Без электроснабжения невозможно представить нашу жизнь. Чтобы электрическая система работала без сбоев или не пришла в негодность из-за неисправности в кабеле или в силовом оборудовании, её параметры необходимо контролировать, замерять. Диагностика, заключающаяся в проведении электрических измерений, способна выявить причины сбоев и вовремя устранить их. Для этого применяются приборы, измеряющие величины токов, напряжений, мощности.

Но если в электроустановках с низким напряжением возможно подключение измерительных приборов напрямую, непосредственно к измеряемому узлу, то в высоковольтных цепях проблематично отследить параметры без применения измерительных трансформаторов. В электроустановках напряжение доходит до 750 кВ и выше, а токи устанавливаются в десятки килоампер и более. Для «прямого» измерения потребовались бы громоздкое и дорогое оборудование, а иногда измерения вообще не возможно было бы произвести. Также, при обслуживании приборов, напрямую подключенных к сети высокого напряжения, персонал подвергался бы опасности поражения током.

Измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) способствуют расширению пределов измерений обычных измерительных устройств и одновременно изолируют их от цепей высокого напряжения. Измерительные трансформаторы создаются с высоким классом точности. Во время эксплуатации их метрологические характеристики подлежат первичной и периодической поверке на правильность работы.

Наиболее часто в сетях переменного тока применяются электромагнитные трансформаторы. Они состоят из магнитопровода, первичной и одной или нескольких вторичных обмоток. ТТ преобразовывает замеряемый высокий ток в малый, а ТН - измеряемое высшее напряжение в низшее. Измерительные трансформаторы включаются в цепи между высоковольтным оборудованием и контрольно-измерительными приборами: амперметрами, вольтметрами, ваттметрами, приборами релейной защиты, телемеханики и автоматики, счетчиками энергии.

Зачем нужны измерительные трансформаторы напряжения

• трансформируют напряжение участка сети или установки в напряжение приемлемой величины для осуществления измерений с помощью стандартных измерительных устройств, питания релейной защиты, устройств сигнализации, автоматики, телемеханики;
• изолируя вторичные приборы и цепи, защищают оборудование от высокого напряжения и персонал, имеющего доступ к обслуживанию электроустановок, от поражения током.

Подключение ТН к высоковольтной части электроустановки осуществляется соединением его первичной обмотки «в параллель» к цепи высокого напряжения. Номинал вторичных обмоток трансформатора напряжения составляет обычно 100 В. Так как сопротивление измерительных приборов, подключаемых к вторичной обмотке, велико, током можно пренебречь. Поэтому основной режим работы ТН подобен режиму холостого хода типового силового трансформатора.

Трансформаторы напряжения и их конструкция

Трансформаторы напряжения подразделяются:

• по числу фаз: на одно- и трехфазные;
• по числу вторичных обмоток: двухобмоточный ТН имеет одну вторичную обмотку, трехобмоточный - две: основную и дополнительную;
• по назначению вторичных обмоток: с основной вторичной обмоткой, с дополнительной, со специальной компенсационной - для контроля изоляции цепи;
• по особенностям исполнений - на трансформаторы защищенного типа, водозащищенного типа (защита от капель и влаги), герметичные, со встроенным предохранителем и с антирезонансной конструкцией;
• по принципу действия и особенностям конструкций: на каскадные, ёмкостные, заземляемые и не заземляемые.

У каскадного ТН первичная обмотка разделена на несколько поочередно соединенных секций, передача энергии от которых к вторичным обмоткам происходит посредством связующих и выравнивающих обмоток. У ёмкостного ТН в конструкции имеется ёмкостный делитель. Заземляемый однофазный ТН - устройство, у которого один конец первичной обмотки должен быть заземлен. У заземляемого трехфазного ТН должна быть заземлена нейтраль первичной обмотки. Все части первичной обмотки не заземляемого ТН изолированы от земли.

Зачем нужны трансформаторы тока

Трансформатор тока - базовый измерительный аппарат в электроэнергетике, применяемый для преобразования тока первичной сети во вторичный стандартный ток величиной 5 А или 1 А. Первичная обмотка соединяется непосредственно с цепью высокого напряжения последовательным способом подключения. Вторичная обмотка включается во вторичные цепи измерений, защиты и учета. 5А - часто встречающийся номинал вторичной обмотки.

Принцип действия и конструкция трансформаторов тока

Первичная обмотка ТТ включается в разрез линейного провода (последовательно с нагрузкой), в котором измеряется сила тока. Вторичная обмотка замкнута на измерительное устройство с малым сопротивлением. Поэтому, в отличие от силового трансформатора, для которого режим короткого замыкания является аварийным, нормальным режимом для измерительного ТТ являются условия, близкие к КЗ, так как сопротивление во вторичной цепи у него мало.

Через первичную обмотку, имеющую определённое количество витков, течет ток. Вокруг катушки наводится магнитный поток, который улавливается магнитопроводом. Пересекая перпендикулярно ориентированные витки вторичной обмотки, магнитный поток формирует электродвижущую силу. Под влиянием последней возникает ток, протекающий по катушке и нагрузке на выходе. Одновременно на зажимах вторичной цепи образуется падение напряжения.

По конструктиву и применению ТТ условно подразделяются на несколько разновидностей:

Опорные монтируются на опорной плоскости.

Проходные используются в качестве ввода и устанавливаются в металлических конструкциях, в проемах стен или потолков.

Встраиваемые размещаются в полости оборудования: электрических выключателей, генераторов и других электроаппаратов и машин.

Разъемные не имеют своей первичной обмотки. Их магнитопроводы из двух половинок, стягиваемых болтами, можно размыкать и закреплять вокруг проводников под током. Эти проводники исполняют роль первичных обмоток.

Шинные изготавливаются тоже без первичных обмоток - их роль выполняют пропущенные сквозь окна магнитопроводов ТТ токоведущие шины распредустройств.

Накладные надеваются сверху на проходной изолятор.

Переносные предназначаются для лабораторных и контрольных измерений.

По выполнению первичной обмотки ТТ подразделяются на одновитковые и многовитковые, а по числу вторичных обмоток - на устройства с одной обмоткой и с несколькими вторичными обмотками (до четырёх, пяти). По числу ступеней трансформации - на одноступенчатые и каскадные.

К общей классификации трансформаторов обоих типов относятся: количество коэффициентов трансформации (однодиапазонные и многодиапазонные), критерии по материалу диэлектрика между первичной и вторичной обмотками и по материалу внешней изоляции - маслонаполненные, газонаполненные, сухие, с литой, фарфоровой и прессованной изоляцией, с вязкими заливочными компаундами, комбинированные бумажно-масляные. ТТ и ТН устанавливаются на открытом воздухе, в закрытых и в подземных установках, на морских и речных судах, внутри оболочек электроустановок и связываются контрольными проводами и кабелями с оборудованием вторичных цепей. По диапазону рабочего напряжения выделяют трансформаторы, функционирующие в устройствах до 1000 В и выше 1000 B. Трансформаторы также классифицируются по классу точности.

Видео про трансформаторы тока

Кратко о назначении трансформатора тока, составе и особенностях конструкции, о схеме и принципе работы. Почему нельзя допускать размыкание вторичных цепей трансформатора тока без предварительного их замыкания накоротко? Почему на напряжение выше 330 кВ изготавливаются ТТ каскадного типа? Об этом и об измерительном трансформаторе тока для подстанции 750 кВ вы узнаете из видео.

Трансформатором тока(ТН, TV) – называют электротехническое устройство, изменяющее величину выходного значения электротока в процессе передачи с первичной на вторичную обмотку. В результате пропуска через трансформатор, электрический ток передаётся из одной системы в другую, пропорционально изменяясь, в зависимости от поставленной задачи.

Особенности конструкции и принцип работы

Принцип работы трансформаторов тока основан на использовании закона электромагнитной индукции.

Прибор состоит из следующих элементов:

• первичной и вторичной обмоток;
• замкнутого сердечника (магнитопровода).

Обмотки накручены вокруг сердечника, изолированно от него и друг от друга. Иногда первичная обмотка может заменяться медной или алюминиевой шиной. Трансформация величины электрического тока происходит за счёт разницы количества витков первичной и вторичной обмоток. В большинстве случаев устройство предназначено для снижения показателя тока, поэтому вторичная обмотка выполняется с меньшим количеством витков, нежели первичная.

Электроток подаётся на первичную обмотку при последовательном подключении. В результате на катушке формируется магнитный поток и наводится электродвижущая сила, вызывающая возникновение тока на выходной катушке.

К выходной обмотке подключают потребляющий прибор, в зависимости от целей, для которых используется устройство.

Некоторые устройства выполняются с несколькими выходными катушками, что позволяет путём переключения изменять величину трансформации электрического тока. В целях безопасности, для обеспечения защиты при пробое изоляции, выходной контур заземляется.

Виды трансформаторов тока

Данные электротехнические устройства классифицируются по нескольким характеристикам. В зависимости от назначения токовые трансформаторы могут быть:

• защитными – снижающими параметры тока для предотвращения выхода из строя потребляющих устройств;
• измерительными – через которые подключаются средства измерения, в том числе электросчётчики;
• промежуточными – устанавливаемыми в системы релейной защиты;
• лабораторными – используемыми для исследовательских целей, обладающими низкой погрешностью измерения, нередко – с несколькими коэффициентами трансформации.

Учитывая характер условий эксплуатации, различают трансформаторы:

В зависимости от исполнения первичных обмоток различают устройства:

• одновиткового исполнения;
• многовитковые;
• шинные.

С учётом способа установки их подразделяют на следующие типы:

• проходной;
• опорный.

По числу ступеней изменения тока выделяют трансформаторы:

• одноступенчатого,
• двухступенчатого (каскадного) типа.

Устройства, в зависимости от величины напряжения, на которое они рассчитаны делят на предназначенные для работы в условиях более и менее 1000 В.

Для изготовления сердечника применяется специальная трансформаторная сталь. Изоляция выполняется сухой (бакелитовой, фарфоровой), обычной или бумажно-масляной.

Расшифровка маркировки

Технические параметры

Трансформаторы тока характеризуются следующими индивидуальными параметрами:

Значения которыми могут обладать ТТ

При выборе устройства необходимо учитывать значение указанных и других характеристик.

Схемы подключения трансформаторов тока

Силового оборудования

Схема подключения для 110 кВ и выше:

Схема подключения для 6-10 кВ в ячейках КРУ:

Вторичные цепи

Схема включение трансформатора тока в полную звезду:

Схема включение трансформатора тока в неполную звезду(З а счет распределения токов на дополнительном приборе получается отобразить векторную сумму фаз А и С, которая противоположно направлена вектору фазы В при симметричном режиме нагрузки сети):

Схема включение трансформатора тока в неполную звезду(для контроля линейного тока с помощью реле):

Схема включение трансформатора тока в полную звезду с подключением обмотки реле к фильтру нулевой последовательности(ФТНП):

Популярные виды и стоимость трансформаторов

Бытового потребителя больше интересуют токовые трансформаторы, используемые для подключения электросчётчиков. В продаже предлагаются приборы типов:

• ТОЛ и другие.

Цена зависит от разновидности, конструкции, характеристик и напряжений на котором будет использоваться ТН:

• 0,66 кВ от 300 – 5000,
• 6-10 кВ 10000 – 45000,
• 35 кВ – около 50 000р,
• 110 кВ и выше – нужно уточнять у производителя.

Возможные неисправности

Указанные устройства чаще всего выходят из строя в результате повреждения изоляции, вызванного перегревом, непредусмотренным механическим воздействием или ошибкой при сборке.

Чтобы проверить состояние прибора, измеряют сопротивление межвитковой изоляции. Если она меньше установленного значения, оборудование нуждается в замене или ремонте.

Также для диагностики используются специальные приборы – тепловизоры, позволяющие проверить состояние всей действующей схемы. Наиболее сложные диагностические процедуры производятся в лабораторных условиях. Своевременная диагностика позволяет исключить аварийные ситуации и обеспечить нормальную работу устройств.

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.

В первичной обмотке протекает ток I 1 , создавая магнитный поток Ф 1 . Переменный магнитный поток Ф 1 пересекает обе обмотки W 1 и W 2 . При пересечении вторичной обмотки поток Ф 1 индуцирует электродвижущую силу Е 2 , которая создает вторичный ток I 2 . Ток I 2 , согласно закону Ленца имеет направление противоположное направлению I 1 . Вторичный ток создает магнитный поток Ф 2 , который направлен встречно Ф 1 . В результате сложения магнитных потоков Ф 1 и Ф 2 образуется результирующий магнитный поток (на рисунке он обозначен Ф нам). Этот поток составляет несколько процентов от потока Ф 1 . Именно поток Ф нам и является тем звеном, что производит передачу и трансформацию тока. Его называют потоком намагничивания.

Коэффициент трансформации идеального ТТ

В первичной обмотке w 1 создается магнитодвижущая сила F 1 =w 1 *I 1 , а во вторичной - F 2 =w 2 *I 2 . Если принять, что в трансформаторе тока отсутствуют потери, то магнитодвижущие силы равно по величине, но противоположны по знаку. F 1 =-F 2 . В итоге получаем, что I 1 /I 2 =w 2 /w 1 =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. F 1 =F 2 +F нам или I 1 *w 1 =I 2 *w 2 +I нам *w 1 или I 1 =I 2 *(w 2 /w 1)+I нам

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 существенные отличия в работе ТТ и ТН.

Во-первых, 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. В трансформаторах напряжения и силовых трансформаторах же первичный ток зависит от величины тока вторичной нагрузки.

Во-вторых, ТТ всегда работает с замкнутой вторичной обмоткой и величина его вторичного сопротивления нагрузки в процессе работы не изменяется.

В-третьих, не допускается работа ТТ с разомкнутой вторичной обмоткой, для ТН и силовых при размыкании вторичной обмотки происходит переход в режим работы холостого хода.

Последние статьи

Самое популярное

Перед тем, как рассказать об измерительных трансформаторах – немного теории. Трансформатор – элемент электрической цепи, преобразующий величину переменного напряжения. Трансформаторы могут быть:

• понижающими , выдающие на выходе меньшее напряжение, чем на входе;
• повышающими , выполняющие противоположное преобразование;
• разделительные , не изменяющие величину напряжения, применяющиеся для гальванической развязки между участками электрической сети.

Повышающие и понижающие трансформаторы обратимы: если подать номинальное выходное напряжение трансформатора на его вторичную обмотку, на первичной мы получим номинальное входное напряжение.

С токами в обмотках происходит обратная картина. Первичная обмотка рассчитывается на ток, соответствующий номинальной мощности трансформатора. Под мощность выбирается и сечение магнитопровода, и диаметр обмоточного провода первичной обмотки.

Ток вторичной обмотки понижающего трансформатора может быть больше тока в первичной во столько раз, во сколько меньше ее напряжение. Это отношение называется коэффициентом трансформации. Поэтому сечение обмоточного провода вторичной обмотки у понижающего трансформатора больше. У понижающего – все наоборот. У разделительного – все одинаково.

Зачем нужны измерительные трансформаторы напряжения

В электроустановках до 1000 В измерение напряжения производят, подключая вольтметры непосредственно к шинам или другим контролируемым участкам сети. Но в сетях 6 кВ и выше это невозможно, потому что:

• при измерении высокого напряжения требуется понизить его величину до размера, воспринимаемого рамкой стрелочного прибора или электронным преобразователем цифрового. Резистивные делители не выполнят задачу с требуемой точностью, а применение понижающего трансформатора сделает прибор громоздким;
• изоляция проводников для подключения прибора должна выдерживать номинальное напряжение электроустановки . Кроме того, должны соблюдаться междуфазные расстояния , требуемые ПУЭ. Выполнить это невозможно.

Поэтому для измерений величину напряжения понижают, и для этого нужен трансформатор напряжения

Трансформаторы напряжения и их конструкция

На какое бы напряжение не была рассчитана первичная обмотка трансформатора напряжения, напряжение на вторичной его обмотке стандартно – 100 В . Это сделано для унификации: счетчику электроэнергии без разницы, в какой электроустановке работать – 6 кВ, 10 кВ или более. Если он предназначен для эксплуатации с трансформаторами напряжения, в его технических характеристиках в графе «номинальное напряжение» указано: «3х100 В». Цифра «3» означает, что для измерений к нему подключаются три фазы.

Конструктивно трансформаторы напряжения выполняются:

• элемент преобразования одной фазы напряжения в своем корпусе, при трехфазном напряжении устанавливаются три таких трансформатора;
• один корпус содержит трансформатор для преобразования всех трех фаз .

Первичные обмотки трехфазных трансформаторов соединяются в звезду.

Вторичных обмоток у трансформаторов напряжения несколько:

• обмотка для приборов учета , имеющая класс точности 0,5s;
• обмотка для измерительных приборов – класс точности 0,5;
• обмотка для устройств релейной защиты – класс 10Р;
• обмотка для разомкнутого треугольника – класс 10Р.

Класс точности имеет значение при учете и измерениях. Но есть еще один нюанс: измерительная обмотка трансформатора работает в заявленном классе точности, если не превышена допустимая нагрузка на нее. Поэтому, вместе с классом, на бирке трансформатора указывается допустимая мощность , превышать которую нельзя.

Еще один фактор, изменяющий класс точности – сопротивление соединительных проводников . Если прибор учета или амперметр находится вдали от трансформатора напряжения и подключен контрольным кабелем с жилами недостаточного сечения, то значение напряжения на нем будет меньше, чем на трансформаторе.

Выводы вторичной обмотки трансформатора напряжения, используемого для коммерческого учета, закрывают крышкой и пломбируют.

Первичные обмотки трансформаторов напряжения защищают предохранителями. Для защиты вторичных обмоток раньше тоже применяли предохранители, но теперь их заменили автоматические выключатели.

А теперь – вспомним теорию в начале статьи. Основная опасность при работе на трансформаторах напряжения состоит в явлении обратной трансформации . Если по каким-то причинам на вторичную обмотку попадет напряжение 100 В, то первичная окажется под номинальным напряжением электроустановки. Работающие в ячейке люди окажутся под напряжением . Поэтому при выводе в ремонт трансформатора напряжения принимают меры. Исключающие обратную трансформацию.

Зачем нужны трансформаторы тока

Одна из причин, из-за которых в электроустановках выше 1000 В устанавливают трансформаторы тока – та же, что и для трансформаторов напряжения. Невозможно обеспечить изоляцию цепей для подключения приборов .

Но есть дополнительные факторы, вынуждающие использовать их и в электроустановках выше 1000 В:

• максимальный ток, на который рассчитаны электросчетчики прямого включения – 100 А. Токи выше 100 А требуется понизить .
• включение амперметров последовательно с нагрузкой снижает надежность электроснабжения ;
• вольтметр подключается к шинам через предохранители или автоматический выключатель, выводы амперметра защитить невозможно . Ток короткого замыкания в амперметре равен току КЗ на шинах. Ошибки в эксплуатации приводят к тяжелым последствиям , а неисправности прибора выводят его из строя навсегда. Поэтому и требуется выполнить гальваническую развязку амперметра с сетью.
• Заменить амперметр прямого подключения можно, только отключив нагрузку .

Принцип действия и конструкция трансформаторов тока

Трансформатор тока тоже имеет первичную и вторичную обмотку. Но особенность его в том, что первичная обмотка имеет один или несколько витков, а в большинстве изделий представляет собой шину, проходящую через корпус трансформатора. Вариант – трансформаторы, не имеющие собственной первичной обмотки. Они надеваются на шину с измеряемым током или через них пропускается провод, жила кабеля.

Вторичная обмотка у трансформатора тока на напряжение до 1000 В одна, но у высоковольтных их – минимум две, но бывает и больше. Работает он аналогично повышающему трансформатору, поэтому – все, что сказано в начале статьи о соотношении токов в них для него справедливо.

Номинальный ток вторичной обмотки трансформатора тока всегда равен 5 А , на какой бы ток не была рассчитана первичная. Классы точности обмоток для подключения аппаратуры различаются так же, как и у трансформаторов напряжения.

Но вот подключить к трансформатору тока, используемому для учета электроэнергии, ничего больше не получится. По правилам, кроме счетчика, там не должно быть ничего. И если для аппаратов выше 1000 В это требование легко выполнить (один трансформатор имеет несколько обмоток), то для электроустановок до 1000 В при необходимости устанавливают по два трансформатора на одну фазу: один – для учета, другой – для всего остального (амперметры, ваттметры, устройства защиты, компенсация реактивной мощности). Выводы вторичной обмотки для коммерческого учета у всех трансформаторов закрываются крышкой и пломбируются.

Трансформатор тока должен работать в замкнутой на нагрузку или накоротко вторичной обмоткой . Иначе на ней наводится ЭДС далеко не безопасной величины как для людей, так и для электрооборудования. При обрыве во вторичных цепях можно получить смертельный удар током , даже проведя рукой рядом с клеммами амперметра или счетчика. А электронные схемы на входе приборов выйдут из строя под действием высокого напряжения .

Поэтому для замены амперметров и электросчетчиков в токовых цепях устанавливают специальные клеммы , на которых перед демонтажем прибора обмотку трансформатора закорачивают . Для приборов учета рядом устанавливают клеммы для отключения цепей напряжения. Это функции совмещены в специальном устройстве, называющимся «колодка клеммная измерительная ». Для коммерческих цепей учета эти коробки пломбируются, для чего винт, крепящий ее крышку, имеет прорезь в головке (как у винтов крепления крышки корпуса электросчетчика).

Видео про трансформаторы тока

Почему нельзя размыкать вторичную обмотку трансформатора тока и зачем ее обязательно заземлять? Попутно вы узнаете о технических характеристиках и конструкции трансформаторов тока, особенностях их применения.

Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора .

Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.

Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.

1. Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции .

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1 , то по виткам обмотки потечет переменный ток Io , который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле . Магнитное поле образует магнитный поток Фo , который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2 . И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2 , которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2 .

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1 , образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1 . Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2 , создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2 , стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1 , т.е.

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2 , под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2 . Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2 , который будет тем больше, чем больше Фo . Но и в то же время чем больше ток I2 , тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo .

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2 , тока I2 и потока Ф2 , обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo , а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2 . Следовательно, магнитный поток Ф1 , создаваемый первичным током I1 , всегда больше магнитного потока Ф2 , создаваемого вторичным током I2 .

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках . При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным .

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим .

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим .

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2 . Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока . Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

2. Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы , используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями .
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали , имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы , которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

2.2. Типы магнитопроводов.

Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.

Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.

Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.

В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые , броневые и тороидальные . При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.

Стержневые .

В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.

Броневые .

В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.

Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.

Тороидальные .

Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.

Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.

На этом пока закончим. Продолжим во .
Удачи!

Литература:

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.