Меню

Трансформаторы тока что можно из них сделать

Трансформаторы тока что можно из них сделать

Иногда нужно узнать – какой ток течет в электрической цепи. Если ток небольшой, для этого можно использовать простой резистор. Если-же ток достигает неприличных величин (к примеру, как в трансформаторах Тесла), приходится искать другие методы измерения. Один из таких методов – использование трансформатора тока.

image

Что это такое?

Трансформатор тока, для краткости будем называть его ТТ, используется повсеместно. К примеру, в электросчетчиках и на подстанциях. Мы-же будем рассматривать то, как его можно использовать для измерения тока в импульсных источниках питания – сварочных аппаратах, трансформаторах Тесла итп. Стоит сразу обратить внимание, что с помощью ТТ можно измерять только переменный ток, но никак не постоянный!

Итак, ТТ позволяет нам измерять очень большой ток. Чем-же ТТ отличается от обычного трансформатора? А вот ничем! Название придумали из-за области применения и характерной конструкции – катушка на тороидальном сердечнике, через которую пропущен провод.

ТТ преобразует проходящий через него ток в пропорциональное напряжение. К примеру, если через трансформатор проходит 100А, то он выдает 1В, а если проходит 200А, то на выходе мы получим 2В.

Основные соотношения

Проделав нехитрые математические выкладки, можно убедиться, что для токов в обмотках ТТ с очень большим коэффициентом трансформации по напряжению и с короткозамкнутой вторичной обмоткой действует такой закон для тока в обмотках:

image

Для того, чтобы преобразовать ток в напряжение, используют обычный резистор. Типичная схема включения ТТ:

image

Напряжение, падающее на резисторе R, согласно закону Ома, равно E=IR. Таким образом, зависимость выходного напряжения ТТ от тока определяется простым выражением:

imageК примеру, рассмотрим трансформатор Тесла, где через ТТ течет ток в 500А. Если у нас 1 виток в первичной обмотке ( да, просто пропущенный через кольцо провод считается за один виток), а во вторичной обмотке — 1000 витков, то ток во вторичной обмотке окажется равным 0.5А. Если мы возьмем сопротивление R1 = 2ом, то при полном токе на нем будет падать 1вольт.

Применения

Раз мы уже знаем, что такое токовый трансформатор, давайте подумаем куда его можно всунуть. Кроме того, что можно измерять большие токи, можно еще строить автогенераторы с обратной связью по току. Практически все DRSSTC являются именно такими. Можно также организовывать защиту от превышения тока, без такой защиты большинство импульсных блоков питания являются ”живыми мертвецами”.

Запаздывание по фазе

Для автогенераторного применения важна еще одна характеристика ТТ – задержка сигнала.

Запаздывание сигнала может произойти из-за таких факторов

Для анализа обоих этих ситуация, я набросал простую модель в SWCad’е.

Для предыдущего примера с трансформатором Тесла, возьмем сердечник R25.3 из материала N87 фирмы Epcos. В качестве паразитной емкости, возьмем 1нФ. Не спрашивайте, откуда такая емкость. Мне она кажется значительно большей, чем может возникнуть в любой реальной ситуации. Модель выглядит так:

image

Результаты симуляции при к. связи = 1

image

image

Как видно, отличаются только амплитуды. Сигнала. Никакого запаздывания нет в обоих случаях. Такое поведение сохраняется вплоть до очень высоких частот и до очень маленьких коэффициентов связи. Таким образом, можно сделать вывод, что фаза сигнала практически не зависит от паразитных параметров.

Каскадирование токовых трансформаторов

Люди всегда были ленивыми. Некоторым лениво встать из-за компа, а некоторым – мотать тысячи витков в ТТ. Поэтому придумали соединять трансформаторы последовательно. Решение спорное, и поэтому попробуем его проанализировать при помощи того-же симулятора. Включим последовательно два трансформатора на том-же сердечнике с обмоткой по 33 витка на каждом. Замечу, что паразитная емкость в каждом из трансформаторов сильно уменьшилась, что не удивительно.

image

Результаты симуляции очень похожи на одиночный трансформатор. Никакого запаздывания нет. Только амплитуда становится немного менее предсказуемая – она определяется произведением коэффициентов связи в обоих трансформаторах.

image

Вывод – в подавляющем большинстве случаев можно применять несколько ТТ, включенных последовательно.

Прямоугольный выходной сигнал

Часто необходимо получить прямоугольный выходной сигнал из синусоиды, выдаваемой ТТ. Конечно, это можно сделать с помощью компаратора, однако быстродействующие компараторы дороги и требуют особых навыков от разработчика. Проще собрать следующую, уже почти ставшую стандартом, схему:

image

Для чего такие сложности? Стабилитроны – очень медленные устройства. Для повышения быстродействия ограничителя, к ним добавлены диоды Шоттки. Когда напряжение меняет полярность – диоды Шоттки быстро закрываются и не дают стабилитронам испортить сигнал. Такой ограничитель выдает сигнал +-5 вольт. Замечу, что сигнал нужно обязательно ограничивать симметрично, иначе произойдет сдвиг фазы.

Далее идет диодная “вилка” которая защищает вход последующей микросхемы от пробоя отрицательным напряжением.

Диодную вилку нельзя поставить сразу после ТТ, потому, как выбросы из силовой части преобразователя попадут в чувствительные цепи управляющей электроники.

Конструкция

Заметьте, что ТТ работает как источник тока, и чем больше витков вы намотаете, тем ближе ТТ будет к идеальному источнику тока и тем точнее будут показания. Также, чем больше витков, тем меньше ток течет через резистор, а значит, уменьшается рассеиваемая на нем мощность. Именно предельная мощность на резисторе обычно является определяющим факторов для количества витков в любительских конструкциях.

Для того, чтобы сделать коэффициент трансформации побольше, первичную обмотку обычно делают всего из одного витка, а во вторичной мотают порядка тысяч.

Читайте также:  Объясните устройство машины постоянного тока

Проблема насыщения сердечника очень редко проявляется в токовых трансформаторах. Что такое насыщение и как с ним бороться, можно прочитать в статье о GDT.

Чем больше проницаемость сердечника, тем больше к. связи и точнее показания, однако больше становится и паразитная индуктивность, добавляемая в измеряемые цепи. Это часто нежелательно. На практике, в качестве сердечника для ТТ может использоваться практически любой феррит, работающий на необходимой частоте. Для низкочастотных применений используют обычное трансформаторное железо.

В качестве проволоки для вторичной обмотки стоит выбирать проволоку с наибольшим возможным сечением – так уменьшается погрешность измерения.

Промышленные ТТ

Естественно, промышленность выпускает громаднейший ассортимент токовых трансформаторов. Они хорошо настроены и могут быть использованы для точных измерений. Естественно, есть проблемы с доставабельностью в неэпических количествах. К примеру, в киеве, несколько ТТ я видел в магазине “радиомаг”

image

Еще почитать

К моему удивлению, материалов по ТТ очень мало. Но википедия, все-же, знает, что это такое.

Привенение ТТ в электросчетчиках. Там-же описывается немного теории.

Источник

Принцип действия ТТ и их назначение

В сегодняшнем материале, я решил начать рассматривать вопросы, касающиеся основ теории трансформаторов тока. Сами эти аппараты распространены повсеместно в электроустановках, и я думаю, всем будет интересно и полезно обновить в памяти принцип их работы.

Назначение трансформаторов тока: преобразование тока и разделение цепей

Начнем с ответа на вопрос – для чего нужен трансформатор тока? Здесь существует несколько основных вопросов, которые решает установка трансформаторов тока.

  • Во-первых, это измерение больших токов, когда измерение непосредственно реальной величины первичного тока не представляется возможным. Измеряют преобразованную в меньшую сторону после трансформатора тока величину. Обычно это 1, 5 или 10 ампер.
  • Во-вторых, это разделение первичных и вторичных цепей. Таким образом, происходит защита изоляции релейного оборудования, приборов учета электроэнергии, измерительных приборов.

Из чего состоит ТТ, принцип его работы

Трансформатор тока имеет замкнутый сердечник (магнитопровод), который собирают из листов электротехнической стали. На сердечнике расположено две обмотки: первичная и вторичная.

Первичная обмотка включается последовательно (в рассечку) цепи, по которой течет измеряемый (первичный) ток. К вторичной обмотке присоединяются последовательно соединенные реле, приборы, которые образуют вторичную нагрузку трансформатора тока. Такое описание состава трансформатора тока достаточно для описания принципа его работы, более подробное описание реального состава трансформатора тока приведено в другой статье.

Для рассмотрения принципа действия трансформатора тока рассмотрим схему, расположенную на рисунке.

принцип работы трансформатора тока

В первичной обмотке протекает ток I1, создавая магнитный поток Ф1. Переменный магнитный поток Ф1 пересекает обе обмотки W1 и W2. При пересечении вторичной обмотки поток Ф1 индуцирует электродвижущую силу Е2, которая создает вторичный ток I2. Ток I2, согласно закону Ленца имеет направление противоположное направлению I1. Вторичный ток создает магнитный поток Ф2, который направлен встречно Ф1. В результате сложения магнитных потоков Ф1 и Ф2 образуется результирующий магнитный поток (на рисунке он обозначен Фнам). Этот поток составляет несколько процентов от потока Ф1. Именно поток Фнам и является тем звеном, что производит передачу и трансформацию тока. Его называют потоком намагничивания.

Коэффициент трансформации идеального ТТ

В первичной обмотке w1 создается магнитодвижущая сила F1=w1*I1, а во вторичной — F2=w2*I2. Если принять, что в трансформаторе тока отсутствуют потери, то магнитодвижущие силы равно по величине, но противоположны по знаку. F1=-F2. В итоге получаем, что I1/I2=w2/w1=n. Это отношение называется коэффициентом трансформации трансформатора тока.

Коэффициент трансформации реального ТТ

В реальном трансформаторе тока существуют потери энергии. Эти потери идут на:

  • создание магнитного потока в магнитопроводе
  • нагрев и перемагничивание магнитопровода
  • нагрев проводов вторичной обмотки и цепи

К магнитодвижущим силам из прошлого пункта прибавится мдс намагничивания Fнам=Iнам*w1. В выражении ниже токи и мдс это вектора. F1=F2+Fнам или I1*w1=I2*w2+Iнам*w1 или I1=I2*(w2/w1)+Iнам

В нормальном режиме, когда первичный ток не превышает номинальный ток трансформатора тока, величина тока Iнам не превышает 1-3 процента от первичного тока, и этой величиной можно пренебречь. При ненормальных режимах происходит так называемый бросок тока намагничивания, об этом более подробно можно почитать здесь. Из формулы следует, что первичный ток разделяется на две цепи – цепь намагничивания и цепь нагрузки. Более подробно о схеме замещения ТТ и о векторной диаграмме ТТ.

Режимы работы трансформаторов тока

У ТТ существуют два основных режима работы – установившийся и переходный.

В установившемся режиме работы токи в первичной и вторичной обмотке не содержат свободных апериодических и периодических составляющих. В переходном режиме по первичной и вторичной обмотке проходят свободные затухающие составляющие токов.

Если ТТ выбран правильно, то в обоих режимах работы погрешности не должны превышать допустимых в этих режимах, а токи в обмотках не должны превышать допустимые по термической и динамической стойкости.

ТТ для измерений предусмотрены для работы в установившемся режиме, при условии не превышения допустимых погрешностей. Работа ТТ для защиты начинается с момента возникновения тока перегрузки или тока КЗ, в этих режимах должны обеспечиваться требования определенных типов защит.

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения и силового трансформатора

Существуют отличия в работе ТТ и ТН.

  • Первичный ток ТТ не зависит от вторичной нагрузки, что свойственно ТН. Это определяется тем фактом, что сопротивление вторичной обмотки ТТ на порядок меньше сопротивления первичной цепи и вообще, чем оно ближе к нулю, тем точнее аппарат. В трансформаторах напряжения и силовых трансформаторах же первичный ток зависит от величины тока вторичной нагрузки.
  • ТТ всегда работает с замкнутой вторичной обмоткой и величина его вторичного сопротивления нагрузки в процессе работы не изменяется.
  • Не допускается работа ТТ с разомкнутой вторичной обмоткой, для ТН и силовых при размыкании вторичной обмотки происходит переход в режим работы холостого хода.
Читайте также:  Пме 211 характеристики ток катушки

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

Источник

Назначение и применение трансформаторов тока

Июль 24th, 2012 Рубрика: Трансформаторы тока, Электрооборудование

transformatory_toka_трансформаторы_тока

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта «Заметки электрика».

Мы уже с Вами много говорили про трансформаторы тока (ТТ) и сегодня я решил открыть новый раздел на сайте, посвященный полностью этой теме.

Чтобы начать изучать данный раздел, необходимо точно понимать их смысл и назначение.

Самое главное назначение трансформаторов тока — это преобразование первичного переменного тока сети до значений, безопасных для его измерений.

Вторым назначением трансформаторов тока является отделение низковольтных приборов учета и реле, подключенных ко вторичной обмотке, от первичного высокого напряжения сети. Этим обеспечивается электробезопасность оперативного и ремонтного персонала электрослужбы.

Трансформаторы тока нашли широкое применение в цепях релейной защиты. С помощью трансформаторов тока получают питание токовые цепи защиты. В случае повреждений или ненормальных режимов работы электрооборудования от ТТ зависит правильное и надежное срабатывание устройств релейной защиты.

Также трансформаторы тока применяются для питания цепей измерения и учета электроэнергии.

Пример 1

В первом примере я покажу Вам как выполнен учет электроэнергии на мощном потребителе с током нагрузки примерно 400 (А). Соответственно, при таком большом токе нагрузки подключать электросчетчик и другие приборы учета (амперметр) прямым включением в сеть НЕ ДОПУСТИМО. Они сгорят и выйдут из строя. Поэтому в этом случае необходимо применить ТТ с коэффициентом трансформации 400/5 или еще больше.

На фотографии ниже показаны низковольтные трансформаторы тока с коэффициентом трансформации 400/5. Они установлены на присоединении отдельного потребителя подстанции напряжением 0,23 (кВ) с изолированной нейтралью. Первичные их обмотки подключены последовательно к силовым выводам фазы «А» и «С» (схема неполной звезды).

transformatory_toka_трансформаторы_тока

А ко вторичным обмоткам ТТ подключен трехфазный счетчик электрической энергии САЗУ-ИТ и щитовой амперметр Э378.

transformatory_toka_трансформаторы_тока

transformatory_toka_трансформаторы_тока

Трехфазный индукционный счетчик САЗУ-ИТ.

transformatory_toka_трансформаторы_тока

Вторичные провода выполняются медным проводом сечением 2,5 кв.мм. В начале вторичные провода с трансформаторов тока идут на промежуточный клеммник, а с него уже на приборы учета. На этот же клеммник подключаются цепи напряжения.

transformatory_toka_трансформаторы_тока

Про все действующие схемы подключения счетчика через трансформаторы тока я уже Вам рассказывал и на этом останавливаться сейчас не буду. Вот знакомьтесь:

Конечно же, на фото я показал Вам «старенькое» электрооборудование. Но смысл от этого не меняется. Вот так выглядит электрооборудование по современнее.

transformatory_toka_трансформаторы_тока

В этом случае первичные обмотки трансформаторов тока подключены последовательно во всех фазах. Вторичные обмотки соединяются проводами с электросчетчиком через испытательную переходную коробку (КИП).

Пример 2

Аналогично можно сказать и про цепи релейной защиты.

Во втором примере я покажу Вам как выполняется релейная защита на потребителе напряжением 10 (кВ), с током нагрузки примерно 1000 (А). Соответственно, при таком большом токе нагрузки и высоком напряжении сети, подключать реле прямым включением в сеть НЕ ДОПУСТИМО.

В этом случае нам необходимо применить высоковольтные трансформаторы тока ТПЛ-10 с коэффициентом трансформации 1000/5 (для питания обмоток токовых реле) и измерительные трансформаторы напряжения, например, НТМИ-10, с коэффициентом 10000/100 (для питания обмоток реле напряжения и электросчетчиков).

transformatory_toka_трансформаторы_тока

konstrukciya_i_sxema_podklyucheniya_ntmi-10_конструкция_и_схема_подключения_НТМИ-10_31

В релейном отсеке ячейки КРУ установлены токовые реле защиты на базе РТ-40.

transformatory_toka_трансформаторы_тока

На двери релейного отсека размещены трехфазный счетчик СЭТ-4ТМ.03М.01 и щитовой амперметр Э30.

transformatory_toka_трансформаторы_тока

С помощью ТТ возможно установить приборы учета и реле, подключенные ко вторичным цепям, на значительные расстояния от контролируемых и измеряемых участков сети.

Например, амперметры всех потребителей подстанции, могут быть установлены в удобном и отапливаемом помещении (щитовой или пульте учета) для контроля их нагрузки.

transformatory_toka_трансформаторы_тока

Ниже я представляю Вашему вниманию список статей на тему ТТ (список будет пополняться по мере написания статей):

Источник



Трансформатор тока.

В процессе использования энергетических систем нередко бывают случаи, когда нужно превратить какие-то электрические величины в их аналоги, при этом показатели нужно соответственно изменить в нужном соотношении, для чего обычно применяется трансформатор тока. С помощью трансформатора тока можно смоделировать некоторые процессы в электрических установках, а также сделать измерительный процесс более безопасным.

Функционирование трансформатора тока базируется на законе электромагнитной индукции. Данный закон работает в электрических и магнитных полях, которые изменяются по форме гармоник переменных синусоидальных величин.

Трансформатор тока превращает начальное значение вектора тока, который течет в силовой цепи, в конечное, меньшее по величине, при этом выдерживается нужное соотношение значения по модулю и сохраняется точная величина угла.

Как устроен трансформатор тока?

На следующем рисунке схематично обозначены процессы, протекающие в трансформаторе тока при превращении электроэнергии.

принцип работы трансформатора тока

По первичной силовой обмотке с количеством витков ω1 течет ток I1, при этом он преодолевает ее полное сопротивление Z1. Вокруг катушки возникает магнитный поток Ф1, он фиксируется с помощью магнитопровода, находящегося перпендикулярно по отношению к вектору I1. Подобный способ расположения позволяет превращать электрическую энергию в магнитную с наименьшими потерями.

Читайте также:  Какие типы источников тока вы знаете

При пересечении перпендикулярных витков обмотки ω2 поток Ф1 создает в них электродвижущую силу Е2, под ее действием во вторичной обмотке появляется ток I2, который преодолевает полное сопротивление катушки Z2 и подсоединенной на выходе нагрузки Zн. В процессе напряжение U2 на зажимах вторичной цепи падает.

Коэффициент трансформации К1, можно посчитать, разделив вектор I1 на вектор I2. Это один из основных параметров трансформаторов тока, он определяется прежде, чем начинают проектировать устройство, а в действующих трансформаторах его измеряют. Однако, как и при работе любых приборов, реальные показания отличаются от теоретических. Для учета таких погрешностей существует специальная метрологическая характеристика, или класс точности трансформатора тока.

В отличие от расчетов, при работе трансформатора тока в жизни величины токов в обмотках не являются константами, так что коэффициент трансформации рассчитывают по номиналам. К примеру, если коэффициент трансформации равен 1000/5, то это значит, что в первичном витке течет ток величиной 1 кА, а во вторичных действует нагрузка 5 А. Исходя из данных величин, можно понять, как долго трансформатор тока прослужит.

Магнитный поток Ф2, возникающий благодаря вторичному току I2, понижает величину потока Ф1 в магнитопроводе. В процессе возникающий поток трансформатора Фт рассчитывается как геометрическая сумма векторов Ф1 и Ф2.

Где и как используют трансформаторы тока?

Самые разные виды трансформаторов тока применяются в электронных устройствах, начиная от небольших и заканчивая приборами размером в несколько метров. Обычно их классифицируют по признакам эксплуатации.

Классификация трансформаторов тока:

  • для измерений (с их помощью на измерительные устройства подается электрический ток);
  • для защиты (их подключают к цепям защит);
  • для лабораторных применений (такие трансформаторы тока имеют большой класс точности);
  • для повторных преобразований (промежуточные).

В работе объектов используют следующие трансформаторы тока:

  • для внешнего монтажа (на улице);
  • для внутреннего монтажа (для закрытых установок);
  • вмонтированные внутрь корпуса прибора;
  • накладные ( их надевают на проходной изолятор);
  • переносные (для проведения измерений в различных местах).

По значению рабочего напряжения оборудования трансформаторы тока делятся на:

  • высоковольтные (обладающие напряжением свыше 1000 В);
  • с номинальным напряжением не более 1 кВ.

Существуют и другие деления трансформаторов тока на виды, в том числе по способу материалов для изоляции, по числу ступеней трансформации и другим характеристикам.

Для чего нужны трансформаторы тока?

Чаще всего трансформаторы тока используют в цепях учета измерения электроэнергии, для замеров и защит линий или силовых автотрансформаторов обычно применяют переносные трансформаторы тока.

На следующем изображении приведено расположение трансформаторов тока для каждой фазы линии и монтаж вторичных цепей в клеммном ящике на ОРУ-110 кВ для силового автотрансформатора.

типы и виды трансформаторов тока

Таким же целям служат трансформаторы тока на ОРУ-330 кВ, однако они гораздо больших размеров из-за сложностей конструкции, так как они предназначены для более высоковольтного оборудования.

типы и виды трансформаторов тока

На энергетическом оборудовании нередко используют встроенные конструкции трансформаторов тока, их помещают непосредственно на корпусе силового объекта.

типы и виды трансформаторов тока

Их конструкция предполагает вторичные обмотки с выводами, которые находятся вокруг высоковольтного ввода в герметичном корпусе. Кабели от зажимов трансформатора тока подведены к закрепленным тут же клеммным ящикам.

типы и виды трансформаторов тока

В трансформаторах тока, характеризующихся высоким напряжением, обычно как изолятор применяют трансформаторное масло. На следующем изображении показан вариант такой конструкции для трансформаторов тока серии ТФЗМ для работы при напряжении, равном 35 кВ.

типы и виды трансформаторов тока

При напряжениях, не превышающих 10 кВ, в целях изоляции между обмотками при производстве корпуса прибора, применяют твердые диэлектрические материалы.

Например, трансформатор тока марки ТПЛ-10, используемый в КРУН, ЗРУ и других видах распределительных устройств.

типы и виды трансформаторов тока

На следующей упрощенной схеме показан пример подключения вторичной токовой цепи одного из кернов защит REL 511 для выключателя линии 110 кВ.

типы и виды трансформаторов тока

Как понять, что трансформатор тока испорчен, и найти неисправности?

Когда трансформатор тока находится под нагрузкой, у него может быть нарушено электрическое сопротивление изоляции обмоток или их проводимость. Это происходит из-за воздействия теплового перегрева, нанесенных случайным образом механических повреждений или неправильной сборки.

В процессе работы трансформатора тока вероятнее всего возникновение проблем с изоляцией, в результате чего случаются замыкания обмоток между витками и понижение передаваемой мощности. Также из-за этого может произойти утечка через случайно созданные цепи, что, в свою очередь, может закончиться коротким замыканием.

Для того, чтобы обнаружить точки, в которых конструкция была собрана неправильно, трансформатор тока необходимо регулярно проверять с помощью тепловизора. Тогда будет возможно вовремя обнаружить и исправить дефекты в виде, например, нарушенных контактов, и снизить перегрев устройства.

На предмет отсутствия межвитковых замыканий приборы проверяют специалисты лабораторий РЗА с помощью:

  • снятия вольтамперной характеристики;
  • прогрузки трансформатора тока от постороннего источника;
  • замеров основных характеристик прибора в рабочей схеме.

Они же проводят анализ величину коэффициента трансформации.

При всех работах замеряется отношение между векторами первичных и вторичных токов по величине. Их угловые отклонения в данном случае не замеряют, так как высокоточных фазоизмерительных устройств для проверки трансформаторов тока в метрологических лабораториях не существует.

Высоковольтные испытания диэлектрических свойств проводятся специалистами лаборатории службы изоляции.

Источник