Класифікація та принцип роботи трансформатора струму
Трансформатори струму класифікуються:
- за кількістю коефіцієнтів трансформації: з одним коефіцієнтом трансформації; з декількома коефіцієнтами трансформації, що отримуються зміною числа витків первинної або вторинної обмотки, або обох обмоток, або застосуванням кількох вторинних обмоток з різним числом витків, що відповідає різному номінальному вторинному струму.
- за кількістю ступенів трансформації: одноступінчасті; каскадні (багатоступінчасті), тобто з кількома ступенями трансформації струму.
- по виконанню первинної обмотки: одновиткові; багатовіткові.
Одновиткові трансформатори струму мають два різновиди: без власної первинної обмотки; з власною первинною обмоткою. Одновиткові трансформатори струму, що не мають власної первинної обмотки, виконуються вбудованими, шинними або роз'ємними.
Вбудований трансформатор струму (див. мал.) є магнітопровід з намотаною на нього вторинною обмоткою. Він не має власної первинної обмотки. Її роль виконує струмоведучий стрижень прохідного ізолятора. Цей трансформатор струму не має ізоляційних елементів між первинною та вторинною обмотками. Їхню роль виконує ізоляція прохідного ізолятора.

Рис.1 Схема трансформатора струму
власна первинна обмотка ТТ; - струмопровідний стрижень прохідного ізолятора (шнна)
У шинному трансформаторі струму/роль первинної обмотки виконують одна або кілька шин розподільного пристрою, що пропускаються при монтажі через порожнину прохідного ізолятора. Останній ізолює таку первинну обмотку від вторинної.
Рознімний трансформатор струму 2 теж не має власної первинної обмотки. Його магнітопровід складається з двох частин, що стягуються болтами. Він може розмикатися і стулятися навколо провідника зі струмом, що є первинною обмоткою цього ТТ. Ізоляція між первинною та вторинною обмотками накладена на магнітопровід з вторинною обмоткою.
Одновиткові ТТ, що мають власну первинну обмотку, виконуються зі стрижневою первинною обмоткою або з U-Образний.
Трансформатор струму 3 має первинну обмотку у вигляді стрижня круглого або прямокутного перерізу, закріпленого у прохідному ізоляторі.
Трансформатор струму 4 має U-Образну первинну обмотку, виконану таким чином, що на неї накладена майже вся внутрішня ізоляція ТТ.
Багатовиткові трансформатори струму (рис. 1-1) виготовляються з котушковою первинною обмоткою, що одягається на магнітопровід; з петльовою первинною обмоткою 5, що складається з кількох витків; з ланковою первинною обмоткою 6, виконаною таким чином, що внутрішня ізоляція трансформатора струму конструктивно розподілена між первинною та вторинною обмотками, а взаємне розташування обмоток нагадує ланки ланцюга; з римоподібною первинною обмоткою, виконаною таким чином, що внутрішня ізоляція трансформатора струму нанесена в основному тільки на первинну обмотку, що має форму рим.
Основними параметрами та характеристиками трансформатора струму відповідно до ГОСТ 7746-78 «Трансформатори струму. Загальні технічні вимоги» є:
1. Номінальна напруга — значення лінійної напруги, що діє, при якому призначений працювати трансформатор струму, що вказується в паспортній таблиці трансформатора струму. Для вітчизняних трансформаторів струму прийнята наступна шкала номінальної напруги, кВ:
0,66; 6; 10; 15; 20; 24; 27; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750; 1150
2. Номінальний первинний струм I1н - що вказується в паспортній таблиці трансформатора струму - струм, що проходить по первинній обмотці, при
якому передбачено тривалу роботу трансформатора струму. Для вітчизняних трансформаторів струму прийнято наступну шкалу номінальних первинних струмів, А:
1; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 75; 80; 100; 150; 200; 300; 400; 500; 600; 750; 800; 1000; 1200; 1500; 2000; 3000; 4000; 5000; 6000- 8000; 10 000; 12 000; 14 000; 16 000; 18 000; 20 000; 25 000; 28 000 ; 32 000, 35 000; 40 000.
У трансформаторах струму, призначених для комплектування турбо- та гідрогенераторів, значення номінального струму понад 10 000 А можуть відрізнятися від наведених у цій шкалі значень.
Трансформатори струму, розраховані на первинний номінальний струм 15; 30; 75; 150; 300; 600; 750; 1200; 1500; 3000 і 6000 А повинні допускати необмежено тривалий час найбільший робочий первинний струм, рівний відповідно 16; 32; 80; 160; 320, 630; 800; 1250; 1600; 3200 і 6300 А. В інших випадках найбільший первинний струм дорівнює номінальному первинному струму.
3. Номінальний вторинний струм I2н - вказується в паспортній таблиці трансформаторів струму, що проходить по вторинній обмотці. Номінальний вторинний струм приймається рівним 1 або 5 А, причому струм 1 А допускається тільки для трансформаторів струму з номінальним первинним струмом до 4000 А. За погодженням із замовником допускається виготовлення трансформатора струму з номінальним вторинним струмом 2 або 2,5 А.
4. Вторинне навантаження трансформатора струму z2н відповідає повному опору його зовнішнього вторинного ланцюга, вираженому в омах, із зазначенням коефіцієнта потужності. Вторинна навантаження може також характеризуватись повною потужністю у вольт-амперах, що споживається нею при даному коефіцієнті потужності та номінальному вторинному струмі. ,
Вторинне навантаження з коефіцієнтом потужності cos ср2 = 0,8, при якій гарантується встановлений клас точності трансформатора струму або гранична кратність первинного струму щодо його номінального значення, називається номінальним вторинним навантаженням трансформатора струму z2н.ном
Для вітчизняних трансформаторів струму встановлено наступні значення номінального вторинного навантаження S2н .ном, вираженої у вольт-амперах, при коефіцієнті потужності cos р2 = 0,8:
1; 2; 2,5; 3; 5; 7,5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 75; 90; 100; 120.
Відповідні значення номінального вторинного навантаження (в омах) визначаються виразом
Z2н. ном = S2н. ном/I2н^2
5. Коефіцієнт трансформації трансформатора струму дорівнює відношенню первинного струму до вторинного струму.
У розрахунках трансформаторів струму застосовуються дві величини: дійсний коефіцієнт трансформації n та номінальний коефіцієнт трансформації nн. Під дійсним коефіцієнтом трансформації n розуміється відношення дійсного первинного струму до дійсного вторинного струму. Під номінальним коефіцієнтом трансформації nн розуміється відношення номінального первинного струму до номінального вторинного струму.
6. Стійкість трансформатора струму до механічних та теплових впливів характеризується струмом електродинамічної стійкості та струмом термічної стійкості.
Струм електродинамічної стійкості Iд дорівнює найбільшій амплітуді струму короткого замикання за весь час його протікання, яку трансформатор струму витримує без пошкоджень, що перешкоджають подальшій справній роботі. Струм Iд характеризує здатність трансформатора струму протистояти механічним (електродинамічним) впливам струму короткого замикання. Електродинамічна стійкість може характеризуватись також кратністю Kд, що є відношенням струму електродинамічної стійкості до амплітуди номінального первинного струму. Вимоги електродинамічної стійкості не поширюються на шинні, вбудовані та роз'ємні трансформатори струму.
Струм термічної стійкості Itт дорівнює найбільшому чинному значенню струму короткого замикання за проміжок Tт, яке трансформатор струму витримує протягом усього проміжку часу без нагрівання струмопровідних частин до температур, що перевищують допустимі при струмах короткого замикання і без пошкоджень, що перешкоджають його подальшій роботі.
Принципова схема одноступінчастого електромагнітного трансформатора струму та його схема заміщення наведено на рис. 2. Як видно із схеми, основними елементами трансформатора струму,
Рис. 2

що беруть участь у перетворенні струму, є первинна 1 і вторинна 2 обмотки, намотані на один і той же магнітопровід 3. Первинна обмотка включається послідовно (у розсічення струмопроводу високої напруги 4), тобто обтікається струмом лінії I1. До вторинної обмотки підключаються вимірювальні прилади (амперметр, струмова обмотка лічильника) або реле. Під час роботи трансформатора струму вторинна обмотка завжди замкнена на навантаження.
Первинну обмотку спільно з ланцюгом високої напруги називають первинним ланцюгом, а зовнішній ланцюг, що отримує вимірювальну інформацію від вторинної обмотки трансформатора струму (тобто навантаження і з'єднувальні дроти), називають вторинним ланцюгом. Ланцюг, що утворюється вторинною обмоткою і приєднаною до неї вторинною ланцюгом, називають гілкою вторинного струму.
З принципової схеми трансформатора видно, що між первинною і вторинною обмотками немає електричного зв'язку. Вони ізольовані один від одного на повну робочу напругу. Це дозволяє здійснити безпосереднє приєднання вимірювальних приладів або реле до вторинної обмотки і тим самим виключити вплив високої напруги, прикладеної до первинної обмотки, на обслуговуючий персонал. Так як обидві обмотки накладені на той самий магнітопровід, то вони є магнітно-пов'язаними.
На рис. 2 зображені ті елементи трансформатора струму, які беруть участь у перетворенні струму. Звичайно, трансформатор струму має багато інших елементів, що забезпечують необхідний рівень ізоляції, захист від атмосферних впливів, належні монтажні та експлуатаційні характеристики. Однак вони не беруть участі у перетворенні струму і будуть розглядатися нижче у відповідних розділах.
Перейдемо розгляд принципів дії трансформатора струму. По первинній обмотці трансформатора 1 струму проходить струм I1 званий первинним струмом. Він залежить лише від параметрів первинного кола. Тому при аналізі явищ, що відбуваються в трансформаторі струму, первинний струм вважатимуться заданою величиною. При проходженні первинного струму первинної обмотці в магнітопроводі створюється змінний магнітний потік Ф1, що змінюється з тією ж частотою, що і струм I1. Магнітний потік Ф1 охоплює витки як первинної, і вторинної обмоток. Перетинаючи витки вторинної обмотки, магнітний потік Ф1 при зміні індукує в ній електрорушійну силу. Якщо вторинна обмотка замкнута на деяке навантаження, тобто до неї приєднано вторинний ланцюг, то в такій системі «вторинна обмотка - вторинний ланцюг» під дією е. д. с. проходитиме струм. Цей струм відповідно до закону Ленца матиме напрямок, протилежний напряму первинного струму I1. Струм, що проходить по вторинній обмотці, створює в магнітопроводі змінний магнітний потік Ф2, який спрямований зустрічно магнітного потоку Ф1. Внаслідок цього магнітний потік у магнітопроводі, викликаний первинним струмом, буде зменшуватися. В результаті складання магнітних потоків Ф1 і Ф2 в магнітопроводі встановлюється результуючий магнітний потік Ф0 = Ф1 - Ф2, що становить кілька відсотків магнітного потоку Ф1. Потік Ф0 і є передавальною ланкою, за допомогою якого здійснюється передача енергії від первинної обмотки до вторинної в процесі перетворення струму.
Результуючий магнітний потік Ф0, перетинаючи витки обох обмоток, індукує при своїй зміні первинної обмотці проти-е. д. с. Їх, а у вторинній обмотці - е. д. с. Їй. Так як витки первинної і вторинної обмоток мають приблизно однакове зчеплення з магнітним потоком в магнітопроводі (якщо знехтувати розсіюванням), то в кожному витку обох обмоток індукується та сама е. д. с. Під впливом е. д. с. Е2 у вторинній обмотці протікає струм I2, званий вторинним струмом. Якщо позначити число витків первинної обмотки через W1, а вторинної обмотки - через W2, то при протіканні по них відповідно струмів I1 і I2 у первинній обмотці створюється магніторушійна сила F1 = I1*W1, звана первинною магніторушійною силою (м. д. с), а у вторинній обмотці - магніторушійна сила F2 = I2 * W2, звана вторинною м. д. с. Магніторуха сила вимірюється в амперах. За відсутності втрат енергії у процесі перетворення струму магніторушійні сили F1 і F2 повинні бути чисельно рівні, але спрямовані в протилежні сторони.
F1=-F2 або I1W1=I2W2 з цієї рівності випливає, що I1/I2=W2/W1=n тобто струми в обмотках ідеального трансформатора струму обернено пропорційні числам витків.
Відношення первинного струму до вторинного I1/I2 або числа витків вторинної обмотки до витків первинної обмотки W2/W1 називається коефіцієнтом трансформації п ідеального трансформатора струму. З огляду на цю рівність , можна написати I1=I2*W2/W1=I2*n тобто. первинний струм I1 дорівнює вторинному струму I2, помноженому на коефіцієнт трансформації трансформатора струму n.
У реальних трансформаторах струму перетворення струму супроводжується втратами енергії, що витрачається на створення магнітного потоку в магнітопроводі, на нагрівання та перемагнічування магнітопроводу, а також на нагрівання проводів вторинної обмотки та вторинного ланцюга. Ці втрати енергії порушують встановлені вище рівність абсолютних значень м. д. с. F1 та F2. У реальному трансформаторі первинна м. д. с. повинна забезпечити створення необхідної вторинної м. д. с, а також додаткової м. д. с, що витрачається на намагнічування магнітопроводу та покриття інших втрат енергії. Отже, для реального трансформатора рівняння матиме такий вигляд:

де
- Повна м. д. с. намагнічування, що витрачається на проведення магнітного потоку Фо по магнітопроводу, на нагрівання та перемагнічування його.
Відповідно до цього рівність набуде вигляду
i1*W1=i2*W2+i0*W1
де i0 - струм намагнічування, що створює в магнітопроводі магнітний потік Ф0 і є частиною первинного струму 11ш Розділивши всі члени рівняння на W1, Отримаємо i1 = i2 * W2 / W1 + i0 При первинному струмі, що не перевищує номінальний струм трансформатора струму, струм намагнічування зазвичай становить не більше 1-3 % первинного струму і їм можна знехтувати. І тут I1=I2*n
Таким чином, вторинний струм трансформатора пропорційний до первинного струму. Для зниження вимірюваного струму необхідно, щоб число витків вторинної обмотки було більше числа витків первинної обмотки.
Реальний трансформатор струму дещо спотворює результати вимірювань, т. е. має похибки.
Частина наведеного первинного струму йде на намагнічування магнітопроводу, а решта трансформується у вторинний ланцюг, тобто первинний струм як би розгалужується по двох паралельних ланцюгах: по ланцюгу навантаження та ланцюга намагнічування. Цьому відповідає схема заміщення, наведена на рис. 2, де ланцюг гілки намагнічування zо від струму I'1 відгалужується струм I'о. Решта струму I'1 проходить по вторинному ланцюгу, являючи собою вторинний струм I2. Опір первинної обмотки трансформатора струму на схемі заміщення не показано, оскільки воно не впливає на роботу трансформатора.
Замовити трансформатор струму
До списку статей