Трансформатор тока

Трансформатор тока SF6 TGFM-110 на железнодорожной тяговой подстанции

Трансформа́тором то́ка (ТТ) называется электрический трансформатор, в котором выходным параметром является ток. Предназначен для поддержания точного соотношения между токами в его первичной и вторичной цепях в определённом диапазоне.

Трансформаторы тока по назначению разделяются на измерительные и трансформаторы тока для релейной защиты. В некоторых случаях эти функции совмещаются в одном устройстве.

Как правило, трансформаторы тока применяются для преобразования первичного тока большой величины в значение небольшого вторичного тока. Кроме этого, они используются и для измерений первичного тока небольшой величины в установках высокого напряжения, достигающего значений десятков и сотен киловольт, поскольку непосредственное измерение в цепи высокого напряжения может представлять опасность прикосновения к находящимся под напряжением токоведущим частям.

Конструкция

Вариант конструктивного исполнения трансформатора тока

Цифровой мультиметр с токоизмерительными клещами

В отличие от трансформаторов напряжения, ТТ часто оснащены только одним витком первичной обмотки. Этим витком может служить токопроводящая шина, проходящая сквозь кольцо сердечника с намотанными на него вторичными обмотками.

Катушка Роговского

На приведенной иллюстрации показано соотношение токов первичной (токоведущая шина) и вторичной обмоток, где $N$ — количество витков вторичной обмотки.

Сердечники трансформаторов тока выполняются способом шихтования кремнистой стали. В конструкциях высокого класса точности сердечники изготовляют из материалов на основе нанокристаллических сплавов (сплавов с очень малым размером зерна, до 50 нм).

Следует учитывать, что в связи с потерями в магнитопроводе при номинальном значении тока в первичной обмотке вторичный ток может оказаться несколько меньше номинального. Для улучшения характеристик и внесения положительного смещения в погрешность преобразования применяют витковую коррекцию вторичной обмотки. Это приводит к тому, что значения классического коэффициента трансформации как отношения чисел витков обмоток и коэффициента траснформации как отношения величин токов несколько различаются, однако это позволяет сделать измерение более точным.

Конструктивно трансформатор тока может быть выполнен с разъёмным сердечником, например, в виде «токоизмерительных клещей», представляющих собой разъёмный подпружиненный магнитопровод, выполненный из ферромагнитного шихтованного материала, на который надета многовитковая катушка, являющаяся вторичной обмоткой.

Отдельно в этом ряду стоит измерительный трансформатор без ферромагнитного сердечника (с воздушным сердечником), выполненный в виде длинного замкнутого соленоида, охватывающего провод с измеряемым током — катушка Роговского. Данный трансформатор предназначен для измерения токовых импульсов, в том числе пульсаций тока в присутствии постоянной составляющей. Поскольку создаваемое в катушке магнитное поле очень слабое, это устройство не может быть применено для обнаружения слабых токовых сигналов.

Виды трансформаторов тока по назначению

Выделяют следующие разновидности трансформаторов тока:

• Измерительные. Подобные устройства служат для передачи токов на специальные приборы измерения. Используются в случае, если прямое подключение измерительного устройства невозможно или небезопасно. Трансформаторы тока рассчитываются таким образом, чтобы минимально влиять на первичную цепь и минимизировать любые искажения силы тока.
• Промежуточные. Применяются в целях релейной защиты, обеспечивают изоляцию токов первичной и вторичной обмоток.
• Лабораторные. Отличаются повышенной точностью, предназначаются для моделирования определённой 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.

Кроме того, все трансформаторы тока (и измерительные, и защитные), можно классифицировать по следующим основным признакам:

• По роду установки:
  • для работы на открытом воздухе;
  • для работы в закрытых помещениях;
  • для встраивания в полости электрооборудования;
  • для специальных установок (в шахтах, на судах, электровозах и т. п.).

• По способу установки:
  • проходные трансформаторы тока, устанавливаемые в проемах стен, потолков или в металлических конструкциях;
  • опорные, предназначенные для установки на опорной плоскости.

• По числу коэффициентов трансформации:
  • с одним коэффициентом трансформации;
  • с несколькими коэффициентами трансформации, получаемыми изменением числа витков первичной или вторичной обмотки (или обеих обмоток), или применением нескольких вторичных обмоток с различным числом витков, соответствующим различному номинальному вторичному току.

• По выполнению первичной обмотки:
  • шинные;
  • одновитковые;
  • многовитковые.

Схемы включения трансформаторов тока

Схемы включения трансформаторов тока в системе релейной защиты.

Первичные катушки трансформаторов тока включаются в цепь последовательно. Вторичные катушки предназначены для подключения измерительных приборов или используются системами релейной защиты.

С целью обеспечения безопасности сердечник магнитопровода и один из зажимов вторичной обмотки должны заземляться. В случае установки ТТ в 3-фазной сети вторичные обмотки ТТ соединяются по схеме «Звезда» (рис.1), в случае двух фаз — «Неполная звезда» (рис.2).

Для предотвращения возникновения режима холостого хода, увеличения надёжности и срока службы устройства вторичную обмотку измерительного трансформатора тока шунтируют резистором с большим электрическим сопротивлением, практически не влияющим на результат измерения, поскольку сопротивление измерительного прибора (амперметра) несоизмеримо меньше.

Параметры трансформаторов тока

Основными параметрами трансформаторов тока являются коэффициент трансформации и класс точности.

Коэффициент трансформации

Коэффициент трансформации определяется как отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному и записывается в виде дроби, например 75/5 (при протекании в первичной обмотке тока 75 А  и 5 А во вторичной обмотке, замкнутой на измерительные элементы).

Иногда трансформаторы тока могут иметь переменный коэффициент трансформации, выбираемый пересоединением первичных обмоток из параллельного в последовательное соединение, либо обеспечиваемый наличием отводов на первичной или вторичной обмотках. Возможно изменение количества витков первичного провода, пропускаемого в окно трансформаторов тока, если ТТ не имеет собственной первичной обмотки.

Класс точности

Для определения класса точности трансформатора тока вводится понятие погрешности, которая зависит от таких параметров, как геометрические размеры и форма магнитопровода, количество витков и сечение провода обмоток.

Класс точности определяется двумя погрешностями – токовой, измеряемой в процентах, и угловой, измеряемой в угловых минутах.

• токовая погрешность – это погрешность, которую вносит трансформатор при измерении тока, возникающая вследствие того, что действительный коэффициент трансформации не равен номинальному. Номинальная токовая погрешность представляет собой разность вторичных токов – действительного и номинального, отнесенную к номинальному вторичному току и выраженную в процентах.
• Угловая погрешность – это угол между вектором первичного тока и повернутым на 180° вектором вторичного тока. Угловая погрешность считается положительной, когда вектор вторичного тока, повернутый на 180°, опережает вектор первичного тока.

Для промышленных трансформаторов тока устанавливаются следующие классы точности: 0,1; 0,5; 1; 3, 10Р. Согласно международному стандарту МЭК (IEС 60044-01) трансформаторы тока должны находится в заданном классе точности при протекании по первичной обмотке тока 0,2—200 % номинального, что обычно достигается изготовлением сердечника из нанокристаллических сплавов.

Литература

В. В. Афанасьев, Н. М. Адоньев, В. М. Кибель и другие. Трансформаторы тока / Редактор Ю. В. Цолгополова. — 2-е изд. — Ленинград: Атомиздат, 1989. — 416 с. — ISBN 5-283-04444-0.