В каком режиме работает трансформатор тока. Трансформаторы тока и напряжения: принципы работы, режимы и особенности применения

Как работают трансформаторы тока и напряжения. В каких режимах они функционируют. Каковы их основные характеристики и области применения. Почему возникает насыщение сердечника трансформатора тока.

Принцип работы трансформатора тока

Трансформатор тока (ТТ) — это измерительный прибор, предназначенный для преобразования больших токов в пропорциональные им малые токи, пригодные для измерения. Принцип его работы основан на явлении электромагнитной индукции:

1. Первичная обмотка ТТ включается последовательно в цепь с измеряемым током.
2. Переменный ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле в сердечнике трансформатора.
3. Это магнитное поле индуцирует ЭДС во вторичной обмотке.
4. Под действием ЭДС во вторичной цепи, замкнутой на измерительные приборы, возникает ток, пропорциональный первичному.

Таким образом, ТТ позволяет измерять большие токи с помощью стандартных амперметров, подключенных к его вторичной обмотке.

Особенности режима работы трансформатора тока

В отличие от силовых трансформаторов, ТТ работает в режиме, близком к короткому замыканию. Это обусловлено следующими факторами:

• Сопротивление измерительных приборов, подключаемых к вторичной обмотке, обычно очень мало.
• Для корректной работы необходимо, чтобы вторичный ток был точной уменьшенной копией первичного.
• Режим короткого замыкания обеспечивает минимальные погрешности измерения.

Важно отметить, что размыкание вторичной цепи работающего ТТ недопустимо, так как это может привести к появлению опасного высокого напряжения на разомкнутых выводах.

Насыщение сердечника трансформатора тока

Насыщение сердечника — это явление, при котором дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля не приводит к пропорциональному росту магнитной индукции. Оно возникает по следующим причинам:

• При очень больших первичных токах, превышающих номинальные значения.
• При наличии в первичном токе постоянной составляющей.
• Из-за остаточной намагниченности сердечника после отключения большого тока.

При насыщении ТТ перестает корректно воспроизводить форму первичного тока, что приводит к погрешностям измерения и неправильной работе релейной защиты.

Принцип работы трансформатора напряжения

Трансформатор напряжения (ТН) предназначен для преобразования высокого напряжения в низкое, удобное для измерения. Его работа также основана на явлении электромагнитной индукции:

1. Первичная обмотка ТН подключается параллельно участку цепи с измеряемым напряжением.
2. Переменное напряжение создает в сердечнике переменный магнитный поток.
3. Этот поток индуцирует во вторичной обмотке ЭДС, пропорциональную первичному напряжению.
4. К вторичной обмотке подключаются измерительные приборы и устройства защиты.

ТН позволяет безопасно измерять высокие напряжения и обеспечивает гальваническую развязку измерительных цепей от высоковольтных.

Режим работы трансформатора напряжения

ТН работает в режиме, близком к холостому ходу. Это обусловлено следующими факторами:

• Высокое сопротивление вольтметров и других приборов, подключаемых к вторичной обмотке.
• Малый ток, потребляемый измерительными цепями.
• Необходимость минимизации падения напряжения во вторичной цепи для обеспечения точности измерений.

В режиме, близком к холостому ходу, можно с достаточной точностью считать, что вторичное напряжение пропорционально первичному с коэффициентом трансформации.

Основные характеристики измерительных трансформаторов

Для трансформаторов тока и напряжения важны следующие характеристики:

• Номинальный коэффициент трансформации — отношение номинальных значений первичной и вторичной величин.
• Класс точности — максимально допустимая токовая или угловая погрешность.
• Номинальная нагрузка — полная мощность, которую трансформатор может отдавать во вторичную цепь при номинальном значении первичной величины.
• Предельная кратность (для ТТ) — максимальное отношение первичного тока к его номинальному значению, при котором погрешность не выходит за установленные пределы.

Эти характеристики определяют область применения и ограничения использования измерительных трансформаторов.

Области применения измерительных трансформаторов

Трансформаторы тока и напряжения широко используются в электроэнергетике для решения следующих задач:

• Измерение токов и напряжений в высоковольтных цепях.
• Питание измерительных приборов и счетчиков электроэнергии.
• Обеспечение работы устройств релейной защиты и автоматики.
• Контроль качества электроэнергии.
• Коммерческий учет электроэнергии.

Их применение позволяет повысить безопасность обслуживания электроустановок и обеспечить точность измерений в широком диапазоне токов и напряжений.

Погрешности измерительных трансформаторов

При работе трансформаторов тока и напряжения возникают погрешности, которые необходимо учитывать:

• Токовая погрешность — относительная разница между действительным и номинальным значениями вторичного тока.
• Угловая погрешность — угол между векторами первичного и приведенного вторичного токов.
• Погрешность напряжения — относительная разница между действительным и номинальным значениями вторичного напряжения.

Эти погрешности зависят от режима работы, нагрузки и конструкции трансформатора. Для обеспечения точных измерений необходимо выбирать трансформаторы с соответствующим классом точности и соблюдать условия их эксплуатации.

61) В каком режиме работает трансформатор напряжения?

Т.к. сопротивления обмоток вольтметров и других приборов, подключаемых к трансформатору напряжения, велики, то он практически работает в режиме холостого хода. В этом режиме можно с достаточной степенью точности считать, что

Схема включения измерительного трансформатора напряжения

62. В каком режиме работает трансформатор тока?

Трансформатор тока нормально работает в режиме короткого замыкания и не допускает работы в холостую.Сопротивления обмоток амперметров и других приборов, подключаемых к трансформатору тока, обычно малы. Поэто­му он практически работает в режиме короткого замыкания, при котором токи I₁ и I‘₂  во много раз больше тока I₀,(ток хх) и с достаточной степенью точности можно считать, что

63-64 Чем определяется погрешность коэффициента трансформации у измерительных трансформаторов?Чем определяется угловая погрешность у измерительных трансформаторов?

Реальный коэффициент трансформации несколько отличается от номинального. Это отличие характеризуется величиной погрешности преобразования, состоящей из двух составляющих — синфазной и квадратурной. Первая характеризует отклонение по величине, вторая отклонение по фазе вторичного тока реального от номинального.

У трансформатора тока :

В действительности из-за наличия тока холостого хода в рассматриваемом трансформаторе и междувекторами этих токов имеется некоторый угол, отличный от 180° (рис. 3.34, в). Это создает относительную токовую по­грешность

и угловую погрешность, измеряемую углом δ_i, между векто­рами и— .Погрешность δ_i считается положительной, если вектор — опережает вектор.

Угловая погрешность составля­ет 10… 120 угл. мин.

У трансформатора напряжения :

Так как сопротивления обмоток вольтметров и других приборов, подключаемых к трансформатору на­пряжения, велики, то он практически работает в режиме холостого хода.

В этом режиме можно с достаточной степенью точности считать,  что   U_l = U‘₂=U₂k.

В действительности ток холостого хода I₀ (а также не­большой ток нагрузки) создает в трансформаторе падение напряжения, поэтому, как видно из векторной диаграммы (рис. 3.33, б), и между векторами этих напряжений имеется некоторый сдвиг по фазе δ_u. В результате при изме­рениях образуются некоторые погрешности.

В измерительных трансформаторах напряжения различа­ют два вида погрешностей:

а) относительную погрешность напряжения

б) угловую погрешность δ_u; за ее значение принимают угол между векторами и —. Она влияет на результаты измерений, выполненных с помощью ваттметров, счетчиков, фазометров и прочих приборов, показания которых зависят не только от силы тока и напряжения, но и от угла сдвига фаз между ними.

Угловая погрешность считается положительной, если вектор опережает вектор. Угловая их погрешность составляет 20… 40 угл. мин.

Измерительные трансформаторы используют главным образом для подключения электроизмерительных приборов в цепи переменного тока высокого напряжения.

Как работает трансформатор тока

В процессе эксплуатации энергетических систем довольно часто решаются вопросы, связанные с необходимостью каких-либо установленных электрических величин в аналогичные величины с измененными значениями в определенной пропорции. Для этого необходимо знать, как работает трансформатор тока, действие которого основано на законе электромагнитной индукции, применяемого для электрических и магнитных полей. В процессе работы выполняется преобразование первичной величины вектора тока, протекающего в силовой цепи, во вторичный ток с пониженным значением. Во время такого преобразования соблюдается пропорциональность по модулю и точная передача угла.

В каком режиме работает трансформатор тока

Работа трансформатора может осуществляться в нескольких режимах. Одним из них является режим холостого хода, при котором вторичная обмотка находится в разомкнутом состоянии. Потребление тока первичной цепью самое минимальное, поэтому он называется током холостого хода. Магнитное поле холостого хода образуется вокруг первичной обмотки. Данный режим считается абсолютно безвредным для трансформатора.

Основным является режим нагрузки, в который трансформатор переходит из режима холостого хода. Во вторичной обмотке начинается течение тока, создающего магнитный поток, направленный против магнитного поля в первичной обмотке. В первый момент значение этого магнитного потока уменьшается, что приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции в первичной обмотке.

Поскольку внешнее напряжение, приложенное к генератору, не изменяется, это приводит к нарушению электрического равновесия между приложенным напряжением и ЭДС самоиндукции, а ток в первичной обмотке увеличивается. Соответственно увеличивается и магнитный поток, а также электродвижущая сила самоиндукции. Однако значение тока в первичной обмотке будет выше, чем в режиме холостого хода. Таким образом, сумма магнитных потоков первичной и вторичной обмоток в режиме нагрузки, будет равна магнитному потоку первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода.

В режиме нагрузки, когда появляется вторичный ток, происходит возрастание первичного тока. Это приводит к падению напряжения во вторичной обмотке и его уменьшению. В случае снижения нагрузки, при которой вторичный ток уменьшается, наступает уменьшение и размагничивающего действия вторичной обмотки. Наблюдается рост магнитного потока в сердечнике и соответствующий рост самоиндукции ЭДС. Данный процесс, касающийся электрического равновесия, продолжается до тех пор, пока оно полностью не восстановится.

Одним из основных считается и режим короткого замыкания, при котором во вторичной цепи будет практически нулевое сопротивление. Ток во вторичной цепи достигает максимального значения, магнитное поле во вторичной обмотке также будет иметь наивысший показатель. Одновременно, магнитное поле в первичной обмотке уменьшается и становится минимальным. Следовательно, происходит и снижение индуктивного сопротивления в этой обмотке. В то же время возрастает ток, потребляемый первичной цепью. Данная ситуация приводит к возникновению режима короткого замыкания, опасного не только для самого трансформатора, но и для всей цепи. Защита от короткого замыкания обеспечивается путем установки предохранителей в первичной или вторичной цепи.

Особенности работы трансформатора тока в разных условиях:

• Режим работы приближается к короткому замыканию, поскольку сопротивление нагрузки, подключаемой совместно со вторичной обмоткой, имеет минимальное значение. Фактически, работа трансформатора тока происходит в режиме короткого замыкания.
• Трансформатор тока своим режимом работы существенно отличается от других трансформаторных устройств. При изменении нагрузки в обычном трансформаторе, значение магнитного потока в сердечнике не изменяется при условии постоянно приложенного напряжения.

В каком режиме работает измерительный трансформатор напряжения

Важнейшими элементами высоковольтных цепей являются измерительные трансформаторы напряжения. Данные устройства предназначены для понижения высокого напряжения, после чего пониженное напряжение может питать измерительные цепи, релейную защиту, автоматику и учет, а также другие элементы. Таким образом, трансформаторы напряжения позволяют измерять напряжение в высоковольтных сетях, от них поступает питание на катушки реле минимального напряжения, счетчики, ваттметры, фазометры, а также на аппаратуру, контролирующую состояние изоляции сети.

С помощью трансформатора осуществляется понижение высокого напряжения до стандартных значений. С их помощью происходит разделение измерительных цепей и релейной защиты с первичными цепями высокого напряжения. Подключение первичной обмотки производится к источнику входного напряжения сети, а вторичная обмотка соединяется параллельно с катушками реле и измерительных приборов. Работа трансформатора напряжения осуществляется в режиме, приближенном к холостому ходу. Это связано с высоким сопротивлением приборов, подключенных параллельно и низким током, потребляемым ими.

Для обеспечения нормальной работы вторичных цепей установка трансформаторов напряжения может выполняться не только на шинах подстанции, но и на каждой точке подключения. Перед началом электромонтажных работ необходимо осмотреть устройство, проверить целостность изоляции, исправность узлов и элементов. С целью дальнейшей безопасной эксплуатации трансформатора, его корпус и вторичная обмотка заземляется. В результате, создается защита от возможного перехода высокого напряжения во вторичные цепи в случае пробоя изоляции.

Как работает трансформатор тока (ТТ)

ТТ состоит из двух наборов проволочных обмоток вокруг железного сердечника, как устроен ТТ можно посмотреть в следующем видео:

Трансформаторы работают по принципу электромагнитного индукция. Этот принцип гласит, что переменный магнитный поток в присутствии петли провода индуцирует напряжение в этой петле.

Магнитный поток Φ, — это просто величина магнитного поля, проходящего через такой материал, как сердечник трансформатора.

Когда переменный ток Ip протекает в первичной обмотке трансформатора, он создает переменное магнитное поле H ,
, которое соответствует переменному магнитному потоку Φ, вокруг сердечника трансформатора.

Этот переменный магнитный поток проходит через вторичную обмотку. Что произойдет дальше, зависит от нагрузки, подключенной к вторичной обмотке.

Если вторичная обмотка подключена к нагрузке, переменный магнитный поток в сердечнике индуцирует переменное напряжение В с
через вторичную обмотку.

Это вызывает протекание соответствующего переменного тока Is во вторичной обмотке. Переменный ток во вторичной обмотке создает собственное переменное магнитное поле и переменный магнитный поток, противодействующие тем, которые создает первичная обмотка.

Эти первичные и вторичные потоки компенсируются, оставляя незначительное количество чистого потока в ядре. Это происходит до тех пор, пока ядро ​​не станет насыщенным.

Если вторичная цепь разомкнута, переменный магнитный поток в сердечнике индуцирует очень высокое переменное напряжение Vs
через вторичную обмотку. Vs остается на клеммах без протекания вторичного тока, поэтому размыкание цепи работающего ТТ очень опасно. Поскольку Is не может течь, он не может создавать противоположное магнитное поле, оставляя чистый поток в сердечнике равным потоку, создаваемому первичным током.

Помните, что индукция напряжения Vs является результатом магнитного поля, создаваемого Ip, а также внутреннего сопротивления трансформатора и подключенной нагрузки.

Для упрощения предположим, что к ТТ подключена фиксированная линейная нагрузка. В этом случае закон Ома требует, чтобы вторичный ток в ТТ и напряжение на импедансе намагничивания были прямо пропорциональны.

Почему происходит насыщение КТ?

В идеальном мире вторичный ток, выходящий из ТТ Is , является точной копией первичного тока Ip , разделенного на коэффициент
числа витков в каждой обмотке (коэффициент ТТ).

Однако, когда CT насыщается, Is не точно воспроизводит Ip . Причина насыщения ТТ связана с тем, что физически происходит внутри ТТ во время процесса электромагнитной индукции.

Железный сердечник КТ состоит из фиксированного количества магнитных диполей, которые можно рассматривать как молекулярные магниты
.

В идеале эти магниты должны располагаться случайным образом в полярности по всему сердечнику.

При переменном токе Ip протекает в первичной обмотке и создает магнитное поле H , сила этого магнитного поля воздействует на магниты в сердечнике и заставляет их выстраиваться (в том же направлении, что и магнитное поле) для создания магнитного потока Ф .

Чем больше течет ток Ip , тем сильнее становится магнитное поле H , и тем больше магнитов выстраивается в ряд.

Количество магнитов, выстроенных в линию в данный момент времени, представляет собой плотность потока (B).

Когда все магниты в сердечнике выровнены в одном направлении, достигается максимальная магнитная индукция сердечника, и говорят, что сердечник ТТ насыщен .

Зависимость между напряженностью магнитного поля (H) и плотностью магнитного потока (B) представлена ​​кривой B-H сердечника
, как показано:

Различные типы материалов сердечника имеют разные кривые B-H, которые зависят от способность материала поддерживать магнитное поле.

То, как это магнитное поведение влияет на способность ТТ воспроизводить ток, очень просто: это изменение потока, вызванное
изменением направления магнитов, которое индуцирует напряжение Vs во вторичной обмотке ТТ.

Напряжение Vs, , в свою очередь, генерирует ток Is через подключенную цепь. Когда сердечник достигает максимальной плотности потока, он полностью насыщается, и больше не остается магнитов, чтобы изменить направление. Это приводит к тому, что напряжение Vs падает до нуля, а ток Is перестает течь.

Остаточная намагниченность в трансформаторе тока (ТТ)

Если ТТ достиг насыщения и размыкается переключатель для отключения первичного тока, можно ожидать, что магнитное поле
H исчезнет, ​​а плотность потока B уменьшится до нуля.

Однако плотность потока не достигает нуля, когда первичный ток перестает течь. Когда первичный ток удаляется, магнитное поле, которое заставляет магниты менять ориентацию, исчезает, и магниты в сердечнике остаются в своей нынешней ориентации.

Магниты больше не будут двигаться, пока не подвергнутся воздействию другого магнитного поля.

Величина плотности потока, остающаяся в сердечнике, называется остаточной намагниченностью.

Тот факт, что магниты по-прежнему указывают в том же направлении, в котором они были, когда магнитное поле было удалено, дает сердечнику «память» (как постоянный магнит).

Эта остаточная намагниченность остается в сердечнике до повторного включения первичного тока. Если повторно подаваемый ток противоположен по полярности исходному току
, плотность потока создается в направлении, противоположном предшествующей остаточной намагниченности.

Пример размыкания переключателя для отключения первичного тока — это именно то, что происходит , когда реле отключает автоматический выключатель
во время неисправности . Напомним, что при срабатывании выключателя ток прерывается при переходе через ноль.

Эта остаточная намагниченность остается в трансформаторах тока после размыкания выключателя и влияет на их поведение при следующем включении питания.
Остаточная намагниченность может либо помочь, либо помешать работе ТТ, в зависимости от того, имеет ли остаточная намагниченность ту же или противоположную полярность следующего тока, который измеряет ТТ.

Для насыщения ТТ требуется больше времени, если остаточная намагниченность имеет противоположную полярность тока, и меньше времени, если он имеет ту же полярность.

Изучение примера кривой B-H показывает еще один фактор, который обуславливает остаточную намагниченность магнитного сердечника.

Обратите внимание, что кривая следует по петлевой траектории. Плотность потока (B) отстает от напряженности поля (H) по мере прохождения цикла энергосистемы. Это явление называется гистерезисом .

Единственный способ избавиться от этой остаточной намагниченности — это размагничивание ТТ.

Размагничивание можно выполнить, подав первичный номинальный ток и переменную нагрузку на клеммы вторичной обмотки ТТ. Запустите нагрузку при высоком сопротивлении, чтобы вызвать насыщение ТТ как в положительном, так и в отрицательном направлениях. Затем выведите ТТ из состояния насыщения, медленно снижая нагрузку (и, следовательно, вторичное напряжение) до нуля.

Источники:

За пределами точки колена: Практическое руководство по насыщению КТ Арианой Харгрейв, Майклом Дж. Томпсоном и Брэдом Хейлманом

По теме

Как работает трансформатор тока

 

Трансформатор — это электрическое устройство, работающее по принципу закона электромагнетизма Фарадея, используемое для повышения или понижения входного напряжения. Трансформаторы бывают разных типов, например: силовые трансформаторы, трансформаторы тока, трансформаторы напряжения, импульсные трансформаторы, радиочастотные трансформаторы и аудиотрансформаторы. Наиболее распространенным применением трансформатора тока является уменьшение тока и обеспечение гальванической развязки в устройствах измерения тока. Некоторые типичные примеры включают SMPS, управление двигателем и электронные балласты молнии.

Возможно, вы знаете, как работает трансформатор тока, но многие ли из вас имели возможность увидеть, как он выглядит на самом деле изнутри? Это определенно маленький инструмент, который работает больше, чем его размер. В сегодняшнем обзоре вы узнаете, как работают трансформаторы тока.

Рис. 1:  Изображение, показывающее типичный трансформатор тока

На рисунке выше показан трансформатор тока. Маркировка на устройстве помогает узнать количество витков во вторичной обмотке. Разные производители имеют различный формат маркировки, например, это устройство имеет маркировку в формате 54XXXC, в которой X заменены тремя цифрами. Число представляет витки во вторичной обмотке, например, если написано 54050C, это означает, что вторичная обмотка имеет 50 витков.

Упаковка:

Рис. 2. Вид упаковки трансформатора тока крупным планом

Этот трансформатор имеет полимерный корпус, изготовленный из материала, известного как UL94 V-0, который соответствует стандартам RoHS. UL94 код, присвоенный тесту на воспламеняемость пластиковых материалов, используемых в электронных устройствах.

Последние два буквенно-цифровых символа обозначают рейтинг воспламеняемости. В данном случае V-0 означает, что пламя исчезнет максимум за 10 секунд, и горящий материал не упадет.  

Обмотки и структура выводов

Обмотки:

Медные провода обычно используются в качестве токонесущих проводников. Имеется шесть клемм, из которых две связаны со вторичной обмоткой и четыре с первичной обмоткой. Первичная обмотка имеет большую площадь поперечного сечения, так как сопротивление провода обратно пропорционально площади его поперечного сечения. Входной ток для трансформатора должен быть больше, чем вторичный. Для минимизации плотности магнитного потока вторичные катушки имеют меньшую площадь поперечного сечения.

В этом устройстве две первичные обмотки в соотношении 1:1, что повышает безопасную токовую нагрузку трансформатора.

Структура контактов:

Рис. 4. Структура трансформатора тока

Это 6-контактное устройство, которое служит для него входными и выходными клеммами. Круглая канавка в левом нижнем углу помогает определить структуру штифта. Первичная обмотка подключается к контактам 1, 6 и 2, 5, а 3, 4 к вторичной обмотке. Передаточное отношение устройства составляет 1:1:200, где 200 — передаточное отношение вторичной обмотки.

Внутренняя структура:

Рис. 5: Внутренняя структура трансформатора тока

После разрезания полимера мы увидели, как обмотки перекрывают друг друга. Это выглядит как кольцо из медной проволоки, как показано на изображении выше. Обмотки расположены концентрически, чтобы уменьшить утечку потока в трансформаторе.

Рис. 6. Первичная обмотка и изоляция первичной обмотки трансформатора тока

Сердечник и катушки

Имеются две первичные одновитковые обмотки, перекрывающие вторичную.