Трансформаторы тока: устройство, принцип работы и применение

В силовых сетях с напряжением 380 Вольт и высокими токами, согласно требованиям Правил устройства электроустановок (ПУЭ), применяется специальное преобразовательное оборудование — трансформатор тока (ТТ). Основная задача этого устройства — пропорциональное снижение величины измеряемого тока до безопасного и удобного для измерений значения. Чтобы разобраться, как это работает, необходимо изучить его внутреннее устройство и принцип действия.

Конструкция и принцип действия

Конструктивно любой трансформатор тока состоит из трех ключевых элементов:

• Магнитопровод (сердечник): замкнутый сердечник, обычно изготавливаемый из электротехнической стали или специальных сплавов для эффективного проведения магнитного потока.
• Первичная обмотка: включается непосредственно в разрыв контролируемой силовой цепи, и через нее протекает весь фазный ток нагрузки.
• Вторичная обмотка: нагружается на измерительные приборы (амперметры, счетчики) или устройства защиты (реле). Количество витков в ней значительно больше, чем в первичной.

Принцип работы основан на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток в первичной обмотке создает в магнитопроводе переменный магнитный поток. Этот поток, в свою очередь, наводит во вторичной обмотке пропорционально уменьшенный ток. Коэффициент уменьшения (трансформации) определяется отношением числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной (K_т = I₁ / I₂ ≈ W₂ / W₁). Поскольку сопротивление нагрузки (приборов) во вторичной цепи мало, трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию.

Часто ТТ имеют несколько независимых вторичных обмоток для одновременного подключения разных устройств:

• Цепей измерения и учета электроэнергии (счетчики).
• Цепей защиты (реле тока, напряжения).
• Систем сигнализации и диагностики.

Сопротивление вторичных цепей строго нормируется, так как его изменение напрямую влияет на точность измерений и корректность срабатывания защит.

Важное отличие от трансформаторов напряжения: ТТ предназначены для преобразования тока и работают в режиме, близком к короткому замыканию. Их главные функции — обеспечение безопасности при измерениях высоких токов и питание цепей защиты. Трансформаторы напряжения же преобразуют напряжение и работают в режиме, близком к холостому ходу.

Классификация трансформаторов тока

Трансформаторы тока разнообразны и классифицируются по нескольким ключевым признакам, что помогает понять их назначение и область применения.

• По назначению: измерительные (для подключения приборов), защитные (для цепей релейной защиты), лабораторные (высокой точности) и промежуточные (для выравнивания токов в дифференциальных защитах или изоляции цепей).
• По способу установки: для наружного монтажа (ОРУ), для внутреннего монтажа (ЗРУ), встроенные (в аппараты, генераторы), накладные (на проходные изоляторы) и переносные (для лабораторных работ).
• По конструкции первичной обмотки: многовитковые (катушечные), одновитковые (стержневые) и шинные (где роль первичной обмотки играет шина распределительного устройства).
• По рабочему 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).

Схемы подключения вторичных обмоток

Первичная обмотка ТТ всегда включается последовательно в разрыв фазного провода контролируемой линии. Схемы же подключения вторичных обмоток могут быть разными, в зависимости от решаемых задач:

• «Полная звезда»: применяется для контроля тока во всех трех фазах одновременно. Используется в цепях защиты мощных потребителей и генераторов.
• «Неполная звезда» (подключение двух трансформаторов тока на две фазы): экономичная схема, часто применяется на отходящих линиях 6-10 кВ, где не требуется контроль тока в третьей фазе.
• Схема фильтра токов нулевой последовательности (ТНП): используется для защиты от замыканий на землю. Вторичные обмотки трех фазных ТТ соединяются в звезду, а реле защиты включается в цепь общего нулевого провода. При симметричной нагрузке ток в реле равен нулю. При однофазном замыкании на землю появляется ток небаланса, который и фиксируется реле.

Выбор схемы определяется требованиями к защите, учетом и экономической целесообразностью.

Основные технические параметры и характеристики

При выборе и эксплуатации трансформатора тока руководствуются его паспортными параметрами:

• Номинальное напряжение (кВ): от 0.66 до 1150 кВ.
• Номинальный первичный ток (I_1ном): от 1 до 40000 А.
• Номинальный вторичный ток (I_2ном): стандартно 1 А или 5 А (реже 2 А или 2.5 А).
• Коэффициент трансформации: отношение номинальных первичного и вторичного токов (например, 100/5 А).
• Класс точности: определяет допустимую погрешность измерений (0.2; 0.5; 1; 3, 10P). Для учета электроэнергии применяют классы 0.2S, 0.5S.
• Номинальная нагрузка вторичной цепи (В·А): полная мощность, которую можно подключить к вторичной обмотке без превышения погрешности.
• 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

Согласно ГОСТ 7746-89, для трансформаторов тока нормируются три вида погрешностей:

1. Токовая погрешность (ΔI%): показывает, насколько отличается приведенный ко вторичной цепи ток от фактического первичного тока. Вычисляется в процентах.
2. Угловая погрешность (δ): характеризует сдвиг по фазе между векторами первичного и вторичного токов. Измеряется в минутах или градусах. Критична для корректной работы ваттметров, счетчиков и дифференциальных защит.
3. Полная погрешность: комплексный показатель, учитывающий обе предыдущие погрешности. Особенно важен для защитных ТТ в условиях больших токов короткого замыкания.

Таким образом, трансформаторы тока являются незаменимыми устройствами для безопасного измерения больших токов, обеспечения работы систем релейной защиты и точного учета электроэнергии в трехфазных сетях любого напряжения.