Принцип работы измерительных трансформаторов тока

Трансформаторы тока (ТТ) предназначены для преобразования тока первичной сети во вторичный, имеющий стандартный уровень 1 или 5 А, используемый в качестве сигнала в системах измерения, учета и релейной защиты.

Для получения достоверной информации о режиме работы первичной сети и величине первичного тока I1, такие трансформаторы обладают особенной конструкцией, в сравнении с силовыми или трансформаторами напряжения.

Принцип работы

Основными составляющими частями ТТ являются магнитопровод, первичная и вторичная обмотки. Все величины относящиеся к первичной цепи ТТ индексируются цифрой 1, для вторичной – 2.

Первичная обмотка включается в контролируемую сеть последовательно, поэтому она должна иметь малое сопротивление, чтобы падение напряжения на ней практически отсутствовало. Вторичная обмотка замыкается на измерительные или другие приборы с малым сопротивлением, поэтому режим работы ТТ считается близким к режиму короткого замыкания.

I1, проходя по виткам обмотки ω1, создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1. Под его воздействием Ф1 во вторичной обмотке наводится I2, который в свою очередь создает поток Ф2, направленный встречно Ф1.

Результирующий поток Ф0 представляет из себя разность первичного и вторичного потока, и затрачивается на намагничивание сердечника. Если поток Ф0 выразить через силу намагничивания F0, получим выражение, характеризующее принцип работы ТТ:

〖 F〗_0=F_1-F_2; (1)
〖 I〗_0 ω_1=I_1 ω_1-I_2 ω_2; (2)

Из выражения 2 видно, что I_1 ω_1≠ I_2 ω_2. Разница между этими значениями зависит от величины тока намагничивания I0. По большому счету выражение 2 характеризует погрешность трансформатора тока. Значение приведенного вторичного тока ТТ находится по формуле:

〖 I〗_2^'=I_1∙Z_0/(Z_0+Z_2^'+Z_н^' ); (3)

где Z0 – сопротивление ветви намагничивания;
Z2 – сопротивление проводов вторичной цепи;
Zн – суммированное сопротивление приборов во вторичной цепи;
I1 – первичный ток.

Из выражения 3 можно сделать вывод, чем меньше сумма Z_2^'+Z_н^' по отношению к Z_0, тем меньше погрешность. Поэтому всегда стремятся к малым значениям Z_2^' и Z_н^', то есть режим работы должен быть близким к режиму короткого замыкания.

Значения Z2 и Zн не зависят от величины тока проходящего по ним, тогда как Z0 не остается постоянным, а изменяется в зависимости от насыщения магнитопровода, при изменении тока I0. Поэтому погрешность ТТ меняется с изменением тока первичной цепи. Изменение Z_0 имеет нелинейный характер, и зависит от характеристики намагничивания сердечника.

Угловая и токовая погрешность ТТ прямо пропорциональны значению I0 и отношению ω1/ ω2, поэтому на величину погрешности можно повлиять изменением конструкции.

Ток намагничивания I0 зависит от формы магнитопровода и магнитных свойств материала из которого он изготовлен. Чем короче путь магнитного потока, больше активное сечение и выше магнитная проницаемость материала, тем меньший I0 потребуется для создания Ф0.

С другой стороны, уменьшить погрешность можно увеличив количество витков ω_2. В этом случае, для создания необходимой величины Ф2 потребуется меньший I0.

Однако, для сохранения заданного коэффициента трансформации - kтт, потребуется увеличить количество витков первичной обмотки, что приведет к увеличению габаритов и удорожанию оборудования.

На практике же, для компенсации погрешности применяют витковую поправку, когда отматывается часть вторичной обмотки для введения положительной погрешности и применение магнитных шунтов в цепи намагничивания.

Каждый ТТ рассчитан на определенный первичный ток I1н, называемый номинальным. Вторичный ток, как уже было сказано, имеет стандартные значения 1 или 5 А. От его величины зависит номинальная нагрузка вторичной цепи, измеряемая в Ом:

Z_н=Sн/(I_2н^2 );

где Sн – полная мощность вторичной обмотки, является каталожной величиной, ВА;
I2н – номинальный вторичный ток 1 или 5 А.

Так например, если Sн равна 50 ВА, а вторичный ток 5 А, то номинальная нагрузка вторичной цепи должна иметь сопротивление 2 Ом, чтобы ТТ работал в классе. Если вторичный ток будет равен 1 А, номинальная нагрузка составит 50 Ом, что на порядок выше предыдущего варианта.

Важность такой величины вторичной номинальной нагрузки, заключается в возможности подключения большего числа потребителей, либо длина соединительных вторичных проводов может быть увеличена в разы. Такие ТТ применяются в ОРУ высоковольтных ПС, где широко распространены встроенные ТТ.

В обиходе ТТ не характеризуют только величиной I1 или I2, их принято характеризовать коэффициентом трансформации:

kтт=I_1/I_2 =ω_2/ω_1;

где ω – количество витков обмотки;
kтт – имеет стандартные значения, например 100/5, 200/5, 300/5, 600/5 и т. д.

Класс точности ТТ говорит о допустимой погрешности по току в процентах при номинальной вторичной нагрузке. Стандартный ряд классов точности: 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10. После цифровых значений класса точности можно встретить литеры: Р и S.

Р - это русская буква, обозначающая, что данный ТТ или обмотка ТТ используется в устройствах релейной защиты. Как правило, это трансформаторы с классом точности 5Р и 10Р. Буква S указывает, что ТТ имеет расширенный диапазон измерений по первичному току от 1% до 120%, тогда как трансформаторы не промаркированные S, работают с заданной погрешностью в диапазоне нагрузок 5%-120%.

ТТ с классом точности 0,2S и 0,5S используют в схемах коммерческого учета, если маркировка класса точности включает только цифровые значения, такие приборы используют для измерений.

Погрешность ТТ определяется по кривым, построенным в координатах погрешность-нагрузка. Погрешность, как токовая, так и угловая, откладывается по оси ординат. По оси абсцисс откладывается загрузка первичной обмотки ТТ в %.