что такое трансформаторы тока и для чего они нужны

Трансформатор тока: конструкция, схемы и его виды

Трансформатор тока — это электротехнический или электромагнитный инструмент, который предназначен для изменения тока с больших величин на меньшие (то есть на более удобные для его эксплуатации).

Для эффективного использования защитных систем линий электропередач необходим ее тотальный контроль. К слову, данный контроль осуществляется не с помощью простого трансформатора, а благодаря трансформатору тока, который способен отслеживать и регулировать величину тока первичных и вторичных обмоток.

Конструкция и устройство трансформатора тока

Итак, если говорить о конструкции трансформатора тока, то следует начать с его внешнего вида.

Прежде всего, обратим внимание на шину, сердечник и диэлектрический корпус, а точнее, на его наличие. Для кого-то это покажется странным, но без него в конструкции трансформатора не обойтись. При этом этот корпус по форме может отличаться: он может быть представлен и в цилиндрическом виде, и в прямоугольном, и в квадратном.

В середине корпуса располагается небольшой промежуток, служащий охвату проводов, которые выступают в качестве первичной обмотки.

Раз уж мы коснулись обмотки, то нельзя не сказать о внутреннем устройстве трансформатора и двух видах обмотки (смотреть рисунок).

Схема трансформатора тока

Схема трансформатора тока состоит из следующих важных элементов:

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.

Подключение трансформатора тока

Подключение трансформатора тока в цепь может осуществляться сразу несколькими способами:

Схема 1

Итак, данная система состоит сразу из трех трансформаторов тока, которые обобщены и закреплены в одну звезду. Эту схему принято использовать в качестве цепной защиты от короткого замыкания (будь то многофазное или однофазное замыкание). В том случае, если по цепи проходит ток ниже установленного уровня реле (ka 1-ka 3), то режим работы будет считаться нормальным и цепная защита короткого замыкания не сработает.

Схема №1

Стоит сказать, что ток, протекающий в цепи от ka 0-реле, принято воспринимать в виде геометрической суммы тока (сумма всех 3-х его фаз) Если увеличить в какой-либо фазе ток, то защитная цепь короткого замыкания включится в работу (реле (ka 1-ka 3)).
Для отключения трансформатора в этой цепи и схеме необходимо по-просту приземлить ток.

Схема 2

Вторая схема подключения трансформатора тока в цепь имеет схожие черты с первой. Однако, есть существенные отличия, о которых нельзя не сказать. Итак, это структура, включающая несколько трансформаторов тока, как правило, используется в целях безопасности цепи от межфазного замыкания (важное замечание — электрическая цепь имеет нейтральную заземленность).

Схема №2

Данная система начнет работать в случае прохождения тока через реле (опять же ka 1-ka 3) и наличия не самых мощных элементов (потребителя и источника).

Схема 3

Пришло время поговорить и о схеме под номером три, не имеющей серьезных отличий от предыдущих. Она представляет из себя некое соединение в форме треугольника, где нормальный режим работы осуществляется путем проникновения тока в реле.

Схема №3

Как правило, эта структура применяется в электрических установках для проведения релейных ( релейных — означает дифференциальных, которые отличаются своей селективностью и быстротой действия).

Схема 4

И, наконец, последний — четвертый вид схемы.

Схема №4

Данная структура считается достаточно практичной и универсальной. Это связано с тем, что процесс подключения трансформатора тока в таком виде не только позволяет защитить электрическую цепь от однофазных/межфазных замыканий, но и способна повысить величину тока в необходимых реле.

Отключение также происходит путем заземления.

Основная схема подключения измерительного трансформатора тока

Плавно мы подошли к основной схеме подключения измерительного трансформатора тока.

На рисунках 1 и 2 трансформатор имеет обозначение “TA” с индексами и представлен в схемах с двухфазными и трехфазными обмотками. Стоит уточнить, что имея формы полной звезды и неполной, трансформаторы включены в изолированную, а самое главное нейтральную сеть.

Кроме того, добавим, что структура подключения этого “TA” применяется для защиты от замыканий цепи, а также регулирования баланса между фазами.

Принцип работы трансформатора тока

Принцип работы трансформатора тока основан на принципах электромагнитной индукции, которая действует в электрическом/магнитном поле. Более подробная информация представлена на рисунке:

Он преобразовывает начальное значение векторного тока, проходящего в электрической цепи, во вторичную величину (при этом важно учесть фактор пропорционального равенства между модулем и углом передачи тока).

Первичная обмотка устройства, имеющая некое число витков (W1), пропускает через себя ток (I1). Ток, в свою очередь, преодолевает некоторое сопротивление (Z1).

Рядом с данной катушкой происходит процесс образования магнитного потока (Ф1), регулируемый при помощи перпендикулярно-расположенных магнитных проводов (важное замечание — именно такое расположение может обеспечить минимальную потерю во время преобразования электроэнергии).

После пересечения перпендикулярных витков (W2) обмотки, (Ф1) — магнитный поток формирует силу электрического движения (Е2). Эта сила вызывает возникновение тока (I2) на обмотке (вторичной). А вот I2, который подключен к нагрузке выхода (Zн), преодолевает Z2 — сопротивление, и способствует образование меньшего напряжения на концах электроцепи.

Значение K 1 — коэффициент трансформации — определяется выражением: I1 / I2 (отношение первого вектора ко второму). Величина этого отношения вычисляется в начальных построениях проектирования устройства.

Различия между истинными показателями модели и расчетным результатом объясняется важным аспектом метрологии, которым является вид класса точности устройства.

Таким образом, коэффициент трансформации оказывает прямое влияние на длительность использования трансформатора тока. Не забудем о магнитном потоке (Ф2), который способствует уменьшению величины I2 в магнитном проводе вторичной обмотки.

Во время эксплуатации трансформатора тока нельзя забывать про возникновение нежелательных проблем, одной из которых является пораженческая способность пробоя изоляции (из-за высокого потенциала).

Так как магнитный провод трансформатора тока имеет металлический компонент в строении, у него есть отличные свойства проводимости, которые помогают ему соединить между собой первичную и вторичную обмотки.

Несмотря на то, что обмотки изолированы, у того, кто эксплуатирует трансформатор, все равно присутствует риск получения повреждений и травм от этого электрического прибора.

Для того, чтобы риски минимизировать, необходимо использовать заземление какого-либо вывода устройства (для предотвращения короткого замыкания из-за высокого потенциала). Кроме того, нужно сказать и про возможный разрыв на вторичной обмотке цепи из-за перенапряжения устройства.

Говоря о принципах работы трансформатора тока, скажем и о том, что к его главному предназначению следует отнести решение эксплуатационных задач электротехнических систем, ведь наша промышленность готовит огромный ассортимент выпуска электрических установок, которые не всегда обладают 100-процентным коэффициентом полезности.

А трансформатор способен этот КПД увеличить благодаря усовершенствованию схем и конструкций.

Идеальный трансформатор тока: уравнение

Идеальный трансформатор тока представляет из себя электромагнитное устройство, которое способно не допускать потерю энергию во время увеличения напряжения и во время рассеивания обмотков.

Итак, уравнение для такого трансформатора будет выглядеть следующим образом:

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:

По способу установки

Продолжим видами трансформаторов, которые классифицируются по способу установки:

По типу витков

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

По назначению

Заканчиваем видами трансформаторов, которые классифицируются по различным назначениям:

Достоинства трансформатора тока

Трансформаторы тока имеют огромное количество достоинств, о которых следует рассказать. Вот главные:

Применение трансформатора тока

Главной особенностью трансформатора является его способность преобразовать ток из одной величины в другую. Этим и можно объяснить его широкое применение в современном обществе.

Также данное устройство применяют в электрических источниках питания.

Кроме того, “ТТ” способен обеспечит некий контакт с землей и благодаря эффекту заземления обезопасить окружающих от переизбытка тока.

Если говорить о быте, то трансформатор тока используется в радиоэлектронике, в сварочных аппаратах и другой электротехнике.

Где приобрести трансформатор тока?

Как вы уже поняли из ранее прочитанного материала — трансформатор тока является очень востребованным прибором. Его широкое применение, прежде всего, объясняется качественными характеристиками, которые позволяют устройству выполнять различные электротехнические “задачи”.

Итак, трансформатор тока может понадобиться любому из нас. На случай, если это коснется и вас, то посоветую вам приобрести данный электромагнитный прибор (или его аналог) на Aliexpress (жми). Там, как всегда, хороший и богатый выбор, а также выгодные цены на товары.

А вот вашему вниманию старое, но познавательное видео:

Источник

Принцип действия ТТ и их назначение

В сегодняшнем материале, я решил начать рассматривать вопросы, касающиеся основ теории трансформаторов тока. Сами эти аппараты распространены повсеместно в электроустановках, и я думаю, всем будет интересно и полезно обновить в памяти принцип их работы.

Назначение трансформаторов тока: преобразование тока и разделение цепей

Начнем с ответа на вопрос – для чего нужен трансформатор тока? Здесь существует несколько основных вопросов, которые решает установка трансформаторов тока.

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 Ф_нам). Этот поток составляет несколько процентов от потока Ф₁. Именно поток Ф_нам и является тем звеном, что производит передачу и трансформацию тока. Его называют потоком намагничивания.

Коэффициент трансформации идеального ТТ

Коэффициент трансформации реального ТТ

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

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

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.

Режимы работы трансформаторов тока

У ТТ существуют два основных режима работы – установившийся и переходный.

В установившемся режиме работы токи в первичной и вторичной обмотке не содержат свободных апериодических и периодических составляющих. В переходном режиме по первичной и вторичной обмотке проходят свободные затухающие составляющие токов.

Если ТТ выбран правильно, то в обоих режимах работы погрешности не должны превышать допустимых в этих режимах, а токи в обмотках не должны превышать допустимые по термической и динамической стойкости.

ТТ для измерений предусмотрены для работы в установившемся режиме, при условии не превышения допустимых погрешностей. Работа ТТ для защиты начинается с момента возникновения тока перегрузки или тока КЗ, в этих режимах должны обеспечиваться требования определенных типов защит.

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения и силового трансформатора

Существуют отличия в работе ТТ и ТН.

Источник

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

По типу установки

По конструкциям первичных обмоток

По способу монтажа

По типу изоляции

По количеству ступеней трансформации

По номиналу рабочего напряжения

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:

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:

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:

Выявить отклонения на ранних стадиях помогут:

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:

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.

Источник