Виды трансформаторов. где и для чего применяются?

Измерительные трансформаторы

В этом классе работают два вида устройств, обеспечивающих в целях измерения параметров сети преобразования:

Измерительные трансформаторы создаются с высоким классом точности. Во время эксплуатации их метрологические характеристики периодически подвергают поверке на правильность измерения как величин, так и углов отклонения векторов тока и напряжения.

Трансформаторы тока

Главная особенность их устройства заключается в том, что они постоянно эксплуатируются в режиме короткого замыкания. У них вторичная обмотка полностью закорочена на маленькое сопротивление, а остальная конструкция приспособлена для такой работы.

Чтобы исключить аварийный режим входная мощность ограничивается специальным устройством первичной обмотки: в ней создается всего один виток, который не может создать при протекании по нему тока большого падения напряжения на обмотке и, соответственно, передать в магнитопровод высокую мощность.

Этот виток врезается непосредственно в силовую цепь, обеспечивая его последовательное подключение. У отдельных конструкций просто создается сквозное отверстие в сердечнике, через которое пропускают провод с первичным током.

Нагрузку вторичных цепей трансформатора тока, находящегося под напряжением, нельзя разрывать. Все провода и соединительные клеммы по этой причине изготавливаются с повышенной механической прочностью. В противном случае на разорванных концах сразу возникает высоковольтное напряжение, способное повредить вторичные цепи.

Благодаря работе трансформаторов тока создается возможность обеспечения постоянного контроля и анализа нагрузок, протекающих в электрической системе. Особенно это актуально на высоковольтном оборудовании.

Измерительные трансформаторы тока 110 кВ

Номинальные значения вторичных токов измерительных трансформаторов энергетики принимают в 5 ампер для оборудования до 110 кВ включительно и 1 А — выше.

Широкое применение трансформаторы тока нашли в измерительных приборах. За счет использования конструкции раздвижного магнитопровода удается быстро выполнять различные замеры без разрыва электрической цепи, что необходимо делать при использовании обычных амперметров.

Токовые клещи с раздвижным магнитопроводом трансформатора тока позволяют обхватить любой проводник с напряжением и замерить величину и угол вектора тока.

Трансформаторы напряжения

Отличительная особенность этих конструкций заключается в том, что они работают в режиме, близком к состоянию холостого хода, когда величина их выходной нагрузки невысокая. Они подключается к той системе напряжений, величина которой будет измеряться.

Измерительный трансформатор напряжения 110 кВ

Измерительные трансформаторы напряжения обеспечивают гальваническую развязку оборудования первичных и вторичных цепей, работают в каждой фазе высоковольтного оборудования.

Из них создают целые комплексы систем измерения, позволяющие фильтровать и выделять различные составляющие векторов напряжения, учет которых необходим для точной работы защит, блокировок, систем сигнализации.

За счет работы трансформаторов тока и напряжения снимают вектора вторичных величин, пропорциональные первичным в реальном масштабе времени. Это позволяет не только создавать цепи измерения и защит по току и напряжению, но и за счет математических преобразований векторов анализировать состояние мощностей и сопротивлений в действующей электрической системе.

Принцип работы трансформаторов тока

1.3 Принцип работы Трансформатор тока состоит из замкнутого сердечника, набранного из тонких листов электротехнической стали, и двух обмоток — первичной и вторичной. Первичную обмотку включают последовательно в контролируемую цепь, ко вторичной обмотке присоединяют токовые катушки различных приборов и реле. Рисунок 1 – Трансформатор тока: а — устройство, б, в — схемы включения амперметра непосредственно в контролирующую цепь и через трансформатор тока Устройство трансформатора тока и схемы включения амперметра показаны на рисунке 1, а—в. Магнитный поток в магнитопроводе 3 создается токами первичной 1 и вторичной 2 обмоток. Соотношение первичного I1 и вторичного I2 токов определяется формулой: KТТ = I1/I2 = w2/wl , где KТТ — коэффициент трансформации; w1 и w2 — число витков первичной и вторичной обмоток. Если в силовых трансформаторах и трансформаторах напряжения увеличение сопротивления во вторичной цепи вызывает уменьшение тока во вторичной и в первичной цепях, а напряжение на выводах обеих обмоток почти не изменяется, то у трансформаторов тока увеличение сопротивления во вторичной цепи приводит к повышению напряжения на выводах вторичной обмотки. Это объясняется тем, что ток в первичной цепи не зависит от нагрузки трансформатора тока. Ток во вторичной цепи трансформатора тока практически не меняется с изменением ее сопротивления при данном режиме первичной цепи. Вследствие этого нагрузка трансформатора тока увеличивается с возрастанием сопротивления во вторичной цепи, складывающегося из сопротивлений, подключенных к трансформатору тока аппаратов и приборов, соединительных проводов и переходных контактов. Трансформаторы тока для электроустановок напряжением до 1000 В показаны на рисунке 2, а, б, в (катушечный, шинный ТШ-0,5 и шинный с литой изоляцией ТШЛ-0,5). В шинных трансформаторах тока в качестве первичной обмотки используют шину, пропускаемую через окно 5 сердечника трансформатора тока, на который намотана вторичная обмотка. Проходные трансформаторы тока для внутренней установки на напряжение 10 кВ выполняют многовитковыми, одновитковыми и шинными с фарфоровой и пластмассовой (литой) изоляцией (Рисунок 3, а—в). Опорный трансформатор тока ТФНД-220 для наружной установки на напряжение 220 кВ (Рисунок 4) имеет обмотки, помещенные в фарфоровый корпус 3, залитый маслом и укрепленный на основании 4. На верхнем торце фарфорового корпуса укреплен чугунный расширитель 1 для масла с маслоуказателем и зажимами 2 первичной обмотки. Сердечник с вторичной обмоткой охватывается первичной обмоткой, имеющей в этом месте форму кольца. Выводы вторичной обмотки размещены в коробке 5 на основании трансформатора. Рисунок 2 – Трансформаторы тока на напряжение до 1000 В: а — катушечный, б, в — шинные ТШ-0,5 и ТШЛ-0,5; 1 — каркас, 2, 4 — зажимы вторичной и первичной обмоток, 3 — защитный кожух, 5 — окно

Рисунок 3 – Трансформаторы тока на напряжение 10 кВ с литой изоляцией: а — многовитковый ТПЛ-10, б — одновитковый ТПОЛ-10, в —шинный ТПШЛ-10; 1, 2 — зажимы первичной и вторичной обмоток, 3 — литая изоляция, 4 — установочный угольник, 5 — сердечник

Рисунок 4 – Опорный трансформатор тока ТФНД-220 наружной установки В высоковольтных распределительных устройствах подстанций применяют проходные (Рисунок 5, а) и опорные (Рисунок 5, б) трансформаторы тока. Рисунок 5 – Трансформаторы тока: а — проходной ТПФМ-10 на 10 кВ, б — опорный ТФН-35М на 35 кВ; 1 и 3 — первичная и вторичная обмотки, 2 — фарфоровый изолятор, 4 — сердечник вторичной обмотки, 5 — контактный угольник, 6 — крышка, 7 — кожух, 8 — верхний фланец, 9 — зажимы выводов вторичной обмотки, 10 — якореобразный болт, 11 — крышка, 12 — фарфоровая покрышка, 13 — изоляционное масло, 14 — кольцевые обмотки («восьмеркой»), 15 — полухомут, 16 — масловыпускатель, 17 — цоколь, 18 — коробка вторичных выводов, 19 — кабельная муфта, 20 — маслоуказатель

Вопросы об устройстве трансформатора

-Почему зазор между катушками делается минимальным?
Это делается для лучшего контакта магнитных полей. Если зазор будет большим — то и эффективность трансформатора будет низкая.

-А можно ли сделать трансформатор без сердечника аналогичный мощности с сердечником?
Да, но тогда придется увеличивать количество витков, чтобы увеличить магнитный поток. Например, с сердечником у обмоток витки могут быть по несколько тысяч. А без сердечника придется увеличивать магнитный поток за счет витков. И количество витков будет по несколько десяток тысяч. Это не только увеличивает размеры катушек, но и снижает их эффективность и увеличивает шансы перегрева.

-Можно ли подключить понижающий трансформатор как повышающий?
Если у вас есть трансформатор, который понижает сетевое напряжение с 220 В в 12 В, то его можно подключить как повышающий. То есть, вы можете подать на него переменное напряжение 12 В на вторичную обмотку и получить повышенное на первичной 220 В.

-А что будет, если на вторичную обмотку понижающего трансфоратора подать сетевое напряжение?
Тогда обмотка сгорит. Её сопротивление, количество витков и сечение провода не рассчитаны на такие напряжения.-Можно ли сделать трансформатор самостоятельно своими руками в домашних условия?
Да, это вполне реально. И многие радиолюбители и электронщики этим занимаются. А некоторые еще и зарабатывают. продавая готовую продукцию. Но стоит помнить о том, что это долгий, сложный и не простой труд. Нужны качественные материалы. Это трансформаторное железо, эмалированные медные провода различного сечения, изоляционные материалы.
Все материалы должны быть высокого качества. Если медный провод будет с плохой изоляцией, то возможно межвитковое замыкание, которое неминуемо приведет к перегреву. А для начала нужно рассчитать все параметры будущего трансформатора. Это можно сделать с помощью различных программ, которые доступны в сети.
Далее, это долгие часы сборки. Особенно если вы решили намотать тороидальные трансформатор.

Нужно плотно и равномерно наматывать витки, записывать каждый десяток, чтобы не запутаться и не изменить характеристики будущего преобразователя или блока питания.

-Что будет, если включить трансформатор без сердечника?
Так как трансформатор рассчитывался изначально с сердечником, то и преобразовать полностью напряжение он не сможет. То есть, на вторичке что-то будет, но явно не те параметры. Да и если подключите нагрузку к обмоткам без сердечника, они быстро нагреются и сгорят.

Неисправности трансформаторов

К основным неисправностям трансформаторов можно отнести:

Коррозия и наличие ржавчины на сердечнике;
Перегрев и нарушение изоляции;
Межвитковое короткое замыкание;
Деформация корпуса, обмоток и сердечника
Попадание воды в обмотку.

Как проверить на целостность

Трансформатор можно проверить обычным мультиметром. Установите прибор в режим измерения сопротивления и проверьте обмотки.
Они не должны быть в обрыве, никогда. Если нигде обрывов нет, то можно найти первичную и вторичную обмотки при помощи измерения сопротивления. У первичной обмотки понижающего трансформатора сопротивление будет выше, чем у вторичной. Это все из-за количества витков. Чем больше витков и чем меньше диаметр провода — тем больше сопротивление обмотки.

Так же вы можете найти паспорт на свой трансформатор. В нем указываются сопротивления обмоток, и их параметры, которые нужно будет проверить мультиметром.

Безопасная проверка работы трансформатора

Если вы решили намотать свой трансформатор или проверить старый, то обязательно подключайте лампочку в разрыв цепи (последовательно!). Если что-то не так произойдет то, лампочка загорится и заберет ток на себя и сможет спасти неисправный трансформатор.

Монтаж, подключение, опасные факторы

При пробое изоляции обмоток возникает возможность поражения током, но риск предотвращается заземлением вывода (обозначается на корпусе) вторички.

На выводы вторичной катушки И1 и И2 токи полярные, они обязательно постоянно подсоединены на нагрузку. Идущая по первичной цепи энергия со значительным потенциалом (S=UI). В другой происходит трансформация, и при обрыве в ней там падает напряжение. Потенциал разомкнутых концов при протекании энергии большой, что представляет значительную опасность.

По описанным выше причинам все вторичные цепи ТТ собирают особо тщательно и надежно, на них и кернах, выведенных из функционирования, всегда ставят шунтирующие закоротки.

Как подключается ТТ

Есть несколько схем для изделий защитного типа. Рассмотрим подключение ТТ на трехфазное напряжение.

Полная звезда:

самая распространенная, защита одно- и многофазных систем от КЗ;
три ТТ соединяются в звезду.

Если ток ниже настроек на реле КА1–КА3, то это нормальная ситуация, защита не активируется. Ток на К0 — это сумма всех 3 фаз. При возрастании величин в одной из них растет ток и в ТТ. Произойдет сработка реле при КЗ и при превышении нагрузок.

Неполная звезда:

защита от межфазных замыканий для создания цепей с нейтралью с заземлением;
для маломощных приемников с другими вариантами защиты.

Схема «треугольник и звезда» — для дифференциальной защиты.

Схема без обесточивания при КЗ на землю используется, но редко по этой же причине. Для защиты от замыканий между фазами и всплесков в одной из них.

ТТИ подсоединяются простым последовательным подключением первичных витков изделия.

Монтаж

Монтаж трансформаторов тока:

Ревизия устройства, проверка изоляции (должно быть выше 1 кОм на 1 В);
Отключают ЭУ;
Убедится в обесточивании, зафиксировать заземления.
Разметка, установка креплений. Запрещено размещать трансформатор вплотную к ЭУ (минимальный зазор — 10 см).
Выставляются таблички, ограждения.
Первичные витки подсоединяются последовательно, но с нагрузкой на вторичных. Если нет возможности подключить измеритель, то ее контакты замыкают, чтобы не было высоких мощностей на ней, которые приведут его повреждению.

ТТ не допускает холостого функционирования, его режим близок к КЗ: вторичные витки при подключении прибора к измеряемому току обязательно замыкаются. Иначе происходит перегревание, повреждающее изоляцию. Перед отсоединением измерителей сначала закорачивают катушки. У некоторых моделей для этого есть узлы клеммы, перемычки.

Расчет

Расчет трансформатора тока можно провести по онлайн-калькуляторам, подобрать по номиналу (например, для 10 кВ). Но это слишком упрощенные инструменты. Исчисления и параметры для выбора — чрезвычайно обширная тема, поэтому опишем основы.

Точность чрезвычайно важная, поэтому потребуются тщательные исчисления специалистами. Необходимо знать множество специфических нюансов, например:

при разных схемах подсоединения, видах КЗ, есть разные формулы определения сопротивления;
проверяют первичный ток на термо- и электродинамическую стойкость;
есть свои нюансы для ТТ, для релейной защиты и для учетных целей, измерений.

Правила, как выбрать трансформатор тока в общих чертах:

номинальное рабочее напряжение ТТ должно превышать или сравниваться с номиналом ЭУ (стандартные значения 0.66, 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 750 кВ). Если обслуживаемое оборудование имеет 10 кВ, то изделие должно быть рассчитано на этот показатель;
первичный ток ТТ — больше номинального тока у ЭУ, но учитывая перегрузочную способность;
оценивают ТТ по номинальной мощности вторичной нагрузки, которая должны превышать расчетное ее значение. (Sном>=Sнагр);
оценивают размеры и расположение для установки, номинальные нагрузки (есть таблица), наработка до отказа, срок службы, класс точности.

Проверка после расчета

Правила:

после расчета ТТ проверяют по загрузке при макс. и мин. значениях, протекающих через него нагрузок;
по п. 1.5. 17 ПУЭ при макс. подключенной нагрузке ток во вторичной катушке — не менее 40 % номинала счетчика, при мин. — не менее 5 %;
макс. загрузка должна быть от 40 %, а мин. — от 5 %, и в любом случае она не должна превышать 100 %, иначе возникнет перегрузка трансформатора;
если рассчитанные величины макс./мин. загрузок меньше 40 % и 5 % соответственно, то надо подбирать изделие с меньшим номиналом, а если этого нельзя сделать по параметрам макс. нагрузки, надо предусмотреть монтаж двух счетчиков — для макс. и мин. нагрузки.

Устройство и принцип работы

В основе работы — электромагнитная индукция. Аппарат разделяет высоковольтные токонесущие части и трансформирует величины энергии до безопасных или требуемых.

Суть работы ТТ. Если через первичку идет переменный определенной силы ток, то вторичная катушка, будучи с постоянной активной нагрузкой, например (резистор или обслуживаемая ЭУ), создает на них падение напряжения пропорционально току первички (зависимо от коэффициента трансформации) и сопротивлению. Напряжение уменьшается в максимально возможном диапазоне, возможности понижения почти бесконечные.

Устройство, схема трансформатора тока:

две (реже больше) обмотки на магнитопроводе из электростали:
первичная (включаемая в сеть). Это любая токопроводящая жила;
вторичная (от нее энергия подается к приемнику). Одиночная или групповая снабжается несколькими выводами для защитных цепей, приборов измерения и контроля;
выводы, клеммы.

Первичные витки подсоединяются последовательным методом, поэтому там полная нагрузка, вторичная же замыкается на нее (реле защиты, счетчики), пропуская ток пропорциональный величине на первой. Сопротивление измерителей малое и считается, что все трансформаторы тока функционируют в состоянии КЗ.

Есть несколько вариантов вторичных обмоток, обычно они создаются для подсоединения защитных приспособлений и для приборов контрольных, учетных. К катушкам обязательно должна подключаться нагрузка со строго регламентированным сопротивлением — даже ничтожные отклонения приводит к критическим погрешностям замеров, не селективности РЗ.

Работа ТТ поэтапно на примере схемы

Трансформатор тока как устроен, принцип работы поэтапно:

Через первичную цепь (кол. витков W1) идет ток I1, преодолевается ее полное сопротивление Z1.
Вокруг катушки образуется магнитное направленное поле Ф1, улавливаемое стержнем стоящим перпендикулярно к вектору (I1) данной величины. Ориентация деталей делает потери энергии почти нулевыми.
Пересекающий перпендикулярные по отношению к нему витки W2 поток Ф1 создает там движущую силу Е2.
Из-за последней во вторичной катушке (Z2) появляется ток I2, преодолевающий сопротивление (ее и подсоединенной нагрузки Zн).
На клеммах витков вторичной катушки возникает понижение напряжения U2. Одно магнитное поле Ф2 от вторичных витков I2 понижает другое Ф1 в стержне. Возникший в нем трансформаторный поток Фт определяют суммой векторов (Ф1 и 2).

Принцип работы, отличия трансформатора напряжения основываются на электромагнитных явлениях, как и в токовых. Но разница в количестве витков обмоток и назначении

Важно учесть цели, на которые конструкция рассчитана, трансформаторы напряжения обслуживают потребителей, поэтому «заточены» на трансформацию питания для электроприборов, ТТ — для защитных и измерительных устройств, а также они используются при осуществлении контроля и работают в режиме КЗ

Схемы подключения и вариации цепи

Подключение трансформатора тока, стандартно, рассматривается на примере электросчетчика. Более простая, доступная и понятная схема имеет два основных варианта и включает ряд ограничений. Категорически запрещено подключать трансформатор тока к приборам, питающимся напрямую от электросети. На примере трехфазного счетчика:

Внимательно изучите техническую схему расположения контактов. В большинстве устройств их местоположение идентичное, т.к. и принцип работы. Клеммы будут размещаться на тех же местах в прибор различной модификации. Но, все же, будьте внимательны.
Контакт обозначающийся К1 – это питание трансформатора. К2- подключение цепи напряжения. К3 – выходной контакт трансформатора.
По аналогии подключаются остальные две фазы. Имеющие, так же, по три значения с буквой К и последовательным числом.

Наиболее распространенной считается схема раздельного подключения вторичных потоков цепи. На фазный зажим от входного автомата необходимо подать фазовый ток. Для упрощения процесса, к этому же контакту производится подключение второй клеммы катушки напряжения (фаза счетчика). Окончание первичной обмотки трансформатора – это выход фазы, которая подключается к нагрузке распределительного щита. Выход вторичной обмотки трансформатора подсоединяют к концу токовой обмотки учетного прибора. И дальше, по аналогии.

Существует и другой вариант, по схеме совмещенных цепей тока. Подобное явление встречается очень редко, по большей части являясь исключением, если нет других вариантов. При такой последовательности возникают существенные погрешности в измерениях и отсутствует возможность своевременно выявить «пробой». Конечно, вариации есть, однако, данный пример считается наиболее оптимальным и рабочим.

Параметры трансформаторов тока

Зная, по определению, что эти детали служат для измерений и защитных функций, можно догадаться, что основными их характеристиками будут: KI и класс точности.

Коэффициент трансформации KI

Трансформаторные узлы только выполняют масштабирование параметров электроэнергии, сами её не производят. Для определения величины масштабирования используют коэффициент трансформации.

Отношение между величиной тока (I) или напряжения (U), поданной на вход и снятой на выходе, носит название коэффициента трансформации (Ктр).

В случае преобразования тока речь ведут о:

КI = I2/I1,

где:

КI – коэффициент трансформации ТТ;
I1 – ток на входе;
I2 – ток на выходе.

Для ТТ выполняется пропорциональное отношение между первичным и вторичным токами. Это следует из выражений:

I1 =I2 / KI;
I2 = I1 * KI.

Уточнение. Номинальный Ктр ТТ отображают в виде дробного выражения. В числителе ставится номинальная величина тока, протекающего в первичной катушке, в знаменателе – величина номинального тока во вторичной электрообмотке. Он всегда больше единицы.

Таким образом, номинал измеряемого тока отображает КI ном. Указанные паспортные данные детали (КI = 65/5) обозначают то, что при пропускании через первичную катушку 65 А во вторичной катушке будет проходить ток в 5 А.

Указание значений на шильдике детали

При использовании ТТ выполняют снижение тока во вторичной цепи, что даёт возможность обеспечить безопасность эксплуатации. Во вторичную цепь включается не только измерительная аппаратура, фиксирующая значение тока, но и системы защиты или автоматического переключения. В этом случае КI

Для значений напряжения формула коэффициента иная:

KU = U2/U1.

Изменения масштабирования (знак) зависит от величины К. При K>1 трансформатор повышает подводимую электрическую величину, при значении К

Если индуктивная связь между двумя обмотками трансформатора остаётся неизменной, то изменить коэффициент преобразования можно, изменяя отношение количества витков обмоточного провода в катушках W1 и W2. Обращаясь к его формуле:

KU = U2/U1,

можно её прировнять к следующему виду:

KU = W2/W1,

где:

KU – коэффициент трансформации;
W2 – количество витков катушки №2;
W1 – число витков катушки №1.

Диаметр наматываемого провода зависит от величины тока, планируемого для прохождения через обмотку.

Класс точности

Это главная характеристика ТТ, влияющая на метрологию процесса. Класс точности зависит от двух погрешностей:

токовая погрешность (%);
погрешность угловая (мин).

Первый вариант, когда действительный КIд., отличается от номинального коэффициента КIн.

Формула погрешности имеет вид:

f = (I2д – I2н)/ I2н * 100%,

где:

f – токовая погрешность;
I2д – вторичный настоящий (действительный) ток;
I2н – вторичный номинальный ток.

Угловая погрешность представляет собой угол между векторами токов: первичного и вторичного. Причём вектор тока вторичного повёрнут на 1800.

Внимание! Данные погрешности мотивированы влиянием намагничивающих токов. Классы точности отбирается из линейки 0,2; 0,2S; 0,5; 0,5S и иных значений по ГОСТ 7746-2015

Расшифровка маркировки

Каждому типу трансформаторов присваиваются буквенно-цифровые символы, по которым можно определить его основные параметры:

Т — трансформатор тока;
П — буква указывающая на то, что перед нами проходной трансформатор. Отсутствие буквы П указывает, что устройство принадлежит к классу опорных ТТ;
В — указывает на то, что трансформатор встроен в конструкцию масляного выключателя или в механизм другого устройства;
ВТ — встроенный в конструкцию силового трансформатора;
Л— со смоляной (литой) изоляцией;
ФЗ — устройство в фарфоровом корпусе. Звеньевой тип первичной обмотки;
Ф — с надежной фарфоровой изоляцией;
Ш — шинный;
О — одновитковый;
М — малогабаритный;
К — катушечный;
3 — применяется для защиты от последствий замыкания на землю;
У — усиленный;
Н — для наружного монтажа;
Р — с сердечником, предназначенным для релейной защиты;
Д — со вторичной катушкой, предназначенной для питания электричеством дифференциальных устройств защиты;
М — маслонаполненный. Применяется для наружной установки.

Номинальное напряжение (в кВ) указывается после буквенных символов (первая цифра).
Числами через дробь обозначаются классы точности сердечников. Некоторые производители вместо цифр проставляют буквы Р или Д.
следующие две цифры «через дробь» указывают на параметры первичного и вторичного токов;
после позиции дробных символов — код варианта конструкционного исполнения;
буквы, расположенные после кода конструкционного варианта, обозначают тип климатического исполнения;
цифра на последней позиции — категория размещения.