Трансформатор тока и напряжения: принцип работы, чем отличаются

Как работает устройство

Когда стало понятно, что из себя представляет трансформация, пришло время рассмотреть подробнее принцип действия трансформатора тока.

Особенности применения и выбора измерительных трансформаторов тока

На замкнутый сердечник (магнитопровод), собранный из пластин, надеты две обмотки. Первая катушка включена последовательно в силовую цепь нагрузки. Вторичная катушка своими выводами подключена к измерителям. Сердечник собран из пластин кремнистой стали холодного качения.

К сведению. Учёт электроэнергии выполнен именно таким способом. В однофазные и трёхфазные цепи включены трансформаторы тока, которые позволяют снимать показания по каждой фазе, подавая данные на счётчик.

При прохождении переменного электричества по виткам первой (основной) обмотки вокруг неё образуется переменный магнитный поток Ф1. Поток Ф1, пронизывая все обмотки трансформатора, индуцирует в них ЭДС (Е). В этом случае возникают Е1 и Е2. При подключении в цепь вторичной обмотки любой нагрузки через неё начнётся движение электричества.

Принцип действия ТТ

Конструкция и принцип действия

Внешний вид типичного трансформатора тока представлен на рисунке 1. Характерным признаком этих моделей является наличие у них диэлектрического корпуса. Формы корпусов могут быть разными – от прямоугольных до цилиндрических. В некоторых конструкциях отсутствуют проходные шины в центре корпуса. Вместо них проделано отверстие для обхвата провода, который выполняет функции первичной обмотки.

Рис. 1. Трансформатор тока

Материалы диэлектриков выбирают в зависимости от величины напряжений, для которых предназначено устройство и от условий его эксплуатации. Для обслуживания промышленных энергетических систем изготавливают мощные ТТ с керамическими корпусами цилиндрической формы (см. рис. 2).

Рис. 2. Промышленный керамический трансформатор тока

Особенностью трансформатора является обязательное наличие нагрузочного элемента (сопротивления) во вторичной обмотке (см. рис. 3). Резистор необходим для того, чтобы не допускать работы в режиме без вторичных нагрузок. Функционирование трансформатор тока с ненагруженными вторичными обмотками недопустимо из-за сильного нагревания (вплоть до разрушения) магнитопровода.

Рис. 3. Принципиальная схема трансформатора тока

В отличие от трансформаторов напряжения, ТТ оснащены только одним витком первичной обмотки (см. рис. 4). Этим витком часто является шина, проходящая сквозь кольцо сердечника с намотанными на него вторичными обмотками (см. рис. 5).

Рис. 4. Схематическое изображение ТТ

Рис. 5. Устройство ТТ

Иногда в роли первичной обмотки выступает проводник электрической цепи. Для этого конструкция сердечника позволяет применить шарнирное соединение частей трансформатора для обхвата провода (см. рис. 6).

Рис. 6. ТТ с разъемным корпусом

Сердечники трансформаторов выполняются способом шихтования кремнистой стали. В моделях высокого класса точности сердечники изготовляют из материалов на основе нанокристаллических сплавов.

Принцип действия.

Основная задача токовых трансформаторов понизить (повысить) значение тока до приемлемой величины. Принцип действия основан на свойствах трансформации переменного электрического тока. Возникающий переменный магнитный поток улавливается магнитопроводом, перпендикулярным направлению первичного тока. Этот поток создается переменным током первичной катушки и наводит ЭДС во вторичной обмотке. После подключения нагрузки начинает протекать электрический ток по вторичной цепи.

Зависимости между обмотками и токами выражены формулой: k = W2 / W1 = I1 / I2 .

Поскольку ток во вторичной катушке обратно пропорционален количеству витков в ней, то путем увеличения (уменьшения) коэффициента трансформации, зависящего от соотношения числа витков в обмотках, можно добиться нужного значения выходного тока.

На практике, чаще всего, эту величину устанавливают подбором количества витков во вторичной обмотке, делая первичную обмотку одновитковой.

Линейная зависимость выходного тока (при номинальной мощности) позволяет определять параметры величин в первичной цепи. Численно эта величина во вторичной катушке равна произведению реального значения тока на номинальный коэффициент трансформации.

В идеале I1 = kI2 = I2W2/W1. С учетом того, что W1 = 1 (один виток) I1 = I2W2 = kI2. Эти несложные вычисления можно заложить в программу электронного измерителя.

Рис. 7. Принцип действия трансформатора тока

На рисунке 7 не показан нагрузочный резистор. При измерениях необходимо учитывать и его влияние. Все допустимые погрешности в измерениях отображает класс точности ТТ.

Обслуживание

Необходимо обратить внимание, что при соблюдении режима и условий эксплуатации, правильно подобранных номиналах и регулярном обслуживании ТТ будет служить 30 лет и более. Для этого необходимо:

Обращать внимание на различные виды неисправностей, заметим, что большинство из них можно обнаружить при визуальном осмотре.
Производить контроль нагрузки в первичных цепях и не допускать перегрузку выше установленной нормы.
Необходимо отслеживать состояние контактов первичной цепи (если таковые имеются), на них должны отсутствовать внешние признаки повреждений.
Не менее важен контроль состояния внешней изоляции, почти в половине случаев ее стойкость нарушается из-за скопления грязи или влаги, которые закорачивают контакты на землю.
У масляных ТТ осуществляют проверку уровня масла, его чистоту, наличие подтеков и т.д. Обслуживание таких установок практически не сильно отличается от других силовых установок, например, емкостных трансформаторов НДЕ, разница заключается в небольших технических деталях.
Поверка ТТ должна проводиться согласно действующих нормативов (ГОСТ 8.217 2003).
При обнаружении неисправности производится замена прибора

Поврежденный ТТ отправляют в ремонт, который производится специализированными службами.

Устройство и принцип работы

Производитель выбирает базовые правила функционирования агрегата, но это не влияет на надежность эксплуатации. Отличаются концепции процессом изготовления. Принцип действия трансформатора основывается на двух положениях:

изменяющееся движение направленных носителей заряда создает переменное магнитное силовое поле;
влияние на силовой поток, передаваемый через катушку, продуцирует электродвижущую силу и индукцию.

Устройство состоит из следующих частей:

магнитный привод;
катушки или обмотки;
основа для расположения витков;
изолирующий материал;
охладительная система;
другие элементы крепления, доступа, защиты.

Работа трансформатора осуществляется по виду конструкции и сочетания сердечника и обмоток. В стержневом типе проводник заключен в обмотках, его трудно рассмотреть. Витки спирали видны, просматривается верх и низ сердечника, ось располагается вертикально. Материал, из чего состоит виток, должен хорошо проводить электричество.

В изделиях броневого типа стержень скрывает большую часть оборотов, он ставится горизонтально или отвесно. Тороидальная конструкция трансформаторов предусматривает расположение на магнитопроводе двух независимых обмоток без электрической связи между собой.

Магнитная система

Выполняется из легированной трансформаторной стали, феррита, пермаллоя с сохранением геометрической формы для продуцирования магнитного поля агрегата. Проводник конструируется из пластин, лент, подков, его изготавливают на прессе. Часть, на которой располагается обмотка, называются стержнем. Ярмо — это элемент без витков, выполняющий замыкания цепи.

Принцип действия трансформатора зависит от схемы стоек, которая бывает:

плоская — оси ярм и сердечников находятся в единой плоскости;
пространственная — продольные элементы устраиваются в разных поверхностях;
симметричная — одинаковые по форме, размеру и конструкции проводники расположены ко всем ярмам аналогично другим;
несимметричная — отдельные стойки отличаются по виду, габаритам и ставятся в разных положениях.

Если предполагается, что через обмотку, которую называют первичной, протекает постоянный ток, то магнитный провод делают разомкнутым. В остальных случаях сердечник закрытый, он служит для замыкания силовых линий.

Обмотки

Делают в виде совокупности витков, устраиваемых на проводниках квадратного сечения. Форма используется для эффективной работы и повышения коэффициента заполнения в окне магнитопровода. Если требуется увеличить сечение сердечника, то его выполняют в виде двух параллельных элементов, чтобы уменьшить возникновение вихревых токов. Каждый такой проводник называется жилой.

Стержень оборачивается бумагой, покрывается эмалевым лаком. Иногда два сердечника, расположенных параллельно, заключают в общую изоляцию, комплект называется кабелем. Обмотки различают по назначению:

основные — к ним подводится переменный ток, выходит преобразованный электроток;
регулирующие — в них предусмотрены отводы для трансформации напряжения при невысокой силе тока;
вспомогательные — служат для снабжения своей сети с мощностью меньше номинального показателя трансформатора и подмагничивания схемы постоянным током.

Способы обкручивания:

рядовая обмотка — обороты делают в направлении оси по всей длине проводника, последующие витки наматывают плотно, без промежутков;
винтовое обматывание — многослойная обвивка с просветами между кольцами или заходом на соседние элементы;
дисковая накрутка — спиральный ряд выполняется последовательно, в круге обвивание производится в радиальном порядке по внутреннему и наружному направлению;
фольговая спираль ставится из алюминиевого и медного широкого листа, толщина которого колеблется в пределах 0,1-2 мм.

Разновидности конструкций

Измерительные токовые трансформаторы выпускаются различных типов. Все они имеют одно и то же назначение, но отличаются составными элементами и принципом действия. Каждая разновидность применяется для достижения определённых целей, что позволяет выбирать оптимальный вариант для каждого случая.

Катушечного типа

Этот вид измерительных трансформаторов считается наиболее простым по конструкции. Свою популярность он приобрёл ещё в советские времена, когда не было более качественных и эффективных устройств. Состоит катушечный прибор из следующих элементов:

защитный корпус;
вторичная и первичная обмотка;
клеммная колодка;
контакты;
восьмёрочная или петлевая обмотка.

К ним относят:

низкое разрядное напряжение, которое становится следствием слабой катушечной изоляции;
возможность использования только при небольших номинальных напряжениях (не более 3 кВ);
способность работать только при пониженных требованиях к электрической прочности.

Проходной трансформатор

Эти устройства считаются наиболее часто используемыми. Они нашли широкое применение в различных распределительных приборах, рассчитанных на напряжение от 6 до 35 кВ. Их устройство не отличается особой сложностью.

Конструкция состоит из таких частей:

литой эпоксидный корпус;
магнитопровод;
первичная обмотка;
вторичная обмотка.

Трансформаторы этого типа ценятся за то, что дают возможность в закрытых распределительных устройствах сэкономить проходной изолятор. Среди других преимуществ прибора выделяют такие:

малые габариты;
высокая электродинамическая стойкость.

Стержневое устройство

Стержневые трансформаторы часто называют одновитковыми. Главная их особенность — увеличение точности при повышении силы тока и уменьшение — при понижении. Она обусловлена тем, что первичная обмотка только один раз проходит через отверстие сердечника, что приводит к численному равенству количества ампер-витков и номинального тока.

Устройство состоит из следующих деталей:

железный магнитопровод (сердечник);
стержень проходного изолятора;
вторичная и первичная обмотка.

Шинный прибор

Шинные трансформаторы представляют собой изделия, в конструкцию которых входят сердечники со вторичной обмоткой, а первичная — отсутствует. В главной изоляции прибора предусмотрено специальное отверстие, через которое пропускается шина распределительного устройства, выполняющая роль первичной обмотки.

Эта разновидность трансформатора очень похожа на стержневую. Лишь при малых показаниях напряжения через отверстие в сердечнике прокладывают несколько витков проводника, что даёт возможность получить многовитковую конструкцию прибора.

Основными преимуществами шинного трансформатора считаются:

простота конструкции;
лёгкость проведения монтажных, ремонтных и профилактических работ;
возможность использовать устройство не только при малых номинальных токах, но и при высоких (более 2 тыс. ампер);
высокая электродинамическая стойкость, обусловленная устойчивостью шинной конструкции.

Расшифровка маркировки

Каждому типу трансформаторов присваиваются буквенно-цифровые символы, по которым можно определить его основные параметры:

Т — трансформатор тока;
П — буква указывающая на то, что перед нами проходной трансформатор. Отсутствие буквы П указывает, что устройство принадлежит к классу опорных ТТ;
В — указывает на то, что трансформатор встроен в конструкцию масляного выключателя или в механизм другого устройства;
ВТ — встроенный в конструкцию силового трансформатора;
Л— со смоляной (литой) изоляцией;
ФЗ — устройство в фарфоровом корпусе. Звеньевой тип первичной обмотки;
Ф — с надежной фарфоровой изоляцией;
Ш — шинный;
О — одновитковый;
М — малогабаритный;
К — катушечный;
3 — применяется для защиты от последствий замыкания на землю;
У — усиленный;
Н — для наружного монтажа;
Р — с сердечником, предназначенным для релейной защиты;
Д — со вторичной катушкой, предназначенной для питания электричеством дифференциальных устройств защиты;
М — маслонаполненный. Применяется для наружной установки.

Номинальное напряжение (в кВ) указывается после буквенных символов (первая цифра).
Числами через дробь обозначаются классы точности сердечников. Некоторые производители вместо цифр проставляют буквы Р или Д.
следующие две цифры «через дробь» указывают на параметры первичного и вторичного токов;
после позиции дробных символов — код варианта конструкционного исполнения;
буквы, расположенные после кода конструкционного варианта, обозначают тип климатического исполнения;
цифра на последней позиции — категория размещения.

Разнообразие

Существует много типов трансформаторов тока, но в самом общем виде при выборе трансформаторов тока принимается во внимание то, что изделия делятся на измерительные (TTI) и защитные

Фактор разделения	Просмотры
Деловое свидание, встреча	лаборатория. промежуточные – для измерений, уравнивания токов в АВДТ; защита или контроль (измерение);
Дизайн	В обмотке первичная обмотка включается последовательно с измеряемым проводником. В тороидальных на его месте находится сетка (в отверстии ТА), а в стержневых, по своей роли это цепной трос, что эквивалентно 1 витку.
Сборка	для транспорта (для лабораторий, тестов). накладные; встроенные (в электростанциях, счетчиках, коммутационных устройствах); для размещения снаружи (во внешней панели) или внутри (во внутренней панели);
Количество кругов	один оборот. с множеством витков (кольцевая, восьмерка);
Изоляция	составлен. промасленное покрытие; сухая: (фарфор, эпоксидная смола, бэкелит);
Шаги	Один или несколько (каскадный)
Под каким наименованием	До 1 кВ и выше (например, для тока 10 кВ)

Трансформатор тока может быть выполнен с возможностью его открытия, установки и запирания, без отключения, в онлайн-режиме.

ТТ защитный

Трансформаторы защиты обычно бывают релейными, они «выглядят» так, чтобы манипулятор, входящий в электрическую сеть электростанции, не получил смертельного удара. Внутри электрических систем, которые создают, транспортируют и распределяют энергию, есть опасные значения для правильной работы. Но любое оборудование необходимо проверять, отремонтировать, отремонтировать, чтобы оставалось «окно» безопасности в виде ТТ для специалистов по ремонту.

Измерение КТ

Задача измерительного трансформатора тока TTI – преобразовывать значения, позволяя подключить вольтметр, амперметр, еще один измеритель, не опасаясь, что он сгорит от чрезмерной нагрузки. При этом получаются наиболее точные и надежные данные измерений. Другими словами, TT изолирует подключенное устройство не только для измерений, но и любое другое устройство, если это необходимо, от высокой мощности.

Разновидности

Высоковольтное измерительное оборудование включает в себя два типа устройств. В эту категорию устройств входят:

Измерительный трансформатор напряжения.
Измерительный трансформатор тока.

Первая категория приборов предназначена для работы вольтметров, фазометров, реле соответствующих типов. В область работы измерительных трансформаторов тока входит осуществление функционирования амперметров и прочего подобного оборудования.

Представленные типы измерительных трансформаторов производятся с номинальной мощностью от 5 до нескольких сот ВА. Измерительные трансформаторы тока и напряжения предназначены для совместной работы с вольтметрами на 100 В и амперметрами 1-5 А.

В чем разница между трансформаторами тока и напряжения

Если рассматривать вопрос, чем трансформатор тока отличается от трансформатора напряжения, то это алгоритм действия, назначение и компоновка, но иногда внешне устройства могут быть похожими.

Трансформеры
Текущий (TT)	Напряжение (ТВ, мощность)
Следует различать принцип действия трансформатора тока: трансформатор тока не имеет ограниченного диапазона расхода вторичной обмотки, и его ток зависит от тока первичных (измеренных) витков, поэтому первый всегда замыкается при подключении нагрузки. В этом отношении установка трансформаторов напряжения также отличается. Первичное устройство может проходить через окно магнитопровода с одним оборотом. На другом барабане строго определенный номинал. Основное отличие: он работает как источник тока со значением охраняемой территории. Это значение практически не зависит от нагрузок на вторичную обмотку.	Как работает трансформатор напряжения: при переключении между катушками (витков всегда много) в зависимости от параметров потребителя меняются характеристики блока питания. То есть здесь на втором месте утеплитель и защита, они имеют другой характер. Нагрузка может варьироваться в зависимости от возможностей продукта.
Цель – изолировать счетчики от источников высокой мощности, для мониторинга, измерения электрических сетей.	Обозначение трансформаторов напряжения, режим работы и принцип действия отличаются от таковых у трансформаторов тока. Цель состоит в том, чтобы преобразовать мощность в силовые нагрузки разной мощности. Напряжение, вырабатываемое электростанциями, чрезвычайно велико. Для обеспечения энергии используются модели с малой подвеской, а при передаче на большие расстояния (когда возможны потери) – увеличивающиеся.
На электростанциях, станциях, где чрезвычайно мощная сеть подключена до такой степени, что для измерений также требуется дополнительная изоляция.	Для чего нужен трансформатор напряжения: для работы бытовых электроприборов и тому подобное. «Приспосабливаться» к приемникам энергии, что позволяет использовать универсальную сеть где угодно. Напряжение меняется в зависимости от потребностей потребителя, оно становится подходящим для любой техники.
Встраивается практически во все бытовые приборы, имеющиеся в обычных домашних сетях.

Наличие в блоке управления трансформаторов тока малой и средней мощности обеспечит работу: элемент разделяет цепи большой / малой мощности, упрощает счетчики, реле.

Например, устройства способны работать от тысяч ампер до 5А, 1А.

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

В первичной обмотке w₁ создается магнитодвижущая сила F₁=w₁*I₁, а во вторичной – F₂=w₂*I₂. Если принять, что в трансформаторе тока отсутствуют потери, то магнитодвижущие силы равно по величине, но противоположны по знаку. F₁=-F₂. В итоге получаем, что I₁/I₂=w₂/w₁=n. Это отношение называется коэффициентом трансформации трансформатора тока.

Коэффициент трансформации реального ТТ

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

создание магнитного потока в магнитопроводе
нагрев и перемагничивание магнитопровода
нагрев проводов вторичной обмотки и цепи

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.

Для чего нужны трансформаторы тока

Трансформатор тока нулевой последовательности широко используется в организации работы производства, в быту (с его помощью проводят сварочные работы, он нормализуют входящее в дом напряжение, бросок тока, он нормализует работу электросчётчика с целью увеличения безопасности).

Трансформатор является важным инструментом в области электротехники. Текущие уровни электрического тока должны контролироваться в целях безопасности и эффективности работы прочих бытовых и промышленных приборов. Измерительные устройства, подключенные к трансформаторам, позволяют совершать мониторинг в различных местах по всей системе. Они также могут быть использованы для измерения электрического использования здания и выставления счетов или целей проверки.

Трансформатор тока — схема

Назначение трансформатора тока и принцип его работы

Как работает устройство

Конструкция и принцип действия

Обслуживание