Трансформаторы для измерительных приборов

Трансформаторы для измерительных приборов: классификация, принцип действия, нормирование и применение

Трансформаторы для измерительных приборов (измерительные трансформаторы) являются ключевыми элементами систем релейной защиты, автоматики и учета электроэнергии в электроустановках переменного тока напряжением 0,4 кВ и выше. Их основное функциональное назначение – преобразование первичных токов и напряжений в стандартизированные вторичные величины, безопасные для непосредственного подключения к измерительным приборам, счетчикам и устройствам защиты. Это обеспечивает гальваническую развязку цепей высокого напряжения от цепей низкого напряжения, защищая персонал и оборудование.

Классификация измерительных трансформаторов

Измерительные трансформаторы подразделяются по двум основным признакам: виду преобразуемой величины и типу установки.

• Трансформаторы тока (ТТ): Предназначены для преобразования первичного тока. Устанавливаются последовательно в контролируемую цепь.
• Трансформаторы напряжения (ТН): Предназначены для преобразования первичного напряжения. Устанавливаются параллельно контролируемому участку цепи.

По типу установки выделяют трансформаторы для наружной (Н) и внутренней (В) установки, а также встроенные в оборудование (например, вводные ТТ в силовых трансформаторах или выключателях).

Трансформаторы тока (ТТ)

Принцип действия ТТ основан на законах электромагнитной индукции. Первичная обмотка, содержащая W1 витков, включается последовательно в цепь измеряемого тока I1. Нагрузкой вторичной обмотки (W2 витков) является измерительный прибор или реле с малым сопротивлением, т.е. ТТ работает в режиме, близком к короткому замыканию. Номинальный вторичный ток стандартизирован и составляет, как правило, 5 А или 1 А.

Основные параметры и характеристики ТТ

• Номинальный первичный ток (I1н): Значение первичного тока, на которое рассчитан ТТ (например, 100, 600, 1500 А).
• Номинальный вторичный ток (I2н): Стандартное значение вторичного тока (5А или 1А).
• Коэффициент трансформации (Kн): Отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному (Kн = I1н / I2н).
• Класс точности: Определяет допустимую погрешность трансформатора в процентах от измеряемой величины. Для измерительных цепей применяются классы 0.2, 0.5, 0.5S, 1. Для цепей защиты – 5P, 10P, а также специальные классы для переходных режимов (TPY, TPZ).
• Номинальная нагрузка (S2н) и вторичное сопротивление нагрузки (Z2н): Мощность в ВА (или сопротивление в Омах), которую можно подключить к вторичной обмотке ТТ, не выходя за пределы погрешности указанного класса точности. Стандартные значения: 5, 10, 15, 20, 30, 40 ВА.
• Предельная кратность (коэффициент безопасности приборов FS для измерительных ТТ или коэффициент точной кратности Kalf для защитных ТТ): Показывает, во сколько раз первичный ток может превысить номинальный, при котором погрешность по току не превысит 10% (для защитных ТТ).

Конструктивные исполнения ТТ

• Проходные: Имеют отверстие для пропуска токоведущей шины или кабеля. Часто используются в КРУ в качестве встроенных.
• Опорные: Устанавливаются на опорную плоскость (полку, землю).
• Шинные: Первичной обмоткой является сама шина распределительного устройства.
• Тороидальные (с разъемным магнитопроводом): Для установки на кабели без их разрыва, часто для цепей учета.

Трансформаторы напряжения (ТН)

ТН работают в режиме, близком к холостому ходу, так как их вторичная обмотка нагружена на высокое сопротивление измерительных приборов, счетчиков и реле. Номинальное вторичное напряжение стандартизировано и составляет 100 В, 100/√3 В или 100/3 В.

Основные параметры и характеристики ТН

• Номинальное первичное напряжение (U1н): Напряжение сети, в которую включается ТН (например, 6000, 10000 В).
• Номинальное вторичное напряжение (U2н): Стандартное значение (100 В для однофазных ТН, соединенных в звезду).
• Коэффициент трансформации (Kн): Kн = U1н / U2н.
• Класс точности: Определяется погрешностью по напряжению и угловой погрешностью. Для измерительных цепей: 0.2, 0.5, 1.0. Для цепей защиты: 3P, 6P.
• Номинальная мощность (Sн): Полная мощность в ВА, которую можно подключить к вторичной обмотке ТН, не выходя за пределы погрешности указанного класса точности. Существует несколько диапазонов: от номинальной мощности до максимальной (длительно допустимой).

Конструктивные исполнения ТН

• Однофазные и трехфазные: Трехфазные ТН применяются в сетях до 18 кВ.
• Заземляемые и незаземляемые: Заземляемые ТН (НТМИ, НАМИ) имеют вывод начала обмотки высокого напряжения для заземления, применяются в сетях с изолированной нейтралью. Незаземляемые (НОЛ, НОМ) – в сетях с глухозаземленной нейтралью.
• Каскадные и антирезонансные: Каскадные ТН используются для высоких напряжений (110 кВ и выше). Антирезонансные конструкции предотвращают возникновение феррорезонансных явлений при коммутациях в сети.
• Емкостные (CVT): Применяются в сетях сверхвысокого напряжения (220 кВ и выше). Сочетают в себе делитель напряжения из конденсаторов и электромагнитный трансформатор.

Нормирование и стандарты

Производство и испытания измерительных трансформаторов в РФ регламентируются межгосударственными стандартами (ГОСТ) и отраслевыми нормами. Ключевые документы:

• ГОСТ 7746-2015: Трансформаторы тока. Общие технические условия.
• ГОСТ 1983-2015: Трансформаторы напряжения. Общие технические условия.
• ГОСТ Р 54523-2011 (МЭК 61869-1:2007): Трансформаторы измерительные. Часть 1. Общие требования.
• ПУЭ (Глава 1.5, 3.4): Правила устройства электроустановок.

Выбор трансформаторов для измерительных приборов

Выбор ТТ и ТН является комплексной инженерной задачей. Основные критерии приведены в таблицах.

Таблица 1. Критерии выбора трансформатора тока

Критерий	Расчет/Примечание
Номинальное напряжение	Должно быть не ниже номинального напряжения установки.
Номинальный первичный ток (I1н)	Выбирается по длительному рабочему току нагрузки (Iраб). Должен удовлетворять условию: 0.2I1н ≤ Iраб ≤ 0.8I1н (для учета) или Iраб ≤ I1н.
Класс точности	Для коммерческого учета – 0.5S, 0.2S. Для технического учета – 0.5, 1. Для щитовых приборов – 1, 3.
Номинальная нагрузка (S2н)	Должна быть больше или равна суммарной нагрузке всех подключенных приборов, реле и сопротивления соединительных проводов: S2н ≥ Sприб + I2н² Rпров, где Rпров = ρ 2L / q.
Проверка по динамической и термической стойкости	Для защитных цепей: Iдин ≥ iуд (ударный ток КЗ); Iтерм t ≥ Bк (тепловой импульс тока КЗ).

Таблица 2. Критерии выбора трансформатора напряжения

Критерий	Расчет/Примечание
Номинальное напряжение	U1н = Uсети. Схема соединения обмоток должна соответствовать схеме сети.
Класс точности	Для коммерческого учета – 0.2, 0.5. Для измерительных цепей – 0.5, 1.0. Для сигнализации и защиты – 3P, 6P.
Номинальная мощность (Sн)	Должна быть больше или равна суммарной мощности всех одновременно подключенных приборов в требуемом классе точности: Sн ≥ ΣSприб.
Число вторичных обмоток	Определяется количеством групп приборов (учет, измерения, защита), требующих гальванического разделения цепей.

Особенности эксплуатации и безопасности

При эксплуатации измерительных трансформаторов необходимо строго соблюдать правила безопасности. Вторичные обмотки ТТ должны быть всегда замкнуты на нагрузку или закорочены. Работа ТТ в режиме холостого хода недопустима, так как приводит к резкому увеличению магнитного потока, перегреву, насыщению магнитопровода и появлению на вторичных выводах опасного высокого напряжения (киловольты), что может привести к пробою изоляции и поражению персонала. Вторичные цепи ТН должны быть защищены предохранителями или автоматическими выключателями. Корпуса и вторичные обмотки ТТ и ТН подлежат обязательному защитному заземлению.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается класс точности 0.5 от 0.5S для трансформатора тока?

Класс точности 0.5S обеспечивает меньшую погрешность в диапазоне малых первичных токов (от 1% до 5% от I1н), что критически важно для точного учета электроэнергии в условиях незначительной нагрузки. ТТ класса 0.5 нормирует погрешность только начиная с 5% от I1н. Для коммерческого учета согласно ПУЭ предписано использование классов 0.5S и 0.2S.

Можно ли использовать один трансформатор тока одновременно для цепей учета и защиты?

Да, если трансформатор имеет две или более независимые (раздельные) вторичные обмотки. Одна обмотка, с более высоким классом точности (0.5S), подключается к счетчикам, а другая, с классом защиты (10P), – к релейной аппаратуре. Использование одной общей вторичной обмотки для обеих задач не рекомендуется из-за разных требований к характеристикам и риска нарушения цепей учета при работах в защитных цепях.

Что такое коэффициент трансформации 150/5? Как по показаниям счетчика, подключенного через такой ТТ, определить реальное потребление?

Коэффициент трансформации 150/5 означает, что первичный номинальный ток ТТ составляет 150 А, а вторичный – 5 А. Коэффициент преобразования K = 150 / 5 = 30. Для определения реально потребленной энергии (кВт*ч) показания счетчика необходимо умножить на этот коэффициент. Если счетчик также подключен через ТН, то дополнительно умножается и коэффициент трансформации ТН.

Почему при подключении трехфазного счетчика через ТТ необходимо соблюдать полярность обмоток?

Соблюдение полярности (маркировки начал и концов обмоток: Л1–Л2 для первичной, И1–И2 для вторичной) критически важно для правильного формирования векторных диаграмм токов в трехфазной системе. Неправильная полярность приведет к тому, что направление тока в одной или нескольких фазах изменится на противоположное, что вызовет существенную погрешность в измерениях мощности и энергии, вплоть до самохода или обратного хода счетчика при активной нагрузке.

Что произойдет, если нагрузка на вторичную обмотку ТТ окажется больше его номинальной мощности?

Если фактическая нагрузка (Zнагр) превысит номинальную (Z2н), вторичный ток ТТ начнет уменьшаться относительно ожидаемого значения, а погрешность трансформатора по току и угловая погрешность выйдут за пределы заявленного класса точности. Это приведет к систематической ошибке в измерениях. При значительном превышении магнитопровод ТТ может войти в насыщение, что дополнительно исказит форму вторичного тока, особенно при наличии апериодической составляющей в первичном токе.

Для чего нужна точка заземления вторичной обмотки трансформатора напряжения?

Заземление одного из выводов вторичной обмотки ТН (обычно нейтрали при звездном соединении) выполняется для обеспечения безопасности персонала. Оно фиксирует потенциал вторичных цепей относительно земли, предотвращая появление опасного напряжения на корпусах приборов и в соединительных проводах в случае пробоя изоляции между первичной и вторичной обмотками. Заземление выполняется в одной точке, как правило, вблизи самого ТН, чтобы избежать образования замкнутых контуров через землю.

Заключение

Измерительные трансформаторы являются неотъемлемым и ответственным звеном в цепях контроля, учета и управления электроэнергетическими системами. Правильный выбор, монтаж и эксплуатация ТТ и ТН, основанные на глубоком понимании их параметров, характеристик и требований нормативной документации, напрямую влияют на точность измерений, надежность работы защит, экономическую эффективность и, в конечном счете, на безопасность эксплуатации электроустановок. Современные тенденции направлены на развитие цифровых измерительных трансформаторов с непосредственным выходом на оптические или цифровые интерфейсы (МЭК 61850-9-2), что постепенно меняет классическую архитектуру вторичных цепей подстанций.