В силовых электрических сетях с напряжением 380 Вольт и высокими значениями тока, согласно требованиям Правил устройства электроустановок (ПУЭ), применяется специальное преобразовательное оборудование — трансформатор тока (ТТ). Его ключевая задача — пропорциональное снижение величины измеряемого тока до безопасного и удобного для измерений значения. Для эффективного использования и выбора таких устройств необходимо разобраться в их принципе действия, внутреннем устройстве и основных характеристиках.
Конструкция и принцип действия
Основу конструкции любого трансформатора тока составляют три ключевых элемента:
- Магнитопровод (сердечник): замкнутый сердечник, собранный из листов электротехнической стали, предназначенный для концентрации и передачи магнитного потока.
- Первичная обмотка: включается последовательно (в разрыв) в контролируемую силовую цепь. Через неё протекает полный ток нагрузки этой цепи.
- Вторичная обмотка: нагружается на измерительные приборы (амперметры, счётчики), реле защиты или устройства автоматики. Именно в ней формируется пропорционально уменьшенный ток.
Принцип работы основан на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток в первичной обмотке создаёт переменный магнитный поток в сердечнике. Этот поток, в свою очередь, наводит электродвижущую силу (ЭДС) во вторичной обмотке. За счёт разницы в количестве витков между обмотками (коэффициента трансформации) ток во вторичной цепи оказывается во много раз меньше первичного. Поскольку сопротивление нагрузки, подключаемой ко вторичной обмотке (измерительные приборы), невелико, трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию.
Современные ТТ часто имеют несколько независимых вторичных обмоток, что позволяет одновременно подключать разные устройства:
- Средства защиты (реле тока, напряжения, дифференциальной защиты).
- Приборы учёта и контроля электроэнергии (счётчики, ваттметры).
- Сигнальную и диагностическую аппаратуру.
Важно отметить, что трансформаторы тока принципиально отличаются от трансформаторов напряжения. Основная функция ТТ — преобразование тока для измерений и защиты, при этом его вторичная обмотка никогда не должна оставаться разомкнутой (это опасно и может вывести устройство из строя). Трансформаторы напряжения же предназначены для преобразования уровня напряжения и работают в режиме, близком к холостому ходу.
Классификация и виды трансформаторов тока
Для правильного выбора и применения трансформаторов тока используется их классификация по нескольким ключевым признакам:
- По назначению: измерительные (для подключения приборов), защитные (для цепей релейной защиты), лабораторные (высокой точности) и промежуточные (для выравнивания токов в схемах дифференциальной защиты или изоляции цепей).
- По способу установки: для наружного монтажа (ОРУ), для внутреннего монтажа (ЗРУ), встроенные (в силовые трансформаторы, выключатели), накладные (на проходные изоляторы) и переносные (для испытаний).
- По конструкции первичной обмотки: одновитковые (стержневые), многовитковые и шинные (где роль первичной обмотки играет сама шина распределительного устройства).
- По номинальному напряжению: для сетей до 1000 В (низковольтные) и выше 1000 В (высоковольтные).
- По типу изоляции: с сухой изоляцией (литая эпоксидная смола, фарфор), с бумажно-масляной изоляцией, с конденсаторной изоляцией и с компаундной заливкой.
- По числу ступеней трансформации: одноступенчатые и каскадные (двухступенчатые).
Типовые схемы подключения
Первичная обмотка ТТ всегда включается последовательно в контролируемую фазу. Схемы же соединения вторичных обмоток могут различаться в зависимости от решаемых задач:
- «Полная звезда»: применяется для трёхфазных цепей, когда необходим контроль тока в каждой из фаз. Позволяет измерять фазные токи и ток нулевой последовательности.
- «Неполная звезда»: используется, когда достаточно контролировать токи только в двух фазах (например, для защиты от междуфазных КЗ). Часто применяется на отходящих линиях 6-10 кВ для экономии оборудования.
- Схема включения на сумму токов фаз (фильтр токов нулевой последовательности): вторичные обмотки трёх фазных ТТ соединяются параллельно, а к общей точке подключается реле. В нормальном режиме сумма токов близка к нулю. При однофазном замыкании на землю возникает ток небаланса, который и фиксирует реле.
Выбор схемы определяется требованиями к защите, измерениям и экономической целесообразностью.
Основные технические параметры и характеристики
При выборе и эксплуатации трансформатора тока руководствуются его паспортными данными и следующими ключевыми параметрами:
- Номинальное напряжение: максимальное рабочее напряжение сети, в которую может быть установлен ТТ (от 0.66 кВ до 1150 кВ).
- Номинальный первичный и вторичный ток: I1ном (от 1 до 40000 А) и I2ном (стандартно 1 А или 5 А).
- Коэффициент трансформации (KI): отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному (например, 100/5 А).
- Класс точности: определяет допустимую погрешность измерений (например, 0.5S, 10P). Для учёта электроэнергии требуются высокие классы точности (0.5S, 0.2S), для защиты — более низкие (10P).
- Номинальная нагрузка (мощность) во вторичной цепи (S2ном): измеряется в Вольт-Амперах (ВА) и указывает, какую нагрузку можно подключить к ТТ, не выходя за пределы заданного класса точности.
- Предельная кратность: отношение максимального первичного тока (при котором погрешность не превышает 10%) к номинальному. Важный параметр для защитных ТТ, характеризующий их работу в аварийных режимах.
Погрешности трансформаторов тока
Работа ТТ сопровождается погрешностями, которые нормируются стандартами (например, ГОСТ 7746):
- Токовая погрешность (ΔI%): показывает, насколько отличается приведённый ко вторичной цепи ток от фактического первичного тока.
- Угловая погрешность (δ): характеризует сдвиг по фазе между векторами первичного и вторичного токов. Критична для корректной работы ваттметров, счётчиков и дифференциальных защит.
- Полная погрешность: комплексный показатель, учитывающий обе составляющие. Особенно важна для защитных ТТ в условиях больших токов короткого замыкания.
Таким образом, трансформаторы тока являются незаменимыми устройствами в электроэнергетике, обеспечивающими безопасность, контроль и точный учёт электроэнергии в сетях различного напряжения. Их правильный выбор, монтаж и эксплуатация — залог надёжной работы всей энергосистемы.
