Трансформатор тока

Трансформатор тока — это измерительный трансформатор, предназначенный для преобразования тока первичной цепи (обычно высокого напряжения или большой величины) в ток вторичной цепи, пропорциональный первичному, с целью его измерения, учёта или защиты. Трансформаторы тока широко применяются в электроэнергетике, промышленности и системах релейной защиты для гальванической развязки цепей измерения и управления от высоковольтных цепей, а также для стандартизации измеряемых токов (обычно до 1 А или 5 А).

История

Развитие трансформаторов тока тесно связано с развитием электрических сетей переменного тока. В конце XIX века, с ростом напряжения и мощности линий электропередачи, возникла необходимость в безопасном измерении больших токов. Первые устройства, использующие принцип электромагнитной индукции для измерения тока, были предложены в 1880-х годах. В 1884 году американский изобретатель Чарльз Парсонс запатентовал конструкцию, близкую к современным трансформаторам тока. В России первые образцы появились в начале XX века, а массовое производство началось в 1930-х годах на заводе «Электроаппарат» (Ленинград). С тех пор конструкция совершенствовалась: появились литые изоляционные корпуса, тороидальные сердечники, а в конце XX века — оптоволоконные и электронные трансформаторы тока (без магнитного сердечника).

Принцип действия

Трансформатор тока работает по закону электромагнитной индукции. Первичная обмотка включается последовательно в цепь с измеряемым током (I1). Вторичная обмотка замкнута на нагрузку (измерительный прибор, реле или счётчик). Магнитный поток, создаваемый первичным током в сердечнике, индуцирует во вторичной обмотке ЭДС, под действием которой протекает вторичный ток (I2). Коэффициент трансформации (Kт) определяется отношением числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной: Kт = I1 / I2 ≈ N2 / N1. Важнейшая особенность: трансформатор тока должен работать в режиме, близком к короткому замыканию вторичной обмотки (нагрузка — низкоомная). Размыкание вторичной цепи при наличии тока в первичной приводит к резкому возрастанию напряжения на вторичной обмотке (до нескольких киловольт), что опасно для жизни и может повредить изоляцию.

Классификация

Трансформаторы тока классифицируются по нескольким признакам.

По назначению

• Измерительные — для питания измерительных приборов (амперметров, счётчиков электроэнергии, ваттметров). Обеспечивают класс точности 0,2; 0,5; 1,0.
• Защитные — для питания релейной защиты и автоматики. Имеют класс точности 5P, 10P, 5PR, 10PR (P — protection). Характеризуются допустимой погрешностью при токах короткого замыкания.
• Лабораторные — для точных измерений в исследовательских целях (класс 0,1; 0,05).
• Промежуточные — служат для согласования параметров в цепях защиты и автоматики.

По конструкции

• Опорные — устанавливаются на опорной изоляции (например, на подстанциях).
• Проходные — встраиваются в проём стены или щита, служат одновременно изолятором.
• Встроенные — монтируются непосредственно в силовые трансформаторы, выключатели или генераторы.
• Тороидальные (катушечные) — имеют кольцевой сердечник, через который пропускается шина или кабель (первичная обмотка — один виток).
• Шинные — первичной обмоткой служит шина распределительного устройства.
• Разъёмные (пояс Роговского) — без сердечника, измеряют ток по напряжению, индуцированному в катушке.

По роду установки

• Для внутренней установки — в сухих помещениях.
• Для наружной установки — с усиленной изоляцией, рассчитаны на атмосферные воздействия.

По напряжению

• Низковольтные (до 1000 В).
• Высоковольтные (6, 10, 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ и выше).

Устройство и основные элементы

Конструктивно трансформатор тока состоит из:

• Магнитопровода (сердечника) — выполняется из электротехнической стали (ленточный или пластинчатый) для уменьшения потерь на вихревые токи. Для высокочастотных или импульсных трансформаторов применяют ферриты.
• Первичной обмотки — может быть многовитковой (катушка) или одновитковой (шина, стержень). Изолируется от сердечника и вторичной обмотки.
• Вторичной обмотки — наматывается на сердечник, изолируется, имеет выводы для подключения нагрузки.
• Изоляции — фарфоровая, бумажно-масляная, эпоксидная (литая), резиновая или кремнийорганическая. Для высоковольтных трансформаторов применяют маслонаполненную или газонаполненную изоляцию.
• Корпуса — герметичного исполнения для наружной установки, из алюминия или пластика.
• Выводов — первичные (Л1, Л2) и вторичные (И1, И2) для подключения цепей.

Характеристики и параметры

Основные параметры трансформатора тока:

• Номинальный первичный ток (I1ном) — стандартный ряд: 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 600, 800, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000, 10000 А и выше.
• Номинальный вторичный ток (I2ном) — обычно 1 А или 5 А.
• Коэффициент трансформации — отношение I1ном / I2ном.
• Класс точности — максимальная погрешность при номинальном токе (0,2; 0,5; 1,0; 3,0; 5P; 10P).
• Номинальная вторичная нагрузка (Sном) — мощность, которую может отдать трансформатор в нагрузку (обычно в ВА). Стандартные значения: 5, 10, 15, 20, 30, 50, 100 ВА.
• Предельная кратность тока (Kmax) — отношение максимального тока, при котором погрешность не превышает 10 %, к номинальному первичному току (для защитных трансформаторов).
• Ток термической стойкости — значение тока, который трансформатор выдерживает в течение 1 секунды без повреждения.
• Ток динамической стойкости — амплитудное значение тока, которое выдерживает конструкция без механических повреждений.

Применение

Трансформаторы тока используются в следующих областях:

• Учёт электроэнергии — совместно со счётчиками (электромеханическими или электронными) для коммерческого и технического учёта.
• Измерение тока — в цепях переменного тока с помощью амперметров, токовых клещей.
• Релейная защита — питание токовых реле (максимальная токовая защита, дифференциальная защита, токовая отсечка) в системах автоматики подстанций и электростанций.
• Автоматика и управление — в цепях управления выключателями, регуляторами напряжения, в системах АСУ ТП.
• Научные исследования — в лабораторных установках для измерения больших токов с высокой точностью.
• Электронные преобразователи — в современных цифровых подстанциях (IEC 61850) используются оптические трансформаторы тока (ОТТ) на эффекте Фарадея.

Особенности эксплуатации

При эксплуатации трансформаторов тока необходимо соблюдать следующие правила:

• Вторичная обмотка всегда должна быть замкнута на нагрузку (или замкнута накоротко) при наличии тока в первичной цепи. Размыкание вторичной цепи запрещено.
• Перед отключением нагрузки (например, счётчика) необходимо закоротить вторичные выводы специальным переключателем или закороткой.
• При монтаже высоковольтных трансформаторов тока необходимо заземлять корпус и вторичные цепи (для защиты от пробоя изоляции).
• Выбор класса точности и номинальной нагрузки должен соответствовать требованиям измеряемой цепи (например, для коммерческого учёта — класс 0,5).
• При длительной работе с током, превышающим номинальный, возможен перегрев и выход из строя.

Критика и ограничения

Традиционные электромагнитные трансформаторы тока имеют ряд недостатков:

• Насыщение сердечника — при больших токах короткого замыкания (КЗ) сердечник входит в насыщение, что приводит к искажению формы вторичного тока и ошибкам в работе защиты. Для борьбы с этим применяют трансформаторы с зазором (класс 5PR, 10PR) или с увеличенным сечением.
• Габариты и масса — для высоковольтных и мощных цепей трансформаторы становятся громоздкими (например, на 500 кВ — масса до нескольких тонн).
• Погрешности — при малых токах (менее 5 % от номинала) погрешность возрастает, что ограничивает диапазон измерений.
• Безопасность — опасность разрыва вторичной цепи.

В качестве альтернативы разрабатываются оптоволоконные трансформаторы тока (на эффекте Фарадея), которые лишены большинства этих недостатков, но пока дороги и менее распространены.

Интересные факты

• Первый в мире трансформатор тока для наружной установки на напряжение 110 кВ был изготовлен в СССР в 1939 году на заводе «Электроаппарат».
• В современных цифровых подстанциях (например, в России — ПС 500 кВ «Западная» в Ленинградской области) используются оптические трансформаторы тока, которые не содержат масла и не требуют обслуживания.
• Трансформаторы тока класса 0,2S (сверхточные) применяются для эталонных измерений и поверки счётчиков.
• В бытовых электросчётчиках часто используются трансформаторы тока малой мощности (до 100 А) с литой изоляцией.

Источники

• ГОСТ 7746-2015 «Трансформаторы тока. Общие технические условия».
• Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание.
• А. И. Гольдберг, А. А. Гольдберг. «Трансформаторы тока и напряжения». — М.: Энергоатомиздат, 1985.
• В. В. Алексеев, В. Ф. Дмитриев. «Релейная защита и автоматика электроэнергетических систем». — М.: Энергия, 2010.
• Материалы сайта «Электрические сети» (элек.ру).