Электромагнитные трансформаторы тока. Общие сведения

Трансформаторы тока (ТТ) предназначены для измерения тока и питания схем защиты, а также для изоляции измерительных приборов и реле от цепей высокого напряжения. Они выполняются как для закрытых распределительны устройств (ЗРУ), так и для открытых распределительных устройств (ОРУ) на вю шкалу номинальных токов и напряжений. Общие технические условия для трансформаторов тока приведены в ГОСТ 7746-2015. Наиболее широкое применение получили электромагнитные ТТ.

Классификация трансформаторов тока

Трансформаторы тока подразделяются по следующим основным признакам:

- по роду установки (категории размещения и климатическому исполнениюпо ГОСТ 15150-69). Приразмещении трансформаторов внутри оболочек комплектных изделий категории размещения должны соответствовать указанным в табл.1;

Таблица 1 – Категории размещения трансформаторов тока,     установленных внутри оболочек изделия

Категория среды внутри оболочки	Категория размещения комплектного изделия по ГОСТ 15150-69
	1	2	3	4	5
Газовая среде, изолированная от на-ружного воздуха, или жидкая среда	-	-	4	-	-
Газовая среда, не изолированная от наружного воздуха	2	2 или 2.1	3	4	5или 5.1

 

- по принципу конструкции: опорные, проходные, шинные, встроенные, разъемные. Допускается сочетание в конструкции ТТ нескольких перечисленных признаков, а также специальное конструктивное исполнение;

- по виду изоляции: с литой изоляцией, с фарфоровой покрышкой, в пластмассовом корпусе, с твердой изоляцией (кроме фарфоровой и литой) или с полимерной покрышкой, маслонаполненые, газонаполненные, бескорпусные;

- по числу ступеней трансформации: одноступенчатые, каскадные;

- по числу вторичных обмоток: с одной вторичной обмоткой, с несколькими вторичными обмотками;

- по назначению вторичных обмоток: для измерения, для учета, для защиты (релейная защита, управление и сигнализация), для измерения и защиты, для работы с нормальной точностью в переходных режимах;

- по числу коэффициентов трансформации: с одним коэффициентом трансформации, с несколькими коэффициентами трансформации, получаемые путем изменения числа витков первичной или (и) вторичной обмотки, а также путем применения нескольких вторичных обмоток с различными числами витков, соответствующих различным значениям номинального первичного и вторичного тока.

Признаки по приведенным подпунктам и их обозначения приведены в таблицах 2 – 4.

Таблица 2 – Обозначение трансформаторов тока по типу

                 конструкции

Конструктивное исполнение трансформатора	Услов ное обозна-чение
Опорный	О
Проходной	П
Шинный	Ш
Встроенный	В
Разъемный	Р
Одноступенчатый	-
Каскадный	К

 

Таблица 3 – Обозначение трансформаторов тока по виду

изоляции

Вид изоляции	Услов ное обозна-чение
С фарфоровой покрышкой	Ф
С твердой и воздушной изоляцией, с полимерной покрышкой	-
Маслонаполненные	М
Газонаполненые	Г
Литая	Л
В пластмассовом корпусе	П

 

Таблица 4 – Обозначение трансформаторов тока по назначению

                 вторичных обмоток

Назначение вторичной обмотки трансформатора	Услов ное обозна-чение
Для измерений	Указывают класс точности
Для учета	Указывают класс точности
Для защиты	То же
Для измерений и защиты	То же

 

Основные  параметры

К основным номинальным параметрам трансформаторов тока относятся:

- номинальное напряжение – U_ном (кроме встроенных трансформаторов);

- номинальный первичный ток – I_{1 ном};

- номинальный вторичный ток – I_{2 ном};

- номинальный коэффициент трансформации обмоток n_ном, который определяется по формуле: n_ном = I_{1 ном}/I_{2 ном}  или n_ном = w₂/ w₁;

- номинальная вторичная нагрузка S_{2 ном} , В∙А с коэффициентом мощности Cos f₂ = 1 или Cos f₂ = 0,8 (допускается обозначение номинальной вторичной нагрузки через Z_{2 ном}, Ом).При этом   соответствующее значение номинальной вторичной нагрузки Z_{2 ном}, определяют по формуле: Z_{2 ном} = S_{2 ном} /I₂² _ном;

- класс точности (для трансформатора с одной вторичной обмоткой) или вторичных обмоток (для трансформатора с несколькими вторичными обмотками);

- номинальная предельная кратность вторичной обмотки, предназначенной для защиты, К_ном;

- номинальный коэффициент безопасности приборов вторичной обмотки, предназначенной для измерения и для учета, К _{Б ном} ;

- номинальная частота сети   f_ном, равная 50 или 60 Гц. Качество сети должно соответствовать требованиям ГОСТ 32144-2013.

Значения основных параметров следует выбирать из приведенных в таблице 5.

Таблица 5 – Значения основных параметров трансформаторов

                  тока

Наименование параметра	Значение
Номинальное напряжение трансформатора, Uном, кВ	0,66; 3; 6; 10; 15; 20; 24; 27; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750
Наибольшее рабочее напряжение Uр ном, кВ	Для номинального напряжения 0,66 кВ – 0,72 кВ, для 3 кВ и выше согласно ГОСТ 1516.3-96
Номинальный первичный ток трансформатора, I1 ном,А	1; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 75; 80; 100; 150; 200; 300; 400; 500; 600; 750; 800; 1000; 1200; 1500; 1600; 2000; 3000; 4000; 5000; 6000; 8000; 10000; 12000;14000; 16000; 18000; 20000; 25000; 28000; 30000; 32000; 35000; 40000

 

 

Продолжение таблицы 5

 

Наименование параметра	Значение
Номинальный вторичный ток трансформатора, I2 ном, А	1; 2; 5
Наибольший рабочий первичный ток, I1 кр, А	Не более, чем на (5÷6) % от номинального значения тока
Номинальная вторичная нагрузка S2 ном  с коэффициентом мощности Cos f2 = 1, В∙А	0,5; 1,0; 2,0; 2,5; 5
Номинальная вторичная нагрузка S2 ном  с  индуктивно-активным коэффициентом мощности Cos f2 = 0,8, В∙А	3; 5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 75; 100
Класс точности трансфор-матора или вторичной об-мотки: -для измерений, для учета, для измерения и защиты; -для коммерческого учета электроэнергии; -для защиты	0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0; 5,0; 10   0,2 S; 0,5 S   5Р; 10Р
Номинальная предельная кратность вторичных обмоток для защиты, Кном	От 5 до 30
Номинальный коэффи- циент  безопасности  при-боров К Б ном , вторичных обмоток для измерений	Устанавливают в документации на трансформаторы конкретных типов. Не устанавливают для вторичных обмоток для измерений и защиты

 

Метрологические характеристики трансформаторов тока

Метрологические характеристики устанавливаются для слдую-щих рабочих условий:

- номинальный диапазон частот должен составлять от 99 % до 101 % номинальной частоты для трансформаторов, предназначенных для измерения и учета, и от 96 % до 102 % номинальной частоты для трансформаторов, предназначенных для защиты;

- первичный ток – в соответствии с данными таблицы 6;

- значение вторичной нагрузки – в соответствии с данными таблицы 6;

- температура окружающего воздуха – в соответствии с климатическим исполнением и категорией размещения по ГОСТ 15150-69, если иное не указано в документации на трансформаторы конкретных типов;

- высота над уровнем моря по ГОСТ 7746-2015.

Пределы допускаемых погрешностей вторичных обмоток для измерений и учета в рабочих условиях применения при установившемся режиме должны соответствовать значениям, указанным а таблице 6.

Таблица 6 – Пределы допускаемых погрешностей вторичных обмоток трансформаторов тока для измерений

Класс точности	Первичный ток, % номинального значения	Предел допустимой погрешности			Диапазон вторичной нагрузки, % номинального значения
		токовой, %	угловой
			минуты, '	срад, (телесный угол)
0,1	5	± 0,4	± 15	± 0,45	25 - 100
	20	± 0,2	± 8	± 0,24
	100 - 120	± 0,1	± 5	± 0,15
0,2	5	± 0,75	± 30	± 0,9
	20	± 0,35	± 15	± 0,45
	100- 120	± 0,2	± 10	± 0,3

Продолжение таблицы 6

 

Класс точности	Первичный ток, % номинального значения	Предел допустимой погрешности			Диапазон вторичной нагрузки, % номинального значения
		токовой, %	угловой
			минуты, '	срад, (телесный угол)
0,2 S	1	± 0.75	± 30	± 0.9	25 - 100
	5	± 0.35	± 15	± 0.45
	20	± 0.2	± 10	± 0.3
	100	± 0.2	± 10	± 0.3
	120	± 0.2	± 10	± 0.3
0.5	5	± 1.5	± 90	± 2.7
	20	± 0.75	± 45	± 1.35
	100 - 120	± 0.5	± 30	± 0.9
0,5 S	1	± 1.5	± 90	± 2.7
	5	± 0.75	± 45	± 1.35
	20	± 0.5	± 30	± 0.9
	100	± 0.5	± 30	± 0.9
	120	± 0.5	± 30	± 0.9
1	5	± 3.0	± 180	± 5.4
	20	± 1.5	± 90	± 2.7
	100 - 120	± 1.0	± 60	± 1.8
3	50 - 120	± 3.0	Не нормируют		50 - 100
5		± 5.0
10		± 10.0

 

Погрешности не должны выходить за пределы допускаемых областей. Для трансформаторов с классом точности от 0,1 до 1,0 и номинальной нагрузкой не более 30 В∙А допускается нижний предел вторичной нагрузки менее 25 % от номинальной, вплоть до нулевой.

В технически обоснованных случаях допускается изготовление трансформаторов с нижним пределом вторичной нагрузки более 25 % от номинальной.

По требованию заказчика допускается изготовление трансформаторов с расширенным диапазоном первичного тока до 150 %  и  200 % номинального первичного тока, предназначенных для длительной работы при этих токах. Погрешности вторичных обмоток для измерений таких трансформаторов при токах 150 % и 200 % от номинального первичного тока должны соответствовать нормам табл.6 для 120 % номинального тока.

Пределы допускаемых погрешностей вторичных обмоток для защиты в рабочих условиях применения при установившемся режиме тока и номинальной вторичной нагрузке должны соответствовать указанным в таблице 7.

Таблица 7 – Пределы допускаемых погрешностей вторичных обмоток трансформаторов тока для защиты

Класс точности	Предел допускаемой погрешности
	при номинальном первичном токе			при токе номинальной предельной кратности
	токовой, %	угловой		полной, %
5Р	± 1	± 60 '	± 1,8 срад	5
10Р	± 3	Не нормируют		10

Условное обозначение трансформаторов тока

согласно ГОСТ 7746-2015

 

Схема включения трансформаторов тока

Схема включения электромагнитных трансформаторов тока (ТТ)  представлена на рис.1.

 

Рисунок 1 – Схема включения трансформатора тока

 

Отличительной особенностью режима работы ТТ является то, что величина первичного тока не зависит от режима работы его вторичной цепи. Будет ли вторичная цепь замкнута или разомкнута, первичный ток остается неизменным и определяется сопротивлением нагрузки Z₁, которое на несколько порядков выше, чем входное сопротивление сопротивление ТТ со стороны первичной обмотки при любом значении сопротивления Z₂. Разомкнутое состояние вторичной обмотки ТТ является аварийным режимом. Так как ток перичной обмотки не изменяется при обрыве вторичной цепи или нагрузки во вторичной обмотке, то на зажимах вторичной обмотки возбуждается очень высокое напряжение (до нескольких кВ), которое может привести как к пробою изоляции ТТ, так и к поражению током обслуживающего персонала. По этой причине во вторичной цепи предохранители не ставят и вторичная обмотка должна быть обязательно заземлена.

Схема замещения трансформаторов тока

Для анализа работы ТТ и их расчетов удобно перейти от схемы с магнитно связанными обмотками (см.рис.2а) к эквивалентной схеме замещения, в которой первичная и вторичная обмотки связаны электрически (см. рис.2б;  рис.2в).

Рисунок 2 – Схема ТТ с магнитно связаныыми обмотками (а) и схемы замещения ТТ (б; в)

 

При определении параметров схемы замещения в качестве коэффициента приведения k_прив  рекомендуется брать отношение числа витков обмоток: k_прив = w₂/ w₁. Обычно все параметры ТТ приводятся ко вторичной обмотке. В данном случае рассматриваются Т-образные схемы замещения.

Индуктивное сопротивление вторичной обмотки в Т-образной схеме замещения определяется по формуле:

,

где L ₂₂ – индуктивность вторичной обмотки;

L ₂₁ – взаимная индуктивность между вторичной и первичной обмотками.

Индуктивность L ₂₂ можно определить, если первичную цепь ТТ разомкнуть и на вторичную обмотку подать напряжение U₂. Полное сопротивление вторичной обмотки при разомкнутой первичной определяется по формуле: .

Индуктивность вторичной обмотки определяют по формуле:

                    .

Значения  могут быть измерены стандартными методами. Взаимную индуктивность L ₂₁ можно найти по формуле, если пропустить ток через первичную обмотку и измерить ЭДС  на зажимах разомкнутой вторичной обмотки:

      .

Необходимо иметь в виду, что - расчетное значение в схеме замещения. При некоторых параметрах ТТ, например при

 индуктиное сопротивление  может иметь отрицательный знак. Но из этого нельзя делать вывод, что вторичная обмотка имеет отрицательное индуктивное сопротивление. Отрицательная индуктивность   существует только в схеме замещения. Эта схема позволяет проводить расчет ТТ и исследовать его поведение в установившемся и переходных режимах работы.

Поскольку первичный ток определяется только сопротивлением первичной цепи  и от параметров ТТ не зависит, параметры первичной обмотки в схеме замещения можно опустить, (см.рис.2в). В данной схеме - индуктиное сопротивление ветви намагничивания, определяемое активным магнитным сопротивлением магнитопровода; - активное сопротивление ветви намагничивания, определяемое активными потерями в магнитопроводе; - активное сопротивление вторичной обмотки;  и - активное и индуктивное сопротивления нагрузки.

Векторная диаграмма трансформаторов тока

Векторная диаграмма для трансформаторов тока представлена на рис.3.

 

 

Рисунок 3 – Векторная диаграмма трансформатора тока

 

За основу построения векторной диаграммы ТТ принимается вторичный ток , с направлением которого совпадает МДС вторичной обмотки . Зная величину вторичного тока  и параметры вторичной цепи ТТ (), и учитывая, что система векторов вращается против часовой стрелки, а также то, что ток в индуктивной цепи ток (в данном случае ) всегда отстает по фазе от приложенного напряжения, можно рассчитать и последовательно отложить на диаграмме векторы: - падение напряжения на нагрузке и - падение напряжения на вторичной обмотке ТТ, геометрическая сумма которых определяет величину ЭДС (). ЭДС () создается потоком Ф₀.

В соответствии с ГОСТ 7746-2015 условные положительные направления первичного и вторичного токов приняты согласно рис.2а. Ток направлен к началу первичной обмотки, а ток - от начала вторичной обмотки во внешнюю цепь. Обе обмотки намотаны в одну сторону. При принятом направлении токов ЭДС () опережает поток Ф₀ на угол 90^о. Для создания потока Ф₀ необходима МДС , преодолевающая активное магнитное сопротивление, и МДС , преодолевающая реактивное магнитное сопротивление. Результирующая МДС, необходимая для создания потока Ф₀, равна .

Согласно закону полного тока для магнитной цепи можно написать, что:

                            ,

где -намагничивающий ток, приведенный к первичной обмотке.

Для идеального трансформатора тока , тогда

                            .

Если токи привести ко вторичной обмотке, то

             ; .

Из этого следует то, что на векторной диаграмме для идеального трансформатора тока векторы и  должны совпадать по фазе. В реальном ТТ имеется угловая погрешность δ – угол между вторичным  и первичным токами за счет имеющихся потерь. Эта погрешность считается положительной, если ток опережает ток . Величину тока можно определить как геометрическую сумму токов и   (см.векторную диаграмму) или по формуле: = I ₁ / n _ном.

Токовая погрешность Δ I в общем случае определяется по формуле:

 

Более точно погрешности ТТ можно рассчитать, вопользовавшись треугольником АВС на векторной диаграмме (см.рис.3).

Токовая погрешность в процентах может быть рассчитана по формуле:

        .

Угловая погрешность в минутах может быть рассчитана по формуле:

  ,

где α – угол между вторичной ЭДС () и током ;

Ψ – угол потерь в магнитопроводе, равный , где

- активная и реактивная составляющие тока намагничивания.

Наряду с токовой и угловой погрешностью ГОСТ 7746-2015 вводит полную погрешность ε, %, которая характеризует относительное значение намагничивающего тока. Полную погрешность ε, %, определяют по формуле:

      ,

где Т – период частоты изменения тока;

i₁; i₂ – мгновенные значения первичного и вторичного токов.

Исследования и расчетные данные показывают, что чем меньше будет намагничивающий ток, тем меньше будут погрешности электромагнитного трансформатора тока.