Измерительный трансформатор тока: сведения об устройстве, назначение, виды конструкций и их принцип действия

Обновлено: 22.04.2024

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

ТТ применяются для измерения тока в приборах электроэнергетических систем. Они обеспечивают безопасность процедуры, так как позволяют изолировать первичную цепь с высоким напряжением от измерительной цепи. Кроме этого, трансформаторы позволяют выполнить моделирование определенных процессов и обеспечивают защиту электроустановок.

Принцип работы

Первичная обмотка запускается медленно и последовательно, чаще все она представляет собой алюминиевую или медную пластину, реже используются катушки. Для замыкания на нагрузку используется вторичная обмотка, в которой создается ток, его величина пропорциональна потоку в первом элементе.

Полученный ток проходит по сердечнику и перераспределяется во все обмотки, продуцируя в них электродвижущие силы. При включении в цепь последующих обмоток в их витках также образовывается вторичный ток.

Конструкция ТТ

Данные изделия можно встретить как в небольших электронных приборах, так и в значительных по объему энергетических установках. Различия между ними заключаются лишь в габаритах.

Конструктивно трансформаторы состоят из двух элементов:

замкнутый магнитопровод (сердечник);
2 и более обмотки (первичная и вторичные).

Все детали помещаются в специальный корпус, который служит как защита от механических повреждений.

Основные характеристики

Одним из важнейших параметров ТТ является номинальное напряжение, то есть максимальные значения напряжения, при которых устройство может корректно работать. Этот показатель указывается в паспорте трансформатора, средняя цифра составляет от 0,66 до 750 кВ.

К числу основных параметров ТТ относят и коэффициент трансформации. Он определяется как отношение первичного тока к вторичному.

Другая важная характеристика систем - номинальный ток первичной сети (протекающий по первичной обмотке). Значение может составлять от 1 А до 40 тысяч А. Показатели вторичного тока всегда равняются 1 А или 5 А, по заказу изготавливаются модели с 2 А и 2,5 А.

Еще два важных параметра устройств - это электродинамическая и термическая стойкость. Первая - характеризует максимальную амплитуду тока короткого замыкания. Если сказать проще, то это способность трансформатора противостоять разрушающему воздействию короткого замыкания.

Термическая стойкость - это максимальный показатель для короткого замыкания, которое система может выдержать за определенный промежуток времени и не пострадать от высоких температур.

Виды трансформаторов тока по назначению

Выделяют следующие разновидности:

Измерительные. Подобные устройства служат для передачи токов на специальные приборы измерения. Используются, если прямое подключение измерителей невозможно или небезопасно. ТТ рассчитываются таким образом, чтобы минимально влиять на первичную цепь и минимизировать любые искажения силы тока.
Промежуточные. Применяются в целях релейной защиты, обеспечивают изоляцию тока в первичной и вторичной обмотке.
Лабораторные. Отличаются повышенной точностью, предназначаются для моделирования определенной силы тока.
Защитные. Подключаются к токовым цепям защиты. Нередко номинальный ток таких систем существенно отличается от тока сети. Производители присваивают защитным устройствам определенный класс точности, что позволяет использовать их в качестве измерительных.

Классификация по способу исполнения

Отдельно стоит рассматривать способ исполнения ТТ, так как в этом случае также существует несколько вариантов. Выделяют следующие виды:

Тороидальные. Устанавливаются на кабели или шины, поэтому первичная обмотка им вообще не нужна. Первичный ток в этом случае протекает по шине, проходит через сердечник и фиксируется вторичной обмоткой.
Сухие. У таких изделий первичная обмотка не имеет изоляции, поэтому свойства получаемого тока зависят от используемого коэффициента преобразования.
Высоковольтные (масляные и газовые). Используются для дополнительной защиты от короткого замыкания, а для измерительных работ - не годятся.

Варианты установки трансформаторов

Помимо назначения и способа исполнения, трансформатор тока можно разделить на несколько видов в зависимости от способа монтажа. Выделяют следующие устройства:

Переносные. Мобильные модели, которые служат для диагностических и лабораторных испытаний.
Накладные. Применяются для установки сверху на проходные изоляторы, отличаются компактностью и имеют специальные крепления для монтажа.
Встраиваемые. Такие изделия встроены в электрические машины или коммутационные аппараты (например, в генераторы или похожие устройства).

Дополнительно выделяют трансформаторы для наружной установки (нужны для ОРУ - открытых распределительных устройств) и внутреннего монтажа (для ЗРУ - закрытых распределительных устройств).

Независимо от типа и способа монтажа, все устройства, кроме встроенных, имеют специальную контактную площадку. С ее помощью подсоединяется заземляющий проводник и зажим, что, в конечном счете, максимально упрощает процесс установки.

Мощные электротехнические установки могут работать с напряжением несколько сот киловольт, при этом величина тока в них может достигать более десятка килоампер. Естественно, что для измерения величин такого порядка не представляется возможным использовать обычные приборы. Даже если бы таковые удалось создать, они получились бы довольно громоздкими и дорогими.

Помимо этого, при непосредственном подключении к высоковольтной сети переменного тока повышается риск поражения электротоком при обслуживании приборов. Избавиться от перечисленных проблем позволило применение измерительных трансформаторов тока (далее ИТТ), благодаря которым удалось расширить возможности измерительных устройств и обеспечить гальваническую развязку.

Назначение и устройство ИТТ

Функции данного типа трансформаторов заключаются в снижении первичного тока до приемлемого уровня, что делает возможным подключение унифицированных измерительных устройств (например, амперметров или электронных электросчетчиков), защитных систем и т.д. Помимо этого, трансформатор тока обеспечивают гальваническую развязку между высоким и низким напряжением, обеспечивая тем самым безопасность обслуживающего персонала. Это краткое описание позволяет понять, зачем нужны данные устройства. Упрощенная конструкция ИТТ представлена ниже.

Конструкция измерительного трансформатора тока

Обозначения:

Первичная обмотка с определенным количеством витков (W₁).
Замкнутый сердечник, для изготовления которого используется электротехническая сталь.
Вторичная обмотка (W₂ - число витков).

Как видно из рисунка, катушка 1 с выводами L1 и L2 подключена последовательно в цепь, где производится измерение тока I₁. К катушке 2 подключается приборы, позволяющие установить значение тока I₂, релейная защита, система автоматики и т.д.

Основная область применения ТТ - учет расхода электроэнергии и организация систем защиты для различных электроустановок.

В измерительном трансформаторе тока обязательно наличие изоляции как между катушками, витками провода в них и магнитопроводом. Помимо этого по нормам ПУЭ и требованиям техники безопасности, необходимо заземлять вторичные цепи, что обеспечивает защиту в случае КЗ между катушками.

Получить более подробную информацию о принципе действия ТТ и их классификации, можно на нашем сайте.

Перечень основных параметров

Технические характеристики трансформатора тока описываются следующими параметрами:

Номинальным напряжением, как правило, в паспорте к прибору оно указано в киловольтах. Эта величина может быть от 0,66 до 1150 кВ. получит полную информацию о шкале напряжений можно в справочной литературе.
Номинальным током первичной катушки (I₁), также указывается в паспорте. В зависимости от исполнения, данный параметр может быть в диапазоне от 1,0 до 40000,0 А.
Током на вторичной катушке (I₂), его значение может быть 1,0 А (для ИТТ с I₁ не более 4000,0 А) или 5,0 А. Под заказ могут изготавливаться устройства с I₂ равным 2,0 А или 2,50 А.
Коэффициентом трансформации (КТ), он показывает отношение тока между первичной и вторичной катушками, что можно представить в виде формулы: КТ = I1/I2. Коэффициент, определяемый по данной формуле, принято называть действительным. Но для расчетов еще используется номинальный КТ, в этом случае формула будет иметь вид: I_НОМ1/I_НОМ2, то есть в данном случае оперируем не действительными, а номинальными значениями тока на первой и второй катушке.

Ниже, в качестве примера, приведена паспортная таблица модели ТТ-В.

Перечень основных параметров измерительного трансформатора тока ТТ-В

Виды конструкций измерительных трансформаторов

В зависимости от исполнения, данные устройства делятся на следующие виды:

A - Клеммная колодка вторичной обмотки.
В - Защитный корпус.
С - Контакты первичной обмотки.
D - Обмотка (петлевая или восьмерочная) .

Стержневые, их также называют одновитковыми. В зависимости от исполнения они могут быть:

Встроенными, они устанавливаются на изоляторы вводы силовых трансформаторов, как показано на рисунке 4. Рисунок 4. Пример установки встроенного ТТ

А - встроенный ТТ.
В - изолятор силового ввода трансформатора подстанции.
С - место установки ТТ (представлен в разрезе) на изоляторе. То есть, в данном случае высоковольтный ввод играет роль первичной обмотки.

Шинными, это наиболее распространенная конструкция. Ее принцип строения напоминает предыдущий тип, стой лишь разницей, что в данном исполнении в качестве первичной обмотки используется токопроводящая шина или жила, которая заводится в окно ИТТ. Шинные ТТ производства Schneider Electric

Разъемными. Особенность данной конструкции заключается в том, что магнитопровод ТТ может разделяться на две части, которые стягиваются между собой специальными шпильками.

Такой вариант конструкции существенно упрощает монтаж/демонтаж.

Расшифровка маркировки

Обозначение отечественных моделей интерпретируется следующим образом:

Первая литера в названии модели указывает на вид трансформатора, в нашем случае это будет буква «Т», указывая на принадлежность к ТТ.
Вторая литера указывает на особенность конструктивного исполнения, например, буква «Ш», говорит о том, что данное устройство шинное. Если указана литера «О», то это опорный ТТ.
Третьей литерой шифруется исполнение изоляции.
Цифрами указывается класс напряжения (в кВ).
Литера, для обозначения климатического исполнения согласно ГОСТ 15150 69
КТ, с указанием номинального тока первичной и вторичной обмотки.

Приведем пример расшифровки маркировки трансформатора тока.

Шильдик на ТТ с указанием его марки

Как видим, на рисунке изображена маркировка ТЛШ 10УЗ 5000/5А, это указывает на то, что перед нами трансформатор тока (первая литера Т) с литой изоляцией (Л) и шинной конструкцией (Ш). Данное устройство может использоваться в сети с напряжением до 10 кВ. Что касается исполнения, то литера «У», говорит о том, что аппарат создан для эксплуатации в умеренной климатической зоне. КТ 1000/5 А, указывает на величину номинального тока на первой и второй обмотке.

Схемы подключения

Обмотки трехфазных ТТ могут быть подключены «треугольником» или «звездой» (см. рис. 8). Первый вариант применяется в тех случаях, когда необходимо получить большую силу тока в цепи второй обмотки или требуется сдвинуть по фазе ток во вторичной катушке, относительно первичной. Второй способ подключения применяется, если необходимо отслеживать силу тока в каждой фазе.

Рисунок 8. Схема подключения трехобмоточного ТТ «звездой» и «треугольником»

При наличии изолированной нейтрали, может использоваться схема для измерения разности токов между двумя фазами (см. А на рис. 9) или подключение «неполной звездой» (B).

Рисунок 9. Схема подключения ТТ на разность двух фаз (А) и неполной звездой (В)

Когда необходимо запитать защиту от КЗ на землю, применяется схема, позволяющая суммировать токи всех фаз (см. А на рис 10.). Если к выходу такой цепи подключить реле тока, то оно не будет реагировать на КЗ между фазами, но обязательно сработает, если происходит пробой на землю.

Рис 10. Подключения: А - для суммы токов всех фаз, В и С - последовательное и параллельное включение двухобмоточных ТТ

В завершении приведем еще два примера соединения вторичных обмоток ТТ для снятия показаний с одной фазы:

Вторичные катушки включаются последовательно (В на рис. 10), благодаря этому возникает возможность измерения суммарной мощности.

Вторичные обмотки соединяются параллельно, что дает возможность понизить КТ, поскольку происходит суммирование тока в этих катушках, в то время как в линии этот показатель остается без изменений.

Выбор

При выборе трансформатора тока в первую очередь необходимо учитывать номинальное напряжение прибора было не ниже, чем в сети, где он будет установлен. Например, для трехфазной сети с напряжением 380 В можно использовать ТТ с классом напряжения 0,66 кВ, соответственно для установок более 1000 В, устанавливать такие устройства нельзя.

Помимо этого I_НОМ ТТ должен быть равен или превышать максимальный ток установки, где будет эксплуатироваться прибор.

Кратко изложим и другие правила, позволяющие не ошибиться с выбором ТТ:

Сечение кабеля, которым будет подключаться ТТ к цепи вторичной нагрузки, не должно приводить к потерям сверх допустимой нормы (например, для класса точности 0,5 потери не должны превышать 0,25%).
Для систем коммерческого учета должны использоваться устройства с высоким классом точности и низким порогом погрешности.
Допускается установка токовых трансформаторов с завышенным КТ, при условии, что при максимальной нагрузке ток будет до 40% от номинального.

Посмотреть нормы и правила, по которым рассчитываются измерительные трансформаторы тока (в том числе и высоковольтные) можно в ПУЭ ( п.1.5.1.). Пример расчета показан на картинке ниже.

Пример расчета трансформатора тока

Что касается выбора производителя, то мы рекомендуем использовать брендовую продукцию, достоинства которой подтверждены временем, например ABB, Schneider Electric b и т.д. В этом случае можно быть уверенным, что указанные в паспорте технические данные, а методика испытаний соответствовала нормам.

Обслуживание

Необходимо обратить внимание, что при соблюдении режима и условий эксплуатации, правильно подобранных номиналах и регулярном обслуживании ТТ будет служить 30 лет и более. Для этого необходимо:

Измерительный трансформатор тока — это устройство, предназначенное для контроля и измерения напряжения, тока, фазы электрического сигнала в контролируемой цепи. Он применяется только в тех случаях, когда нет возможности использовать стандартные приборы для определения величины различных показателей. Этот полезный прибор можно купить по сравнительно небольшой цене или изготовить своими руками.

Общие сведения

Перед тем как определить, для чего нужен трансформатор тока, необходимо подробно изучить его устройство, назначение, разновидности и основные преимущества. Вся эта информация поможет выбрать максимально эффективную модель для каждой конкретной установки.

Назначение и устройство

Измерительный трансформатор используется не так часто, как другие виды этого прибора. Это обусловлено его узкой направленностью, которая позволяет максимально качественно выполнять возложенную на него функцию.

Назначение трансформатора тока может быть разнообразным. Наиболее часто используют устройства такого типа в следующих целях:

Уменьшение величины первичного тока до требуемых значений. Благодаря этому появляется возможность внедрения электронных счётчиков, амперметров и прочих унифицированных измерительных устройств.
Обеспечение гальванической развязки между большим и маленьким напряжением. Это позволяет обезопасить обслуживающий персонал от удара электрическим током и прочих неприятностей.

Устройство токового трансформатора отличается своей простотой и доступностью. В нём может легко разобраться не только высококвалифицированный электрик, но и новичок. Прибор включает в себя следующие составные части:

Замкнутый сердечник. Он представляет собой объединённый набор пластин, изготовленных из листовой электротехнической стали.
Первичная обмотка, имеющая стандартное количество витков.
Одна или две вторичные обмотки.

Основные параметры

Технические характеристики всех измерительных трансформаторов тока описываются несколькими основными параметрами. Они обязательно указываются в паспорте устройства или другой прилагаемой документации. Специалисты рекомендуют по этим показателям выбирать модель прибора, которую мастер может установить на ту или иную конструкцию. Главные параметры:

Номинальное напряжение. Величина этого показателя для каждой конкретной модели трансформатора указывается в техническом паспорте. В зависимости от разновидности прибора она может составлять от 0,66 до 1150 кВ.
Номинальный ток первичной обмотки. Этот важный параметр можно найти в технической документации и литературе. Некоторые производители указывают его в паспорте. Величина тока зависит от исполнения прибора и варьируется от 1 до 40 тыс. ампер.
Номинальный ток во вторичной обмотке. В отличие от предыдущего показателя, этот имеет стандартные значения (1 или 5 ампер). Трансформаторы, которые изготавливаются по индивидуальному заказу, могут иметь параметр, который будет равен 2 или 2,5 А.
Коэффициент трансформации. Он представляет собой значение, показывающее соотношение показателей тока в первичной и вторичной обмотках. Профессионалы различают 2 разновидности этого коэффициента (действительный и номинальный) и используют их в различных расчётах.

Преимущества и недостатки

Для того чтобы лучше понять принцип действия и назначение трансформаторов тока, необходимо рассмотреть все достоинства и недостатки этого устройства. Положительных сторон намного больше, поэтому приборы пользуются популярностью у потребителей.

Преимущества измерительных трансформаторов:

минимальные затраты материала на изготовление сердечника и обмоток;
небольшие размеры;
малый вес;
длительный срок службы устройства;
устойчивость к намагничиванию постоянным током;
высокий технологический запас по классу точности;
дешевизна прибора.

Несмотря на большое количество достоинств, у измерительных трансформаторов есть и несколько недостатков. Их обязательно нужно брать во внимание перед покупкой устройства и началом его использования. В противном случае можно столкнуться с различными трудностями, которые осложнят работу прибора и увеличат вероятность возникновения поломок.

Среди наиболее значимых недостатков выделяются такие:

низкая чувствительность при малом токе;
зависимость точности показаний от внешних магнитных полей;
большая чувствительность к колебаниям тока;
высокое потребление электроэнергии самим устройством.

Разновидности конструкций

Измерительные токовые трансформаторы выпускаются различных типов. Все они имеют одно и то же назначение, но отличаются составными элементами и принципом действия. Каждая разновидность применяется для достижения определённых целей, что позволяет выбирать оптимальный вариант для каждого случая.

Катушечного типа

Этот вид измерительных трансформаторов считается наиболее простым по конструкции. Свою популярность он приобрёл ещё в советские времена, когда не было более качественных и эффективных устройств. Состоит катушечный прибор из следующих элементов:

Такие трансформаторы имеют небольшие размеры и приемлемую цену, которая обусловлена возможностью механизации обмоточных работ. Несмотря на это, приборы имеют несколько значимых недостатков, которые снижают их популярность среди потребителей.

К ним относят:

низкое разрядное напряжение, которое становится следствием слабой катушечной изоляции;
возможность использования только при небольших номинальных напряжениях (не более 3 кВ);
способность работать только при пониженных требованиях к электрической прочности.

Проходной трансформатор

Эти устройства считаются наиболее часто используемыми. Они нашли широкое применение в различных распределительных приборах, рассчитанных на напряжение от 6 до 35 кВ. Их устройство не отличается особой сложностью.

Конструкция состоит из таких частей:

литой эпоксидный корпус;
магнитопровод;
первичная обмотка;
вторичная обмотка.

Трансформаторы этого типа ценятся за то, что дают возможность в закрытых распределительных устройствах сэкономить проходной изолятор. Среди других преимуществ прибора выделяют такие:

малые габариты;
высокая электродинамическая стойкость.

Стержневое устройство

Стержневые трансформаторы часто называют одновитковыми. Главная их особенность — увеличение точности при повышении силы тока и уменьшение — при понижении. Она обусловлена тем, что первичная обмотка только один раз проходит через отверстие сердечника, что приводит к численному равенству количества ампер-витков и номинального тока.

Устройство состоит из следующих деталей:

железный магнитопровод (сердечник);
стержень проходного изолятора;
вторичная и первичная обмотка.

В стержневых трансформаторах токах сердечники могут иметь круглую или прямоугольную форму. От этого будет зависеть длина магнитного пути, которая должна иметь определённое значение для каждого конкретного случая. В большинстве ситуаций специалисты рекомендуют использовать круглые сердечники, которые снизят магнитные потери и увеличат эффективность устройства.

Шинный прибор

Шинные трансформаторы представляют собой изделия, в конструкцию которых входят сердечники со вторичной обмоткой, а первичная — отсутствует. В главной изоляции прибора предусмотрено специальное отверстие, через которое пропускается шина распределительного устройства, выполняющая роль первичной обмотки.

Эта разновидность трансформатора очень похожа на стержневую. Лишь при малых показаниях напряжения через отверстие в сердечнике прокладывают несколько витков проводника, что даёт возможность получить многовитковую конструкцию прибора.

Основными преимуществами шинного трансформатора считаются:

простота конструкции;
лёгкость проведения монтажных, ремонтных и профилактических работ;
возможность использовать устройство не только при малых номинальных токах, но и при высоких (более 2 тыс. ампер);
высокая электродинамическая стойкость, обусловленная устойчивостью шинной конструкции.

Для того чтобы устройство эффективно работало и качественно выполняло возложенные на него функции, нужно правильно его подключить. Для этого следует руководствоваться одной из стандартных схем, позволяющих удовлетворить требования владельцев оборудования. Только в этом случае можно добиться желаемого результата и выполнить работу за максимально короткий промежуток времени.

Основные схемы соединения трансформаторов и обмоток реле:

Звезда. Этот вариант подключения предусматривает установку трансформаторов тока во всех фазах. Их вторичные обмотки соединяются с соответствующими элементами реле в виде звезды, а нулевые точки — с общим проводом. Такая схема используется только в защитных устройствах, предотвращающих короткие замыкания.
Неполная звезда. Единственное отличие этого способа подключения от звезды — установка трансформаторов только в двух фазах.
Треугольник. Вторичные обмотки всех трансформаторов последовательно соединяются друг с другом при помощи разноимённых выводов. К вершинам образованного треугольника подключаются реле, соединённые в звезду. Этот вариант применяется для дистанционных и дифференциальных защит.
Неполный треугольник. Отличительная черта этой схемы подключения — использование вторичных обмоток, установленных не во всех фазах, а только в двух. Такой вариант применяется для защиты двигателей от междуфазных коротких замыканий.

Правила обслуживания

В большинстве случаев срок службы измерительного токового трансформатора составляет около 20 лет. Чтобы продлить этот срок на 10 и более лет, необходимо правильно обслуживать устройство и в нужное время проводить профилактические мероприятия.

Основные требования, которые нужно соблюдать для увеличения срока службы трансформатора:

Измерительный токовый трансформатор — это полезное устройство, позволяющее измерять и регулировать различные параметры системы. При правильном выборе прибора, его установке и соблюдении всех рекомендаций профессионалов можно продлить срок службы аппарата, а также снизить вероятность появления каких-либо проблем.

Читайте также: