Измерительные трансформаторы тока

ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА
Трансформатор принадлежит к классу статических электромагнитных аппаратов, который преобразует ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Измерительные трансформаторы признаны одними из самых надежных элементов в системе энергообеспечения.
Помимо определения показателей нагрузки и напряжения служат для присоединения аппаратуры автоматического регулирования и защитных устройств. С помощью измерительных трансформаторов:
снижают габариты и вес приборов измерения;
повышают уровень безопасного обслуживания оборудования;
предупреждают последствия от ошибочных действий электротехнического персонала;
расширяют пределы измерения переменного тока.

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА
Трансформаторы тока преобразуют первичный ток во вторичный ток меньшей величины в процессе гальванического разделения цепи. Они служат для включения амперметров и токовых катушек приборов измерения, отличающихся очень малым сопротивлением.
Трансформаторы тока постоянно работают в режиме короткого замыкания. Вторичная цепь защищается от сильных токов за счет эффекта насыщения стального сердечника.
Применяются ТТ там, где затруднительно произвести замеры токовых величин напрямую.
С использованием измерительных трансформаторов выполняют учет потребления электроэнергии.

Трансформатор тока имеет замкнутый магнитопровод 2 (рисунок 1) и две обмотки — первичную 1 и вторичную 3. Первичная обмотка включается последовательно в цепь измеряемого тока I1, ко вторичной обмотке присоединяются измерительные приборы, обтекаемые током I2.
Рисунок 1 - трансформатор тока
Трансформатор тока характеризуется номинальным коэффициентом трансформации
где I1ном и I2ном - номинальные значения первичного и вторичного тока соответственно.
Значения номинального вторичного тока приняты равными 5 и 1 А.

Коэффициент трансформации трансформаторов тока не является строго постоянной величиной и может отличаться от номинального значения вследствие погрешности, обусловленной наличием тока намагничивания. Токовая погрешность определяется по выражению
Погрешность трансформатора тока зависит от его конструктивных особенностей: сечения магнитопровода, магнитной проницаемости материала магнитопровода, средней длины магнитного пути, значения I1W1. В зависимости от предъявляемых требований выпускаются трансформаторы тока с классами точности 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Указанные цифры представляют собой токовую погрешность в процентах номинального тока при нагрузке первичной обмотки током 100— 120% для первых трех классов и 50— 120% для двух последних. Для трансформаторов тока классов точности 0,2; 0,5 и 1 нормируется также угловая погрешность.

Погрешность трансформатора тока зависит от вторичной нагрузки (сопротивление приборов, проводов, контактов) и от кратности первичного тока по отношению к номинальному. Увеличение нагрузки и кратности тока приводит к увеличению погрешности.
При первичных токах, значительно меньших номинального, погрешность трансформатора тока также возрастает.
Трансформаторы тока класса 0,2 применяются для присоединения точных лабораторных приборов, класса 0,5 — для присоединения счетчиков денежного расчета, класса 1 — для всех технических измерительных приборов, классов 3 и 10 — для релейной защиты.

Токовые цепи измерительных приборов и реле имеют малое сопротивление, поэтому трансформатор тока нормально работает в режиме, близком к режиму КЗ. Если разомкнуть вторичную обмотку, магнитный поток в магнитопроводе резко возрастет, так как он будет определяться только МДС первичной обмотки. В этом режиме магнитопровод может нагреться до недопустимой температуры, а на вторичной разомкнутой обмотке появится высокое напряжение, достигающее в некоторых случаях десятков киловольт.
Из-за указанных явлений не разрешается размыкать вторичную обмотку трансформатора тока при протекании тока в первичной обмотке. При необходимости замены измерительного прибора или реле предварительно замыкается накоротко вторичная обмотка трансформатора тока (или шунтируется обмотка реле, прибора).

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА
При осуществлении защиты применяются различные схемы соединения трансформаторов тока и обмоток реле в первую очередь схема полной звезды, схема неполной звезды и схема включения реле на разность токов двух фаз (рисунок 2).
Рисунок 2 - Схемы соединения трансформаторов тока и реле: а – полная звезда; б – неполная звезда; в – включение одного реле на разность токов двух фаз.

В сельских электрических сетях в настоящее время наиболее часто используют схему неполной звезды. В дифференциальных защитах силовых трансформаторов и блоков генератор — трансформатор, а также в других защитах применяется схема включения трансформаторов тока в треугольник, реле в звезду.
Выбор той или иной схемы соединения определяется целым рядом факторов: назначением защиты, видами повреждений, на которые защита должна реагировать, условиями чувствительности, требованиями простоты выполнения и эксплуатации и т. д.

ОБОЗНАЧЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА
Отечественные трансформаторы тока имеют следующее обозначения:
первая буква в обозначении «Т» — трансформатор тока
вторая буква — разновидность конструкции: «П» — проходной, «О» — опорный, «Ш» — шинный, «Ф» — в фарфоровой покрышке
третья буква — материал изоляции: «М» — масляная, «Л» — литая изоляция
Далее через тире пишется класс изоляции трансформатора тока, климатическое исполнение и категория установки. Например ТПЛ - 10УХЛ4 100/5А: «трансформатор тока проходной с литой изоляцией с классом изоляции 10 кВ, для умеренного и холодного климата, категории 4 с коэффициентом трансформации 100/5» (читается как «сто на пять»).

В зависимости от категории установки могут применяться особые обозначения. Для трансформатора тока и напряжения они могут не совпадать. Вторая разновидность техники применяется при работе защитных механизмов или для измерения тока. Первая категория приборов предназначается для изменения значения переменного тока.

Конструкции трансформаторов тока.
По типу первичной обмотки различают катушечные (на напряжение до 3 кВ включительно), одновитковые и многовитковые трансформаторы.
На рисунке 2а схематично показано выполнение магнитопроводов и обмоток, а на рисунке 2б — внешний вид трансформатора тока ТПОЛ-20 (проходной, одновитковый, с литой изоляцией на 20 кВ). В этих трансформаторах токоведущий стержень, проходящий через «окна» двух магнитопроводов, является одним витком первичной обмотки. Одновитковые трансформаторы тока изготовляются на первичные токи 600 А и более; при меньших токах МДС первичной обмотки I1W1 окажется недостаточной для работы с необходимым классом точности.
К самостоятельному изучению
Трансформатор тока элегазовый с фарфоровой изоляцией ТОГФ-110 (УХЛ1)

Трансформатор ТПОЛ-20 имеет два магнитопровода, на каждый из которых намотана своя вторичная обмотка. Классы точности этих трансформаторов тока 0,5; 3 и Р. Магнитопроводы вместе с обмотками заливаются компаундом на основе эпоксидной смолы, который после затвердения образует монолитную массу. Такие трансформаторы тока имеют значительно меньшие размеры, чем трансформаторы с фарфоровой изоляцией, выпускавшиеся ранее, и обладают высокой электродинамической стойкостью.
Рисунок 2 -Трансформатор тока ТПОЛ-20:
а - принципиальное расположение магнитопроводов с обмотками; б - конструкция: 1 - вывод первичной обмотки, 2 - эпоксидная изоляция; 3 - выводы вторичной обмотки

Рассматриваемый трансформатор тока в распределительном устройстве выполняет одновременно роль проходного изолятора.
При токах, меньших 600 А, применяются многовитковые трансформаторы тока ТПЛ, у которых первичная обмотка 3 состоит из нескольких витков, количество которых определяется необходимой МДС (рисунок 3).
В комплектных распределительных устройствах применяются опорно-проходные трансформаторы тока ТЛМ-10, ТПЛК-10, конструктивно совмещенные с одним из штепсельных разъемов первичной цепи ячейки КРУ.
Рисунок 3 -Трансформатор тока ТПЛ-10 с двумя магнитопроводами:
1 - магнитопровод; 2 - вторичная обмотка; 3 - первичная обмотка; 4 - вывод первичной обмотки; 5 - литой эпоксидный корпус