Схема трансформатора тока

Схема трансформатора тока

Иногда нужно узнать – какой ток течет в электрической цепи. Если ток небольшой, для этого можно использовать простой резистор. Если-же ток достигает неприличных величин (к примеру, как в трансформаторах Тесла), приходится искать другие методы измерения. Один из таких методов – использование трансформатора тока.

Что это такое?

Трансформатор тока, для краткости будем называть его ТТ, используется повсеместно. К примеру, в электросчетчиках и на подстанциях. Мы-же будем рассматривать то, как его можно использовать для измерения тока в импульсных источниках питания – сварочных аппаратах, трансформаторах Тесла итп. Стоит сразу обратить внимание, что с помощью ТТ можно измерять только переменный ток, но никак не постоянный!

Итак, ТТ позволяет нам измерять очень большой ток. Чем-же ТТ отличается от обычного трансформатора? А вот ничем! Название придумали из-за области применения и характерной конструкции – катушка на тороидальном сердечнике, через которую пропущен провод.

ТТ преобразует проходящий через него ток в пропорциональное напряжение. К примеру, если через трансформатор проходит 100А, то он выдает 1В, а если проходит 200А, то на выходе мы получим 2В.

Основные соотношения

Проделав нехитрые математические выкладки, можно убедиться, что для токов в обмотках ТТ с очень большим коэффициентом трансформации по напряжению и с короткозамкнутой вторичной обмоткой действует такой закон для тока в обмотках:

Для того, чтобы преобразовать ток в напряжение, используют обычный резистор. Типичная схема включения ТТ:

Напряжение, падающее на резисторе R, согласно закону Ома, равно E=IR. Таким образом, зависимость выходного напряжения ТТ от тока определяется простым выражением:

К примеру, рассмотрим трансформатор Тесла, где через ТТ течет ток в 500А. Если у нас 1 виток в первичной обмотке ( да, просто пропущенный через кольцо провод считается за один виток), а во вторичной обмотке — 1000 витков, то ток во вторичной обмотке окажется равным 0.5А. Если мы возьмем сопротивление R1 = 2ом, то при полном токе на нем будет падать 1вольт.

Применения

Раз мы уже знаем, что такое токовый трансформатор, давайте подумаем куда его можно всунуть. Кроме того, что можно измерять большие токи, можно еще строить автогенераторы с обратной связью по току. Практически все DRSSTC являются именно такими. Можно также организовывать защиту от превышения тока, без такой защиты большинство импульсных блоков питания являются ”живыми мертвецами”.

Запаздывание по фазе

Для автогенераторного применения важна еще одна характеристика ТТ – задержка сигнала.

Запаздывание сигнала может произойти из-за таких факторов

Для анализа обоих этих ситуация, я набросал простую модель в SWCad’е.

Для предыдущего примера с трансформатором Тесла, возьмем сердечник R25.3 из материала N87 фирмы Epcos. В качестве паразитной емкости, возьмем 1нФ. Не спрашивайте, откуда такая емкость. Мне она кажется значительно большей, чем может возникнуть в любой реальной ситуации. Модель выглядит так:

Результаты симуляции при к. связи = 1

Как видно, отличаются только амплитуды. Сигнала. Никакого запаздывания нет в обоих случаях. Такое поведение сохраняется вплоть до очень высоких частот и до очень маленьких коэффициентов связи. Таким образом, можно сделать вывод, что фаза сигнала практически не зависит от паразитных параметров.

Каскадирование токовых трансформаторов

Люди всегда были ленивыми. Некоторым лениво встать из-за компа, а некоторым – мотать тысячи витков в ТТ. Поэтому придумали соединять трансформаторы последовательно. Решение спорное, и поэтому попробуем его проанализировать при помощи того-же симулятора. Включим последовательно два трансформатора на том-же сердечнике с обмоткой по 33 витка на каждом. Замечу, что паразитная емкость в каждом из трансформаторов сильно уменьшилась, что не удивительно.

Результаты симуляции очень похожи на одиночный трансформатор. Никакого запаздывания нет. Только амплитуда становится немного менее предсказуемая – она определяется произведением коэффициентов связи в обоих трансформаторах.

Вывод – в подавляющем большинстве случаев можно применять несколько ТТ, включенных последовательно.

Прямоугольный выходной сигнал

Часто необходимо получить прямоугольный выходной сигнал из синусоиды, выдаваемой ТТ. Конечно, это можно сделать с помощью компаратора, однако быстродействующие компараторы дороги и требуют особых навыков от разработчика. Проще собрать следующую, уже почти ставшую стандартом, схему:

Для чего такие сложности? Стабилитроны – очень медленные устройства. Для повышения быстродействия ограничителя, к ним добавлены диоды Шоттки. Когда напряжение меняет полярность – диоды Шоттки быстро закрываются и не дают стабилитронам испортить сигнал. Такой ограничитель выдает сигнал +-5 вольт. Замечу, что сигнал нужно обязательно ограничивать симметрично, иначе произойдет сдвиг фазы.

Далее идет диодная “вилка” которая защищает вход последующей микросхемы от пробоя отрицательным напряжением.

Диодную вилку нельзя поставить сразу после ТТ, потому, как выбросы из силовой части преобразователя попадут в чувствительные цепи управляющей электроники.

Конструкция

Заметьте, что ТТ работает как источник тока, и чем больше витков вы намотаете, тем ближе ТТ будет к идеальному источнику тока и тем точнее будут показания. Также, чем больше витков, тем меньше ток течет через резистор, а значит, уменьшается рассеиваемая на нем мощность. Именно предельная мощность на резисторе обычно является определяющим факторов для количества витков в любительских конструкциях.

Для того, чтобы сделать коэффициент трансформации побольше, первичную обмотку обычно делают всего из одного витка, а во вторичной мотают порядка тысяч.

Проблема насыщения сердечника очень редко проявляется в токовых трансформаторах. Что такое насыщение и как с ним бороться, можно прочитать в статье о GDT.

Чем больше проницаемость сердечника, тем больше к. связи и точнее показания, однако больше становится и паразитная индуктивность, добавляемая в измеряемые цепи. Это часто нежелательно. На практике, в качестве сердечника для ТТ может использоваться практически любой феррит, работающий на необходимой частоте. Для низкочастотных применений используют обычное трансформаторное железо.

В качестве проволоки для вторичной обмотки стоит выбирать проволоку с наибольшим возможным сечением – так уменьшается погрешность измерения.

Промышленные ТТ

Естественно, промышленность выпускает громаднейший ассортимент токовых трансформаторов. Они хорошо настроены и могут быть использованы для точных измерений. Естественно, есть проблемы с доставабельностью в неэпических количествах. К примеру, в киеве, несколько ТТ я видел в магазине “радиомаг”

Еще почитать

К моему удивлению, материалов по ТТ очень мало. Но википедия, все-же, знает, что это такое.

Привенение ТТ в электросчетчиках. Там-же описывается немного теории.

Назначение и конструктивные особенности

В свою очередь, трансформатор тока — это устройство работающее по принципу электромагнитной индукции и служащее для измерения тока в цепях высокого напряжения, а также для организации систем защиты электрооборудования. То есть для того чтобы измерять ток в цепях с опасным высоким напряжением, например, 6 кВ, нельзя амперметром просто произвести замер, это очень опасно как для персонала, так и для самого прибора. Поэтому основная задача трансформаторов тока — это разделение высоковольтных токонесущих частей и преобразование энергии которая безопасна и для персонала, и для оборудования. Трансформаторы тока (ТТ) широко применяются в релейных защитах на подстанциях и распределительных устройствах. Поэтому к их точности и подключению предъявляются высокие требования. Зачастую первичной обмоткой его служит любая токопроводящая шина или жила кабеля, вторичная обмотка выполняется одиночная или групповая, с несколькими выводами для цепей защиты, контроля и измерения. Также, через трансформаторы тока подключаются и элементы учёта — счётчики электроэнергии.

То есть по назначению трансформаторы тока можно разделить на четыре основные группы:

1. измерительные;
2. защитные;
3. промежуточные;
4. лабораторные.

Одним из видов переносного устройства являются измерительные клещи. Ими очень легко можно измерять токи в цепях до 1 кВ. Правда, и по току их диапазон измерения очень небольшой, нагрузки в 1000 Ампер им будет измерять проблематично.

Монтаж однофазного прибора

Автоматический выключатель слева , УЗО и дифференциальный автомат Подключить УЗО и автомат не сложнее, чем установить счетчик, но некоторые вопросы все же требуют разъяснения. Если, к примеру, розетки и освещение заведены на разные автоматы, то при коротком замыкании, скажем, в электроплитке сработает лишь автомат, отвечающий за розетки.

Монтаж однофазного прибора Проводник силовой цепи работает в качестве первичной обвивки в однофазных трансформаторах, номинальное значение силы тока достигает и более ампер. Кроме всего прочего, обязательно присутствует замыкание на вторичную обмотку на разные, подключенные друг за другом приборы. Разрыв вторичной цепи вызывает потерю компенсирующего действия электромагнитной индукции от тока, проходящего по вторичным виткам.

Правильное распределение контактов и чередование фазных зажимов А, В и С контролируется фазометром.

Для вторичных цепей используется проводник, поперечное сечение которого должно быть не ниже 2,5 мм2. Другие системы подсоединения Упрощенной схемой считается подключение по типу конфигурации звезды. Видите, очень выгодно.

Рассмотрим некоторые особенности измерительных приборов. Другое дело, что автоматом можно обесточить линию, расположенную за ним, вручную.

Подключение трансформатора тока к счетчику

Если в вашем доме стоит очень мощное оборудование, а потребляемый им ток имеет большие значения, то подобрать подходящий электросчетчик не удастся — счетчиков для таких мощностей просто не существует в природе. На подвижный диск из алюминия воздействует электромагнитное поле, заставляя его вращаться. Как быть, если в вашем доме однофазная сеть, но ток потребления слишком велик для электросчетчика?

Если значение тока не превышает ти Ампер, что случается крайне редко, допускается прямое подсоединение счетчика в контролируемую цепь. При такой схеме подключения одна сторона вторичных обмоток измерительных трансформаторов соединяется между собой перемычками и объединяется с нейтралью.

То есть ток, который прибор может не только посчитать, но и долговременно через себя пропускать. Подключение Л1, Л2 осуществляется кабелем, рассчитанным на соответствующие нагрузки.
Установка и схема подключения трехфазного счетчика через трансформаторы тока

Симметричная нагрузка при трехфазном КЗ.

Двухфазное КЗ Двухфазно КЗ АВ или ВС
При разных видах КЗ, ток в реле и его чувствительность будут разными. Ток в реле будет равен нулю во время однофазного КЗ фазы В. Эту схему можно применять, тогда, когда не требуется действий трансформатора для защиты от разных междуфазных КЗ с соединением обмоток Y/* – 11 группа, и когда эта защита обеспечивает необходимую чувствительность.

Классификация приборов

Все разновидности агрегатов классифицируются в зависимости от конструкции и того, какими техническими показателями обладают. Кроме измерительных и защитных трансформаторов, бывают промежуточные виды этих преобразователей. В этом случае прибор подключается для проведения измерения в цепь релейной защиты.

Выделяются лабораторные виды преобразователей, которые обладают повышенной точностью измерения и множеством коэффициентов трансформации. Токовые трансформаторы подразделяются:

1. По способу установки — преобразователь предназначен для наружного и внутреннего монтажа. Компактные модели могут быть переносными или встраиваются в машины и электрические аппараты. Наружный и внутренний монтаж подразумевает проходной или опорный способ установки.
2. В зависимости от типа первичной обмотки — оборудование подразделяется на одновитковые, стержневые, многовитковые, катушечные и шинные устройства.
3. При изолировании трансформаторов применяются: бакелит, фарфор и другие материалы. Некоторые марки устройств для изоляции заливаются компаундом.

От того как устроен преобразователь, он может иметь одну или две ступени. Эксплуатационное напряжение устройств находится в диапазоне до 1 тыс. В и выше. Все необходимые технические данные имеют буквенные, цифровые обозначения и присутствуют на соответствующих бирках.

Технические параметры

Очень важной характеристикой трансформатора тока является класс точности. Этот параметр характеризует погрешность измерения, то есть показывает, на сколько номинальный (идеальный) коэффициент трансформации отличается от реального.

Коэффициент трансформации

Так как в реальном коэффициенте трансформации присутствует синфазная и квадратурная составляющая, то значения коэффициента всегда отличаются от номинального. Разницу (погрешность) необходимо учитывать при измерениях. На результаты измерений влияют также угловые погрешности.

У всех ТТ погрешность отрицательна, так как у них всегда присутствуют потери от намагничивания и нагревания токовых катушек. С целью устранения отрицательного знака погрешности, для смещения параметров трансформации в положительную сторону, применяют витковую коррекцию. Поэтому в откорректированных устройствах привычная формула для вычислений не работает. Поэтому коэффициенты трансформации в таких аппаратах производители определяют опытным путем и указывают их в техпаспорте.

Класс точности

Токовые погрешности искажают точность измерения электрического тока. Поэтому для измерительных трансформаторов высокие требования к классу точности:

• 0,1;
• 0,5;
• 1;
• 3;
• 10P.

Трансформатор может находиться в пределах заявленного класса точности, только если сопротивление максимальной нагрузки не превышает номинального, а ток в первичной цепи не выходит за пределы 0,05 – 1,2 величины номинального тока трансформатора.

Выбор номинальных параметров трансформаторов тока

До определения номинальных параметров и их проверки на различные условия, необходимо выбрать тип ТТ, его схему и вариант исполнения. Общими, в любом случае, будут номинальные параметры. Разниться будут некоторые критерии выбора, о которых ниже.

1. Номинальное рабочее напряжение ТТ. Данная величина должна быть больше или равна номинальному напряжению электроустановки, где требуется установить трансформатор тока. Выбирается из стандартного ряда, кВ: 0,66, 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 750.

2. Далее, перед нами встает вопрос выбора первичного тока ТТ. Величина данного тока должна быть больше значения номинального тока электрооборудования, где монтируется ТТ, но с учетом перегрузочной способности.

Приведем пример из книги. Допустим у статора ТГ ток рабочий 5600А. Но мы не можем взять ТТ на 6000А, так как турбогенератор может работать с перегрузкой в 10%. Значит ток на генераторе будет 5600+560=6160. А это значение мы не замерим через ТТ на 6000А.

Выходит необходимо будет взять следующее значение из ряда токов по ГОСТу. Приведу этот ряд: 1, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 80, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 750, 800, 1000, 1200, 1500, 1600, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000, 10000, 12000, 14000, 16000, 18000, 20000, 25000, 28000, 30000, 32000, 35000, 40000. После 6000 идет 8000. Однако, некоторое электрооборудование не допускает работу с перегрузкой. И для него величина тока будет равна номинальному току.

Но на этом выбор первичного тока не заканчивается, так как дальше идет проверка на термическую и электродинамическую стойкость при коротких замыканиях.

2.1 Проверка первичного тока на термическую стойкость производится по формуле:

Данная проверка показывает, что ТТ выдержит определенную величину тока КЗ (IТ) на протяжении определенного промежутка времени (tt), и при этом температура ТТ не превысит допустимых норм. Или говоря короче, тепловое воздействие тока короткого замыкания.

iуд — ударный ток короткого замыкания

kу — ударный коэффициент, равный отношению ударного тока КЗ iуд к амплитуде периодической составляющей. При к.з. в установках выше 1кВ ударный коэффициент равен 1,8; при к.з. в ЭУ до 1кВ и некоторых других случаях — 1,3.

2.2 Проверка первичного тока на электродинамическую стойкость:

В данной проверке мы исследуем процесс, когда от большого тока короткого замыкания происходит динамический удар, который может вывести из строя ТТ.

Для большей наглядности сведем данные для проверки первичного тока ТТ в небольшую табличку.

3. Третьим пунктом у нас будет проверка трансформатора тока по мощности вторичной нагрузки. Здесь важно, чтобы выполнялось условие Sном>=Sнагр. То есть номинальная вторичная мощность ТТ должна быть больше расчетной вторичной нагрузки.

Вторичная нагрузка представляет собой сумму сопротивлений включенных последовательно приборов, реле, проводов и контактов умноженную на квадрат тока вторичной обмотки ТТ (5, 2 или 1А, в зависимости от типа).

Величину данного сопротивления можно определить теоретически, или же, если установка действующая, замерить сопротивление методом вольтметра-амперметра, или имеющимся омметром.

Сопротивление приборов (амперметров, вольтметров), реле (РТ-40 или современных), счетчиков можно выцепить из паспортов, которые поставляются с новым оборудованием, или же в интернете на сайте завода. Если в паспорте указано не сопротивление, а мощность, то на помощь придет известный факт — полное сопротивление реле равно потребляемой мощности деленной на квадрат тока, при котором задана мощность.

Схемы включения ТТ и формулы определения сопротивления по вторичке при различных видах КЗ

Не всегда приборы подключены последовательно и это может вызвать трудности при определении величины вторичной нагрузки. Ниже на рисунке приведены варианты подключения нескольких трансформаторов тока и значение Zнагр при разных видах коротких замыканий (1ф, 2ф, 3ф — однофазное, двухфазное, трехфазное).

zр — сопротивление реле

rпер — переходное сопротивление контактов

rпр — сопротивление проводов определяется как длина отнесенная на произведение удельной проводимости и сечения провода. Удельная проводимость меди — 57, алюминия — 34,5.

Кроме вышеописанных существуют дополнительные требования для ТТ РЗА и цепей учета — проверка на соблюдение ПУЭ и ГОСТа.

Выбор ТТ для релейной защиты

Трансформаторы тока для цепей релейной защиты исполняются с классами точности 5Р и 10Р. Должно выполняться требование, что погрешность ТТ (токовая или полная) не должна превышать 10%. Для отдельных видов защит эти десять процентов должны обеспечиваться вплоть до максимальных токов короткого замыкания. В отдельных случаях погрешность может быть больше 10% и специальными мероприятиями необходимо обеспечить правильное срабатывание защит. Подробнее в ПУЭ вашего региона и справочниках. Эта тема имеет множество нюансов и уточнений. Требования ГОСТа приведены в таблице:

Хоть это и не самые высокие классы точности для нормальных режимов, но они и не должны быть такими, потому что РЗА работает в аварийных ситуациях, и задача релейки определить эту аварию (снижение напряжения, увеличение или уменьшение тока, частоты) и предотвратить — а для этого необходимо уметь измерить значение вне рабочего диапазона.

Выбор трансформаторов тока для цепей учета

К цепям учета подключаются трансформаторы тока класса не выше 0,5(S). Это обеспечивает бОльшую точность измерений. Однако, при возмущениях и авариях осциллограммы с цепей счетчиков могут показывать некорректные графики токов, напряжений (честное слово). Но это не страшно, так как эти аварии длятся недолго. Опаснее, если не соблюсти класс точности в цепях коммерческого учета, тогда за год набежит такая финансовая погрешность, что “мама не горюй”.

ТТ для учета могут иметь завышенные коэффициенты трансформации, но есть уточнение: при максимальной загрузке присоединения, вторичный ток трансформатора тока должен быть не менее 40% от максимального тока счетчика, а при минимальной — не менее 5%. Это требование п.1.5.17 ПУЭ7 допускается при завышенном коэффициенте трансформации. И уже на этом этапе можно запутаться, посчитав это требование как обязательное при проверке.

По требованиям же ГОСТ значение вторичной нагрузки для классов точности до единицы включительно должно находиться в диапазоне 25-100% от номинального значения.

Диапазоны по первичному и вторичному токам для разных классов точности должны соответствовать данным таблицы ниже:

Исходя из вышеописанного можно составить таблицу для выбора коэффициента ТТ по мощности. Однако, если с вторичкой требования почти везде 25-100, то по первичке проверка может быть от 1% первичного тока до пяти, плюс проверка погрешностей. Поэтому тут одной таблицей сыт не будешь.

Таблица предварительного выбора трансформатора тока по мощности и току

Пройдемся по столбцам: первый столбец это возможная полная мощность нагрузки в кВА (от 5 до 1000). Затем идут три столбца значений токов, соответствующих этим мощностям для трех классов напряжений — 0,4; 6,3; 10,5. И последние три столбца — это разброс возможных коэффициентов трансформаторов тока. Данные коэффициенты проверены по следующим условиям:

• при 100%-ой нагрузке вторичный ток меньше 5А (ток счетчика) и больше 40% от 5А
• при 25%-ой нагрузке вторичный ток больше 5% от 5А

Я рекомендую, если Вы расчетчик или студент, сделать свою табличку. А если Вы попали сюда случайно, то за Вас эти расчеты должны делать такие как мы — инженеры, электрики =)

К сведению тех, кто варится в теме. В последнее время заводы-изготовители предлагают следующую услугу: вы рассчитываете необходимые вам параметра тт, а они по этим параметрам создают модель и производят. Это выгодно, когда при выборе приходится варьировать коэффициент трансформации, длину проводов, что приводит и к удорожанию схемы и увеличению погрешностей. Некоторые изготовители даже пишут, что не сильно и дороже выходит, чем просто серийное производство, но выигрыш очевиден. Интересно, может кто сталкивался с подобным на практике.

Вот так выглядят основные моменты выбора трансформаторов тока. После выбора и монтажа, перед включением, наступает самый ответственный момент, а именно пусковые испытания и измерения.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями