Трансформаторы тока

Трансформатором тока называют электрический датчик, предназначенный для считывания переменного тока и получения сигнала, практически не сдвинутого по фазе относительно измеренного тока и обладающего информацией о его величине.

Выходной сигнал трансформатора тока должен практически линейно соответствовать измеряемому току.

Первичную обмотку измерительного трансформатора тока образуют одним или, реже, несколькими витками провода и включают последовательно в цепь с током, который надлежит измерить. Зачастую роль первичной обмотки играет шина большого сечения, на которую надевают магнитопровод с уложенной на него вторичной обмоткой. Магнитопровод следует выбрать таким, чтобы он не вошел в насыщение. Обычно в качестве материала магнитопровода используют аморфные металлы или нанокристаллические сплавы.

Вторичную многовитковую обмотку выполняют обмоточным проводом малого диаметра. Коэффициент трансформации может достигать нескольких тысяч. Вторичных обмоток может быть несколько. Примером служит устройство TOЛ-10-I-7 (опорный измерительный трансформатор тока, имеющий три вторичных обмотки). Напряжение вторичной обмотки может быть высоким, что накладывает требования использования качественной изоляции с высоким напряжением пробоя и соблюдения норм техники безопасности при обслуживании такого трансформатора квалифицированным персоналом.

Между первичной и вторичной обмоткой часто прокладывают слой изоляции для обеспечения гальванической развязки. В отдельных случаях напряжение гальванической развязки может достигать тысяч киловольт.

К выходу трансформатора тока обычно подключают прецизионный резистор и с этого резистора снимают напряжение, соответствующее току через первичную обмотку. Если используют высокоомный резистор или если вовсе не подключают резистор, а снимают напряжение непосредственно с вторичной обмотки, то выходной сигнал будет пропорционален dl/dt, и такой трансформатор тока может быть дифференцирующим.

Схемы соединений трансформаторов тока

При помощи трансформаторов тока первичный ток уменьшают до значений, наиболее удобных для питания измерительных приборов и реле. Обычно вторичные токи трансформаторов тока не превышают 1 или 5 А.

Первичные обмотки трансформаторов тока включают в рассечку электрической цепи, а вторичные замыкают на нагрузку (приборы, реле). Размыкание вторичной обмотки трансформатора тока может привести к аварийному режиму, при котором резко возрастает магнитный поток в сердечнике и ЭДС на разомкнутых концах. При этом максимальное значение ЭДС может достигнуть нескольких киловольт. При магнитном насыщении увеличиваются активные потери в магнитопроводе, что приводит его к нагреву и обгорании изоляции обмоток.

Неиспользуемые в эксплуатации вторичные обмотки трансформаторов тока закорачивают при помощи специальных зажимов.

Первичные обмотки трансформаторов тока изолируют от вторичных на полное рабочее напряжение. Однако на случай повреждения изоляции принимаются меры, обеспечивающие безопасность работ во вторичных цепях. Для этого один из концов вторичной обмотки трансформаторов тока заземляют.

Почему вторичную обмотку трансформатора тока нельзя оставлять разомкнутой

Трансформатор тока нормально работает в режиме короткого замыкания и не допускает работы в холостую. При работе с трансформаторами тока необходимо следить за тем, чтобы вторичная обмотка трансформатора тока при подключенной первичной не оставалась разомкнутой.

Вторичную обмотку трансформатора тока нельзя оставлять разомкнутой, если по первичной обмотке проходит измеряемый ток, по следующим причинам.

При размыкании вторичной цепи, что может быть, например, при отключении амперметра, исчезает встречный магнитный поток Ф2, следовательно, по сердечнику начинает проходить большой переменный поток Ф1, который вызывает наведение большой ЭДС во вторичной обмотке трансформатора тока (до тысячи вольт), так как вторичная обмотка имеет большое число витков. Наличие такой большой ЭДС нежелательно потому, что это опасно для обслуживающего персонала и может принести к пробою изоляции вторичной обмотки трансформатора тока.

При возникновении в сердечнике большого потока Ф1 в самом сердечнике начинают наводиться большие вихревые токи, сердечник начинает сильно нагреваться, и при длительном нагреве может выйти из строя изоляция обеих обмоток трансформатора. Поэтому надо помнить, что, если надо отключить измерительные приборы, то необходимо сначала закоротить либо вторичную, либо первичную обмотку трансформатора.

У некоторых трансформаторов тока для этой цели предусмотрены специальные устройства (гнезда со штекерами, перемычки и т. д.). Если таких устройств нет, то необходимо их сделать самим.

Трансформаторы тока классифицируют по следующим признакам:

1. По назначению:

• измерительные;
• защитные;
• промежуточные (для включения измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты, для выравнивания токов в схемах дифференциальных защит и т. д.);
• лабораторные (высокой точности, а также со многими коэффициентами трансформации).

2. По роду установки:

• для наружной установки (в открытых распределительных устройствах);
• для внутренней установки;
• встроенные в электрические аппараты и машины: выключатели, трансформаторы, генераторы и т. д.;
• накладные — надевающиеся сверху на проходной изолятор (например, на высоковольтный ввод силового трансформатора);
• переносные (для контрольных измерений и лабораторных испытаний).

3. По конструкции первичной обмотки:

• многовитковые (катушечные, с петлевой обмоткой и с т. н. «восьмёрочной обмоткой»);
• одновитковые (стержневые);
• шинные.

4. По способу установки:

• проходные;
• опорные.

5. По выполнению изоляции:

• с сухой изоляцией (фарфор, бакелит, литая эпоксидная изоляция и т. д.);
• с бумажно-масляной изоляцией и с конденсаторной бумажно-масляной изоляцией;
• газонаполненные (элегаз);
• с заливкой компаундом.

6. По числу ступеней трансформации:

• одноступенчатые;
• двухступенчатые (каскадные).

7. По рабочему напряжению:

• на номинальное напряжение свыше 1000 В;
• на номинальное напряжение до 1000 В.

8. Специальные трансформаторы тока:

• нулевой последовательности;
• пояс Роговского.

К достоинствам трансформаторов тока относят простоту организации гальванической развязки, незначительное тепловыделение и высокую повторяемость параметров от экземпляра к экземпляру. Трансформаторы тока используют в измерителях величины тока и в системах защиты источников питания от перегрузок и коротких замыканий в нагрузках.