Схема трансформатора тока

Схема подключения трансформаторов тока

Трансформатором тока является электротехническое устройство, предназначенное для измерения больших значений токов. Переменный ток измеряется при включении в цепь первичной обмотки трансформатора. В цепь к вторичной обмотке осуществляется подключение измерительных приборов. Токи, протекающие в первичной и вторичной обмотках, пропорциональны между собой. Схема трансформатора тока

Трансформаторы тока получили широкое распространение при измерении напряжения в релейных защитных устройствах электротехнических систем. В связи с этим от них требуется достаточно высокая точность измерений. Одновременно обеспечивается безопасное измерение, когда измерительные цепи изолируются от первичной цепи, имеющей очень высокое напряжение, до нескольких сотен киловольт. Поэтому в них применяют две группы обмоток. С помощью одной подключаются устройства защиты, а с помощью другой подключаются средства учета и измерения, например, электрические счетчики .

Производится обязательное заземление вторичных обмоток трансформатора. Это вызвано тем, что высокое напряжение, способно пробить изоляцию трансформатора. Трансформатор может выйти из строя и создать угрозу жизни для обслуживающего персонала.

Классические схемы подключения трансформаторов тока

Основными схемами подключения являются звезда (а), треугольник (б) и неполная звезда (в). Такие схемы подключения могут использоваться для различных марок.

При их использовании, электрический ток в первичной обмотке снижается до значений, удобных для использования в механизмах релейной защиты и измерительных приборах. Во вторичной токи, как правило, не превышают 1-5 ампер.

С помощью первичной обмотки рассекают электрическую цепь, а на вторичные замыкаются нагрузки в виде измерительных приборов. В случае размыкания вторичной обмотки может возникнуть аварийное состояние, когда наблюдается резкое возрастание магнитного потока в сердечнике.

Значение электродвижущей силы может составлять несколько тысяч вольт. Полное магнитное насыщение увеличивает потери в магнитопроводе, происходит его нагрев и дальнейшее обгорание изоляции. В случае, когда их не используют, они закорачиваются при помощи специальных зажимов. Производится изоляция. На случай неожиданного пробития изоляции осуществляется заземление конца вторичной обмотки.

При техническом обслуживании трансформаторов проводится наблюдение за ними с целью выявления каких-либо неисправностей. При этом осуществляется контроль над нагрузкой в первичной обмотке и определяется степень перегрузки, если она есть. Допустимое значение перегрузки может составлять до 20%.

Счётчики для однофазных и трёхфазных сетей рассчитаны на номинальные токи до 100 А. Использование приборов с большими возможностями затруднено по причине необходимости использования проводов слишком большого сечения. Таким образом, для измерения характеристик в линиях с большими токами необходимо использовать специальные устройства, понижающие ток до приемлемого значения. Для этой цели счётчики подключаются через трансформаторы тока (ТТ).

Первичная обмотка включается последовательно в линейный провод, по которому проходит высокий ток, а ко вторичной обмотке подключается измерительный прибор. Для удобства выводы маркируются обозначениями. Для начала и, соответственно, конца первичной обмотки применяются обозначения Л1 и Л2. Для вторичной обмотки — И1 и И2. При подключении необходимо строго соблюдать полярность первичной и вторичной обмоток ТТ.

Чаще всего величина вторичного тока находится в районе 5 А, иногда применяются ТТ со вторичным током 1 А. Для измерения же напряжения в высоковольтных сетях используется подключение через трансформатор напряжения, который понижает напряжение до приемлемого.

Измерительные трансформаторы вносят свою погрешность в измерения. Здесь важно соблюдать правильную схему подключения с соблюдением обозначений. Например, если изменить местами выводы вторичных цепей И1 и И2, то за этим последует существенный недоучёт электроэнергии.

Трансформаторы тока подключаются в трёхфазных цепях по схеме неполной звезды (сети с изолированной нейтралью). При наличии нулевого провода подключение осуществляется с помощью полной звезды. В дифференциальных защитах силовых трансформаторов ТТ подключаются по схеме «Треугольник». Это позволяет скомпенсировать сдвиг фаз вторичных токов, что уменьшит ток небаланса.

В трёхфазных сетях без нулевого провода обычно трансформаторы тока подключаются только на две ведущие линии, поскольку измерив ток в двух фазах, можно легко рассчитать величину тока в третьей фазе. Если сеть имеет глухозаземлённую нейтраль (как правило, сети 110 кВ и выше), то обязательно подключение ТТ ко всем трём фазам.

Соединение обмоток реле и трансформаторов тока в полную звезду.

Если трансформатор работает в нормальном режиме, или если он симметричный, то будет проходить ток небаланса или небольшой ток, который появляется из–за разных погрешностей трансформаторов тока.

Во время симметричных нагрузок в реле и в период возникновения трехфазного КЗ может проходить линейный ток, сдвинутый на 30* по фазе относительно тока фазы и в разы больше его.
Особенности схемы этого соединения:
1. при разных всевозможных видах КЗ проходят токи в реле, при этом защита которая построена по такой схеме, будет реагировать на все виды КЗ;
2. ток в реле относится к фазному току в зависимости от вида КЗ;
3. ток нулевой последовательности, который не имеет путь через обмотки реле для замыкания, не может выйти за границы треугольника трансформаторов тока.

Трансформаторы тока

а) Устройство и принцип действия

Принципиальным отличием трансформатора тока от трансформатора напряжения является то, что его первичная обмотка включается последовательно в цепь измеряемого тока и, следовательно, через нее проходит весь ток нагрузки или короткого замыкания. Этот ток является для трансформатора тока принужденным и проходит по его первичной обмотке независимо от состояния вторичной обмотки, т. е. от того, замкнута ли она на нагрузку, закорочена или разомкнута [Л. 43, 45, 47, 48, 56, 94].

Так же как и трансформатор напряжения, трансформатор тока состоит из стального сердечника С и двух обмоток: первичной и вторичной Часто трансформаторы тока изготавливаются с двумя и более сердечниками. В этих конструкциях первичная обмотка является общей для всех сердечников. Первичная обмотка, выполняемая толстым проводом, имеет несколько витков и включается последовательно в цепь того элемента, в котором производится измерение тока или осуществляется защита. К вторичной обмотке, имеющей большое число витков, подключаются последовательно соединенные реле и приборы.

Ток, проходящий по первичной обмотке трансформатора тока, называется первичным и обозначается I₁ а ток во вторичной обмотке называется вторичным и обозначается I₂ .

Ток I₁ создает в сердечнике трансформатора тока магнитный поток Ф₁ который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней вторичный ток I₂. который также создает в сердечнике магнитный поток Ф₂ но направленный противоположно магнитному потоку Ф₁. Результирующий магнитный поток в сердечнике равен разности

Величина магнитного потока зависит не только от величины создающего его тока, но и от количества витков обмотки, по которой этот ток проходит. Произведение тока на число витков называется намагничивающей силой и выражается в ампер-витках (Ав). Поэтому выражение (6-3) можно заменить выражением

где I₀ — ток намагничивания, являющийся частью первичного тока, обеспечивающий результирующий магнитный поток в сердечнике (в дальнейшем обозначается I_нам. )

Для правильного соединения трансформаторов тока между собой и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счетчиков выводы обмоток трансформаторов тока обозначаются (маркируются) заводами следующим образом: начало первичной обмотки—Л₁ начало вторичной обмотки — u₁ ; конец первичной обмотки — Л₂. конец вторичной обмотки — u₂ .

При монтаже трансформаторов тока они обычно располагаются так, чтобы начала первичных обмоток Л₁ были обращены в сторону шин, а концы Л₂ — в сторону защищаемого оборудования.

При маркировке обмоток трансформаторов тока за начало вторичной обмотки н принимается тот ее вывод, из которого ток выходит, если в этот момент в первичной обмотке ток проходит от начала Н к концу К, как показано на рис. 6-12. При маркировке и включении реле по этому правилу ток в реле, как показано на рис. 6-12, при включении его через трансформатор тока сохраняет то же направление, что и при включении непосредственно в первичную цепь.

б) Погрешности трансформаторов тока

Коэффициент трансформации трансформаторов тока так же, как у трансформаторов напряжения, не является строго постоянной величиной и может из-за погрешностей отличаться от номинального значения. Величина погрешностей трансформатора тока зависит главным образом от кратности первичного тока по отношению к номинальному току первичной обмотки и от нагрузки, подключенной к вторичной обмотке.

Допустимые погрешности, приведенные в табл. 6-2, соответствуют нагрузкам вторичной обмотки, не превышающим номинальной, и при вторичном токе, не превышающем 120% номинального. При увеличении нагрузки или тока выше указанных значений погрешность возрастает и трансформатор тока переходит в другой класс точности.

Требования к работе трансформаторов тока, питающих защиту, существенно отличаются от требований к трансформаторам тока, питающим измерительные приборы. Если трансформаторы тока, питающие измерительные приборы, должны работать точно в пределах своего класса при токах нагрузки, близких к их номинальному току, то трансформаторы тока, питающие релейную защиту, должны работать с достаточной точностью при прохождении токов к. з. значительно превышающих номинальный ток трансформаторов тока.

Правила устройств электроустановок [Л. 41] требуют, чтобы трансформаторы тока, предназначенные для питания релейной защиты, имели погрешность, как правило, не более 10%. Большая погрешность допускается в отдельных случаях, когда это не приводит к неправильным действиям релейной защиты.

Погрешности возникают вследствие того, что действительный процесс трансформации в трансформаторе тока происходит с затратой мощности, которая расходуется на создание в сердечнике магнитного потока, перемагничивание стали сердечника (гистерезис), потери от вихревых токов, нагрев обмоток. Указанные потери мощности вносят искажения в полученные выше соотношения между первичным и вторичным токами (6-7).

Процесс трансформации тока из первичной обмотки во вторичную хорошо иллюстрируется так называемой схемой замещения трансформатора тока, приведенной на рис. 6-13. На этой схеме z₁ и z₂ — сопротивления первичной и вторичной обмоток, а z_нам. — сопротивление ветви намагничивания, которое характеризует указанные выше потери мощности.

Основная часть тока, являющаяся вторичным током I₂. замыкается через сопротивление вторичной обмотки z₂ и сопротивление нагрузки z_H. состоящее из сопротивлений реле, приборов и соединительных проводов. Другая часть первичного тока I_нам. замыкается через сопротивление ветви намагничивания и, следовательно, в реле, подключенное к вторичной обмотке трансформатора тока, не попадает. Поскольку из всех затрат мощности наибольшая часть приходится на создание магнитного потока в сердечнике, то ветвь между точками а и б схемы замещения трансформатора тока называется ветвью намагничивания и весь ток I_нам.. проходящий по этой ветви, — током намагничивания.

Таким образом, схема замещения показывает, что во вторичную обмотку трансформатора тока поступает не весь трансформированный ток, равный I₁ / n_T. а его часть и что, следовательно, процесс трансформации происходит c погрешностями.

Из рассмотренного следует, что причиной возникновения погрешностей у трансформаторов тока является прохождение тока намагничивания, т. е. того самого тока, который создает в сердечнике трансформатора тока рабочий магнитный поток, обеспечивающий трансформацию первичного тока во вторичную обмотку. Чем меньше ток намагничивания, тем меньше погрешности трансформатора тока.

Электродвижущая сила E₂ может быть определена, как падение напряжения от тока I₂ в сопротивлении вторичной обмотки z₂ и сопротивлении нагрузки z_H. т. е.

Так как величина вторичного тока I₂ зависит от величины первичного тока I₁. то Е₂. а следовательно, и ток намагничивания I_нам. возрастают при увеличении тока I₁ или увеличении сопротивления нагрузки z_H. подключенной ко вторичной обмотке.

Сопротивление ветви намагничивания z_нам зависит от конструкции трансформаторов тока и качества стали, из которой выполнен сердечник. Это сопротивление не является постоянной величиной, а зависит от характеристики намагничивания стали. При насыщении стали сердечника трансформатора тока z_нам резко уменьшается, что приводит к возрастанию I_нам и как следствие этого к возрастанию погрешностей трансформатора тока.

Таким образом, условиями, определяющими величины погрешностей трансформаторов тока, являются: отношение, т. е. кратность, первичного тока, проходящего через трансформатор тока, к его номинальному току и величина нагрузки, подключенной к его вторичной обмотке. Выбор трансформаторов тока по этим условиям рассмотрен в § 6-5.

в) Схемы соединения трансформаторов тока

Для подключения реле и измерительных приборов вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются в различные схемы. Наиболее распространенные схемы приведены на рис. 6-15.

При таком соединении нагрузка, подключенная к ним, распределяется поровну, т. е. на каждый уменьшается в 2 раза. Происходит это потому, что ток в цепи, равный I₂ = I₁ /n_T. остается неизменным, а напряжение, приходящееся па каждый трансформатор тока, составляет I₂ z_H / 2. Рассмотренная схема применяется при использовании маломощных трансформаторов тока, например, встроенных в вводы выключателей.

параллельного соединения двух трансформаторов тока, установленных на одной фазе. Схема имеет особенность, которая состоит в том, что ее коэффициент трансформации в 2 раза меньше коэффициента трансформации одного трансформатора тока. Происходит это от того, что ток в реле равен сумме вторичных токов трансформаторов тока, т. е. в 2 раза больше каждого. Поэтому если коэффициент трансформации каждого трансформатора тока равен n_T =I₁ / I₂. то коэффициент трансформации схемы равен n_CX =I₁ / 2 I₂. т. е. в 2 раза меньше.

Это свойство используется для повышения мощности встроенных трансформаторов тока тина ТВ-35 с малыми коэффициентами трансформации: 50/5, 75/5. Дело в том, что вторичная обмотка трансформатора тока ТВ-35 с коэффициентом трансформации, например, 50/5 = 10 должна иметь всего 10 витков, так как токоведущий стержень ввода представляет собой одновитковую первичную обмотку. При таком малом числе витков трансформатор тока имел бы весьма малую мощность. Для повышения мощности эти трансформаторы тока выполняются с коэффициентом трансформации не 50/5, а 50/2,5 — 20 и имеют поэтому 20 витков вторичной обмотки. Благодаря удвоенному количеству витков мощность трансформатора тока возрастает, но для получения стандартного коэффициента трансформации 50/5 вторичные обмотки двух трансформаторов тока одной фазы 50/2,5 соединяются параллельно.

Кроме того, схема параллельного соединения используется для получения нестандартных коэффициентов трансформации. Например, для получения коэффициента трансформации 37,5/5 соединяют параллельно два стандартных трансформатора тока с коэффициентом трансформации 75/5.

Источники: http://electric-220.ru/news/skhema_podkljuchenija_transformatorov_toka/2012-09-08-169, http://pue8.ru/relejnaya-zashchita/242-tipovye-skhemy-soedinenij-transformatorov-toka.html, http://rza.org.ua/rza/read/6-4—Transformatori-toka_34.html