Трансформатор тока ( КТ ) — это тип трансформатора , который используется для уменьшения или умножения переменного тока (AC). Он производит ток во вторичной обмотке, пропорциональный току в первичной обмотке.
Трансформаторы тока, наряду с трансформаторами напряжения или потенциала, являются измерительными трансформаторами . Измерительные трансформаторы преобразуют большие значения напряжения или тока в небольшие стандартизированные значения, которые легко использовать в измерительных приборах и защитных реле . Измерительные трансформаторы изолируют цепи измерения или защиты от высокого напряжения первичной системы. Трансформатор тока обеспечивает вторичный ток, который точно пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке. Трансформатор тока представляет незначительную нагрузку на первичную цепь. [1]
Трансформаторы тока являются токоизмерительными устройствами энергосистемы и используются на электростанциях, электрических подстанциях, а также в промышленном и коммерческом распределении электроэнергии.
Трансформатор тока имеет первичную обмотку, сердечник и вторичную обмотку, хотя в некоторых трансформаторах используется воздушный сердечник. Хотя физические принципы одинаковы, детали трансформатора «тока» по сравнению с трансформатором «напряжения» будут отличаться из-за разных 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. Установка трансформатора тока практически не влияет на первичную цепь. Точные трансформаторы тока нуждаются в 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 (при условии, 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 «А» — амперметр переменного тока.
Трансформаторы тока обычно состоят из кольцевого сердечника из кремниевой стали , намотанного множеством витков медной проволоки, как показано на рисунке справа. Через кольцо пропускают проводник, по которому протекает первичный ток. Таким образом, первичная обмотка трансформатора тока состоит из одного «витка». Первичная «обмотка» может быть постоянной частью трансформатора тока, т. е. тяжелым медным стержнем, пропускающим ток через сердечник. Также распространены трансформаторы тока оконного типа, в которых цепные кабели могут проходить через середину отверстия в сердечнике, образуя одновитковую первичную обмотку. Для обеспечения точности первичный проводник должен располагаться по центру апертуры.
ТТ определяются по их текущему соотношению от первичного к вторичному. Номинальный вторичный ток обычно стандартизируется 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 соотношение также можно использовать для определения импеданса или напряжения на одной стороне трансформатора, учитывая соответствующее значение на другой стороне. Для трансформатора тока 4000:5 вторичное сопротивление можно найти как Z S = NZ P = 800Z P , а вторичное напряжение можно найти как V S = NV P = 800V P. В некоторых случаях вторичное сопротивление относят к первичной стороне и определяют как Z S ′ = N 2 Z P . Определение импеданса осуществляется просто путем умножения исходного значения вторичного импеданса на коэффициент тока. Вторичная обмотка трансформатора тока может иметь отводы для обеспечения диапазона передаточных отношений, обычно пять отводов. [1]
Формы и размеры трансформаторов тока различаются в зависимости от конечного пользователя или производителя распределительного устройства. Низковольтные измерительные трансформаторы тока с одинарным коэффициентом трансформации имеют кольцевой или литой пластиковый корпус.
Трансформаторы тока с разъемным сердечником имеют сердечник, состоящий из двух частей, или сердечник со съемной секцией. Это позволяет размещать трансформатор вокруг проводника, не отсоединяя его предварительно. Трансформаторы тока с разъемным сердечником обычно используются в слаботочных измерительных приборах, часто портативных, с батарейным питанием и ручных устройствах (см. рисунок внизу справа).
Трансформаторы тока широко используются для измерения тока и контроля работы электросети . Наряду с проводами напряжения, трансформаторы тока коммерческого класса управляют счетчиками ватт-часов электроэнергетической компании на многих крупных коммерческих и промышленных предприятиях.
Трансформаторы тока высокого напряжения монтируются на фарфоровых или полимерных изоляторах для изоляции их от земли. Некоторые конфигурации ТТ скользят вокруг втулки высоковольтного трансформатора или автоматического выключателя , что автоматически центрирует проводник внутри окна ТТ.
Трансформаторы тока могут быть установлены на выводах низкого или высокого напряжения силового трансформатора. Иногда для замены трансформатора тока можно снять часть шины.
Часто несколько трансформаторов тока устанавливаются в виде «стека» для различных целей. Например, устройства защиты и коммерческого учета могут использовать отдельные трансформаторы тока для обеспечения изоляции между цепями измерения и защиты 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 атмосферных воздействий розетки, установленные на открытом воздухе. Такие устройства, чаще всего прерыватели цепи замыкания на землю (GFCI), обычно пропускают как провод под напряжением 120 В, так и нейтральный обратный провод через трансформатор тока, при этом вторичная катушка подключается к устройству отключения.
В нормальных условиях ток в двух проводах цепи будет одинаковым и течет в противоположных направлениях, что приводит к нулевому чистому току через трансформатор тока и отсутствию тока во вторичной обмотке. Если ток питания перенаправляется вниз по цепи, в третий (заземляющий) проводник цепи (например, если заземленный металлический корпус электроинструмента контактирует с проводом 120 В) или в землю (например, если человек контактирует с проводом 120 В). проводнике), обратный нейтральный ток будет меньше тока питания, что приведет к положительному току, протекающему через трансформатор тока. Этот чистый ток будет индуцировать ток во вторичной катушке, что заставит расцепитель сработать и обесточить цепь – обычно в течение 0,2 секунды. [ нужна цитата ]
Импеданс нагрузки (нагрузки) не должен превышать указанное максимальное значение, чтобы избежать превышения вторичного напряжения пределов для трансформатора тока. Номинальный ток первичной обмотки трансформатора тока не должен превышаться, иначе сердечник может войти в свою нелинейную область и в конечном итоге перейти в насыщение . Это может произойти ближе к концу первой половины каждой половины (положительной и отрицательной) синусоидального сигнала переменного тока в первичной и компромиссной точности. [1]
Трансформаторы тока часто используются для контроля больших токов или токов при высоких напряжениях. Технические стандарты и практика проектирования используются для обеспечения безопасности установок с использованием трансформаторов тока.
Вторичную обмотку трансформатора тока не следует отключать от нагрузки, пока ток находится в первичной обмотке, поскольку вторичная обмотка будет пытаться продолжать нагнетать ток до эффективного бесконечного импеданса , потенциально создавая 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 вывести его из строя. Выходное напряжение в разомкнутом режиме ограничено насыщением сердечника, поскольку первичный поток больше не компенсируется вторичным потоком, поэтому трансформаторы тока меньшего размера могут фактически не подвергаться опасным напряжениям при номинальной работе. Однако более быстрые переходные процессы тока из-за включенных нагрузок и т. д. все равно могут вызывать опасные уровни напряжения из-за высокого наклона тока. [1]
На точность КТ влияет ряд факторов, в том числе:
Классы точности для различных видов измерений и при стандартных нагрузках во вторичной цепи (нагрузках) определены в МЭК 61869-1 как классы 0,1, 0,2 с, 0,2, 0,5, 0,5 с, 1 и 3. Обозначение класса является приблизительной мерой. точности КТ. Погрешность соотношения (первичного и вторичного тока) трансформатора тока класса 1 составляет 1 % при номинальном токе; ошибка коэффициента трансформации ТТ класса 0,5 составляет 0,5% или менее. Погрешности по фазе также важны, особенно в цепях измерения мощности. Каждый класс имеет допустимую максимальную фазовую погрешность для указанного импеданса 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. ТТ с номиналом 2,5L400 указывает, что при выходном токе вторичной обмотки, в двадцать раз превышающем номинальный вторичный ток (обычно 5 А × 20 = 100 А ) и 400 В (падение IZ), погрешность его выходного сигнала будет в пределах 2,5 процента.
Вторичная нагрузка трансформатора тока называется «нагрузкой», чтобы отличить ее от первичной нагрузки.
Нагрузка в электрической сети измерения трансформаторов тока в основном представляет собой активное сопротивление , приложенное к ее вторичной обмотке. Типичные номинальные нагрузки для трансформаторов тока IEC составляют 1,5 ВА , 3 ВА, 5 ВА, 10 ВА, 15 ВА, 20 ВА, 30 ВА, 45 ВА и 60 ВА. Рейтинги нагрузки ANSI/IEEE: B-0,1, B-0,2, B-0,5, B-1,0, B-2,0 и B-4,0. Это означает, что трансформатор тока с номинальной нагрузкой B-0,2 будет сохранять заявленную точность при сопротивлении до 0,2 Ом во вторичной цепи. На этих диаграммах технических характеристик показаны параллелограммы точности на сетке, включающие масштабы ошибок по величине и фазовому углу при номинальной нагрузке трансформатора тока. Элементами, которые увеличивают нагрузку на схему измерения тока, являются переключатели, счетчики и промежуточные проводники . Наиболее распространенной причиной избыточного сопротивления нагрузки является проводник между измерителем и трансформатором тока. Когда счетчики подстанции расположены далеко от шкафов учета, чрезмерная длина кабеля создает большое сопротивление. Эту проблему можно решить, используя более толстые кабели и трансформаторы тока с более низкими вторичными токами (1 А), которые будут вызывать меньшее падение напряжения между трансформатором тока и его измерительными устройствами. [1]
Напряжение точки перегиба трансформатора тока — это величина вторичного напряжения, выше которой выходной ток перестает линейно следовать входному току в пределах заявленной точности. При тестировании, если на клеммы вторичной обмотки подается напряжение, ток намагничивания будет увеличиваться пропорционально приложенному напряжению, пока не будет достигнута точка перегиба. Точка перегиба определяется как напряжение, при котором увеличение приложенного напряжения на 10 % увеличивает ток намагничивания на 50 %. [2] При напряжениях, превышающих точку перегиба, ток намагничивания значительно увеличивается даже при небольшом приращении напряжения на клеммах вторичной обмотки. Напряжение точки перегиба менее применимо для измерения трансформаторов тока, поскольку их точность, как правило, намного выше, но ограничена очень небольшим диапазоном номинальных характеристик трансформатора тока, обычно в 1,2–1,5 раза превышающим номинальный ток. Однако концепция напряжения в точке перегиба очень актуальна для защитных трансформаторов тока, поскольку они обязательно подвергаются токам повреждения, в 20–30 раз превышающим номинальный ток. [3]
В идеале первичный и вторичный токи трансформатора тока должны быть синфазными. На практике это невозможно, но на нормальных энергетических частотах сдвиг фаз в несколько десятых градуса достижим, в то время как более простые ТТ могут иметь больший сдвиг фазы. Для измерения тока фазовый сдвиг не имеет значения, поскольку амперметры отображают только величину тока. Однако в ваттметрах , счетчиках энергии и коэффициенте мощности сдвиг фаз приводит к ошибкам. При измерении мощности и энергии ошибки считаются незначительными при коэффициенте мощности, равном единице, но становятся более значительными, когда коэффициент мощности приближается к нулю. Внедрение электронных счетчиков мощности и энергии позволило откалибровать погрешность фазы тока. [4]
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 можно применять при самых высоких напряжениях передачи. [1]
Трансформаторы тока кольцевого типа устанавливаются над шиной или изолированным кабелем и имеют лишь низкий уровень изоляции вторичной обмотки. Для получения нестандартных передаточных чисел или для других специальных целей через кольцо может быть пропущено более одного витка первичного кабеля. Если в оболочке кабеля присутствует металлический экран, он должен быть заделан таким образом, чтобы ток оболочки не проходил через кольцо, чтобы обеспечить точность. Трансформаторы тока, используемые для измерения токов замыкания на землю (нулевой последовательности), например, в трехфазной установке, могут иметь три первичных проводника, проходящих через кольцо. Только чистый несимметричный ток создает вторичный ток - его можно использовать для обнаружения замыкания между проводом под напряжением и землей. В трансформаторах кольцевого типа обычно используются системы сухой изоляции с корпусом из твердой резины или пластика над вторичными обмотками.
Для временных подключений трансформатор тока с разъемным кольцом можно надеть на кабель, не отсоединяя его. Этот тип имеет ламинированный железный сердечник с шарнирной секцией, позволяющей устанавливать его поверх кабеля; сердечник связывает магнитный поток, создаваемый одновитковой первичной обмоткой, с многовитковой вторичной обмоткой. Поскольку зазоры в шарнирном сегменте вносят неточность, такие устройства обычно не используются для учета доходов.
Трансформаторы тока, особенно предназначенные для работы на подстанциях высокого напряжения, могут иметь несколько отводов на вторичных обмотках, что обеспечивает несколько коэффициентов передачи в одном устройстве. Это можно сделать для уменьшения запасов запасных частей или для увеличения нагрузки на установку. Трансформатор тока высокого напряжения может иметь несколько вторичных обмоток с одной и той же первичной, чтобы обеспечить возможность разделения цепей измерения и защиты или подключения к различным типам защитных устройств. Например, одну вторичную обмотку можно использовать для защиты от перегрузки по току ветки, вторую обмотку можно использовать в схеме дифференциальной защиты шины, а третью обмотку использовать для измерения мощности и тока. [1]
Специально сконструированные широкополосные трансформаторы тока также используются (обычно с осциллографом ) для измерения сигналов высокой частоты или импульсных токов в импульсных энергосистемах. В отличие от трансформаторов тока, используемых в силовых цепях, выходной ток широкополосных трансформаторов измеряется в вольтах на ампер первичного тока.
Если сопротивление нагрузки намного меньше индуктивного сопротивления вторичной обмотки на частоте измерения, то ток во вторичной обмотке следует за первичным током, и трансформатор обеспечивает выходной ток, пропорциональный измеренному току. С другой стороны, если это условие неверно, то трансформатор является индуктивным и дает дифференциальный выходной сигнал. Катушка Роговского использует этот эффект и требует внешнего интегратора для обеспечения выходного напряжения, пропорционального измеряемому току.
В конечном итоге, в зависимости от требований клиента, существует два основных стандарта, в соответствии с которыми проектируются трансформаторы тока. IEC 61869-1 (ранее IEC 60044-1) и IEEE C57.13 (ANSI), хотя также признаются канадские и австралийские стандарты. [1] [5]
Трансформаторы тока используются для защиты, измерения и управления на высоковольтных электрических подстанциях и в электрических сетях . Трансформаторы тока могут устанавливаться внутри распределительных устройств или во вводах аппаратов, но очень часто используются отдельно стоящие трансформаторы тока для наружной установки. На распределительных устройствах значительная часть корпуса емкостных трансформаторов тока находится под напряжением сети и должна быть установлена на изоляторах. Трансформаторы тока с баком изолируют измеряемую цепь от корпуса. Резервные трансформаторы тока 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 под напряжением не подвергается воздействию тепла первичных проводников, срок службы изоляции и термическая стабильность улучшаются. [1]
Трансформатор тока высокого напряжения может содержать несколько сердечников, каждый из которых имеет вторичную обмотку, различного назначения (например, цепи измерения, управления или защиты). [6] Трансформатор тока нейтрали используется в качестве защиты от замыканий на землю для измерения любого тока повреждения, протекающего через нейтральную линию от нейтральной точки трансформатора со звездой.
