Измерительные трансформаторы тока: особенности конструкции

Особенности применения и выбора измерительных трансформаторов тока

Измерительный трансформатор тока — это специальный прибор узкого направления, который предназначен для измерения переменного тока и его контроля. Чаще всего применяется в системах релейной защиты (автоматики) и измерительных приборов.

Его использование необходимо тогда, когда непосредственное присоединение прибора для измерения, к электрической сети с переменным напряжением невозможно или небезопасно для персонала обслуживающего его. А также для организации гальванической развязки первичных силовых цепей от измерительных.

Расчёт и выбор измерительного трансформатора тока выполняется таким образом, чтобы изменения формы сигнала были сведены к нулю, а влияние на силовую контролируемую цепь было минимальным.

Назначение измерительных трансформаторов

Главная функция этого измерительного прибора — это отображение изменений тока, максимально пропорционально.

Трансформаторы тока гарантируют полную безопасность измерений, отделяя измерительные цепи от первичных с опасным высоким напряжением, которое чаще всего составляют тысячи вольт.

Требования, предъявляемые к их классу точности очень велики, так как от этого зависит работа дорогостоящего мощного оборудования.

Принцип действия и конструкция

Трансформаторы измерительные выпускают с двумя и больше группами вторичных обмоток. Первая применяется для включения устройств релейной защиты и сигнализации. А другая, с большим классом точности, для подключения устройств точного измерения и учёта.

Они помещены на специально изготовленный ферромагнитный сердечник, который набран из листов специальной электротехнической стали довольно тонкой толщины.

Первичную обмотку непосредственно включают последовательно в измеряемую сеть, а ко вторичной обмотке подключают катушки различных измерительных приборов, чаще всего амперметров и счетчиков электроэнергии.

В трансформаторах тока, как и в большем количестве других таких электромагнитных устройств, величина первичного тока больше, чем вторичного. Первичная обмотка исполняется из провода разного сечения или же шины, в зависимости от номинального значения тока.

В трансформаторах тока 500 А и выше, первичная обмотка чаще всего выполнена из 1-го единственного витка. Он может быть в виде прямой шины из меди или алюминия, которая проходит через специальное окно сердечника.

Корректность измерений любого измерительного трансформатора характеризуется погрешностью значения коэффициента трансформации. Для того чтобы не перепутать концы, на них обязательно наносится маркировка.

Аварийная небезопасная работа, связана с обрывом вторичной цепи ТТ при включенной в цепь первичной, это приводит к очень сильному намагничиванию сердечника и даже при обрывe вторичной обмотки. Поэтому при включении без нагрузки вторичные обмотки соединяются накоротко.

По классу точности все измерительные ТТ разделены на несколько уровней. Особенно точные, называются лабораторные и имеют классы точности не больше 0,01–0,05;

Схемы соединений

Схемы соединений, представленные ниже, дают возможность персоналу контролировать токи в каждой из фаз.

В целях безопасности персонала, низковольтного измерительного оборудования и приборов один вывод вторичной обмотки, а также корпус заземляют.

Классификация и выбор

По конструкции и исполнению трансформаторы тока используемые в измерительных цепях делятся на:

• Встроенные. Первичная обмотка у них служит элементом для другого устройства. Они устанавливаются на вводах и имеют только вторичную обмотку. Функцию первичной обмотки выполняет другой токоведущий элемент линейного ввода. Конструктивно это магнитопровод кольцевого типа, а его обмотки имеют отпайки, соответствующие разным коэффициентам трансформации;
• Опорные. Предназначенные для монтажа и установки на опорной ровной плоскости;
• Проходной. По своей структуре это тот же встроенный, только вот находиться он может снаружи другого электрического устройства;
• Шинный. Первичной обмоткой служит одна или несколько шин включенных в одну фазу. Их изоляция рассчитывается с запасом, что бы он мог выдержать даже многократное увеличение напряжения;
• Втулочный. Это одновременно и проходной, и шинный трансформатор тока;
• Разъемный. Его магнитопровод состоит из разборных элементов;
• Переносной. Это устройство электрики называют токоизмерительные клещи. Они являются переносным и удобным измерительным трансформатором тока, у которого магнитная система размыкается и замыкается уже вокруг того провода в котором и нужно измерять значение тока.

При выборе трансформатора тока стоит знать главное, что при протекании по первичной обмотке номинального тока в его вторичной обмотке, которая замкнута на измерительный прибор, будет обязательно 5 А.

То есть если нужно проводить измерение токовых цепей где его расчётная рабочая величина будет примерно равна 200 А. Значит, при установке измерительного трансформатора 200/5, прибор будет постоянно показывать верхние приделы измерения, это неудобно.

Нужно чтобы рабочие пределы были примерно в середине шкалы, поэтому в этом конкретном случае нужно выбирать трансформатор тока 400/5.

Это значит что при 200 А номинального тока оборудования на вторичной обмотке будет 2,5 А и прибор будет показывать эту величину с запасом в сторону увеличения или уменьшения. То есть и при изменениях в контролируемой цепи будет видно насколько данное электрооборудование вышло из нормального режима работы.

Вот основные величины, на которые стоит обратить внимание при выборе измерительных трансформаторов тока:

Техническое обслуживание

Эксплуатация измерительных трансформаторов не является очень сложным и трудоёмким процессом. Действия персонала заключаются, в основном, в надзоре за исправностью его вторичных цепей, наличием защитных заземлений и показаниями приборов контроля, а также счётчиков.

Осмотр чаще всего производится визуальный, из-за опасности поражения человека высоким напряжением, вход за ограждения, где установлены трансформаторы строго запрещён. Однако, это касается в большей степени систем с напряжением выше 1000 Вольт.

Для низковольтных цепей визуальный осмотр на наличие нагрева соединений, а также коррозии контактных зажимов является неотъемлемой работой электротехнического персонала. Самый часто применяемый прибор для измерения тока в цепях 0,4 кВ это токоизмерительные клещи.

Так как при расчёте и разработке пусковой аппаратуры очень редко используются стационарные трансформаторы для измерения.

В любом случае нужно обращать внимание и принимать меры к устранению обнаруженных дефектов таких как:

Проводя обслуживание измерительных трансформаторов, на щитах где установлены приборы, нужно смотреть не только за показаниями приборов, а ещё и за контактными соединениями проводов, которые подключаются к ним. Кстати, их сечение не должно быть меньше 2,5 мм² для медных проводов, и 4 мм² для алюминиевых.

Проверка измерительных трансформаторов

Испытание измерительных трансформаторов сводится к измерению сопротивления изоляции и коэффициента трансформации, который определяется по следующей схеме.

При этом в первичную обмотку от специального нагрузочного трансформатора или автотрансформатора подаётся ток не меньше 20% от номинального.

Как известно, коэффициент трансформации будет равен соотношению тока в первичной обмотке к току во вторичной. После чего это значение сравнивается с номиналом.

Если трансформатор имеет несколько вторичных обмоток, то необходимо проверит каждую. И также нельзя забывать о наличии правильной маркировки.

Выбор нужно трансформатора тока, а также их испытательные характеристики определяют в лабораторных условиях специальный высококвалифицированный электротехнический персонал, где и выдаётся соответствующий документ по его результатам.

Измерительные трансформаторы тока: особенности конструкции

Главная » Освещение » Трансформаторы » Измерительные трансформаторы тока: особенности конструкции

На сегодняшний день правительство проводит и придерживается политики энергосбережения. Теперь каждый пользователь обязательно должен вести учет всей потребляемой энергии.

Существующие приборы учета электричества просто не могут работать с высоким напряжением. Поэтому здесь вам на помощь придут устройства, которые могут преобразовывать электричество с высокого напряжения в низкое.

Эти устройства называются измерительные трансформаторы.

Измерительные трансформаторы тока

Измерительные трансформаторы тока способны изолировать цепь электрических приборов от высокого напряжения к низкому. Их конструкция значительно упрощается, так как они могут работать с меньшим напряжением и током.

Измерительные трансформаторы также способны преобразовывать большое напряжение в ток незначительной величины. Благодаря этому у пользователей появляется возможность применять стандартные измерительные приборы для замера тока.

Виды измерительных трансформаторов

По своей конструкции измерительные трансформаторы могут быть нескольких видов. К основным видам относят:

• Встроенный – это устройство, у которого вместо первичной обмотки имеется ввод электричества.
• Опорный – это прибор, который устанавливается на опоре.
• Проходной – это трансформатор, который используется в качестве входа.
• Шинный – это прибор, которому первичной обмоткой служит одна или несколько шин.
• Разъемный – устройство, цепь которого будет размыкаться, и замыкаться вокруг проводника.
• Трансформатор Тесла.

Измерительный трансформатор напряжения может иметь следующие основные показатели:

• Показатель коэффициента трансформации.
• Диапазон рабочей частоты.
• Класс точности измерения трансформаторов.
• Максимальный первичный ток.
• Значения погрешности.

Отличия измерительных трансформаторов от других приборов

Измерительные трансформаторы значительно отличаются от других приборов. Принцип работы трансформатора измерительного может немного отличаться от других устройств.

Основное отличие заключается в том, что он включается первичной обмоткой в измеряемую цепь. Вторичная обмотка полностью будет пропорциональна первичному току, который будет измеряться.

Обычно вторичную обмотку в этих приорах рассчитывают под ток в 5 А. К ней могут подключаться:

Также достаточно часто измерительные трансформаторы используются в качестве релейной защиты. Релейная защита предназначается для защиты электрических систем от короткого замыкания. Информация о повышении напряжения поступает от измерительного трансформатора и реле.

Во вторичную обмотку измерительных трансформаторов достаточно легко можно подключить несколько разных приборов. Их ограничение будет зависеть от величины общего сопротивления. Это число не должно превышать 2 Ома. Если это число будет выше, тогда значительно может снизиться точность измерения.

Даже незначительное увеличение сопротивления может привести к изменению класса точности. При размыкании вторичной цепи у вас также возрастет ЭДС на конце обмотки. Если ЭДС возрастет, тогда может произойти пробой изоляции. При размыкании электрической сети ток будет равным нулю.

В первичной обмотке он меняться не будет, а во вторичной обмотке это может привести к увеличению ЭДС.

Как правило, в трехфазных сетях измерительные трансформаторы можно устанавливать как в двух, так и в трех фазах. Если вы его установите в двух фазах, тогда вторичная обмотка будет соединена в виде «неполной звезды».

Если напряжение сети будет составлять выше 35 кВт, тогда измерительные трансформаторы тока будут установлены во всех трех фазах.

Если трансформаторы использовать для дифференциальной защиты, тогда вторичную обмотку необходимо соединить в виде «треугольника».

Также читайте: силовой трансформатор.

Назначение измерительных трансформаторов тока

При использовании различных энергетических систем возникает необходимость в преобразовании определенных величин в аналоги с пропорционально измененными значениями.

Такая операция позволяет воссоздавать процессы в электронных устройствах, гарантируя безопасные учет их потребления. Для этого используется специальное оборудование — трансформатор тока наружной установки.

Когда нужны трансформаторы тока?

Измерительные трансформаторы тока предназначены для замера характеристик, ограниченных номинальным напряжением. Последняя величина варьируется от 0.66 до 750 кВ. ТТ широко используются для различных целей:

На практике встречаются различные модели измерительных трансформаторов и в компактных электроприборах с малым корпусом, и в полноценных энергетических установках с огромными габаритами.

Классификация и расчет

Расчет и выбор трансформаторов тока следует начинать с изучения классификации представленных на рынке устройств. Все ТТ в первую очередь подразделяются на две категории в зависимости от целевого назначения:

Эти же категории, в свою очередь, классифицируются на виды в зависимости от типа подключения:

• предназначенные для работы на открытом воздухе;
• функционирующие в закрытом помещении;
• используемые в качестве встроенных элементов электрооборудования;
• накладные, предназначенные для для проходного изолятора;
• переносные, дают возможность осуществлять расчет в любом месте;

Все трансформаторы тока могут иметь различный коэффициент трансформации, который получают при изменений количества витков первичной или вторичной обмотки. Также эти устройства различаются по количеству ступеней работы на одноступенчатые и каскадные.

Если рассматривать конструктивные особенности, то ТТ могут иметь различную по типу изоляцию:

• сухую, изготовленную из фарфора, бакелита или литой эпоксидной изоляции;
• бумажно-масляную;
• газонаполненную;
• залитую компаундом;

Также исходя из характеристик конструкции, выделяют катушечные, одновитковые и многовитковые ТТ с литой изоляцией.

Как выбрать трансформатор тока наружной установки для счетчика электроэнергии?

Расчет и выбор трансформаторов тока для счетчика следует начинать с анализа базовых параметров номинального тока:

• номинальное напряжение сети;
• параметр номинального тока первичной и вторичной обмотки;
• коэффициент трансформации;
• класс точности;
• особенности конструкции;

При выборе номинального напряжения устройства необходимо подбирать значение превышающие или идентичное максимальному рабочему напряжению. Если рассматривать вариант счетчика 0.4 кВ, то здесь потребуется измерительный трансформатор на 0.66 кВ.

Значение номинального тока вторичной обмотки для того же счетчика, как правило, составляет 5 А. А вот с параметром для первичной обмотки нужно быть осторожнее. От этого значения зависит практически все подключение. Номинальный ток первичной обмотки формуется относительно коэффициента трансформации.

Последний следует выбирать по нагрузке с учетом работы в аварийных ситуациях. Согласно официальным правилам устройства электроустановок, допустимо подключение и использование трансформаторных устройств с завышенным коэффициентом трансформации.

Класс точности следует выбирать в зависимости от целевого назначения счетчика электричества. Коммерческий учет требует высокий класса точности — 0.5S, а технический учет потребления допускает параметр точности в 1S.

Говоря о конструкции ТТ, нужно учесть, что для счетчика с напряжением до 18 кВ используются однофазные или трехфазные ТТ. Для более высоких значений подойдут только однофазные конфигурации.

Как осуществляется подключение измерительного ТТ тока для счетчика?

Обозначение на схеме

Специалисты не рекомендуют осуществлять подключение счетчика с помощью трехфазного ТТ. Это обусловлено его несимметричной магнитной системой и увеличенной погрешностью. В этом случае оптимальным вариантом будет группа из 2 однофазных приборов, соединенных в неполный треугольник.

Подробнее изучить классификацию, базовые параметры и технические требования на подключение и расчет ТТ для счетчика электроэнергии можно в ГОСТ 7746-2001.

Измерительные трансформаторы тока (стр. 2 из 3)

2.3 Проходные стержневые трансформаторы тока

В стержневых трансформаторах тока первичная обмотка проходит через окно сердечника только один раз. Следовательно расчётное количество ампер-витков здесь всегда численно равно номинальному току и увеличено быть не может.

Этим обуславливается специфическая особенность стержневых трансформаторов тока: чем больше ток – тем больше точность аппарата, а чем меньше ток – тем меньше его точность.

При заданной точности указанная особенность отражается на конструкции аппарата следующим образом: чем больше ток – тем меньше сечение сердечника, а чем меньше ток – тем больше его сечение.

Так как диаметральные размеры сердечника обычно постоянны для данной серии аппаратов, то из изложенного вытекает дальнейшее конструктивное условие: при больших номинальных первичных токах осевая длина сердечника мала; при малых номинальных первичных токах, а также с ростом вторичной нагрузки и повышением класса точности осевая длина сердечника увеличивается.

Стержневые трансформаторы тока могут быть изготовлены как с прямоугольными, так и с круглыми сердечниками, но в большинстве случаев наиболее целесообразным является круглый сердечник (в принципе обладающий наименьшей длиной магнитного пути).

2.4 Шинные трансформаторы тока

Шинными называют такие трансформаторы тока, в конструкцию которых входят сердечники с вторичными обмотками и главная изоляция соответственно данному номинальному напряжению, а первичная обмотка как конструктивный элемент отсутствует. В главной изоляции трансформатора предусматривается окно, через которое пропускают шину распределительного устройства; она-то и выполняет функции первичной обмотки.

Таким образом, шинные трансформаторы тока являются в принципе стержневыми, со всеми вытекающими из этого последствиями.

Лишь при низких напряжениях иногда через окно сердечника пропускают несколько витков проводника, выполняющих функции первичной обмотки, что даёт уже многовитковую конструкцию трансформатора (кстати, такой способ делает возможным получение нескольких коэффициентов трансформации на одном аппарате).

Однако такую систему нужно считать исключением из общего правила. Естественно, при многовитковой конструкции в качестве первичной обмотки используется не шина, а изолированный гибкий проводник.

При высоких номинальных токах схема шинного трансформатора тока оказывается особенно целесообразной, так как отпадает необходимость соединять шины распределительного устройства с первичной обмоткой трансформатора тока.

Таким образом, шинные трансформаторы тока принципиально являются аппаратами больших номинальных токов – от 2000, А и выше. Впрочем, простота и удобство конструкции иногда побуждают применять шинные трансформаторы тока и при более низких номинальных токах.

3. ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА ДЛЯ НАРУЖНОЙ УСТАНОВКИ

Переход ко всё более высоким напряжениям и потребность в аппаратах для наружной установки обусловили при конструировании трансформаторов тока повторение того пути, который был уже пройден конструкциями силовых трансформаторов: катушечный трансформатор тока погружался в бак с маслом или заливался в баке компаундом. Это повышало его электрическую прочность, обеспечивало влагостойкость и открывало возможность установки его на открытых подстанциях. Появился тип баковых, или горшковых, трансформаторов тока.

Несмотря на погружение в масло, при переходе к более высоким напряжениям пришлось существенно увеличивать размеры окна сердечника и усиливать изоляцию между обмотками. Это привело к тому, что для баковых трансформаторов тока стали характерны весьма большие размеры и вес.

От заполнения баков компаундной массой отказались ввиду плохого теплоотвода, опасности появления в компаунде трещин и возможности взрывов.

Баковые трансформаторы тока с масляным заполнением для внутренних установок в настоящее время вышли из употребления, но они ещё применяются для наружной установки.

Трансформаторы тока с простой двухступенчатой бумажно-масляной изоляцией звеньевого или цепного типа были ещё в двадцатых годах освоены фирмой “SIEMENS”.

В СССР они были разработаны и внедрены в производства в начале 30-х годов. Несмотря на некоторые недостатки, о которых будет сказано ниже, эти трансформаторы тока до сих пор не устарели.

Во многих энергосистемах они успешно эксплуатируются уже более 20 лет.

Рис. 3.1. Трансформаторы тока ТФНД-110М и ТФНД-220-1.

В звеньевых трансформаторах тока первичная обмотка сцепляется с кольцевым сердечником как два звена цепи; все вместе несколько напоминает цифру восемь, почему этот тип часто называют восьмёрочным.

В данной конструкции приходится делать большое окно в первичной обмотке, чтобы иметь возможность пропускать через него руки и рулончик бумаги при наложении изоляции. Петля первичной обмотки при этом должна всё время перемещаться и поворачиваться в окне сердечника.

4. ВСТРОЕННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА

Трансформаторы тока используются не только как самостоятельные, отдельно стоящие аппараты, но и как элементы других аппаратов или устройств.

Можно указать следующие их применения: трансформаторы тока, встроенные в КРУ внутренней или наружной установки; трансформаторы тока, смонтированные внутри бака масляного выключателя; трансформаторы тока, встроенные в воздушные или маломасляные выключатели наружной установки в виде опорной конструкции; трансформаторы тока, надеваемые на проходные изоляторы масляных выключателей, силовых трансформаторов, так называемые втулочные трансформаторы тока; трансформаторы тока, встраиваемые в концевые кабельные муфты однофазных кабелей – так называемые кабельные трансформаторы тока.

Втулочные трансформаторы тока представляют собой кольцевые сердечники с вторичными обмотками, надеваемые на заземлённые части проходных изоляторов масляных выключателей, силовых трансформаторов и т.д. В ряде случаев для размещения таких вторичных систем используются вводы, проходящие сквозь стены или перекрытия, проходные изоляторы КРУ, линейные вводы.

Отличительной особенностью втулочного трансформатора тока является то, что он состоит лишь из сердечника с вторичной обмоткой. Роль первичной обмотки с главной изоляцией выполняет проходной изолятор с его токоведущим стержнем какого-либо аппарата или распределительного устройства.

Кабельные трансформаторы тока встраиваются в концевые кабельные муфты либо надеваются на изолированный однофазный кабель в виде устройства, закрытого в отдельном металлическом кожухе. Сердечник такого трансформатора тока может быть разъёмным или неразъёмным.

Кабельные трансформаторы тока являются одновитковыми, чем и обусловливаются их характерные конструктивные особенности – увеличенная

высота сердечника или пониженная точность при малых первичных номинальных токах.

Установка на кабеле вносит также специфические особенности в работу и конструкцию таких трансформаторов.

Рис. 4.1. Трансформатор тока ТЗЛМ.

Рис. 4.2. Трансформатор тока ТЗ.

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ И ПЕРЕНОСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА

Для точных лабораторных измерений выпускаются специальные трансформаторы тока. Они выполняются переносными. Лабораторные трансформаторы тока имеют классы точности 0,05; 0,1; 0,2 при частоте 50, Гц. В случае частот 10, 25, 400, Гц и выше допускается класс точности 0,5.

Коэффициент трансформации лабораторных трансформаторов тока можно изменять. При всех номинальных токах эти трансформаторы должны иметь один класс точности и одну и ту же номинальную нагрузку.

Только для одного из значений I1Н допускается соседний класс точности или другая номинальная нагрузка.

Кроме лабораторных, выпускаются переносные трансформаторы тока с более низким классом точности. Они используются для контрольных измерений и испытаний. Переносные трансформаторы тока изготавливаются в виде клещей и позволяют выполнять измерения без разрыва проводника. Для удобства измерений амперметр часто укрепляется на корпусе трансформатора тока.

6. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА

Трансформаторы тока выбираются по номинальному току и напряжению, нагрузке первичной и вторичной обмоток, классу точности и допустимой погрешности.

Они проверяются на термическую и динамическую устойчивость к токам КЗ, а также на 10%-ную погрешность, если их использовать в цепях защиты.

Электродинамическая устойчивость выполняется, если кратность электродинамической устойчивости или ударный ток:

,,

где КДИН – кратность электродинамической устойчивости;

iУ – ударный ток;

IНОМ1 – номинальный первичный ток трансформатора.

Трансформаторы тока удовлетворяют условиям термической устойчивости, когда кратность термической устойчивости.

,

где Кt – кратность термической устойчивости;

I¥ – действующее значение установившегося тока КЗ;

tПР – приведённое время действия тока КЗ.

Для вторичной обмотки должно выполняться неравенство