Принцип действия измерительных трансформаторов. Что такое трансформатор тока и как он работает? Как устроен трансформатор тока

В данной статье мы подробно рассмотрим что такое трансформатор тока, опишем принцип его работы, какие бывают типы, а так же расчеты и схемы трансформатора тока.

Описание и принцип работы

Трансформатор тока представляет собой тип «измерительного трансформатора», который предназначен для производства в его вторичной обмотки, которое пропорционально току измеряется в его первичном. Трансформаторы тока уменьшают токи высокого напряжения до гораздо более низкого значения и обеспечивают удобный способ безопасного контроля фактического электрического тока, протекающего в линии электропередачи переменного тока, с использованием стандартного амперметра. Принцип работы основного трансформатора тока немного отличается от обычного трансформатора напряжения.

В отличие от трансформатора напряжения или мощности, рассматриваемого ранее, трансформатор тока состоит из одного или нескольких витков в качестве своей первичной обмотки. Эта первичная обмотка может иметь либо один плоский виток, либо катушку из сверхпрочного провода, намотанного на сердечник, либо просто проводник или шину, расположенную через центральное отверстие, как показано на рисунке. Купить трансформатор тока вы можете в популярном интернет магазине Алиэкспресс:

Из-за такого типа расположения трансформатор тока часто называют также «последовательным трансформатором», поскольку первичная обмотка, которая никогда не имеет более нескольких витков, соединена последовательно с проводником с током, питающим нагрузку.

Однако вторичная обмотка может иметь большое количество витков катушки, намотанных на многослойный сердечник из магнитного материала с малыми потерями. Этот сердечник имеет большую площадь поперечного сечения, так что создаваемая плотность магнитного потока является низкой при использовании провода с меньшей площадью поперечного сечения, в зависимости от того, какой ток должен быть понижен, когда он пытается выдать постоянный ток, независимо от подключенной нагрузки.

Вторичная обмотка будет подавать ток либо на короткое замыкание, в виде амперметра, либо на резистивную нагрузку, пока напряжение, наведенное во вторичной обмотке, не станет достаточно большим, чтобы насытить сердечник или вызвать отказ из-за чрезмерного пробоя напряжения.

В отличие от трансформатора напряжения, первичный ток трансформатора тока не зависит от тока вторичной нагрузки, а контролируется внешней нагрузкой. Вторичный ток обычно оценивается в стандартный 1 Ампер или 5 Ампер для больших значений первичного тока.

Существует три основных типа трансформаторов тока: обмоточный , тороидальный и стержневой .

• Обмоточный трансформатор тока — первичная обмотка трансформатора физически соединена последовательно с проводником, который несет измеренный ток, протекающий в цепи. Величина вторичного тока зависит от коэффициента оборотов трансформатора.
• Тороидальный трансформатор тока — они не содержат первичной обмотки. Вместо этого линия, по которой проходит ток, протекающий в сети, проходит через окно или отверстие в тороидальном трансформаторе. Некоторые трансформаторы тока имеют «разделенный сердечник», который позволяет открывать, устанавливать и закрывать его, не отключая цепь, к которой они подключены.
• Трансформатор тока стержневого типа — в этом типе трансформатора тока используется фактический кабель или шина главной цепи в качестве первичной обмотки, что эквивалентно одному витку. Они полностью изолированы от высокого рабочего напряжения системы и обычно крепятся болтами к токонесущему устройству.

Трансформаторы тока могут снизить или «понизить» уровни тока с тысяч ампер до стандартного выходного сигнала с известным отношением либо к 5 А, либо к 1 А для нормальной работы. Таким образом, небольшие и точные приборы и устройства управления могут использоваться с трансформаторами тока, потому что они изолированы от любых высоковольтных линий электропередач. Существует множество применений для измерения и использования для трансформаторов тока, таких как ваттметры, измерители коэффициента мощности, защитные реле или в качестве катушек отключения в магнитных выключателях или MCB.

Конструкция и схема трансформатора тока

Обычно трансформаторы тока и амперметры используются вместе как согласованная пара, в которой конструкция трансформатора тока такова, чтобы обеспечить максимальный вторичный ток, соответствующий полномасштабному отклонению амперметра. В большинстве трансформаторов тока существует приблизительное соотношение обратных витков между двумя токами в первичной и вторичной обмотках. Вот почему калибровка трансформатора тока обычно для определенного типа амперметра.

Большинство трансформаторов тока имеют стандартную вторичную номинальную мощность 5 А, при этом первичные и вторичные токи выражаются в таком соотношении, как 100/5. Это означает, что ток первичной обмотки в 20 раз больше, чем ток вторичной обмотки, поэтому, когда в первичном проводнике протекает 100 ампер, во вторичной обмотке будет протекать 5 ампер. Трансформатор тока, скажем, 500/5, будет производить 5 А во вторичной обмотке при 500 А в первичной обмотке, что в 100 раз больше.

Увеличивая количество вторичных обмоток Ns , ток вторичной обмотки можно сделать намного меньшим, чем ток в измеряемой первичной цепи, потому что, когда Ns увеличивается, Is уменьшается пропорционально. Другими словами, число витков и ток в первичной и вторичной обмотках связаны обратно пропорционально.

Трансформатор тока, как и любой другой трансформатор, должен удовлетворять уравнению ампер-виток, и мы знаем из нашего учебника по трансформаторам напряжения с двойной обмоткой, что это отношение витков равно:

из которого мы получаем:

Коэффициент тока устанавливает коэффициент витков, и, поскольку первичный обычно состоит из одного или двух витков, тогда как вторичный может иметь несколько сотен витков, соотношение между первичным и вторичным может быть довольно большим. Например, предположим, что номинальный ток первичной обмотки составляет 100А. Вторичная обмотка имеет стандартный рейтинг 5А. Тогда соотношение между первичным и вторичным токами составляет 100А-5А или 20: 1. Другими словами, первичный ток в 20 раз больше вторичного тока.

Однако следует отметить, что трансформатор тока с номиналом 100/5 не совпадает с трансформатором с номиналом 20/1 или подразделениями 100/5. Это связано с тем, что отношение 100/5 выражает «номинальный ток на входе / выходе», а не фактическое соотношение первичных и вторичных токов. Также обратите внимание, что число витков и ток в первичной и вторичной обмотках связаны обратно пропорционально.

Но относительно большие изменения в соотношении витков трансформаторов тока могут быть достигнуты путем изменения первичных витков через окно трансформатора ток, где один первичный виток равен одному проходу, а более одного прохода через окно приводит к изменению электрического соотношения.

Так, например, трансформатор тока с отношением, скажем, 300 / 5А можно преобразовать в другой из 150 / 5А или даже 100 / 5А, пропустив основной первичный проводник через его внутреннее окно два или три раза, как показано ниже. Это позволяет более высокому значению трансформатора тока обеспечивать максимальный выходной ток для амперметра, когда используется на меньших первичных линиях тока.

Пример трансформатора тока

Трансформатор тока стержневого типа, который имеет 1 виток на своей первичной обмотке и 160 витков на своей вторичной обмотке, должен использоваться со стандартным диапазоном амперметров с внутренним сопротивлением 0,2 Ом. Амперметр необходим для полного отклонения шкалы, когда первичный ток составляет 800 А. Рассчитайте максимальный вторичный ток и вторичное напряжение на амперметре.

Вторичный ток:

Напряжение через амперметр:

Выше мы видим, что, поскольку вторичная обмотка трансформатора тока подключена к амперметру с очень малым сопротивлением, падение напряжения на вторичной обмотке составляет всего 1,0 В при полном первичном токе.

Однако, если амперметр был удален, вторичная обмотка фактически разомкнута, и, таким образом, трансформатор действует как повышающий трансформатор. Это частично связано с очень большим увеличением намагничивающего потока во вторичном сердечнике, поскольку реактивное сопротивление вторичной утечки влияет на вторичное индуцированное напряжение, потому что во вторичной обмотке нет противоположного тока, чтобы предотвратить это.

Результатом является очень высокое напряжение, наведенное во вторичной обмотке, равное отношению: Vp (Ns / Np) , развиваемое через вторичную обмотку. Например, предположим, что наш трансформатор тока сверху используется на трехфазной линии электропередачи напряжением 480 вольт. Следовательно:

Это высокое напряжение связано с тем, что отношение вольт на витки в первичной и вторичной обмотках практически постоянно, а поскольку Vs = Ns * Vp , значения Ns и Vp являются высокими значениями, поэтому Vs чрезвычайно велико.

По этой причине трансформатор тока никогда не следует оставлять разомкнутым или работать без нагрузки, когда через него протекает основной первичный ток, точно так же, как трансформатор напряжения никогда не должен работать при коротком замыкании. Если амперметр (или нагрузка) должен быть удален, сначала следует установить короткое замыкание на вторичных клеммах, чтобы исключить риск удара током.

Это высокое напряжение объясняется тем, что когда вторичная обмотка разомкнута, железный сердечник трансформатора работает с высокой степенью насыщения и ничто не может его остановить, он создает аномально большое вторичное напряжение, и в нашем простом примере выше это было рассчитано на 76,8 кВ! Это высокое вторичное напряжение может повредить изоляцию или привести к поражению электрическим током при случайном прикосновении к клеммам трансформатора тока.

Ручные трансформаторы тока

В настоящее время доступно много специализированных типов трансформаторов тока. Популярный и портативный тип, который может быть использован для измерения нагрузки цепи, называется «клещами», как показано на рисунке.

Измерители зажимов открывают и закрывают вокруг проводника с током и измеряют его ток, определяя магнитное поле вокруг него, обеспечивая быстрое считывание результатов измерений, как правило, на цифровом дисплее без отключения или размыкания цепи.

Наряду с ручным зажимом типа трансформатора тока имеются трансформаторы тока с разделенным сердечником, у которых один конец съемный, поэтому нет необходимости отсоединять проводник нагрузки или шину для его установки. Они доступны для измерения токов от 100 до 5000 ампер, с квадратными размерами окна от 1 ″ до более 12 ″ (от 25 до 300 мм).

Подводя итог, можно сказать, что трансформатор тока (ТТ) представляет собой тип измерительного трансформатора, используемого для преобразования первичного тока во вторичный ток через магнитную среду. Его вторичная обмотка обеспечивает значительно уменьшенный ток, который можно использовать для обнаружения условий сверхтока, пониженного тока, пикового или среднего тока.

Первичная катушка трансформатора тока всегда соединена последовательно с главным проводником, в результате чего ее также называют последовательным трансформатором. Номинальный вторичный ток рассчитан на 1А или 5А для простоты измерения. Конструкция может представлять собой один первичный виток, как в типах тороидальных, кольцевых или стержневых, или несколько витков первичной обмотки, как правило, для малых коэффициентов тока.

Трансформаторы тока предназначены для использования в качестве устройств пропорционального тока. Поэтому вторичная обмотка трансформаторов тока никогда не должна эксплуатироваться в разомкнутой цепи, точно так же, как трансформатор напряжения никогда не должен работать при коротком замыкании.

Очень высокое напряжение возникает в результате разомкнутой цепи вторичной цепи трансформатора тока под напряжением, поэтому их клеммы должны быть замкнуты накоротко, если амперметр должен быть удален или когда ТТ не используется перед включением питания системы.

В следующей статье о трансформаторах мы рассмотрим, что происходит, когда мы соединяем вместе три отдельных трансформатора в конфигурации «звезда» или «треугольник», чтобы получить более мощный силовой трансформатор, называемый , который используется для питания трехфазных источников питания.

Трансформатор тока представляет собой измерительное устройство, первичная обмотка (высокая сторона) которого подключается к источнику переменного электрического тока, а его вторичная обмотка (низкая сторона) подключается к приборам измерения или к приборам защиты с малым сопротивлением.

Если точнее, то первичная обмотка любого трансформатора тока включается только последовательно в силовую электрическую цепь, по которой протекает электрическая нагрузка. К вторичной обмотке или нескольким вторичным обмоткам подключаются защитные приборы, измерительные приборы и приборы учёта электроэнергии.

Принцип действия трансформатора тока

Работа обычного трансформатора тока базируется на физическом явлении электромагнитной индукции. Это значит, что при подаче напряжения на первичную обмотку, в её витках будет проходить переменный ток, образующий впоследствии появление переменного магнитного потока. Появившийся магнитный поток проходит по сердечнику и пронизывает витки всех обмоток трансформатора, таким образом, индуцируя в них электродвижущие силы (э.д.с.). В случае закорачивания вторичной обмотки или же при включении нагрузки в её цепь, под воздействием э.д.с. в витках обмотки начнёт протекать вторичный ток.

Назначение трансформаторов

Общее назначение трансформаторов тока – преобразование (снижение) большой величины переменного тока до таких значений, которые будут удобны и безопасны для измерения.

Трансформаторы тока позволяют безопасно измерять большие электрические нагрузки в сетях переменного тока. Это становится возможным благодаря изолированию первичной обмотки и вторичной обмотки друг от друга.

При изготовлении к трансформаторам тока предъявляются строгие требования по качеству изоляции и по точности измерений электрических нагрузок.

Трансформатор тока – это устройство, основой которого является сердечник, шихтованный из особой трансформаторной стали. На сердечник (магнитопровод) наматываются витки одной, двух или даже нескольких вторичных обмоток, электрически изолированных друг от друга, а также и от сердечника.

Что касается первичной обмотки, то она может представлять собой катушку, также намотанную на сердечник измерительного трансформатора. Однако чаще всего первичная обмотка представляет собой алюминиевую или медную шину (пластину). Не менее часто в трансформаторе тока вообще отсутствует первичная обмотка как таковая. В этом случае функцию первичной обмотки выполняет силовой проводник, проходящий через кольцо трансформатора тока. Это может быть отдельная жила электрического кабеля.

Вся конструкция трансформатора тока помещается в корпус для защиты от механических повреждений.

Основной технической характеристикой каждого трансформатора тока является номинальный коэффициент трансформации. Его значение указывается на специальной табличке (шильдике) в виде отношения номинального значения первичного тока к номинальному значению вторичного тока.

Например, указанное значение 400/5 означает, что при первичной нагрузке в 400А, во вторичной цепи должен протекать ток в 5А и, следовательно, коэффициент трансформации будет равен 80. Если на шильдике указано значение 50/1, то коэффициент трансформации будет равен 50.

Практически у каждого трансформатора тока есть определённая погрешность. В зависимости от её величины каждому трансформатору тока присваивается свой класс точности.

Классификация трансформаторов

Существует несколько признаков, по которым трансформаторы тока делятся.

По своему назначению они бывают измерительными, защитными, а также промежуточными и лабораторными.

• Измерительные выполняют функцию измерения. К ним подключаются приборы, такие как амперметр или приборы учёта (счётчики электрической энергии).
• Защитные трансформаторы тока выполняют функцию электрической защиты совместно с устройствами защиты, поэтому к ним подключаются устройства, такие как реле тока или современные цифровые устройства высоковольтной защиты.
• Промежуточные трансформаторы тока применяют в токовых цепях релейной защиты.
• Лабораторные устройства обладают очень высокой степенью точности измерений. Также у них может быть несколько разных коэффициентов трансформации.

По виду установки трансформаторы тока бывают наружными и внутренними , а также встроенными внутрь электрооборудования (внутри высоковольтных выключателей, внутри питающих силовых трансформаторов и т.д.). Кроме того трансформаторы тока бывают накладными и переносными. Переносные трансформаторы используют для измерений токовой нагрузки в лабораторных условиях.

По исполнению первичной обмотки бывают одновитковые, многовитковые и шинные трансформаторы тока. По количеству ступеней трансформации – одно- и двухступенчатые.

По напряжению трансформаторы тока делятся на две группы – устройства с напряжением до 1000В и устройства с напряжением выше 1000В.

Кроме обычных измерительных трансформаторов тока, существуют и специальные, такие как трансформаторы тока нулевой последовательности.

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции , открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220 , 380 , 660 В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт , позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы . Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

• импульсные трансформаторы;
• силовые трансформаторы;
• трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток . Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной ) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной , подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1 . При этом образуется магнитный поток Ф , который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2 , возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд - ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!

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.

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.

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.

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 :

По предназначению:

• 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.

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.

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

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.

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.

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.

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

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.