Дать определение трансформатора тока. Назначение и принцип действия трансформатора тока

Существует два основных вида тока – постоянный и переменный. Обычная электрическая батарейка, например, дает постоянный ток напряжением 1,5 вольта , а в электросети действует переменный электрический ток с напряжением 220 В. Трансформаторы используются исключительно для преобразования переменного электрического тока. Постоянный ток трансформации не поддается.

Как осуществляется трансформация тока

В простейшем варианте трансформатор состоит из металлического сердечника – например, из Ш-образных пластин, и двух обмоток, первичной и вторичной. Обмотки электрически между собой не связаны, передача электрической энергии осуществляется за счет электромагнитной индукции.

Зачем вообще нужен трансформатор? Он позволяет в необходимых пределах изменять напряжение и силу тока. Например, у вас есть электрическая лампочка на 2,5 В. Ее нельзя напрямую подключить к электросети 220 В, она тут же сгорит. Чтобы она нормально работала, необходимо понизить напряжение с 220 В до 2,5 В – то есть снизить его почти в 100 раз.

Эту задачу и позволяет решить трансформатор. Его первичная обмотка имеет достаточно большое количество витков – например, 1000. Благодаря этому она легко выдерживает напряжение 220 В, включение обмотки в сеть не вызывает короткого замыкания. Поверх первичной обмотки наматывается вторичная, но число ее витков значительно меньше. Если в нашем примере 1000 витков рассчитаны на 220 В, то на 1 виток тогда приходится 0,22 В. Нам нужно 2,5 В. Нетрудно подсчитать, что для нормальной работы лампочки напряжением 2,5 В необходимо намотать вторичную обмотку из 11-12 витков.

Области применения трансформаторов электрического тока

Чтобы передавать электроэнергию на большие расстояния, используются высоковольтные линии электропередач. Передается именно переменный ток, так как при передаче постоянного потери электроэнергии оказываются слишком велики. Потери уменьшаются и с увеличением напряжения, поэтому на магистральных направлениях используется напряжение в сотни тысяч вольт.

Чтобы получить высокое напряжение для передачи на расстояние, а затем вновь преобразовать его в нужное потребителям, и используются трансформаторы. Как правило, это мощные масляные трансформаторы, рассчитанные на высокое напряжение.

Небольшие трансформаторы используются и в радиоэлектронной аппаратуре и бытовой технике, они позволяют понижать напряжение 220 В до более низкого, необходимого для питания электронных компонентов. Иногда трансформаторы используют для гальванической развязки – в этом случае количество витков в первичной и вторичной обмотке одинаково. С вторичной обмотки снимают то же напряжение, которое действует на первичной обмотке, но это уже другая цепь, не имеющая прямой электрической связи с первичной обмоткой.

На сегодняшний день во многих случаях не представляется возможным заменить трансформаторы переменного тока какими-то другими устройствами. Поэтому можно не сомневаться в том, что они будут использоваться еще очень долгое время.

Трансформатор тока
с масляным охлаждением
и фарфоровой покрышкой

Для измерения большого переменного тока, его предварительно уменьшают до удобного значения (обычно до 5А) при помощи трансформаторов тока.

Трансформатором тока, называется такой трансформатор, в котором при нормальных условиях работы выходной сигнал выходной сигнал является током, практически пропорциональным первичному току и при правильном включении сдвинутым относительно него по фазе на угол, близкий к нулю.

Описание трансформаторов тока, марок: ЗНОЛ , НЛЛ , НОЛ , НОЛП , ОМ , Т-0,66 , ТЗЛ , ТЗЛМ , ТЗРЛ , ТЛ , ТЛК , ТЛШ , ТНШ , ТНШЛ , ТОЛ , ТОП , ТПК , ТПЛ , ТПОЛ , ТШЛ .

Схема включения трансформатора тока

Принципиальная схема трансформатора тока.

На схеме:

1 - первичная обмотка трансформатора тока;
2 - вторичная обмотка трансформатора тока;
3 - общий магнитопровод;
4 - токопровод высокого напряжения;
I 1 - ток линии;
Ф 1 - переменный магнитный поток, создаваемый током I 1 ;
I 2 - ток протекающий во вторичной обмотке под действием Ф 1 ;
Ф 2 - переменный магнитный поток, создаваемый током I 2 ;

Первичную обмотку трансформатора тока, имеющую малое число витков, включают последовательно в линию, в которой измеряют или контролируют ток. В цепь вторичной обмотки трансформатора тока включают прибор с малым сопротивлением. Таким прибором может быть амперметр, токовая катушка ваттметра, счетчика, какого либо иного измерительного прибора или реле. Приборы во вторичную цепь включают так, чтобы положительное направление тока в приборе совпадало по направлению с положительным направлением тока в контролируемой цепи.

В трансформаторе тока высокого напряжения первичная обмотка изолирована от вторичной на полное рабочее напряжение. Один конец вторичной обмотки обычно заземляется. Поэтому она имеет потенциал, близкий к потенциалу земли.

В цепь вторичной обмотки трансформатора тока можно включать несколько приборов, соединив их последовательно, чтобы через них проходил один и тот же ток. Однако включать в цепь вторичной обмотки трансформатора тока большое число измерительных приборов нежелательно, так как это увеличивает сопротивление нагрузки трансформаторов и снижает точность измерений.

Устройство трансформатора тока

Трансформатор тока имеет сердечник, первичную и вторичную обмотки. Как правило, их изготавливают с таким коэффициентом трансформации, чтобы на вторичной стороне сила тока была стандартной. (1;5 и 10А)

Первичная обмотка трансформатора тока включается в сеть последовательно, поэтому для уменьшения потерь энергии и напряжения сечение проводов первичной обмотки выбирают большим, а число витков – один или несколько. Число витков вторичной обмотки всегда больше числа витков первичной. Сечение обмоточных проводов вторичной обмотки сравнительно небольшое.

Трансформаторы тока по конструктивным признакам разделяют на звеньевые(или восьмерочные), в которых первичная обмотка имеет форму кольца, продетого через сердечник; шинные(или стержневые) – первичной обмоткой служит стержень(или шина), петлевые – первичная обмотка имеет форму вытянутой петли; катушечные – первичная обмотка изготовлена в форме катушки.

Первичные обмотки трансформаторов тока могут быть одно или многовитковыми. При одновитковой обмотке витком служит провод, стержень или шина, проходящая через окно магнитной системы; таким образом создается контур, замкнутый через цепь нагрузки. Примерами такого устройства могут служить встроенные трансформаторы тока, применяемые в силовых трансформаторах и масляных выключателях.

Вторичные обмотки трансформаторов тока охватывают магнитную систему и образуют контур через цепи вторичной нагрузки (приборы электрических измерений и релейной зашиты, сигнализации и т. д.). Вторичные обмотки часто изготовляют с ответвлениями; начала, концы и ответвления обмотки подключены к зажимам клеммного щитка. Первичные обмотки имеют зажимы для включения витков параллельно или последовательно. Такое устройство обмоток позволяет использовать трансформатор тока на разные номинальные вторичные токи.

Назначение трансформатора тока

Трансформаторы тока в зависимости от назначения разделяются на трансформаторы тока для измерений и трансформаторы тока для защиты. Зачастую трансформаторы тока совмещают в себе обе функции и могут использоваться как для измерения, так и для защиты.

Трансформаторы тока для измерений предназначаются для передачи информации измерительным приборам. Они устанавливаются в цепях высокого напряжения или в цепях с большим током, то есть в цепях в которых невозможно прямое включение измерительных приборов. Трансформатор тока для измерения обеспечивает:

• Преобразование переменного тока любого значения в переменный ток, приемлемый для непосредственного измерения с помощью стандартных измерительных приборов;
• Изолирование измерительных приборов, к которым имеет доступ обслуживающий персонал, от цепи высокого напряжения.

Трансформаторы тока для защиты предназначаются для передачи измерительной информации в устройства защиты и управления. Трансформатор тока для защиты обеспечивает:

• Преобразование переменного тока любого значения в переменный ток, приемлемый для питания устройств защиты;
• Изолирование реле, к которым имеет доступ обслуживающий персонал, от цепи высокого напряжения.

Трансформатор тока в установке высокого напряжения, необходим даже в тех случаях, когда уменьшения тока для измерительных приборов или реле не требуется.

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.

Просто? Еще-бы!

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

Индукция рассеяния ТТ вместе с выходным резистором образует ФНЧ.

Межвитковая емкость в ТТ может стать причиной сдвига фазы.

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

Результаты симуляции при к. связи = 1

К. связи = 0.5

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.

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 .

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”

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.

Для измерения токов в силовых цепях переменного напряжения применяют трансформаторы тока. Они применяются как в цепях до 1000 В так и выше 1000 В. Они имеют стандартные токи вторичной цепи – 1 А или 5 А и измерительные приборы и реле выполняют на этот ток. Вторичная обмотка трансформатора обязательно заземляется, чтоб в случае пробоя изоляции измерительные устройства не оказались под напряжением первичной цепи.

Схема такого трансформатора показана ниже:

Главной особенностью таких устройств является то, что ток, протекающий в первичной цепи абсолютно независим от режимов работы вторичной цепи. Во вторичной цепи трансформатора предохранитель не ставят, так как обрыв вторичной цепи трансформатора тока – это аварийный режим работы. Почему так мы рассмотрим в следующих статьях.

Основные параметры трансформаторов тока

Номинальное напряжение

Это напряжение линейное сети, в которой должен работать трансформатор. Именно это напряжение будет определять изоляцию между обмотками, одна из которых будет находится под высоким потенциалом, а вторая заземлена.

Номинальные токи

Токи, при которых устройство может работать в длительном режиме не перегреваясь. Как правило, такие трансформаторы имеют большой запас по нагреву и могут работать нормально с перегрузкой в 20%.

Коэффициент трансформации

Отношение первичного и вторичного тока определяемый формулой:

Коэффициент трансформации действительный будет иметь отличия от номинального ввиду потерь в трансформаторе.

Токовая погрешность

В процентах имеет вид:

Где I 2 – вторичный, I 1 ‘ — первичный приведенный токи.

Угловая погрешность

В реальном трансформаторе первичная составляющая по фазе сдвинута от вторичной на угол отличный от 180 0 . Для отсчета угловой погрешности вектор вторичной составляющей поворачивают на 180 0 . Угол между вектором первичной составляющей и этим вектором носит название угловой погрешности. Если перевернутый вектор вторичной составляющей опережает первичную – то погрешность будет положительной, если отстает – отрицательной. Измеряется такой вид погрешности в минутах.

Соответственно трансформаторы тока имеют свой класс точности согласно ГОСТ – 0,2;0,5;1;3;10. Класс точности говорит о допустимой погрешности в процентах Z 2 = Z 2н.

Полная погрешность

Определяется в процентах %, и имеет формулу:

Где: I 1 – действующее первичное значение, i 1, i 2 – мгновенные значения первичных и вторичных токов, Т – период частоты напряжения переменного.

Номинальная нагрузка

Нагрузка, определяемая в Омах, при которой трансформатор будет работать в пределах своего класса точности и с cosφ 2н =0,8. Иногда могут применять понятие номинальной мощности Р:

Поскольку значение I 2н строго нормировано, то мощность трансформатора будет зависеть только от нагрузки Z 2н.

Номинальная предельная кратность

Кратность первичного тока к значению его номинальному, при котором погрешность его может достигать примерно 10%. При этом нагрузка и ее коэффициенты мощности должны быть номинальными.

Максимальная кратность вторичного тока

Отношение максимального вторичного тока, к номинальному его значению при действующей вторичной нагрузке равной номинальной. Максимальная кратность определяется насыщением магнитопровода, это когда при дальнейшем увеличении первичного тока, вторичный остается неизменным.

Человечество в значительной мере зависит от тока. Но просто так он не подчиняется, необходимы специальные аппараты. В качестве оного выступает трансформатор тока. Чем он является и каково его предназначение? Каков принцип действия трансформатора тока? И насколько он важен?

Что такое трансформатор тока?

Под ТТ понимают измерительный аппарат, который необходим, чтобы преобразовать ток. Конструктивно в трансформаторе первичная обмотка включена в цепь последовательно, тогда как вторичная имеет измерительные приборы, а также реле защиты и автоматики. ТТ является основным измерительным устройством в электроэнергетике. Обе обмотки находятся в изоляции. Вторичная во время эксплуатации обычно имеет потенциал, который близок к «земле», что достигается путём заземления одного конца.

Благодаря трансформатору можно учитывать и измерять ток высокого напряжения, используя приборы для низкого. В конце сводится всё к измерению первичного, значение которого записывают в амперах. Следует отличать измерительный трансформатор тока от силового. Так, в первом индукция является непостоянной и напрямую зависит от режима эксплуатации. Поэтому и считаются универсальными трансформаторы тока.

Назначение и принцип действия

Как всё происходит? Каков принцип действия трансформатора тока? Через силовую первичную обмотку, которая имеет определённое число витков, протекает напряжение, которое преодолевает полное сопротивление. Вокруг катушки возникает магнитный поток, который может уловить магнитопровод. Его необходимо расположить перпендикулярно относительно направления тока. Таким образом, будет теряться минимум электроэнергии во время её преобразования в электрическую. Пересекая перпендикулярно расположенные витки вторичной обмотки, магнитный поток активирует электродвижущую силу, под влиянием которой и возникает ток, преодолевающий полное сопротивление катушки и выходной нагрузки. Вместе с этим на зажимах 2-й цепи возникает падение напряжения.

Теперь немного о частных случаях:

• Принцип действия сварочного трансформатора базируется на максимальной отдаче мощности. Его конструкция должна выдерживать высокое напряжение.
• Принцип действия однофазного трансформатора базируется на магнитном потоке. Так, если замкнуть вторичную обмотку на какое-то сопротивление, то при появлении тока возникнет движущая сила. Если обратить внимание на закон Ленца, то можно сделать заключение, что магнитный поток будет уменьшаться. Но принцип действия однофазного трансформатора предусматривает подведение постоянного тока к первичной обмотке, в результате чего уменьшения магнитного потока не происходит.

Классификация

Все трансформаторы тока (как для измерений, так и для защиты) поддаются классификации по таким признакам:

• По роду установки.
• ТТ, предназначенные для работы в воздухе.
• Трансформаторы тока для функционирования в условиях закрытых помещений.
• ТТ, предназначенные для встраивания внутрь электрооборудования.

Основные параметры

Трансформаторам тока выдвигают целый ряд требований. Вся необходимая информация должна быть указана в паспорте или приложенной таблице.

Вот их краткий список:

• Номинальное напряжение может находиться в широком диапазоне.
• Номинальный первичный ток, который идёт по 1-й обмотке. Указываются значения для длительной работы аппаратуры.
• Номинальный вторичный ток, проходящий по 2-й обмотке. Его качество обозначается показателем в 1 или 5 ампер.
• Вторичная нагрузка соответствует сопротивлению во внешней 2-й цепи и выражается в омах.

Ограничения

По термической стойкости:

• I1т - рассчитан на номинальное напряжение выше 330 кВ.
• I3т - применяется в диапазоне значений в 110-220 кВ.
• I4т - используется при напряжении, которое не превышает 35 кВ.

Принцип действия трансформатора может зависеть от материала:

• При изготовлении токопроводящих частей из алюминия температура не должна превышать 200°С.
• Если детали, что проводят ток, сделаны из меди или её сплавов и соприкасаются с маслом или органической изоляцией, то ограничение составляет 250°С.

Также существуют требования к механическим нагрузкам, которые должен выдерживать трансформатор тока при скорости ветра в 40 м/с. Принцип действия устройства может немного поменяться из-за конструктивных дополнений:

• Если ТТ до 35 кВ, то это значение составляет 500 ньютонов.
• При значениях в 110-220 кВ необходима стойкость в 1000 Н.
• При превышении 330 кВ требование к механическим нагрузкам возрастает до уровня 1500 ньютонов.

Опасные факторы при работе с трансформатором тока

При работе с ТТ необходимо быть чрезвычайно осторожным, поскольку существуют значительные риски пострадать вплоть до летального исхода. Итак, следует опасаться:

• Возможности поражения высоковольтным потенциалом, что может случиться в случае повреждения изоляции. Так как магнитопровод трансформатора тока сделан из металла, то он имеет хорошую проводимость и соединяет магнитным путём отделенные обмотки ТТ (первичную и вторичную). Поэтому существует повышенная опасность, что персонал получит электротравмы, или повредится оборудование вследствие дефектов в изоляционном слое. Чтобы избежать таких ситуаций, заземляют один из вторичных выводов трансформатора.

• Возможность поражения высоковольтным потенциалом из-за разрыва вторичной цепи. Её выводы промаркированы как «И1» и «И2». Чтобы направление, по которому протекает ток, было полярным и совпадало по всем обмоткам, они всегда во время работы трансформатора подключаются на нагрузку. Это необходимо из-за того, что ток, проходящий по первичной обмотке, имеет мощность высокого потенциала, которая передаётся во вторичную цепь с незначительными потерями. При разрыве в таких случаях резко уменьшаются показатели из-за утечки во внешнюю среду. При таких происшествиях значительно ускоряется падение напряжения на данном разорванном участке. Потенциал, который сформировывается на разомкнутых контактах, при прохождении тока достигает нескольких киловольт. Такое значение является опасным для жизни. Поэтому необходимо убеждаться, что все вторичные цепи на трансформаторах тока надежно собраны. А при выходе из строя устанавливаются шунтирующие закоротки. Принцип действия трансформатора не терпит пренебрежения правилами безопасности, и получить электротравму очень легко.

• Конструкторские решения, которые были использованы в трансформаторах тока. Любой ТТ, как и все электротехнические устройства, должен решать определённые задачи, которые возникают во время эксплуатации электроустановок. Благо, промышленность предлагает значительный ассортимент. Но в некоторых случаях бывает лучше усовершенствовать имеющуюся конструкцию с точки зрения предприятия, чем изготавливать что-то новое, чем многие и пользуются, не имея достаточного опыта. Без знания, что собой представляет принцип действия трансформатора, последствия такого вмешательства могут создать ситуации, опасные для жизни.

Заключение

В рамках статьи мы обсудили назначение и принцип действия трансформатора тока. Как видите, это устройство является очень важным для нормального функционирования общества. Но вместе с этим оно является и довольно опасным, поэтому всегда стоит придерживаться осторожности и без надобности не лезть внутрь аппарата, особенно тогда, когда работают трансформаторы тока. Назначение и принцип действия таких приспособлений были нами рассмотрены настолько, насколько это позволил размер статьи. Однако все самое важное мы изучили.