Трансформаторы шинные: конструкция, принцип действия и области применения

Трансформатор шинный (ТШ) — это специализированный измерительный трансформатор тока, предназначенный для преобразования первичного тока силовой шины распределительного устройства в пропорционально уменьшенный и гальванически развязанный вторичный сигнал, пригодный для измерений, учета электроэнергии, защиты и автоматического управления в электроэнергетических системах. Его ключевая особенность — использование в качестве первичной обмотки самой токопроводящей шины (сборной или ответвительной), которая пропускается через окно магнитопровода трансформатора. Это определяет его конструкцию, монтажные особенности и сферу преимущественного использования.

Принцип действия и основные конструктивные элементы

Принцип действия ТШ основан на законе электромагнитной индукции, аналогично любому трансформатору тока. Переменный ток I1, протекающий по шине, создает в магнитопроводе переменный магнитный поток. Этот поток индуцирует во вторичной обмотке, намотанной на тот же магнитопровод, пропорциональный ток I2, который подается на цепи измерительных приборов и реле. Коэффициент трансформации K_i = I1 / I2 является основной характеристикой.

Основные конструктивные элементы шинного трансформатора тока:

• Магнитопровод (сердечник): Изготавливается из холоднокатаной электротехнической стали или нанокристаллических сплавов (для высоких классов точности и широкого диапазона измерений). Собирается из пластин или выполняется шихтованным. Может быть разъемным (для установки на действующую шину без ее разрыва) или неразъемным.
• Вторичная обмотка: Равномерно распределенная катушка, намотанная медным изолированным проводом. Количество витков определяет номинальный коэффициент трансформации.
• Изоляционная система: Критически важный узел, обеспечивающий электрическую прочность и долговечность. В современных ТШ применяется литая эпоксидная изоляция, обеспечивающая высокие диэлектрические свойства, стойкость к влаге, агрессивным средам и механическую прочность.
• Корпус и крепежные элементы: Обычно изготавливаются из негорючего, стойкого к УФ-излучению пластика или композитных материалов. Включают элементы для крепления к конструкции РУ и, часто, заземляющие выводы.
• Маркировочные выводы вторичной обмотки: Стандартизированные клеммы (И1, И2) для подключения измерительных цепей.

Классификация и технические характеристики

Трансформаторы шинные классифицируются по ряду ключевых параметров, определяющих их выбор для конкретной задачи.

По типу установки:

• Проходные: Устанавливаются в проемах металлических перегородок или стен шкафов КРУ, выполняя одновременно функцию изолятора прохода. Шина пропускается через окно ТШ.
• Опорные: Крепятся непосредственно на несущую конструкцию или изоляторы внутри ячейки КРУ.

По конструкции магнитопровода:

• Неразъемные (околовые): Требуют насадки на шину до ее окончательного монтажа. Более просты и надежны.
• Разъемные: Состоят из двух половин, соединяемых механически после охвата действующей шины. Позволяют проводить монтаж и замену без демонтажа токоведущих частей.

По количеству коэффициентов трансформации:

• С одним коэффициентом трансформации: Стандартное исполнение.
• С несколькими коэффициентами (переключаемые): Имеют отпайки на вторичной обмотке, позволяющие изменять коэффициент трансформации переключением соединений.

Основные технические параметры (согласно ГОСТ 7746-2015, МЭК 61869-2)

Параметр	Обозначение	Типичные значения / Пояснение
Номинальное напряжение	Uн	6, 10, 20, 35 кВ. Определяет уровень изоляции.
Номинальный первичный ток	I1н	От 100 А до 5000 А и более. Фактически определяется сечением шины, на которую устанавливается.
Номинальный вторичный ток	I2н	5 А или 1 А (современный стандарт).
Номинальная частота	fн	50 Гц (60 Гц для экспорта).
Класс точности	—	Для измерений: 0.2S, 0.5, 0.5S. Для защиты: 5P, 10P. Определяет допустимую погрешность в %.
Номинальная нагрузка вторичной цепи	S2н	В ВА (Вольт-Амперах): 5, 10, 15, 20, 30 ВА. Мощность, которую может отдать ТШ во вторичную цепь при номинальном токе и заданном классе точности.
Предельный коэффициент кратности	Kпр	Для защитных обмоток: указывает, до какого значения кратности тока (относительно I1н) погрешность не превышает 10% (для класса 10P).
Ток термической стойкости	Ith	Действующее значение тока в кА, которое ТШ выдерживает в течение 1-3 с без повреждений.
Ток динамической стойкости	idyn	Амплитудное значение ударного тока КЗ, которое ТШ выдерживает без повреждений.

Преимущества и недостатки по сравнению с другими типами трансформаторов тока

Преимущества:

• Отсутствие первичной обмотки: Упрощение конструкции, снижение стоимости, повышение надежности (нет точки потенциального перегрева и обрыва).
• Легкость монтажа и замены: Особенно для разъемных моделей. Не требует разрыва шины.
• Безопасность: Полная гальваническая развязка цепей измерения/защиты от высокого напряжения. Литая изоляция исключает риск возгорания.
• Широкий диапазон номинальных первичных токов: Достаточно подобрать ТШ с соответствующим внутренним диаметром окна под сечение шины.
• Компактность и удобство установки в КРУ: Малые габариты и вес.

Недостатки:

• Чувствительность к положению шины в окне: Смещение шины от центра может вносить дополнительную погрешность.
• Влияние внешних магнитных полей: Требует правильного расположения относительно других токоведущих частей.
• Ограниченная гибкость по коэффициенту трансформации: Для изменения K_i часто требуется замена трансформатора (кроме переключаемых моделей).
• Необходимость точного подбора под геометрию шины: Важен внутренний диаметр окна (D_вн).

Области применения и особенности монтажа

Трансформаторы шинные нашли широкое применение в комплектных распределительных устройствах (КРУ и КРУН) среднего напряжения (6-35 кВ), в главных и вводных распределительных щитах низкого напряжения (0,4 кВ), а также в системах учета и контроля на промышленных предприятиях.

Критические аспекты монтажа:

• Шина должна проходить по центру окна трансформатора. Использование центрирующих скоб или направляющих обязательно.
• Необходимо соблюдать минимальные расстояния до заземленных частей и других фаз в соответствии с ПУЭ и инструкцией завода-изготовителя.
• Вторичные цепи должны быть надежно заземлены в одной точке для защиты от наведенного высокого потенциала. Клемма заземления обычно маркируется.
• Запрещается оставлять вторичную обмотку разомкнутой при протекании первичного тока — это приводит к перенапряжению, пробою изоляции и опасности для персонала.
• При использовании нескольких ТШ на одной шине (например, для разных цепей) следует учитывать взаимное влияние их магнитных полей.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем шинный трансформатор тока принципиально отличается от опорного?

Опорный ТТ имеет собственную полноценную первичную обмотку (витковую или шинную), которая является частью его конструкции и подключается к цепи последовательно. ТШ использует в качестве первичной обмотки внешнюю шину, что делает его конструктивно более простым и зависимым от параметров этой шины.

Как правильно выбрать внутренний диаметр окна трансформатора?

Внутренний диаметр (D_вн) должен быть больше диагонали или максимального размера шины (с учетом изоляции, если есть) не менее чем на 10-20%. Например, для шины 60×10 мм максимальный размер ~61 мм (по диагонали). Минимальный рекомендуемый D_вн — 70-80 мм.

Можно ли установить один ТШ на пакет (несколько полос) шин?

Да, но с важными оговорками. Все шины пакета должны быть пропущены через окно в одном направлении. Суммарный ток будет определять первичный ток. Однако из-за неравномерности распределения тока между полосами пакета и сложной геометрии магнитного поля может существенно возрастать погрешность измерения. Для точного учета это не рекомендуется. Лучше использовать ТШ на каждой полосе или специальные решения.

Что такое классы точности 0.2S и 0.5S? Чем они отличаются от 0.2 и 0.5?

Классы с литерой «S» (special) предназначены для коммерческого учета электроэнергии. Они обеспечивают существенно меньшую погрешность в диапазоне малых первичных токов (от 1% до 5% от I_1н), что критически важно для точного учета при неполной нагрузке. Обычные классы 0.2 и 0.5 нормируют погрешность только при токах от 5% до 120% от номинального.

Почему вторичную обмотку трансформатора тока нельзя размыкать?

При разомкнутой вторичной обмотке ток I2 = 0. Первичный ток I1 (ток нагрузки или КЗ) становится纯粹 током намагничивания. Это вызывает резкий рост магнитного потока в сердечнике, что приводит к его насыщению и сильному нагреву (потери в стали). На выводах разомкнутой вторичной обмотки индуцируется высокое напряжение (до нескольких киловольт), опасное для изоляции и жизни персонала.

Как проверить полярность выводов вторичной обмотки ТШ?

Полярность проверяется методом «на батарейке». К выводам вторичной обмотки подключается стрелочный вольтметр или омметр с соответствующей чувствительностью. Плюс батарейки (3-9 В) кратковременно подключается к выводу, условно принятому за И1, а минус — к И2. В момент замыкания стрелка прибора должна качнуться в сторону положительных значений. Это подтверждает, что маркировка правильная: направление тока от И1 к И2 во вторичной цепи соответствует направлению тока от источника (шины) к нагрузке в первичной цепи.

Заключение

Трансформаторы шинные представляют собой оптимальное, экономичное и надежное решение для организации измерительных цепей и цепей релейной защиты в современных распределительных устройствах среднего и низкого напряжения. Их правильный выбор, учитывающий номинальные параметры, класс точности, условия монтажа и эксплуатации, является залогом безопасной, точной и бесперебойной работы энергетической системы. Постоянное развитие технологий изоляционных материалов и магнитных сплавов позволяет повышать их точность, надежность и расширять функциональные возможности, в том числе за счет интеграции с цифровыми системами сбора данных.