сделает их применение невозможным в проектируемой или работающей энергетической системы или ее участка.

По методу преобразования

В силу развития прогресса в электротехнике этот параметр теперь входит в основную классификацию приборов преобразования, состоит из типов:

• Электромагнитные – приборы преобразования, основанные на обмотках медной проволоки, с цельным стальным сердечником, наиболее распространенный экономически выгодный вид трансформаторов, широко используемый в различных распределительных сетях;
• Оптико-электронный – новый тип преобразования токовой величины, основанный на прогрессивно инновационном устройстве электромагнитных приборов, их изоляции, с применением новейших материалов. Выше по цене, но имеющий более точные выходные параметры.

Резюмируя перечисленную выше классификацию электромагнитного оборудования, вывод по их верному выбору на поверхности – только полное изучение всех перечисленных параметров устройств преобразования тока, сравнение их с параметрами энергосистемы, где они будут эксплуатироваться, не позволит сделать непростительных ошибок при их подборе, дальнейшей установки и качественному использованию.

Как выбрать

Выбор трансформаторов тока (ТТ) зависит не только от знания их классификации в общем формате, но и требует правильной оценки многих других величин трансформаторов. В электротехнике такие значения принято называть номинальными параметрами.

Номинальные параметры

Правильный выбор ТТ состоит из подбора собственных номинальных величин, проведения тест-проверок, результаты которых станут основополагающими для определения необходимой марки трансформаторов.

Основные номинальные параметры ТТ состоят из:

Рабочее напряжение

Значение величины рабочего напряжения – то есть значение действующего напряжения распределительного установки, куда подбирается определенный измерительный трансформатор, должно быть меньше или равно номинальному напряжению трансформатора. Для эффективного выбора существует стандартный ряд номиналов рабочих напряжений, выраженный в киловольтах: 0,66, 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 750.

Первичный ток ТТ

Второй основной параметр выбора измерительного прибора происходит практически также, как и подбор рабочего напряжения: табличные токовые стандарты токов ТТ сравниваются со значением рабочего тока участка цепи или всей электроустановки, где планируется устанавливаться преобразовательный прибор.

Однако здесь нужно учитывать еще один критерий: в сети с активной нагрузкой и потребителями общего назначения номиналы подбираются без учета поправочных запасов по току, а вот для электрооборудования генераторов, двигателей или других активно-реактивных потребителей требуется при выборе первичного тока ТТ учитывать 10% запас по его величине. Это связано с бросками токовых величин в момент пуска подобного оборудования.

Стандартные величины по которым производится выбор тока первичной обмотки трансформатора заключены в определенный табличный ряд, единицы измерения — амперы: 1, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 80, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 750, 800, 1000, 1200, 1500, 1600, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000, 10000, 12000, 14000, 16000, 18000, 20000, 25000, 28000, 30000, 32000, 35000, 40000.

Если выбор первичного тока с учетом 10% запаса находится между стандартных значений ряда – берется больший из их значений.

Однако здесь необходимо получить данные еще двух обязательных проверок трансформаторов, чтобы окончательно быть уверенным в его правильном выборе:

Проверка на термическую стойкость

Термическая стойкость гарантирует, что выбранный ТТ сможет выдержать тепловой удар и остаться в нормальном рабочем состоянии, без каких-либо повреждений в аварийном режиме короткого замыкания (КЗ), при прохождении через него определенной величины тока короткого замыкания за определенный период времени. Существует специальная формула проверочных значений на термическую стойкость преобразовательных приборов до и выше 1000 В.

Если выбранный трансформатор не подходит под расчетные значения термической стойкости, стоит обратить внимания на другую модель трансформатора во избежание образования проблем с энергетической установкой на этапах ее дальнейшей эксплуатации.

На электродинамическую стойкость

Этот опытно – расчетный процесс тестирует выбираемый трансформатор на стойкость от динамического воздействия на него тока короткого замыкания при аварийном режиме в цепи. Определенный промежуток времени электромагнитный прибор должен выдержать и такое воздействие, оставшись в рабочем состоянии.

В противном случае – требуется смена марки или модели трансформатора. Тест на электродинамическую стойкость определен специальной формулой, в которой участвуют постоянные значения и величины аварийного режима.

Проверка по мощности вторичной нагрузки

Третий обязательный параметр выбора ТТ. Проверка проходит путем сравнительного анализа номинальной мощности ТТ и полной мощности вторичной нагрузки на всем участке цепи, в которой планируется установка выбираемого трансформатора тока. Номинальная величина мощности должна быть больше или равна значению в действующей или проектируемой установке.

Важно знать при этом, что полная мощность нагрузки цепи представляет собой сумму сопротивлений всех коммутационных, измерительных, релейных приборов и аппаратуры управления участка умноженная на квадрат тока этой аппаратуры.

Если подбор осуществляется в проектируемом распределительном устройстве – значения сопротивлений берутся из паспортных данных оборудования, установленного там, если объект уже действующий – величины сопротивления получаются путем замеров сопротивления омметров или другими известными методами.

Коэффициент трансформации

Этот параметр является заключительным номинальным параметром, который должен учитываться для правильного выбора трансформаторов тока для измерительных приборов, релейной системы и модулей управления в распределительных цепях.

Критерий выбора по данному параметру делится на два варианта:

• Из минимального значения коэффициента трансформации – в этом случае его значения принимается, исходя из номинального значения линии распределительного устройства, в которое подбирается преобразовательный прибор;
• Из максимального значения коэффициента трансформации –значения минимального коэффициента трансформации умноженное на отношение рабочего тока линии к максимальному значению тока вторичной обмотки трансформатора.

Второй параметр регламентируется нормативными документами «ПУЭ» (Правила устройств электроустановок) и применяется при выборе трансформаторов тока, используемых для питания обмоток учета электроэнергии.

Назначение

Учет сферы применения трансформаторов по назначению устанавливает жесткий выбор его класса точности.

Для питания обмоток коммерческого учета необходимо выбирать трансформаторы с классом точности не ниже 0,5. Бытовой учет электроэнергии ограничивает выбор приборов трансформации с классом точности равным 1

Если подбор ТТ производится для измерительных систем, типа амперметров, ваттметров, — выбираются трансформаторы с классом точности не ниже 3

Для питания релейной аппаратуры или приборов управления в распределительной установке выбор трансформаторов диктуется специальным классом точности повышенного номинала, который обозначается 10 (Р).

Не учитывая сферу применения, нельзя гарантировать правильного выбора трансформатора, т.к. его параметр под названием класс точности значительно влияет на точность снимаемых показаний и будет детальней рассмотрен в этой статьей ниже.

Другие критерии

Проектные институты или технические специалисты, ведущие выбор трансформаторов тока могут руководствоваться и другими параметрами выбора преобразовательных приборов для участка цепи энергетической установки, такими как:

• Определение типа автоматизации установки узла учета, которая может повлиять на определение необходимого класса точности выбираемого трансформатора;
• Расчеты длины учета и сечения проводников, идущих от ТТ до приборов учета, с целью расчета величины потери напряжения, которая должна иметь минимальные значения в процентном отношении;
• Если новая энергетическая установка проектируется с нуля – учитывается метод преобразования величины тока.
• Если распределительная сеть действующая – важным параметром выбора прибора становится действующей даты поверки прибора. Оборудование трансформации не должно иметь просроченных дат поверки от метрологических служб.

Любой параметр трансформатора тока выбирается исходя и в соответствии с данными, описанными в нормативной документации «Правил и Устройств Электроустановок».

Схемы включения

Для питания релейной аппаратуры, токовых обмоток учета электроэнергии общего или коммерческого назначения существует три основных схемы включения трансформаторов тока:

• «полная звезда»;
• «неполная звезда»;
• «треугольник».

Каждая из типов подключения для различного назначения оптимизирует работу измерительных, учетных систем электрооборудования, позволяет сделать оптимальными параметры учета электроэнергии в цепях новых или действующих распределительных устройств до и выше 1000 вольт.

Как правильно выбрать ТТ для релейной защиты

Чтобы правильно выбрать трансформаторы тока для различных блоков релейной защиты и автоматики, стоит обратить внимание на несколько важных параметров их выбора:

• Максимальное и номинальное значение напряжения в первичной обмотке трансформатора;
• Номинальное значение тока в первичной обмотке;
• Класс точности.

Последний параметр – для различных видов трансформаторов имеет различные значения, а для блоков релейной защиты и автоматики имеет приоритетное значение в связи с тем, что от него зависит точность выходного сигнала, другими словами, качество питания всего блока защиты и автоматики. Для более точной работы систем защиты и автоматики в распределительных сетях применяется использование трансформаторов с повышенным классом точности – 10 (Р). Подробное рассмотрение такого понятия, как класс точности в статье публикуется ниже.

Выбор класса точности

Параметр трансформатора тока, указывающий, что погрешность измерений величины тока вторичной обмотки ТТ не превышает значений, указанных в нормативных документах по ГОСТ 7746-2011. Согласно данному ГОСТу, номинальные значения классов точности, следующие: 0,1, 0,2S, 0,2, 0,5, 0,5S, 1, 3, 5, 10.

Для цепей измерительных приборов, учетного оборудования и систем релейной защиты классы точности преобразователей тока будут разными.

А для учета электроэнергии общего или коммерческого типа применяются обычные классы точности преобразователей тока равные 1, 3. Нужно добавить, что для питания измерительных приборов типа амперметры и подобные им, выбираются трансформаторы тока классом точности 0,5 или повышенной точности, погрешность которых составляет 0,5S.

Блоки автоматики и релейной защиты требуют к своим источникам питания в сетях распределительных установок использования оборудования повышенной точности, в которых погрешность величины тока вторичной обмотки трансформатора не будет превышать 10% значения. Маркировка такого класса точности – 10 (Р).

Примеры расчета

В качестве примера выбора трансформаторов тока рассмотрим расчетную проверку правильности выбора ТТ для счетчика электроэнергии в распределительной установке, с номинальным током в 150А, при минимуме нагрузки в 15А.

Проверяется Т-0,66 200/5, с коэффициентом трансформации — 40.

Ток вторичной обмотки при номинальном токе: 150/40 = 3,75А;

Минимальный ток вторичной обмотки при номинальной нагрузке: (5*40)/100 = 2А;

Полученный ток вторичной обмотки проверяемого трансформатора больше полученного значения минимального тока, что говорит о выполнении первого требования проверки;

Рассчитаем минимальный ток вторичной обмотки при минимальной нагрузке: 15/40 = 0,38А;

Узнаем минимальный ток вторичной обмотке при минимальной нагрузке: 5*5/100 = 0,25А;

0,38А> 0,25А – еще один пункт не выходит за рамки требуемых правил соответствия выбранного трансформатора тока;

Рассчитаем значение тока при ¼ нагрузке: 150*25/100 = 37,5А;

Рассчитаем значение тока вторичной обмотки при ¼ нагрузки: 37,5/40 = 0,94А;

Узнаем минимальный ток вторичной обмотки при ¼ нагрузке: 5*10/100 = 0,5А;

Сравнив оба значения токов вторичной обмотки, видим, что и здесь расчетное значение в норме: 0,94А> 0,5А;

Вывод: трансформатор тока Т-0,66 200/5 для учета электроэнергии выбран правильно и соответствует всем нормативным значениям «ПУЭ».

Советы и рекомендации по выбору

Основная рекомендация по подбору трансформаторов тока состоит в тщательном и полном использовании всех параметров и критериев выбора преобразователей тока по классификации и номинальным значениям оборудования в равной степени без легкомысленного отношения к любому из них.

Выбор трансформаторов тока в зависимости от их назначения в обязательном порядке должен соответствовать всем нормативным документам и стандартам ГОСТ, действующим в текущий момент их выбора.

При использовании автоматизированных программ расчета номиналов последовательных трансформаторов, перепроверка полученных значений несколькими подобными сервисами не станет лишним для подтверждения правильности полученных данных.