Измерительные трансформаторы тока

Измерительные трансформаторы тока (ТТ) служат для разделения (изоляции) первичных и вторичных цепей, а так же для приведения величины тока к уровню удобному для измерения (стандартный номинальный ток вторичной обмотки 1 А или 5 А).
Устройство и схема включения трансформаторов тока показаны на рисунке 2.1. Трансформатор тока состоит из стального сердечника С и двух обмоток: первичной (с числом витков w1) и вторичной (с числом витков w2). Часто трансформаторы тока изготовляются с двумя и более сердечниками. В таких конструкциях первичная обмотка является общей для всех сердечников (рис. 2.1, б). Первичная обмотка, выполняемая толстым проводом, имеет несколько витков и включается последовательно в цепь того элемента, в котором производится измерение тока, или защита которого осуществляется. К вторичной обмотке, выполняемой проводом меньшего сечения и имеющей большое число витков, подключаются последовательно соединенные реле и приборы.

Рисунок 2.1.Устройство и схема трансформатора тока: а – с одним сердечником; б – с двумя сердечниками

Рис. 2.2. Маркировка выводов обмоток трансформатора тока

  Ток, проходящий по первичной обмотке трансформатора тока, называется первичным и обозначается I₁, а ток во вторичной обмотке трансформатора тока называется вторичным и обозначается I₂. Ток I₁ создает в сердечнике ТТ магнитный поток Ф1, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней вторичный ток I₂, также создающий в сердечнике магнитный поток Ф₂, но направленный противоположно магнитному потоку Ф₁. Результирующий магнитный поток в сердечнике равен разности:

Ф₀ = Ф₁-Ф₂. (2.1)

Магнитный поток зависит не только от значения создающего его тока, но и от количества витков обмотки, по которой этот ток проходит. Произведение тока на число витков F = Iw называется магнитодвижущей силой и выражается в ампервитках (А·вит.). Поэтому, выражение (2.1) можно заменить выражением:

F_T = F₁ - F₂ или I_нам w₁ = I₁w₁ - I₂w₂ (2.2)

где I_нам – ток намагничивания, обеспечивающий создание магнитного потока в сердечнике. Из последнего выражения делением всех членов уравнения на w₂ можно получить 

(2.3)

Поскольку при значениях первичного тока, близких к номинальному, ток намагничивания не превышает 0,5÷3% номинального тока, то в этих условиях можно с некоторым приближением считать I_нам = 0. Тогда из выражения (2.3) следует:

I₁/I₂ = w₂/w₁ (2.4)

Отношение витков w₂/w₁ называется коэффициентом трансформации (k_I ) ТТ.

I₁/I₂ = k₁. (2.5)

Согласно действующему стандарту, отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току называется номинальным коэффициентом трансформации. Номинальные коэффициенты трансформации указываются на шильдиках трансформаторов тока, а также на схемах в виде дроби, в числителе которой – номинальный первичный ток, а в знаменателе – номинальный вторичный ток, например: 600/5 А или 1000/1 А. Определение вторичного тока по известному первичному и, наоборот, производится по номинальным коэффициентам трансформации в соответствии с формулами:

I₂ = I₁/k₁⇒ I₁ = I₂k₁.

Для правильного соединения трансформаторов тока между собой и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счётчиков, выводы обмоток трансформаторов тока обозначаются (маркируются) заводами-изготовителями следующим образом: начало первичной обмотки – Л1, начало вторичной обмотки – u₁, конец первичной обмотки – Л₂, конец вторичной обмотки – u₂. При монтаже трансформаторов тока они обычно располагаются так, чтобы начала первичных обмоток Л₁ были обращены в сторону шин, а концы Л₂ – в сторону защищаемого оборудования. При маркировке обмоток трансформаторы тока за начало вторичной обмотки Н(u₁) принимается тот её вывод, из которого ток выходит, если в этот момент в первичной обмотке ток проходит от начала Н(Л₁) к концу К(Л₂), как показано на рис. 2.2. При включении реле КA по этому правилу, ток в реле, как показано на рис. 2.2, при включении его через трансформатор тока сохраняет то же направление, что и при включении непосредственно в первичную цепь.
В нормальном режиме трансформаторы тока, вторичная обмотка которых замкнута на малое сопротивление токовых обмоток приборов и реле, работают в режиме близком к короткому замыканию.
Из условий безопасности персонала при пробое изоляции между первичной и вторичной обмотками, вторичные обмотки трансформаторов тока должны быть обязательно заземлены. Заземление вторичных цепей трансформаторов тока выполняется в одной точке и, как правило, на ближайшей к ним клеммой сборке.

Погрешности трансформаторов тока. Коэффициент трансформации трансформаторов тока так же, как у трансформаторов напряжения, не является строго постоянной величиной и из-за погрешностей может отличаться от номинального значения. Погрешности трансформатора тока зависят главным образом от кратности первичного тока по отношению к номинальному току первичной обмотки и от нагрузки, подключенной к вторичной обмотке. При увеличении сопротивления нагрузки или тока выше определенных значений по- грешность возрастает и трансформатор тока переходит в другой класс точности.
Для измерительных приборов погрешность относится к зоне нагрузочных токов 0,2 – 1,2 I_ном.
Эта погрешность именуется классом точности и может быть равна 0,2S;0,5S; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0 %.
Требования к работе трансформаторов тока, питающих защиту, существенно отличаются от требований к трансформаторам тока, питающим измерительные приборы. Если трансформаторы тока, питающие измерительные приборы, должны работать точно в пределах своего класса при токах нагрузки, близких к их номинальному току, то трансформаторы тока, питающие релейную защиту, должны работать с достаточной точностью при прохождении токов короткого замыкания (КЗ), значительно превышающих номинальный ток трансформаторов тока. Для целей защиты выпускаются трансформаторы тока класса Р или Д (для  дифференциальных защит) в которых не нормируется погрешность  при малых (нагрузочных) токах. В настоящее время выпускаются трансформаторы тока классов 10Р и 5Р, погрешность которых нормируется во всем диапазоне токов.
Правила устройства электроустановок требуют, чтобы трансформаторы тока, предназначенные для питания релейной защиты, имели погрешность, как правило, не более 10%. Большая погрешность допускается в отдельных случаях, когда это не приводит к неправильным действиям релейной защиты. Погрешности возникают вследствие того, что действительный процесс трансформации в трансформатора тока происходит с затратой мощности, которая расходуется на создание в сердечнике магнитного потока, перемагничивание стали сердечника (гистерезис), потери от вихревых токов, нагрев обмоток.

Рис. 4.3 Схема замещения трансформатора тока.

Рис. 4.4 Упрощенная векторная диаграмма трансформатора тока.

Процесс трансформации тока хорошо иллюстрируется схемой замещения трансформатора тока, приведенной на рис. 4.3. На этой схеме Z₁ и Z₂ – сопротивления первичной и вторичной обмоток, a Z_нам – сопротивление ветви намагничивания, которое характеризует указанные выше потери мощ- ности.
Из схемы замещения видно, что первичный ток I₁ входящий в начало первичной обмотки Н, проходит по ее сопротивлению Z₁ и в точке а разветвляется по двум параллельным ветвям. Основная часть тока, являющаяся вторичным током I₂, замыкается через сопротивление вторичной обмотки Z₂ и сопротивление нагрузки Z_H, состоящее из сопротивлений реле, приборов и соединительных проводов. Другая часть первичного тока I_нам замыкается через сопротивление ветви намагничивания и, следовательно, в реле, подключенное к вторичной обмотке трансформатора тока, не попадает. Поскольку из всех затрат мощности наибольшая часть приходится на создание магнитного потока в сердечнике, то ветвь между точками а и б схемы замещения трансформатора тока называется ветвью намагничивания и весь ток I_нам, проходящий по этой ветви, – током намагничивания.
Таким образом, схема замещения показывает, что во вторичную обмотку трансформатора тока поступает не весь трансформированный первичный ток, равный I₁/K_I , а его часть, и что, следовательно, процесс трансформации происходит с погрешностями.
При размыкании цепи  вторичной обмотки трансформатора тока, он превращается в повышающий трансформатор,  резко возрастает ток намагничивания: I₁ = I_нам (рис 4.3) и, при достаточном уровне тока, индукция в сердечнике достигает насыщения. Вследствие насыщения сердечника трансформатора тока, при синусоидальном первичном токе, магнитный поток в сердечнике будет иметь не синусоидальную, а трапециоидальную форму. Поэтому, ЭДС во вторичной обмотке, пропорциональная скорости изменения магнитного потока, в моменты перехода  его через нулевые значения будет очень велика, и может превышать 1000 В, что опасно не только для обслуживающего персонала, но и для межвитковой изоляции трансформаторов тока (возможно межвитковое замыкание). Кроме появления опасного напряжения на разомкнутой вторичной обмотке, может иметь место повышенный нагрев стального сердечника из-за больших потерь в стали (так называемый «пожар стали»). Это не только может привести к повреждению изоляции, но и к увеличению погрешностей трансформаторов тока вследствие остаточного намагничивания сердечника. При межвитковом замыкании вторичной обмотки трансформатора тока резко возрастает ток намагничивания, а ток на его выходе резко уменьшается (или полностью отсутствует). Диагностировать витковое замыкание трансформатора тока можно сравнив его характеристику намагничивания (зависимость напряжения на вторичной обмотке от проходящего по ней тока) с характеристикой исправного трансформатора тока (характеристика значительно понижается).
На рис. 4.4 приведена упрощенная векторная диаграмма трансформатора тока из которой видно, что вектор вторичного тока I₂ меньше значения первичного тока, деленного на коэффициент трансформации на величину ∆I и сдвинут относительно него на угол δ. Таким образом, соотношение значений первичного и вторичного токов в действительности имеет вид:

(4.7)

Различают следующие виды погрешностей трансформаторов тока. Токовая погрешность, или погрешность в коэффициенте трансформации, определяется как арифметическая разность первичного тока, поделенного на номинальный коэффициент трансформации I₁/K_I , и измеренного (действительного) вторичного тока I₂ (отрезок ∆I на диаграмме рис. 4.4):

(4.8)

Токовая погрешность, %,

(4.9)

Угловая погрешность определяется как угол δ cдвига вектора вторичного тока I₂ относительно вектора первичного тока I₁ (см. рис. 4.4) и считается положительной, когда I₂ опережает I₁.Полная погрешность (ε) определяется как выраженное в процентах отношение действующего значения разности мгновенных значений первичного и вторичного токов к действующему значению первичного тока.

При синусоидальных первичном и вторичном токах: ε= I_нам . Из рассмотренного следует, что причиной возникновения погрешностей у трансформаторов тока является прохождение тока намагничивания, т. е. того самого тока, который создает в сердечнике трансформатора тока рабочий магнитный поток, обеспечивающий трансформацию первичного тока во вторичную обмотку. Чем меньше ток намагничивания, тем меньше погрешности ТТ. Как видно из схемы замещения (рис. 4.3), ток намагничивания зависит от ЭДС Е₂ и сопротивления ветви намагничивания Z_нам. Электродвижущая сила Е₂ может быть определена как падение напряжения от тока I₂ в со- противлении вторичной обмотки Z₂ и сопротивлении нагрузки Z_н т. е.:

E₂=I₂(Z₂+Z_Н) (4.10)

Сопротивление ветви намагничивания Z_нам зависит от конструкции трансформаторов тока и качества стали, из которой выполнен сердечник. Это сопротивление не является постоянным, а зависит от характеристики намагничивания стали. При насыщении стали сердечника ТТ, Z_нам резко уменьшается, что приводит к возрастанию Iнам и как следствие этого к возрастанию погрешностей трансформатора тока.
Таким образом, условиями, определяющими погрешности трансформаторов тока, являются: отношение, т. е. кратность, первичного тока, проходящего через трансформатора тока, к его номинальному току и нагрузка, подключенная к его вторичной обмотке.
Для увеличения допустимой вторичной нагрузки применяют трансформаторы тока с номи- нальным током вторичной обмотки 1 А, вместо 5 А. Одноамперные трансформаторы тока могут нести нагрузку в 25 раз больше, чем пятиамперные, имеющие такие же конструктивные параметры и тот же номинальный ток первичной обмотки. Конечно, потребляемая мощность аппаратуры при этом остается прежней, и ее сопротивление также увеличивается в 25 раз, однако получается существенный выигрыш за счет возможности применять длинные кабели с жилами небольшого сечения. По этой причине, трансформаторы тока со вторичными токами 1 А нашли применение, в основном, на мощных подстанциях сверхвысокого напряжения, где требуется прокладывать длинные кабели.  В сетях напряжением 6-35 кВ, как правило, применяются 5-ти амперные трансформаторы тока, которые упрощают конструкцию за счет того что требуется наматывать в 5 раз меньшее количество витков. Одноамперные трансформаторы тока нашли применение также в комплектных ячейках, где переход на вторичный ток 1 А в сочетании с малым потреблением современных релейных защит  позволил выполнить малогабаритные трансформаторы тока, которые только и можно разместить в выпускаемых ею малогабаритных ячейках.

Схемы соединения трансформаторов тока
Для подключения реле и измерительных приборов вторичные обмотки трансформатора тока соединяются в различные схемы. Наиболее распространенные схемы приведены на рис. 4.5. На рис. 4.5, а дана основная схема соединения в звезду, которая применяется для включения защиты от всех видов однофазных и междуфазных КЗ; на рис. 4.5, б – схема соединения в неполную звезду, используемая главным образом для включения защиты от междуфазных КЗ в сетях с изолированными нулевыми точками; на рис. 4.5, в – схема соединения в треугольник, используемая для получения разности фазных токов (например, для включения дифференциальной защиты трансформаторов); на рис. 4.5, г – схема соединения на разность токов двух фаз. Эта схема используется для включения защиты от междуфазных КЗ, так же как схема на рис. 4.5, б на рис. 4.5, д – схема соединения на сумму токов всех трех фаз (фильтр токов нулевой последовательности), используемая для включения защиты от однофазных КЗ и замыканий на землю.На рис. 4.5, е дана схема последовательного соединения двух трансформаторов тока, уста- новленных на одной фазе. При таком соединении нагрузка, подключенная к ним, распределя- ется поровну, т. е. на каждом из них уменьшается в 2 раза. Происходит это потому, что ток в цепи, равный I₂ = I₁/K_I, , остается неизменным, а напряжение, приходящееся на каждый ТТ, составляет половину общего.

Рис. 4.5 Схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов тока

Рассмотренная схема применяется при использовании маломощных трансформаторов тока (например, встроенных во вводы выключателей и трансформаторов).На рис. 4.5, ж  дана схема параллельного соединения двух ТТ, установленных на одной фазе. Коэффициент трансформации этой схемы в 2 раза меньше коэффициента трансформации одного трансформатора тока.
Схема параллельного соединения используется для получения нестандартных коэффициентов трансформации. Например, для получения коэффициента трансформации 37,5/5 А соединяют параллельно два стандартных ТТ с коэффициентом трансформации 75/5 А.

Выбор трансформаторов тока
Исходные данные. Все трансформаторы тока выбираются, как и другие аппараты, по номинальному току и напряжению установки и проверяются на термическую (Ith) и электродинамическую (Idyn) стойкость при КЗ. Кроме того, трансформаторы тока, используемые в цепях релейной защиты, проверяются на значение погрешности, которая, как указывалось выше, не должна превышать 10% по току и 7° по углу. Для проверки по этому условию в информационных материалах заводов – поставщиков трансформаторов тока и в другой справочной литературе даются характеристики и параметры трансформаторов тока:
1) кривые зависимости 10 %-ной кратности т от сопротивления нагрузки Z_K, подключенной к вторичной обмотке ТТ. Десятипроцентной кратностью m называется отношение, т. е. кратность, первичного тока, проходящего через трансформатор тока, к его номинальному току, при которой токовая погрешность трансформатора тока составляет 10% при заданной нагрузке Z_H. Угловая погрешность при этом достигает 7° (рис. 4.4).
Таким образом, зная кратность первичного тока, проходящего через трансформатор тока, можно по кривым 10%-ной кратности для данного типа трансформатора тока определить допустимую нагрузку Z_H._доп., при которой погрешность трансформатора тока не будет превышать 10%. И, наоборот, зная действительное значение нагрузки, которая подключена (или должна быть подключена) к вторичной обмотке трансформатора тока Z_H, можно по кривым 10%-ной кратности определить допустимую кратность первичного тока m_доп. при которой токовая погрешность трансформатора тока также не будет превышать 10%.
2) кривые зависимости предельной кратности К₁₀ от сопротивления нагрузки Z_H, подключенной к вторичной обмотке (для трансформаторов тока, выпущенных в соответствии с ГОСТ 7746-78 *Е). Согласно указанному ГОСТ предельной кратностью К₁₀ называется наибольшее отношение, т. е. наибольшая кратность, первичного тока, проходящего через трансформатор тока, к его номинальному току, при которой полная погрешность трансформатора тока (ε) при заданной вторичной нагрузке не превышает 10%. При этом гарантируемая предельная кратность при номинальной вторичной нагрузке Z_H.ном.  называется номинальной предельной кратностью.
Аналогично рассмотренному выше, можно, пользуясь кривыми предельной кратности, определить либо допустимую нагрузку по известной кратности первичного тока, либо допустимую кратность первичного тока по известной нагрузке, при которых полная погрешность трансформатора тока не будет превышать 10%. 3) типовые кривые намагничивания, представляющие собой зависимость максимальных значений индукции (В) в сердечнике от действующих значений напряженности магнитного поля Н при средней длине магнитного пути; определенном сечении сердечника; (номинальном значении магнитодвижущей силы (А).