Для чего нужен трансформатор тока: что это такое, как работает

Трансформаторы тока ТТК

Что такое трансформатор тока

Трансформатор тока (сокращенно ТТ) — это электрический аппарат, в котором первичная обмотка включается последовательно в силовую цепь, а со вторичной обмотки снимается уменьшенный сигнал, пропорциональный измеряемой величине. Принцип основан на электромагнитной индукции и работает только в цепях переменного тока.

Главная задача — «уменьшить» электрический ток до значения, с которым может работать измерительный или защитный прибор. Например, в цепи протекает 600 А: подключать амперметр напрямую нельзя, а через ТТ с коэффициентом 600/5 прибор получит ровно 5 А и покажет реальную нагрузку с учетом коэффициента.

Для чего предназначены трансформаторы тока

Измерение

Первое, для чего нужен трансформатор тока, — это измерение. Прямое подключение приборов учета к мощной цепи невозможно: контакты и обмотки счетчика не рассчитаны на сотни ампер. ТТ решает задачу — подает на счетчик, амперметр или ваттметр стандартный вторичный ток. Это позволяет вести коммерческий и технический учет электроэнергии на подстанциях, в цехах и распределительных щитах.

Защита электрооборудования

Вторая функция — питание релейной защиты. Защитный ТТ непрерывно передает во вторичную цепь ток, пропорциональный току линии. Реле сравнивает этот сигнал с уставкой, и при коротком замыкании или перегрузке, когда ток резко возрастает, выдает команду на отключение выключателя — поврежденный участок обесточивается за доли секунды.

Принцип работы

Чтобы разобраться, как работает трансформатор тока, достаточно вспомнить закон электромагнитной индукции. По первичной обмотке идёт измеряемый ток, и вокруг сердечника формируется переменное магнитное поле. Оно наводит во вторичной обмотке напряжение, а если её цепь замкнута — там появляется электрический ток.

Величины токов в обмотках обратно пропорциональны количеству витков: чем больше витков у вторичной обмотки по сравнению с первичной, тем слабее ток на выходе. Именно это соотношение определяет коэффициент трансформации — скажем, 100/5 или 1000/1.

Вторичную цепь ТТ никогда не оставляют разомкнутой — она нагружена приборами либо закорочена. Этим трансформатор тока в корне отличается от трансформатора напряжения, у которого рабочий режим близок к холостому ходу.

Из чего состоит трансформатор тока

Конструкция и принцип действия трансформатора тесно связаны: каждый элемент работает на точное преобразование тока.

Основные части аппарата:

• Магнитопровод (сердечник) — собран из пластин трансформаторной стали и проводит через себя магнитное поле.
• Первичная обмотка — подключается в силовую линию по последовательной схеме; в шинных исполнениях её заменяет сама проходящая шина либо кабель.
• Вторичная обмотка — навита поверх магнитопровода, с неё считывается измерительный сигнал величиной 5 либо 1 А.
• Изоляция и корпус — задают диэлектрическую прочность и прикрывают аппарат от внешних воздействий.

Виды и типы трансформаторов тока

Виды трансформаторов тока классифицируют по нескольким признакам — это помогает подобрать аппарат под конкретную схему.

По конструктивному исполнению

В таблице — основные типы конструкций трансформаторов тока.

По классу точности

Класс точности показывает, для какой задачи предназначен трансформатор — измерения или защиты, и как жёстко нормируется его погрешность. 

• Измерительные классы (0,2S и 0,5S). Предназначены для коммерческого учёта. Классы S проверяют по пяти точкам нагрузки: 1%, 5%, 20%, 100% и 120% от номинального тока. Это даёт точность даже при слабой загрузке линии. По ГОСТ 7746-2015, у класса 0,5S токовая погрешность не превышает ±1,5% в точке 1% номинала, ±0,75% в точке 5% и ±0,5% в диапазоне 20–120%. У более точного класса 0,2S — ±0,75% при 1%, ±0,35% при 5% и ±0,2% в диапазоне 20–120%.  Такие типы ТТ используют для передачи информации измерительным цепям. 
• Защитные (5P/10P). По ГОСТ 7746-2015, для 5P/10P нормируют полную погрешность (5%, 10%) при номинальной нагрузке и в определённом диапазоне кратностей: от 1 до номинальной предельной. В приоритете надёжная передача сигнала при перегрузке и коротком замыкании. Такие типы ТТ используют, чтобы передавать информацию защитным устройствам.

Цифровые трансформаторы тока

Отдельно от классических аналоговых ТТ на рынке есть и цифровые. Такие трансформаторы оцифровывают измеренный сигнал прямо в датчике и передают его на приборы учёта, реле или контроллер цифровым протоколом. Связь осуществляется двумя способами:

• проводным — по шине или оптоволокну;
• беспроводным — например, по Zigbee: это удобно, когда прокладывать кабель дорого или физически сложно (на распределительных подстанциях и в цехах с плотной застройкой оборудования).

У цифрового ТТ ниже риск ошибки из-за наводок на длинных линиях и меньше требований к сечению вторичных проводов. Но нужна отдельная инфраструктура приёма сигнала: концентратор или шлюз, который переводит цифровой поток в формат, «понятный» АСКУЭ или SCADA. 

Схема подключения трансформатора тока

Первичную обмотку соединяют с силовой цепью по последовательной схеме, а ко вторичной подключают измерительные приборы и реле. В трехфазных сетях применяют «звезду» (три ТТ, контроль по всем фазам) и «неполную звезду» (два ТТ — экономичный вариант для сетей с изолированной нейтралью).

Обязательно и заземление: один из выводов вторичной обмотки соединяют с землёй. Так защищают людей и подключённые приборы на случай, если изоляция между первичной и вторичной обмотками будет пробита.

Важно при монтаже

Держать вторичную обмотку ТТ разомкнутой нельзя ни при каких обстоятельствах. Стоит разорвать вторичную цепь, пока в первичной идет ток, — и магнитный поток уже ничем не уравновешивается, а на свободных выводах поднимается опасное напряжение, доходящее до нескольких киловольт. Под угрозой оказываются и изоляция аппарата, и жизнь рядом стоящего человека. Поэтому, прежде чем снять приборы со вторичной цепи, её предварительно закорачивают перемычкой или испытательным блоком.

Как выбрать трансформатор тока

1. Рассчитайте первичный ток. Его номинал берут равным рабочему току линии или с небольшим запасом сверху.
2. Определите вторичный ток. Для коротких линий обычно берут 5 А, для длинных вторичных цепей — 1 А.
3. Подберите точность под задачу. Для коммерческого учёта — 0,2S и 0,5S, для щитовых приборов — классы 0,5 и 1, а под устройства защиты подойдут 5P и 10P.
4. Сверьте мощность вторичной цепи (в ВА). То, что в сумме потребляют подключённые приборы вместе с проводкой, должно укладываться в паспортное значение аппарата — при перегрузке вырастет погрешность.
5. Выберите исполнение и рабочее напряжение под монтаж: шинный аппарат ставят в щит, опорный либо встроенный — в распределительные устройства среднего напряжения.

Трансформатор тока ТТК-125

Заключение

ТТ — аппарат, без которого невозможны ни учет электроэнергии, ни релейная защита: он безопасно масштабирует ток до значений, понятных приборам. При выборе отталкивайтесь от номинала, класса точности, нагрузки и условий монтажа — тогда аппарат прослужит долго и даст корректные показания.

В каталоге КЭАЗ широко представлены измерительные трансформаторы тока. Если нужно подобрать решение под конкретную задачу — специалисты помогут.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Почему нельзя допускать размыкания вторичной обмотки?

Если вторичную цепь ТТ оставить разомкнутой, ток во вторичной обмотке исчезает, и магнитный поток в сердечнике перестает компенсироваться. Сердечник быстро насыщается, а на клеммах вторички возникает очень высокое напряжение. Оно может пробить изоляцию, вывести трансформатор из строя и создать опасную ситуацию для человека, работающего рядом.

Почему коэффициент трансформации иногда указывают с несколькими номиналами, например, 10–15–50–100/5 А?

Такая маркировка означает, что трансформатор может работать с разными диапазонами первичного тока. Это удобно, когда фактическая нагрузка меняется или заранее неизвестна. Переход на другой номинал достигается либо переключением отводов, либо изменением числа первичных витков при монтаже — например, пропусканием шины через окно несколько раз.

Подходит ли ТТ для измерения постоянного тока?

Нет. Вторичная обмотка ТТ создает сигнал за счет изменения магнитного потока, а при постоянном электрическом токе магнитный поток не меняется, поэтому ЭДС во вторичке не возникает. Для измерения постоянного тока используют другие устройства: шунты, датчики Холла или специализированные электронные измерители.