Назначение и принцип действия измерительных трансформаторов

Измерительные трансформаторы применяются в различных электрических установках, где требуется проводить точные измерения тока и напряжения, а также обеспечивать корректное функционирование релейной защиты. С их помощью можно безопасно подключать измерительные приборы и устройства защиты к силовым линиям, в которых присутствуют значительные токи либо повышенное напряжение.

Благодаря трансформаторам тока и напряжения можно отделить измерительные и защитные цепи от силовых, снизить уровень сигнала до стандартных значений и обеспечить стабильную работу систем учета, контроля, автоматики и защиты. Эти устройства находят применение в энергетике, промышленности, распределительных пунктах и щитах.

В статье расскажем, зачем нужны измерительные трансформаторы, как они работают, каких видов бывают и где используются.

Для чего нужен трансформатор тока или напряжения

Основное назначение такого устройства — снижение высоких значений тока или напряжения до уровней, которые допускают точное измерение и учет. Это позволяет подключать к цепям измерения приборы, рассчитанные на невысокие значения тока или напряжения, без риска повредить оборудование или причинить вред обслуживающему персоналу.

Кроме того, измерительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку между силовыми цепями высокого напряжения и вторичными измерительными или защитными контурами. Благодаря этому вторичная цепь оказывается электрически изолированной от опасных потенциалов — повышается безопасность эксплуатации.

Помимо выполнения базовых функций, трансформаторы вносят вклад в надежность работы электрических систем:

• позволяют контролировать токи и напряжения для своевременного выявления аварийных режимов и перегрузок;
• обеспечивают правильную работу систем релейной защиты, автоматики и управления;
• способствуют повышению энергоэффективности производственных процессов за счет точного учета и контроля потребления;
• позволяют минимизировать потери электроэнергии и эксплуатационные затраты;
• помогают поддерживать стабильное качество электроснабжения, снижая риск перебоев и повреждений оборудования.

Классификация трансформаторов

Измерительные трансформаторы можно классифицировать по нескольким основным признакам.

По измеряемой величине

Выделяют два вида трансформатора: тока и напряжения.

Что такое трансформатор тока (ТТ)? Это измерительное устройство, которые снижает ток в силовой цепи до безопасного значения. Включается последовательно с нагрузкой и преобразует измеряемый ток в пропорционально меньший — как правило, до 5 А или 1 А. ТТ применяются в системах учета электроэнергии, релейной защиты, мониторинга и автоматизации.

Трансформаторы напряжения (ТН) используются для измерения, соответственно, напряжения. Устройства понижают высокое напряжение до стандартных величин, например, 100 В.

По числу фаз

• Однофазные. Имеют одну первичную и одну вторичную обмотку. Наиболее распространенный тип для большинства применений. Могут использоваться в трехфазных сетях: при установке по одному на каждую фазу.
• Трехфазные. Содержат три однофазных трансформатора, объединенных в общий корпус или смонтированных раздельно. Используются в трехфазных сетях.

По типу изоляции

• Масляные. Используют масло как изоляционный и охлаждающий компонент. Чаще применяются в высоковольтных сетях и подстанциях.
• Сухие. Обмотки залиты компаундом или изолированы воздухом. Применяются в помещениях и низковольтных установках.
• Газоизолированные. Изоляция осуществляется за счет газовой среды, чаще всего применяется элегаз — SF6. Используются в составе газоизолированных распределительных устройств на высоких напряжениях.

Принцип действия

Принцип работы трансформатора как тока, так и напряжения, основан на явлении электромагнитной индукции. Первичная обмотка ТТ подключается последовательно с нагрузкой, через нее протекает измеряемый ток. Он формирует магнитное поле. Под действием изменяющегося магнитного поля во вторичной обмотке возникает ток, прямо пропорциональный току первичной цепи и определяемый коэффициентом трансформации.

Так как первичная обмотка обычно имеет малое количество витков (часто — один виток в виде прямого проводника или шины), а вторичная — значительно большее, во вторичной цепи получается пониженный ток, удобный для подключения приборов измерения и защиты.

ТТ работают в режиме близком к короткому замыканию, так как их вторичная обмотка должна быть подключена на малое сопротивление: измерительный прибор или реле. При размыкании вторичной цепи возможно появление высокого напряжения, поэтому вторичную обмотку запрещено оставлять разомкнутой при наличии тока в первичной цепи.

Первичная обмотка ТН подключается параллельно к измеряемой цепи, во вторичной возникает пропорциональное ей напряжение, уменьшенное в соответствии с коэффициентом трансформации. Благодаря этому можно безопасно подключать измерительные приборы, релейную защиту и системы автоматизации. ТН, в отличие от ТТ, работают практически в режиме холостого хода, так как вторичная обмотка подключается к приборам с высоким входным сопротивлением.

Технические характеристики измерительных трансформаторов

При выборе и эксплуатации измерительных трансформаторов необходимо учитывать их основные технические параметры, которые определяют точность, безопасность и совместимость оборудования.

Номинальный первичный ток или напряжение

• Для ТТ указывается номинальный первичный ток — например, 100 А, 400 А, 1000 А и выше.
• Для ТН — номинальное первичное напряжение (например, 6 кВ, 10 кВ, 35 кВ).

Номинальный вторичный ток или напряжение

• Для ТТ стандартные вторичные значения — 5 А или 1 А.
• Для ТН стандартные значения вторичного напряжения — 100 В.

Коэффициент трансформации

Определяет, во сколько раз трансформатор уменьшает измеряемое значение. Рассчитывается как отношение номинального первичного значения к вторичному. Например, ТТ 400/5 имеет коэффициент трансформации 80.

Класс точности

Показывает максимально допустимую относительную погрешность трансформатора при номинальной нагрузке. Обозначается числами: 0,2; 0,5; 1; 3 и так далее. В общепромышленных системах наиболее распространены модели с классом точности 0,5.

Отдельно выделяют классы с индексом S (например, 0,5S). Такие трансформаторы обеспечивают повышенную точность измерений на малых токах и применяются в системах точного учета электроэнергии и в балансовых расчетах между потребителями и поставщиками.

Номинальная нагрузка (номинальная мощность)

Это нагрузка, на которую рассчитана вторичная цепь трансформатора, выражается в вольт-амперах (ВА). Например, 5 ВА, 10 ВА, 15 ВА. При расчете нагрузки учитывают суммарное сопротивление всех подключенных приборов.

Допустимые условия эксплуатации

В паспортах и каталогах обычно указываются: температурный рабочий диапазон, климатическое исполнение, требования к окружающей среде.

Особенности эксплуатации

При эксплуатации измерительных трансформаторов важно соблюдать определенные правила, обеспечивающие безопасность персонала, корректность измерений и долговечность оборудования.

• Правильное подключение вторичных цепей. Вторичная обмотка ТТ всегда должна быть замкнута на нагрузку — приборы измерения, реле защиты или специальный шунтирующий блок. Отключать нагрузку без предварительного шунтирования вторичной обмотки запрещено: при размыкании вторичной цепи может возникать высокое опасное напряжение.
• Заземление вторичных цепей. Во избежание накопления опасного потенциала вторичные обмотки ТТ и ТН должны быть заземлены в одной точке. Заземление выполняется по схеме, соответствующей проекту электроустановки.
• Соблюдение номинальной нагрузки. При подключении измерительных приборов важно учитывать номинальную нагрузку трансформатора. Превышение допустимой нагрузки приводит к увеличению погрешности измерений и дополнительному нагреву обмоток.
• Соблюдение условий эксплуатации. Следует учитывать температурный режим, класс защиты от пыли и влаги, допустимую высоту над уровнем моря. Нарушение условий эксплуатации может привести к ухудшению изоляции, ускоренному старению и выходу трансформатора из строя.
• Минимизация погрешностей. Погрешности измерения могут зависеть от температуры, нагрузки, фазовых сдвигов и других факторов. Для снижения погрешностей следует соблюдать рекомендации производителя по монтажу, подключению и размещению трансформаторов, избегая воздействия сильных магнитных полей, вибраций и нагрева.

Примеры применения

Измерительные трансформаторы широко применяются во всех сферах электроэнергетики и электротехники, где требуется точное измерение параметров сети, защита оборудования и работа автоматических систем управления.

Электроустановки высокого напряжения

На подстанциях, в распределительных устройствах высокого и среднего напряжения ТТ и ТН используются для снятия параметров сети, работы релейной защиты и систем управления. Они позволяют безопасно измерять параметры токов и напряжений в высоковольтных цепях и обеспечивают точную работу автоматики при аварийных режимах.

Щиты учета электроэнергии

В коммерческом и техническом учете ТТ служат для подключения счетчиков в сетях с большими токами. Это позволяет использовать стандартные приборы на 5 А или 1 А при наличии в цепи токов в сотни и тысячи ампер. Для удобного подключения применяются клеммные коробки КИП.

Системы автоматизации и релейной защиты

Трансформаторы передают параметры сети в измерительные и защитные реле, контроллеры, системы сигнализации. Такая точная информация позволяет автоматике своевременно реагировать на перегрузки, короткие замыкания и другие аварийные ситуации.

Промышленные предприятия

На крупных производствах — в металлургии, нефтехимии, машиностроении, деревообработке — трансформаторы задействованы в распределении электроэнергии, системах учета, автоматике и защите технологических процессов.

Инфраструктурные объекты

В системах энергоснабжения аэропортов, портов, водоснабжения, телекоммуникаций, центров обработки данных и других подобных объектов трансформаторы обеспечивают надежность систем электроснабжения и защиту оборудования.

Железнодорожная и транспортная инфраструктура

Трансформаторы применяются на тяговых подстанциях, в системах энергоснабжения электровозов и электропоездов, в распределительных устройствах станций, депо и транспортных узлов.

Коротко о главном

Без измерительных трансформаторов невозможна работа современных систем учета, релейной защиты и автоматического управления. Они позволяют безопасно и точно снимать параметры электрических сетей, снижая высокие значения тока и напряжения до стандартных уровней для дальнейшей обработки.

Правильный выбор трансформатора с учетом его характеристик — важная часть проектирования и эксплуатации электроустановок. От этого зависит точность измерений, надежность защитных устройств и безопасность персонала.

Компания КЭАЗ производит измерительные трансформаторы тока серий ТТК и ТТК-А, которые соответствуют требованиям ГОСТ 7746-2015, охватывают широкий диапазон номинальных токов до 5000 А, обеспечивают высокую точность (классы 0,5 и 0,5S) и рассчитаны на длительный срок службы. Посмотрите полный ассортимент моделей в нашем каталоге.

Исправление орфографических ошибок

Если Вы заметили на сайте опечатку или неточность, мы будем признательны, если Вы сообщите об этом.

Выделите текст, который по Вашему мнению содержит ошибку, и нажмите на клавиатуре комбинацию клавиш: Ctrl + Enter