Измерительные трансформаторы тока

 

Измерительные трансформаторы тока используются при измерениях токов в цепях переменного тока. Они осуществляют преобразования больших по величине токов в относительно малые токи, проходящие через измерительный прибор. Измерительный трансформатор состоит из двух изолированных друг от друга обмоток, размещённых на магнитопроводе из электротехнической стали или пермаллоя. Первичная обмотка с числом витков w₁ включается в цепь измеряемого тока: её выводы маркируются буквами Л_1, Л₂. Если первичный ток I₁ превышает значение 500 А, первичная обмотка может состоять всего из одного витка в виде прямой шины или кабеля, проходящего через окно сердечника. Вторичная обмотка с числом витков w₂ наматывается из провода небольшого сечения. Сечение должно быть рассчитано на стандартное значение вторичного тока, равное 5 А. Изредка встречаются трансформаторы тока с номинальным вторичным током 1; 2 или 2,5 А. Выводы вторичной обмотки трансформатора тока маркируются буквами U₁,U₂. При измерении в высоковольтных цепях вторичная обмотка и металлический корпус трансформатора подлежат заземлению – рис. 3.4. Ко вторичной обмотке последовательно подключают амперметры и токовые обмотки ваттметров, счётчиков и других приборов.

Ток I₁ в первичной обмотке создаёт переменный магнитный поток Ф. Этот поток, пронизывая обе обмотки, индицирует в них ЭДС.

Е = 4,44 w f Ф _макс

 

Если вторичную обмотку замкнуть на прибор, то в ней появится ток I₂. По показанию приборов, включенного во вторичную цепь, зная коэффициент трансформации, можно определить значение первичного тока I₁. Трансформатор тока характеризуется номинальным коэффициентом трансформации тока:

І _1н w₂

к_{i ном} ═ ——— ═ ——

І _2н w₁

 

Зная показания прибора I₂ можно вычислить ток в линии

I₁ = I₁ k _{i ном}

Как правило, шкала прибора градуируется непосредственно в единицах тока I₁ ; в этом случае на шкале прибора указывается надпись «С трансформатором тока I_1н / I_2н».

 

I₁ Л₁ Л₂

 

 

Рис. 3.4. Схема включения

W₁ Ф₀ трансформатора тока.

W₂

 

I₂ U₁ U₂

^А

 

Действительный коэффициент трансформации зависит от режима работы и может отличаться от номинального

k₁ =I₁ /I₂

Разница в действительном и номинальном коэффициентах трансформации определяет погрешность коэффициента трансформации, называемую токовой погрешностью:

k_iном – k₁

γ₁ ═ ————— 100 % ≈ (1 – k₁/k_іном) 100 %.

k₁

Токовая погрешность сказывается на показаниях всех приборов, включенных во вторичную цепь. Кроме токовой, трансформатор обладает угловой погрешностью δ, представляющей собой разность фаз между вектором тока I₁ и вектором тока I₂ , повёрнутым на 180⁰ С,. Считается, что δ>0, если вектор I₂ , повёрнутый на 180⁰С, опережает I₁. Угловая погрешность обусловлена реактивностью трансформатора и влияет на точность показаний только фазочувствительных приборов (фазометров, ваттметров, счётчиков).

Векторная диаграмма трансформатора тока приведена на рис. 3.5.

I₀^W1

 

-I₂w₂ I₁w₁

^δ Рис. 3.5. Векторная

диаграмма трансфор-

матора тока.

I_Qw₁

0 Ф₀

I₂R I_µw₁

U₂

I₂x

 

E₂

I₂w₂ I₂x₂

 

Трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с малым сопротивлением Z=R+jX. I_{2 w 2} представляет собой магнитодвижущую силу (МДС) вторичной обмотки. Вектор напряжения U₂ на вторичной обмотке получают геометрическим суммированием падений напряжений на обмотке I₂R и I₂х на активной и реактивной составляющих сопротивления нагрузки. Векторная сумма напряжения U₂ и вектора падения напряжения на обмотке I₂z₂ равна ЭДС Е₂, наводимой во вторичной обмотке потоком Ф₀ в магнитопроводе. Поток Ф₀ образуется в результате совместного действия МДС I₁w₁ и размагничивающей МДС I₂w₂. Результирующая МДС I₀w₁ называется полной МДС трансформатора. Она создается намагничивающим током І₀ и состоит из реактивной составляющей I_u w₁, создающей поток Ф₀ и активной I_aω₁, опережающей поток на π/2 и определяемой потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике.

При номинальном режиме значение I₀w₁ составляет примерно 1% от I₁w₁ (или I₂w₂). Поэтому размыкание вторичной цепи трансформатора тока приведёт к I₀w_{1 =} I₁w₁, т.е. к резкому увеличению МДС, к большому росту U₂ и перегреву трансформатора из-за возросших потерь вплоть до термического разрушения.

Трансформаторы тока характеризуются номинальной нагрузкой или номинальной мощностью

S_ном =I_2н² Z _н.

Не разрешается превышать Z _н во избежании уменьшения размагничивающего действия вторичного тока I₂w₂ . В установках с большими токами короткого замыкания важно обеспечить электродинамическую и термическую стойкость трансформаторов тока.

 

Электродинамическая стойкость – это отношение амплитуды тока, которую он может выдержать без изменения своих электрических и механических свойств в течении одного полупериода, к амплитуде номинального тока.

Термическая стойкость – это отношение действующего (среднеквадратического) значения тока, которое трансформатор может выдержать в течении 1с без изменения своих свойств, к действующему значению номинального тока первичной обмотки.

Классы точности трансформаторов тока от 0,01 до 10,0. Могут изготавливаться как в стационарном, так и переносном исполнении, сухие или маслонаполненные.

Для уменьшения погрешностей трансформатора используют искусственное подмагничивание магнитопровода до значений напряженностей поля, при которых материал магнитопровода обладает максимальной магнитной проницаемостью. Это приводит к уменьшению I₀w_1. Практически, дополнительное намагничивание осуществляют за счёт прохождения тока I₂ через дополнительную обмотку. Такие трансформаторы называют компенсированными.

Разновидностью измерительных трансформаторов тока являются измерительные клещи. Они позволяют измерять ток в силовой цепи без её разрыва. Клещи представляют собой разъёмный магнитопровод на шарнире, охватывающий измеряемую цепь. Вторичная обмотка включена на амперметр. Точность измерения не высока, но достаточно для оценочных измерений.