Трансформатор тока ( CT ) — это тип трансформатора , который используется для уменьшения или увеличения переменного тока (AC). Он вырабатывает ток во вторичной обмотке, пропорциональный току в первичной обмотке.
Трансформаторы тока, наряду с трансформаторами напряжения или потенциала, являются измерительными трансформаторами . Измерительные трансформаторы масштабируют большие значения напряжения или тока до малых стандартизированных значений, которые легко обрабатывать для измерительных приборов и защитных реле . Измерительные трансформаторы изолируют измерительные или защитные цепи от высокого напряжения первичной системы. Трансформатор тока обеспечивает вторичный ток, который точно пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке. Трансформатор тока представляет собой незначительную нагрузку на первичную цепь. [1]
Трансформаторы тока являются устройствами измерения тока в энергосистеме и используются на электростанциях, электрических подстанциях, а также в промышленных и коммерческих распределительных сетях электроэнергии.
Трансформатор тока имеет первичную обмотку, сердечник и вторичную обмотку, хотя некоторые трансформаторы используют воздушный сердечник. Хотя физические принципы одинаковы, детали трансформатора «тока» по сравнению с трансформатором «напряжения» будут отличаться из-за различных требований применения. Трансформатор тока предназначен для поддержания точного соотношения между токами в его первичной и вторичной цепях в определенном диапазоне.
Переменный ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле в сердечнике, которое затем индуцирует переменный ток во вторичной обмотке. Первичная цепь практически не подвержена влиянию со стороны трансформатора тока. Точные трансформаторы тока требуют тесной связи между первичной и вторичной обмотками, чтобы гарантировать, что вторичный ток пропорционален первичному току в широком диапазоне токов. Ток во вторичной обмотке — это ток в первичной обмотке (предполагая, что первичная обмотка одновитковая), деленный на количество витков вторичной обмотки. На рисунке справа «I» — ток в первичной обмотке, «B» — магнитное поле, «N» — количество витков во вторичной обмотке, а «A» — амперметр переменного тока.
Трансформаторы тока обычно состоят из кольцевого сердечника из кремниевой стали , намотанного множеством витков медной проволоки, как показано на рисунке справа. Проводник, несущий первичный ток, пропускается через кольцо. Таким образом, первичная обмотка ТТ состоит из одного «витка». Первичная «обмотка» может быть постоянной частью трансформатора тока, то есть тяжелым медным стержнем для переноса тока через сердечник. Также распространены трансформаторы тока оконного типа, в которых кабели цепи могут проходить через середину отверстия в сердечнике для обеспечения одновитковой первичной обмотки. Для обеспечения точности первичный проводник должен быть расположен по центру отверстия.
Трансформаторы тока определяются их отношением тока от первичной к вторичной обмотке. Номинальный вторичный ток обычно стандартизирован на уровне 1 или 5 ампер. Например, вторичная обмотка трансформатора тока 4000:5 будет обеспечивать выходной ток 5 ампер, когда ток первичной обмотки составляет 4000 ампер. Это отношение также можно использовать для нахождения импеданса или напряжения на одной стороне трансформатора, учитывая соответствующее значение на другой стороне. Для трансформатора тока 4000:5 вторичный импеданс можно найти как Z S = NZ P = 800Z P , а вторичное напряжение можно найти как V S = NV P = 800V P . В некоторых случаях вторичный импеданс относится к первичной стороне и находится как Z S ′ = N 2 Z P . Ссылка на импеданс выполняется просто путем умножения начального значения вторичного импеданса на отношение тока. Вторичная обмотка трансформатора тока может иметь отводы для обеспечения различных соотношений, обычно их пять. [1]
Формы и размеры трансформаторов тока различаются в зависимости от конечного пользователя или производителя распределительного устройства. Низковольтные однокоэффициентные измерительные трансформаторы тока имеют либо кольцевой тип, либо литой пластиковый корпус.
Трансформаторы тока с разъемным сердечником имеют либо двухсекционный сердечник, либо сердечник со съемной секцией. Это позволяет размещать трансформатор вокруг проводника без предварительного его отсоединения. Трансформаторы тока с разъемным сердечником обычно используются в измерительных приборах низкого тока, часто переносных, работающих от батареи и ручных (см. иллюстрацию внизу справа).
Трансформаторы тока широко используются для измерения тока и контроля работы электросети . Наряду с проводами напряжения, трансформаторы тока коммерческого класса питают счетчик ватт-часов электросетей на многих крупных коммерческих и промышленных предприятиях.
Высоковольтные трансформаторы тока монтируются на фарфоровых или полимерных изоляторах для изоляции их от земли. Некоторые конфигурации ТТ скользят вокруг втулки высоковольтного трансформатора или выключателя , что автоматически центрирует проводник внутри окна ТТ.
Трансформаторы тока могут быть установлены на низковольтных или высоковольтных выводах силового трансформатора. Иногда для замены трансформатора тока можно снять секцию шины.
Часто несколько ТТ устанавливаются в виде «стек» для различных целей. Например, устройства защиты и коммерческого учета могут использовать отдельные ТТ для обеспечения изоляции между измерительными и защитными цепями и позволяют использовать для устройств трансформаторы тока с различными характеристиками (точность, перегрузочная способность).
В Соединенных Штатах Национальный электротехнический кодекс (NEC) требует, чтобы устройства защитного отключения в коммерческих и жилых электрических системах защищали розетки, установленные во «влажных» местах, таких как кухни и ванные комнаты, а также защищенные от непогоды розетки, установленные на улице. Такие устройства, чаще всего прерыватели цепи замыкания на землю (GFCI), обычно пропускают как 120-вольтовый проводник под напряжением, так и нейтральный обратный проводник через трансформатор тока, при этом вторичная катушка подключена к устройству отключения.
При нормальных условиях ток в двух проводах цепи будет равным и течь в противоположных направлениях, что приведет к нулевому чистому току через CT и отсутствию тока во вторичной катушке. Если ток питания перенаправляется вниз по течению в третий (заземляющий) проводник цепи (например, если заземленный металлический корпус электроинструмента контактирует с 120-вольтовым проводником) или в заземление (например, если человек контактирует с 120-вольтовым проводником), нейтральный возвратный ток будет меньше тока питания, что приведет к положительному чистому току через CT. Этот чистый ток индуцирует ток во вторичной катушке, что приведет к срабатыванию расцепителя и обесточиванию цепи - обычно в течение 0,2 секунды. [2]
Сопротивление нагрузки (нагрузки) не должно превышать указанного максимального значения, чтобы избежать превышения вторичным напряжением пределов для трансформатора тока. Номинальный ток первичной обмотки трансформатора тока не должен быть превышен, иначе сердечник может войти в свою нелинейную область и в конечном итоге насытиться . Это произойдет около конца первой половины каждой половины (положительной и отрицательной) синусоиды переменного тока в первичной и компромиссной точности. [1]
Трансформаторы тока часто используются для контроля больших токов или токов при высоких напряжениях. Технические стандарты и методы проектирования используются для обеспечения безопасности установок, использующих трансформаторы тока.
Вторичная обмотка трансформатора тока не должна отключаться от нагрузки, пока ток находится в первичной обмотке, так как вторичная обмотка будет пытаться продолжать направлять ток в эффективное бесконечное сопротивление, потенциально генерируя высокие напряжения и, таким образом, ставя под угрозу безопасность оператора. Для некоторых трансформаторов тока это напряжение может достигать нескольких киловольт и может вызвать искрение . Превышение вторичного напряжения также может ухудшить точность трансформатора или разрушить его. Выходное напряжение в открытом режиме работы ограничено насыщением сердечника, поскольку первичный поток больше не компенсируется вторичным потоком, меньшие трансформаторы тока могут фактически не подвергаться опасным напряжениям при номинальной работе. Более быстрые переходные токи от включенных нагрузок и т. д. могут, однако, по-прежнему вызывать опасные уровни напряжения из-за высокого наклона тока. [1]
На точность КТ влияет ряд факторов, в том числе:
Классы точности для различных типов измерений и при стандартных нагрузках во вторичной цепи (нагрузках) определены в IEC 61869-1 как классы 0,1, 0,2s, 0,2, 0,5, 0,5s, 1 и 3. Обозначение класса является приблизительной мерой точности ТТ. Погрешность отношения (первичного тока к вторичному) ТТ класса 1 составляет 1% при номинальном токе; погрешность отношения ТТ класса 0,5 составляет 0,5% или меньше. Погрешности по фазе также важны, особенно в цепях измерения мощности. Каждый класс имеет допустимую максимальную погрешность фазы для указанного сопротивления нагрузки. [1]
Трансформаторы тока, используемые для релейной защиты, также имеют требования к точности при токах перегрузки, превышающих нормальный номинал, чтобы обеспечить точную работу реле во время сбоев системы. Трансформатор тока с номиналом 2,5L400 указывает, что при выходе из его вторичной обмотки в двадцать раз больше его номинального вторичного тока (обычно 5 А × 20 = 100 А ) и 400 В (падение IZ) его выходная точность будет в пределах 2,5 процента.
Вторичная нагрузка трансформатора тока называется «нагрузкой», чтобы отличать ее от первичной нагрузки.
Нагрузка в измерительной электрической сети ТТ в значительной степени представляет собой резистивное сопротивление, предъявляемое к его вторичной обмотке. Типичные номинальные нагрузки для ТТ IEC составляют 1,5 ВА , 3 ВА, 5 ВА, 10 ВА, 15 ВА, 20 ВА, 30 ВА, 45 ВА и 60 ВА. Номинальные нагрузки ANSI/IEEE составляют B-0,1, B-0,2, B-0,5, B-1,0, B-2,0 и B-4,0. Это означает, что ТТ с номинальным значением нагрузки B-0,2 сохранит свою заявленную точность при сопротивлении вторичной цепи до 0,2 Ом . Эти диаграммы спецификаций показывают параллелограммы точности на сетке, включающие шкалы погрешности амплитуды и угла фазы при номинальной нагрузке ТТ. Элементами, которые вносят вклад в нагрузку цепи измерения тока, являются блоки переключателей, счетчики и промежуточные проводники . Наиболее распространенной причиной избыточного сопротивления нагрузки является проводник между счетчиком и ТТ. Когда счетчики подстанции расположены далеко от шкафов счетчиков, чрезмерная длина кабеля создает большое сопротивление. Эту проблему можно уменьшить, используя более толстые кабели и ТТ с более низкими вторичными токами (1 А), оба из которых будут создавать меньшее падение напряжения между ТТ и его измерительными устройствами. [1]
Напряжение точки перегиба трансформатора тока — это величина вторичного напряжения, выше которой выходной ток перестает линейно следовать за входным током в пределах заявленной точности. При тестировании, если напряжение приложено к вторичным клеммам, ток намагничивания будет увеличиваться пропорционально приложенному напряжению, пока не будет достигнута точка перегиба. Точка перегиба определяется как напряжение, при котором 10%-ное увеличение приложенного напряжения увеличивает ток намагничивания на 50%. [3] Для напряжений, превышающих точку перегиба, ток намагничивания значительно увеличивается даже при небольших приращениях напряжения на вторичных клеммах. Напряжение точки перегиба менее применимо для измерительных трансформаторов тока, поскольку их точность, как правило, намного выше, но ограничена очень малым диапазоном номинала трансформатора тока, обычно в 1,2–1,5 раза больше номинального тока. Однако концепция напряжения точки перегиба очень актуальна для защитных трансформаторов тока, поскольку они обязательно подвергаются токам короткого замыкания в 20–30 раз больше номинального тока. [4]
В идеале первичный и вторичный токи трансформатора тока должны быть в фазе. На практике это невозможно, но при нормальных частотах питания достижимы фазовые сдвиги в несколько десятых градуса, в то время как более простые трансформаторы тока могут иметь большие фазовые сдвиги. Для измерения тока фазовый сдвиг несущественен, поскольку амперметры отображают только величину тока. Однако в ваттметрах , счетчиках энергии и коэффициенте мощности фазовый сдвиг приводит к ошибкам. Для измерения мощности и энергии ошибки считаются незначительными при единичном коэффициенте мощности, но становятся более значительными, когда коэффициент мощности приближается к нулю. Введение электронных счетчиков мощности и энергии позволило устранить погрешность фазы тока. [5]
Трансформаторы тока стержневого типа имеют клеммы для подключения источника и нагрузки первичной цепи, а корпус трансформатора тока обеспечивает изоляцию между первичной цепью и землей. Благодаря использованию масляной изоляции и фарфоровых втулок такие трансформаторы могут применяться при самых высоких напряжениях передачи. [1]
Трансформаторы тока кольцевого типа устанавливаются на шину или изолированный кабель и имеют только низкий уровень изоляции на вторичной катушке. Для получения нестандартных коэффициентов или для других специальных целей через кольцо можно пропустить более одного витка первичного кабеля. Если в оболочке кабеля присутствует металлический экран, он должен быть заделан так, чтобы через кольцо не проходил чистый ток оболочки, для обеспечения точности. Трансформаторы тока, используемые для обнаружения токов замыкания на землю (нулевая последовательность), например, в трехфазной установке, могут иметь три первичных проводника, пропущенных через кольцо. Только чистый неуравновешенный ток создает вторичный ток — это можно использовать для обнаружения замыкания от находящегося под напряжением проводника на землю. Трансформаторы кольцевого типа обычно используют сухие системы изоляции с жестким резиновым или пластиковым корпусом над вторичными обмотками.
Для временных подключений трансформатор тока с разъемным кольцом можно надеть на кабель, не отсоединяя его. Этот тип имеет сердечник из ламинированного железа с шарнирной секцией, которая позволяет устанавливать его на кабель; сердечник связывает магнитный поток, создаваемый одновитковой первичной обмоткой, с намотанной вторичной обмоткой со многими витками. Поскольку зазоры в шарнирной части вносят неточность, такие устройства обычно не используются для коммерческого учета.
Трансформаторы тока, особенно те, которые предназначены для обслуживания подстанций высокого напряжения, могут иметь несколько ответвлений на своих вторичных обмотках, обеспечивая несколько коэффициентов в одном устройстве. Это может быть сделано для того, чтобы сократить запас запасных блоков или обеспечить рост нагрузки в установке. Высоковольтный трансформатор тока может иметь несколько вторичных обмоток с той же первичной, чтобы обеспечить отдельные измерительные и защитные схемы или для подключения к различным типам защитных устройств. Например, одна вторичная обмотка может использоваться для защиты ответвлений от сверхтоков, в то время как вторая обмотка может использоваться в дифференциальной защитной схеме шины, а третья обмотка используется для измерения мощности и тока. [1]
Специально сконструированные широкополосные трансформаторы тока также используются (обычно с осциллографом ) для измерения формы волн высокочастотных или импульсных токов в импульсных системах питания . В отличие от трансформаторов тока, используемых для силовых цепей, широкополосные трансформаторы тока оцениваются в выходных вольтах на ампер первичного тока.
Если сопротивление нагрузки намного меньше индуктивного сопротивления вторичной обмотки на частоте измерения, то ток во вторичной обмотке отслеживает первичный ток, и трансформатор обеспечивает выходной ток, пропорциональный измеренному току. С другой стороны, если это условие не выполняется, то трансформатор является индуктивным и обеспечивает дифференциальный выход. Катушка Роговского использует этот эффект и требует внешнего интегратора для обеспечения выходного напряжения, пропорционального измеренному току.
В конечном итоге, в зависимости от требований заказчика, существуют два основных стандарта, по которым проектируются трансформаторы тока. IEC 61869-1 (ранее IEC 60044-1) и IEEE C57.13 (ANSI), хотя канадские и австралийские стандарты также признаются. [1] [6]
Трансформаторы тока используются для защиты, измерения и управления на высоковольтных электрических подстанциях и в электросетях . Трансформаторы тока могут быть установлены внутри распределительного устройства или в проходных изоляторах, но очень часто используются отдельно стоящие наружные трансформаторы тока. На распределительном устройстве трансформаторы тока с баком под напряжением имеют значительную часть своего корпуса, находящегося под напряжением линии, и должны быть установлены на изоляторах. Трансформаторы тока с баком под напряжением изолируют измеряемую цепь от корпуса. Трансформаторы тока с баком под напряжением полезны, поскольку первичный проводник короткий, что обеспечивает лучшую стабильность и более высокий номинальный ток короткого замыкания. Первичная обмотка может быть равномерно распределена вокруг магнитного сердечника, что обеспечивает лучшую производительность при перегрузках и переходных процессах. Поскольку основная изоляция трансформатора тока с баком под напряжением не подвергается воздействию тепла первичных проводников, срок службы изоляции и термостойкость улучшаются. [1]
Высоковольтный трансформатор тока может содержать несколько сердечников, каждый со вторичной обмоткой, для различных целей (например, измерительные цепи, управление или защита). [7] Нейтральный трансформатор тока используется в качестве защиты от замыкания на землю для измерения любого тока замыкания, протекающего через нейтральную линию от нейтральной точки звезды трансформатора.
