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 Л1, 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
кi 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 I1н / I2н».
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:
kiном – k1
γ1 ═ ————— 100 % ≈ (1 – k1/kіном) 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.
I0W1
-I2w2 I1w1
δ Рис. 3.5. Векторная
диаграмма трансфор-
матора тока.
IQw1
0 Ф0
I2R Iµw1
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. I2 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 Iu w1, создающей поток Ф0 и активной Iaω1, 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 I0w1 = 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
Sном =I2н2 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 I0w1. 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.
