Принципи роботи трансформаторів струму та їх класифікація

Трансформатор струму — трансформатор, первинна обмотка якого підключена до джерела струму, а вторинна обмотка замикається на вимірювальні або захисні прилади, що мають малі внутрішні опору.

Вимірювальний трансформатор струму — трансформатор, призначений для перетворення струму до значення, зручного для вимірювання. Первинна обмотка трансформатора струму включається послідовно в ланцюг з вимірюваним змінним струмом, а у вторинну включаються вимірювальні прилади. Струм, що протікає по вторинній обмотці трансформатора струму, пропорційний струму, що протікає в його первинній обмотці.

Трансформатори струму широко використовуються для вимірювання електричного струму в пристроях релейного захисту електроенергетичних систем, у зв'язку з чим на них накладаються високі вимоги по точності. Трансформатори струму забезпечують безпеку вимірювань, ізолюючи вимірювальні ланцюги від первинного ланцюга з високою напругою, часто складають сотні кіловольт.

Простий приклад необхідності використання трансформаторів струму – коли через великий споживаної потужності, значення вимірюваного струму перевищує допустимий, безпечне для приладу обліку. Тобто при прямому включенні навантаження споживаної потужності, струмові котушки лічильника просто згорять, що призведе до його виходу з ладу.

У цьому випадку електролічильник підключається через трансформатори струму.

Пристрій і схема трансформатора струму. Основний елемент конструкції трансформатора струму – це магнітопровід з двома непов'язаними між собою обмотками (первинна W1 і вторинна W2).

Первинна обмотка – має більший перетин і меншу кількість витків, включається послідовно – в розрив ланцюга (контакти Л1 і Л2), вторинна – до струмовим котушок електролічильника (контакти І1, І2).

Первинна обмотка трансформатора струму може бути розрахована на струм від 5 до 15 000 А. Вторинна, що включається в вимірювальну ланцюг – зазвичай, на 5 А. Їх відношення (струму первинної обмотки до струмів вторинної) називають коефіцієнтом трансформації.

Таким чином, для правильного розрахунку спожитої електроенергії різницю в показаннях електролічильника потрібно помножити на коефіцієнт трансформації. Наприклад, для трансформаторів струму 100/5, коефіцієнт трансформації дорівнює 20.

Варто зауважити, що по виконанню і способом підключення в якості первинної обмотки трансформатора струму може мати прохідну шину, яка проходить через його корпус, або ж відсутні зовсім. В цьому випадку є «вікно» - отвір, в який пропускається живильний провід або шина.

До трансформаторів струму пред'являються високі вимоги по точності. Як правило, трансформатор струму виконують з двома і більше групами вторинних обмоток: одна використовується для підключення пристроїв захисту, інша, більш точна — для підключення засобів обліку і вимірювання (наприклад, електричних лічильників).

Особливості конструкції

Вторинні обмотки трансформатора струму (не менше однієї на кожне магнітопровід) обов'язково навантажуються. Опір навантаження строго регламентовано вимогами до точності коефіцієнта трансформації. Незначне відхилення опору вторинної ланцюга від номіналу (зазначеного на табличці) по модулю повного Z або cos ф (зазвичай cos = 0.8 индукт.) призводить до зміни похибки перетворення і можливо погіршення вимірювальних якостей трансформатора. Значне збільшення опору навантаження створює високу напругу у вторинній обмотці, достатню для пробою ізоляції трансформатора, що призводить до виходу трансформатора з ладу, а також створює загрозу життю обслуговуючого персоналу. Крім того, з-за зростаючих втрат в сердечнику магнітопровода, трансформатор починає перегріватися, що так само може призвести до пошкодження (або, як мінімум, до зношування) ізоляції та подальшого її пробою. Повністю вторинна обмотка розімкнена ТТ не створює компенсуючий магнітний потік в сердечнику, що призводить до перегріву магнітопровода і його вигорання. При цьому магнітний потік, створений первинною обмоткою має дуже високе значення та втрати в магнітопроводі сильно нагрівають його. У конструктивному відношенні трансформатори струму виконані у вигляді сердечника, шихтованном з холоднокатаної кременистої трансформаторної сталі, на яку намотуються одна або декілька вторинних ізольованих обмоток, первинна обмотка може бути виконана у вигляді також намотаного на сердечник, або у вигляді шини, в деяких конструкціях взагалі не передбачена вбудована первинна обмотка; первинна обмотка виконується споживачем. пропусканням дроти через спеціальне вікно. Обмотки і осердя укладаються в корпус для ізоляції та захисту обмоток. У деяких сучасних конструкціях трансформаторів струму сердечник виконується з нанокристалічних (аморфних сплавів), для розширення діапазону, в якому трансформатор працює в класі точності.

Коефіцієнт трансформації вимірювальних трансформаторів струму є їх основною характеристикою. Номінальний (ідеальний) коефіцієнт вказується на шильдику трансформатора у вигляді відношення номінального струму первинної (первинних) обмоток до номінального струму вторинної (вторинних) обмоток, наприклад, 100/5 А чи 10-15-50-100/5 (для первинних обмоток з декількома секціями витків). При цьому реальний коефіцієнт трансформації дещо відрізняється від номінального. Це відмінність характеризується величиною похибки перетворення, що складається з двох складових - синфазних і квадратурної. Перша характеризує відхилення за величиною, друга відхилення по фазі вторинного струму реального від номінального. Ці величини регламентовані Дст і служать основою для присвоєння трансформаторів струму класів точності при проектуванні і виготовленні. Оскільки в магнітних системах мають місце втрати пов'язані з намагнічуванням і нагріванням магнітопровода, вторинний струм виявляється менше номінального (тобто похибка негативна) у всіх трансформаторів струму. У зв'язку з цим для поліпшення характеристик і внесення позитивного зміщення похибка перетворення застосовують витковую корекцію. А це означає, що коефіцієнт трансформації у таких відкоригованих трансформаторів не відповідає звичній формулою співвідношень витків первинної і вторинної обмоток.

Класифікація трансформаторів струму

Трансформатори струму класифікуються за різними ознаками:

· за кількістю коефіцієнтів трансформації: з одним коефіцієнтом трансформації; з кількома коефіцієнтами трансформації, одержуваними зміною числа витків первинної або вторинної обмотки, або обох обмоток, або застосуванням декількох вторинних обмоток з різним числом витків, відповідним різного номінального вторинного струму.
· за кількістю ступенів трансформації: одноступінчаті; каскадні (багатоступеневі), тобто з декількома ступенями трансформації струму.
· за виконання первинної обмотки: одновіткові; багато виткові.
Одновіткові трансформатоьры струму мають 2 різновиди: без власної первинної обмотки; з власної первинної обмоткою. Одновіткові трансформатори струму, які не мають власної первинної обмотки, виконуються вбудованими, шинними або роз'ємними.

1. За призначенням трансформатори струму можна розділити на вимірювальні, захисні, проміжні (для включення вимірювальних приладів в струмові ланцюги релейного захисту, для вирівнювання струмів в схемах диференціальних захистів і т. д.) і лабораторні (високої точності, а також з багатьма коефіцієнтами трансформації).

2. За родом установки розрізняють трансформатори струму: а) для зовнішньої установки (у відкритих розподільних пристроях); б) для закритої установки; в) вбудовані в електричні апарати та машини: вимикачі, трансформатори, генератори і т. д.; г) накладні - що надіваються зверху на прохідний ізолятор (наприклад, на високовольтний ввід силового трансформатора); д) переносні (для контрольних вимірів і лабораторних випробувань).

3. По конструкції первинної обмотки трансформатори струму діляться на:

а) багато виткові (котушкові, з петлевою обмоткою і з восьмерочной обмоткою); б) одновіткові (стрижневі); в) шинні.

4. За способом установки трансформатори струму для закритої і зовнішньої установки поділяються на:

а) прохідні; б) опорні.

5. За виконання ізоляції трансформатори струму можна розбити на групи: а) з сухою ізоляцією (фарфор, бакеліт, лита епоксидна ізоляція тощо); б) з паперово-масляною ізоляцією і з конденсаторної паперово-масляною ізоляцією; в) газонаповнені (элегаз); г) залитого компаундом.

6. За кількістю ступенів трансформації є трансформатори струму:

а) одноступінчаті; б) двоступеневі (каскадні).

7. За робочою напругою розрізняють трансформатори:

а) на номінальну напругу понад 1000 В; б) на номінальну напругу до 1000 В.

Параметри трансформаторів струму

Важливими параметрами трансформаторів струму є коефіцієнт трансформації і клас точності.

Коефіцієнт трансформації
Коефіцієнт трансформації трансформатора струму визначає номінал вимірювання струму і означає при якому первинному струмі у вторинному ланцюзі буде протікати певний стандартний струм (найчастіше це 5 А, рідко 1 А). Первинні струми трансформаторів струму визначаються з ряду стандартизованих номінальних струмів. Коефіцієнт трансформації трансформатора струму зазвичай записується у вигляді відношення номінального первинного струму до номінального вторинного у вигляді дробу, наприклад: 75/5 (при протіканні в первинній обмотці струму 75 А - 5А у вторинній обмотці, замкнутої на вимірювальні елементи) або 1000/1 (при протіканні в первинної ланцюга 1000 А, у вторинних ланцюгах буде протікати струм 1 А. Іноді трансформатори струму можуть мати змінний коефіцієнт трансформації, що можливо пересоединением первинних обмоток з паралельного у послідовне з'єднання (наприклад таке рішення застосовується в трансформаторах струму ТФЗМ - 110) або наявністю відводів на первинній або вторинної обмоток (останнє застосовується в лабораторних трансформаторів струму типу УТТ) або ж зміною кількості витків первинної дроти, пропускається в вікно трансформаторів струму без власної первинної обмотки (трансформатори струму УТТ).

Клас точності
Для визначення класу точності трансформатора струму вводяться поняття:

похибки по струму ΔI = I2 - I1', де I2 - дійсний вторинний струм, I1' =I1/n - наведений первинний струм, I1 - первинний струм , n - коефіцієнт трансформатора струму;
похибки за кутом δ = α1 - α2, де α1 - теоретичний кут зсуву фаз між первинним і вторинним струмом α1 = 180°,α2 - дійсний кут між первинним і вторинним струмом;
відносної повної похибки ε%=(|I1'-I2|)/|I1'|, де |I1'| - модуль комплексного наведеного струму.
Похибки по струму і кутку пояснюються дією струму намагнічування. Для промислових трансформаторів струму встановлюються такі класи точності : 0,1 0,5; 1; 3, 10Р. Згідно ГОСТ 7746 - 2001 клас точності відповідає похибка по струму ΔI, похибка по куту дорівнює: ±40' (клас 0,5); ±80' (клас 1), для класів 3 і 10Р кут не нормується. При цьому трансформатор струму може бути в класі точності тільки при опорі у вторинних ланцюгів не більше встановленого і струму в первинної ланцюга від 0,05 до 1,2 номінального струму трансформатора. Для трансформаторів струму з додаванням ззаду класу точності літери S (наприклад 0,5 S) означає, що трансформатор буде знаходиться в класі точності від 0,01 до 1,2 номінального струму. Клас 10Р (по старому ГОСТУ Д) призначений для живлення ланцюгів захисту і нормується за відносної повної похибки, яка не повинна перевищувати 10% при максимальному струмі к. з. і заданому опору вторинної ланцюга. Відповідно до міжнародного стандарту МЕК (ІЕС 60044-01) трансформатори струму повинні знаходиться в класі точності при протіканні по його первинної обмотці струму 0,2 ÷ 200% номінального, що зазвичай досягається виготовленням сердечника з нанокристалічних сплавів.

Позначення трансформаторів струму
Вітчизняні трансформатори струму мають таке позначення:

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, "Г" - газовая (элегаз).
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").

Замечания
На відміну від трасформатора напруги, у трансформатора струму режим холостого ходу є аварійним. Результуючий магнітний потік у магнітопроводі трансформатора струму дорівнює різниці магнітних потоків, створюваних первинною і вторинною обмотками. В нормальних умовах роботи трансформатора він невеликий. Однак при розмиканні ланцюга вторинної обмотки в сердечнику буде існувати тільки магнітний потік первинної обмотки, який значно перевищує різницевий магнітний потік. Втрати в сердечнику різко зростуть, трансформатор перегріється і вийде з ладу ("пожежа заліза"). Крім того, на кінцях обірваної вторинної ланцюга з'явиться велика ЕРС, небезпечна для роботи оператора. Тому трансформатор струму не можна включати в лінію без підключеного до нього вимірювального приладу. У разі необхідності відключення вимірювального приладу від вторинної обмотки трансформатора струму, її обов'язково потрібно закоротити.
Згідно ПУЕ вторинна обмотка трансформатора струму (для захисту від ураження електричного струму при пробої ізоляції, або при индуктировании високої напруги із - за обриву вторинної ланцюга) обов'язково повинна заземлятися.