Трансформатор струму: принцип роботи для вимірювання параметрів електромереж

Трансформатори струму (далі по тексту – ТТ) відносяться до категорії пристроїв, що перетворюють параметри електромагнітних систем за допомогою індуктивно пов’язаних обмоток магнитопроводов. Принцип дії трансформатора струму, заснований на законі електромагнітної індукції, використовується в ТТ при передачі і розподілі електричної енергії, в розв’язках електричних ланцюгів, при вимірюванні параметрів високовольтних мереж і струмів великої потужності. На рис. нижче показаний трансформатор струму моделі ТЛМ-10, який використовується в системах управління і вимірів електричних ланцюгів з номінальною напругою 10 кВ.

Трансформатор струму моделі ТЛМ-10

Індуктивні зв’язку в ТТ

Принцип роботи трансформатора струму являє собою технічну реалізацію закону електромагнітної індукції Фарадея, згідно з яким в замкнутому токопроводящем контурі при зміні магнітного потоку виникає електрорушійна сила, яка називається в сучасній електродинаміки індукованої ЕРС. Найпростішим поясненням для «чайників», слабо представляють, з чого складається трансформатор, які не знають його пристрій або що таке индуцированная ЕРС, і як вона може впливати на роботу найскладніших трансформаторних систем, послужить схема індуктивних зв’язків трансформатора, наведена нижче.

Додаткова інформація. Індуктивними зв’язками називають зв’язку між електричними ланцюгами за допомогою магнітних полів.

Схема індуктивних зв’язків трансформатора

На схемі показані три основних елементи трансформатора:

  • поз. 1 – магнітопровід, службовець для розміщення струмопровідних контурів-обмоток;
  • поз. 2 – первинний контур, званий первинної обмоткою, до якого підводять електроенергію змінного струму;
  • поз. 3 – вторинний контур, званий вторинною обмоткою. До нього підключається приймач електроенергії.

При подачі на первинний контур змінного струму напругою u1 через первинну обмотку починає проходити змінний струм I1, що створює магнітний потік Ф, що змінюється за такою ж синусоїдальної гармоніці. При цьому в обмотці первинного контуру індукується змінна ЕРС (електрорушійна сила) e1. Контури трансформатора знаходяться в індуктивного зв’язку, оскільки через їх обмотки проходить єдиний потік Ф. Відповідно, зміни магнітного поля в первинному контурі будуть змінювати магнітний потік, а він, у свою чергу, буде індукувати у вторинному контурі електрорушійну силу e2, що змінюється в тій же гармоніці . Під впливом e2 у вторинному контурі виникає змінний струм I2. При замиканні вторинної обмотки на навантаження Zн створюється вторинна ланцюг, яка може служити для застосування в приймачах енергії, в випрямлячах, підсилювачах і інших приладах з розв’язаними електричними ланцюгами.

За своєю суттю трансформатор є передавачем енергії між провідними контурами, перетворюючи їх електромагнітні характеристики (лат. Transformare означає перетворювати) в силу струму I, опір R і напруга U. У відповідності зі сформованою термінологією дротові або стрічкові ізольовані проводять обмотки, намотані на магнітопровід з феромагнітних сталей, називають котушками, а сам муздрамтеатр – сердечником котушки.

Це важливо! Передачу енергії шляхом створення ЕРС в контурах і трансформацію її характеристик можливо здійснювати лише для змінного струму. Постійний струм також формують магнітне поле, проте воно є постійним і незмінним, тоді як ЕРС в обмотках котушок трансформатора утворюється тільки при зміні навколишнього магнітного поля.

На рис. нижче показана конструкція традиційного трансформатора, що складається з двох котушок і сердечника, зібраного з сталевих пластин.

Конструкція традиційного трансформатора

Особливості трансформації енергії для ТТ

Для чого потрібен трансформатор, в чому полягає його практичне призначення? Навіщо трансформаторні пристрої присутні у всіх електричних системах? На всі питання відповідь одна – в практиці експлуатації електричних мереж трансформатори виконують найважливішу функцію зміни величини струму або напруги, поданого від генератора змінного струму, для подальшого використання в промисловому електрообладнанні і побутової техніки. Дане перетворення називають масштабуванням, оскільки самі трансформаторні пристрої енергію не створюють і не перетворюють, а всього лише збільшують або зменшують показники системи змінного струму. Для кількісної оцінки зміни перетвореного параметра мережі – струму або напруги, введено поняття коефіцієнта трансформації K, що показує, у скільки разів відрізняються значення цього параметра на вході і виході. Для напруги коефіцієнт трансформації визначається по співвідношенню KU = U2 / U1, для струму – за формулою:

KI = I2 / I1.

Якщо величини напруги або струму на виході перевищують одиницю (K> 1), трансформатор називається що підвищує. при К<1 трансформатор – понижающего типа. Для идеального трансформатора напряжения с неизменяющейся индуктивной связью между первичным и вторичным контурами коэффициент трансформации согласуется с количеством витков W обмоточного провода на катушках по прямой пропорциональной зависимости:

KU = W2 / W1 = U2 / U1

У цій формулі W2 і W1 вказують кількість витків на котушках.

Якщо розглядати трансформатори струму, призначення і принцип дії цих приладів, то для них дотримується пропорційність первинного і вторинного струму:

I1 = I2 / KI або I2 = I1 * KI.

Функціональне призначення трансформаторів струму полягає в зниженні вторинного струму до величини, яка гарантує безаварійну експлуатацію електрообладнання та безпеку персоналу, тобто канонічний коефіцієнт трансформації за струмом завжди менше одиниці. Для розрахунку ТТ зручніше користуватися номінальним коефіцієнтом трансформації, який визначається як відношення значення номінального I1 до номінального I2. В цьому випадку До більше одиниці.

Величину номінального вторинного струму I2н вказують в паспорті кожного конкретного ТТ в якості одного з параметрів вироби. Значення I2н становить 1А або 5А. Для номінального первинного струму I1н встановлений стандартний числовий ряд значень від 1А до 40 000А.

Номінальний коефіцієнт трансформації ТТ визначають як відношення I1н до I2н і позначають шляхом вказівки обох параметрів, наприклад:

  • 150/5;
  • 1000/5 або
  • 600/1.

На рис. нижче показаний ТТ типу Т-0,66 з коефіцієнтом трансформації 75/5 А.

ТТ типу Т-0,66

Особливості конструкції ТТ

Трансформатори напруги, за аналогією з ТТ, виконують функцію зміни іншого параметра електричної мережі – напруги. Однак, при зіставленні, чим відрізняється трансформатор струму від трансформатора напруги (далі – ТН), стає очевидним різне призначення трансформаторів струму і напруги:

  1. ТТ зменшують величину струму до показників, що допускають безпечне підключення вимірювальної апаратури або систем релейного захисту;
  2. Трансформатори напруги змінюють напругу з метою підгонки певної електричної системи під потрібні стандарти. Змінюючи параметри напруги, встановлені для універсальної електричної мережі (наприклад, трифазні 220 і 380 В), за допомогою ТН можна підключати будь-промислової обладнання та побутову техніку.

ТТ має істотну відмінність від пристрою ТН, оскільки закладений в трансформатор струму принцип роботи вносить свої особливості в конструкцію основних елементів ТТ і приладу в цілому. До числа основних особливостей ТТ відносять:

  • виконання первинної обмотки просто у вигляді одиночної товстої шини з метою мінімізації кількості витків;
  • намотування дроту вторинної обмотки на сердечник великої площі перетину;
  • струм у вторинному контурі ТТ дорівнює 5А і рідше 1А.

Вимірювальні ТТ і ТН

Трансформаторні пристрої, регулюючи величини напруги і струму, забезпечують стабільність енергетичної системи. Крім подачі електроживлення необхідних параметрів на прилади та обладнання, трансформатори «допомагають» проводити вимірювання параметрів мережі з великими значеннями напруги і струму для визначення з високою точністю їх номінальних показників. Призначення вимірювальних трансформаторів полягає в наступному:

  • відділення ланцюга вимірювальних пристроїв (амперметрів, вольтметрів, електролічильників та інших приладів) або систем релейного захисту від мережі з високою напругою або струмом;
  • перетворення високовольтної напруги або потужного струму до величин, зручних для вимірів стандартними приладами;
  • отримання максимально точного правильного результату вимірювань.

Вимірювальні трансформатори струму і напруги вважаються допоміжними приладами і використовуються спільно із засобами вимірювання і реле в мережах змінного струму. Якщо неможливо безпосередньо підключитися вимірювальними приладами в високовольтну мережу, то тут буде потрібен трансформатор струму. Засоби вимірювання підключаються до його вторинної обмотці і отримують всі необхідні дані по заміряти параметру.

На рис. нижче показаний вимірювальний трансформатор струму моделі ТПЛ-СЕЩ 10 кВ номінальною напругою 10 кВ, який призначений для роботи з номінальним первинним струмом в діапазоні від 10 до 2000 А при номінальному вторинному струмі в 5 А.

Вимірювальний трансформатор струму ТПЛ-СЕЩ 10 кВ

Область застосування ТТ

Весь перелік прикладних задач, який вказує, для чого потрібні трансформатори струму, можна звести до двох основних напрямів:

  1. Вимірювання параметрів мережі за допомогою доступних дешевих вимірювальних приладів, розрахованих на малий струм (до 5 А) і низьковольтне напруга. Тим самим забезпечується безпечне обслуговування вимірювальної апаратури;
  2. Контроль параметрів електроструму по всьому ланцюгу, в якій встановлені ТТ. При досягненні струмом граничного (аварійного) значення спрацьовує апаратура захисту, яка відключає яке експлуатується обладнання.

Це важливо! Установка трансформаторів струму в контрольованих ланцюгах дозволяє концентрувати вимірювальну апаратуру на спеціальних щитах або в складі пультів управління. Правильно виконаний монтаж трансформаторів струму дає можливість розміщення вимірювальних приладів на безпечну відстань від комутацій ланцюга і дистанційно керувати роботою електрообладнання в автоматичному режимі.

Класи точності ТТ

Для ТТ визначені п’ять класів точності, що характеризують у відсотках допустиму похибку по току при його номінальних значеннях:

  • клас точності 0,2 обмежує похибка ТТ в межах 0,2% і застосуємо для трансформаторних пристроїв, що використовуються в лабораторних вимірах;
  • клас точності 0,5 допустимо для ТТ, які обслуговують апаратуру точної захисту і обладнання високоточної налагодження;
  • клас 1 – для ланцюгів промислового обладнання з підключенням вольтметрів, амперметрів і пристроїв релейного захисту;
  • класи 3 і 10 – промислові установки, релейні захисту.

Використання ТТ для локальних вимірів в енергетичних системах і в комплексі з сучасними системами вимірювань і контролю дозволяє значно підвищувати ресурс безаварійної експлуатації промислового електрообладнання та складної побутової техніки. Впровадження ТТ в автоматизовані системи управління електричними мережами позитивно впливає на зниження втрат електроенергії в періоди щоденних пікових навантажень і ставить бар’єри для прямих розкрадань електричної енергії.

На рис. нижче показано підключення лічильника електроенергії через трансформатор струму.

Підключення лічильника електроенергії через трансформатор струму

Відео

Ссылка на основную публикацию