Трансформаторы измерительные

Трансформаторы измерительные: классификация, принцип действия, применение и эксплуатация

Трансформаторы измерительные (ТИ) являются ключевыми элементами систем релейной защиты, автоматики и учета электроэнергии в электрических сетях всех классов напряжения. Их основное назначение – преобразование первичных токов и напряжений до стандартных, безопасных для подключения измерительных приборов и устройств релейной защиты, значений, обеспечивая при этом гальваническую развязку между силовой цепью высокого напряжения и вторичными цепями. Корректная работа ТИ напрямую влияет на точность коммерческого учета, надежность и селективность действия защит, а значит, на безопасность и экономичность работы энергосистемы в целом.

1. Классификация и основные типы измерительных трансформаторов

Трансформаторы измерительные подразделяются на две основные группы: трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН). Каждая группа имеет собственную классификацию по ряду признаков.

1.1. Трансформаторы тока (ТТ)

Предназначены для преобразования первичного тока в пропорционально уменьшенный вторичный ток, стандартизированный для измерения (обычно 1А или 5А).

• По роду установки: наружной и внутренней установки, встроенные (в силовые трансформаторы, выключатели), накладные, переносные.
• По числу ступеней трансформации: одноступенчатые и каскадные (двухступенчатые).
• По числу вторичных обмоток: с одной, двумя или более обмотками, имеющими разные классы точности и номинальные мощности для цепей измерения и защиты.
• По типу изоляции: с литой эпоксидной изоляцией, маслонаполненные, газонаполненные (SF6), с бумажно-масляной изоляцией.
• По конструктивному исполнению: опорные, проходные, шинные, разъемные.

1.2. Трансформаторы напряжения (ТН)

Предназначены для преобразования первичного напряжения в пропорционально уменьшенное вторичное напряжение стандартного значения (обычно 100/√3 В, 100 В или 110/√3 В).

• По принципу действия: электромагнитные (индуктивные) и емкостные (КНК – конденсаторный напряжение связи).
• По числу обмоток: двухобмоточные и трехобмоточные (две вторичные обмотки: основная и дополнительная).
• По роду установки: наружной и внутренней установки.
• По классу напряжения: до 1000 В и выше 1000 В.
• По типу изоляции: маслонаполненные, с литой изоляцией, газонаполненные.

2. Основные параметры и характеристики

2.1. Параметры трансформаторов тока

• Номинальный первичный ток (I_1ном): Значение первичного тока, на которое рассчитан ТТ (например, 100, 600, 1500 А).
• Номинальный вторичный ток (I_2ном): Стандартное значение – 1 А или 5 А.
• Номинальный коэффициент трансформации (K_Iном): Отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному (K_Iном = I_1ном / I_2ном).
• Класс точности: Определяет допустимую погрешность в установленном диапазоне первичного тока и при определенной нагрузке вторичной цепи (номинальной вторичной нагрузке). Для цепей измерения: 0.2; 0.5; 1.0. Для цепей защиты: 5P, 10P. Для комбинированных обмоток: 0.5S/10P.
• Номинальная вторичная нагрузка (S_2ном): Полная мощность (в ВА), которую можно подключить к вторичной обмотке, при которой гарантируется заявленный класс точности. Часто указывается в Омах (Z_2ном).
• Предельная кратность (коэффициент безопасности приборов FS, или коэффициент точной кратности для защитных обмоток): Для измерительных обмоток – значение первичного тока, при котором полная погрешность достигает 10%. Для защитных обмоток (обозначается литерой «P») – номинальный предельный первичный ток, при котором погрешность по току не превышает заданного значения (например, 5% или 10%).
• Токовая погрешность (ΔI%) и угловая погрешность (δ): Основные метрологические характеристики.

Таблица 1. Классы точности трансформаторов тока и их применение

Класс точности	Допустимая погрешность по току, ±%	Допустимая угловая погрешность, ± мин.	Основная область применения
0.2	0.2	10	Прецизионные лабораторные измерения, коммерческий учет высокой точности.
0.5	0.5	30	Коммерческий учет на стороне СН и НН, технический учет.
1.0	1.0	60	Технический учет, оперативные измерения на щитах управления.
5P	1.0 (при I1/I1ном от 1 до точной кратности)	60	Цепи релейной защиты. Цифра 5 означает погрешность по току 5% при номинальном предельном первичном токе.
10P	3.0 (при I1/I1ном от 1 до точной кратности)	–	Цепи грубых защит, сигнализации.

2.2. Параметры трансформаторов напряжения

• Номинальное первичное напряжение (U_1ном): Соответствует классу напряжения сети (например, 6000, 10000, 110000/√3 В).
• Номинальное вторичное напряжение (U_2ном): Стандартные значения: 100, 100/√3, 110, 110/√3 В.
• Номинальный коэффициент трансформации (K_Uном): K_Uном = U_1ном / U_2ном.
• Класс точности: Определяет допустимую погрешность по напряжению и угловую погрешность в диапазоне от 80% до 120% номинального напряжения и при номинальной нагрузке. Классы: 0.2; 0.5; 1.0; 3.0.
• Номинальная мощность (S_ном): Полная мощность в ВА, которую можно длительно подключать к вторичной обмотке, не вызывая превышения температурных и погрешностных пределов.
• Предельная мощность: Максимальная мощность, при которой трансформатор может работать без повреждения, но с выходом погрешностей за пределы класса точности.
• Класс напряжения изоляции: Определяет уровень изоляции, который должен выдерживать ТН.

Таблица 2. Классы точности трансформаторов напряжения и их применение

Класс точности	Допустимая погрешность по напряжению, ±%	Допустимая угловая погрешность, ± мин.	Основная область применения
0.2	0.2	10	Эталонные измерения, лабораторные работы, прецизионный коммерческий учет.
0.5	0.5	20	Коммерческий учет на стороне ВН и СН.
1.0	1.0	40	Оперативные измерения, технический учет, питание устройств РЗА.
3.0	3.0	Не нормируется	Измерения в некритичных цепях, сигнализация.

3. Конструктивные особенности и схемы соединения

3.1. Конструкция трансформаторов тока

Основные элементы: магнитопровод, первичная обмотка (или шина), одна или несколько вторичных обмоток, изоляционная конструкция, корпус с выводами. В проходных ТТ первичной обмоткой часто служит шина или стержень, проходящий через окно магнитопровода. В опорных ТТ первичная обмотка намотана на магнитопровод. Для защиты от перенапряжений при размыкании вторичной цепи применяется шунтирующий разрядник или варистор.

3.2. Конструкция трансформаторов напряжения

Электромагнитные ТН конструктивно аналогичны силовым трансформаторам малой мощности. Имеют сердечник, первичную и одну или несколько вторичных обмоток, залитых изоляционным компаундом или помещенных в бак с маслом. Емкостные ТН (КНК) состоят из емкостного делителя напряжения (конденсаторная колонна) и электромагнитного устройства (догрузочного устройства или промежуточного ТН), что позволяет снизить габариты и стоимость на высоких напряжениях (110 кВ и выше).

3.3. Типовые схемы соединения обмоток

• Для ТТ:
  • Полная звезда: Для измерения тока во всех трех фазах, используется в защитах от междуфазных и однофазных КЗ.
  • Неполная звезда (два ТТ): Для измерения тока в двух фазах, экономичная схема для защиты от междуфазных КЗ.
  • Треугольник: Преобразует фазные токи в разностные (междуфазные). Применяется в дифференциальных защитах силовых трансформаторов для компенсации сдвига фаз.
  • Фильтр токов нулевой последовательности (соединение в звезду с выводом нейтрали): Для защиты от замыканий на землю.
• Для ТН:
  • Звезда-звезда: Для получения фазных и линейных напряжений.
  • Открытый треугольник (неполный треугольник): Для получения напряжения нулевой последовательности (3U₀) в сетях с изолированной нейтралью.
  • Звезда/Звезда/Открытый треугольник: Схема для трехобмоточных ТН, где третья обмотка, соединенная в открытый треугольник, используется для контроля изоляции и защиты от замыканий на землю.

4. Выбор и эксплуатация. Критические аспекты

4.1. Выбор трансформаторов тока

Выбор осуществляется по следующим критериям:

• По номинальному напряжению: U_ном.ТТ ≥ U_{ном.уст}.
• По номинальному первичному току: I_1ном ≥ I_{раб.макс}. Рекомендуется, чтобы рабочий ток составлял 50-70% от номинального для повышения точности.
• По номинальному вторичному току: 1А или 5А, в зависимости от стандарта проекта и нагрузки.
• По классу точности: В соответствии с назначением цепи (см. Таблицу 1).
• По номинальной вторичной нагрузке (S_2ном): Фактическая нагрузка вторичной цепи (Z_2факт) должна быть меньше или равна номинальной (Z_2ном). Расчет Z_2факт включает сопротивление соединительных проводов, контактов и приборов.
• По электродинамической и термической стойкости: ТТ должен выдерживать ударный ток КЗ и тепловой ток КЗ за время его действия.
• По конструкции и типу изоляции: В зависимости от условий установки (КРУ, ОРУ, тропики, агрессивная среда).

4.2. Выбор трансформаторов напряжения

• По номинальному напряжению: U_1ном = U_{ном.сети}.
• По классу точности: В соответствии с назначением (см. Таблицу 2).
• По мощности: Суммарная мощность подключенных приборов (S_нагр) должна быть меньше или равна номинальной мощности ТН (S_ном) для требуемого класса точности.
• По схеме соединения обмоток: В зависимости от требуемых вторичных напряжений (фазные, линейные, напряжение нулевой последовательности).

4.3. Основные правила эксплуатации и безопасности

• Вторичные обмотки ТТ должны быть всегда замкнуты на нагрузку или закорочены. Работа в режиме холостого хода недопустима, так как приводит к резкому росту ЭДС на выводах (опасность для жизни, пробой изоляции) и перегреву магнитопровода.
• Вторичные цепи ТТ и ТН должны быть заземлены. Заземляется, как правило, один вывод вторичной обмотки. Это мера безопасности для защиты персонала от высокого напряжения, которое может появиться на вторичных цепях при пробое изоляции между обмотками.
• Запрещается устанавливать предохранители в цепях заземления вторичных обмоток.
• При проведении работ на вторичных цепях ТТ их необходимо предварительно закоротить на ближайших от ТТ зажимах.
• Необходимо контролировать фактическую нагрузку вторичных цепей. Подключение дополнительных приборов сверх расчетной нагрузки ведет к увеличению погрешностей и выходу за пределы класса точности.

5. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: Чем отличается класс точности 0.5S от 0.5 у трансформатора тока?

О1: Класс точности с литерой «S» (расширенный) предъявляет более жесткие требования к погрешности в диапазоне малых первичных токов (от 1% до 5% от I_ном). Это критически важно для точного учета в условиях малых нагрузок, например, в ночное время. Обычный класс 0.5 нормирует погрешность только начиная с 5% от I_ном.

В2: Можно ли использовать одну обмотку ТТ класса 0.5/10P одновременно для учета и защиты?

О2: Нет, это не рекомендуется и на практике не применяется. Обмотка с комбинированным классом (0.5/10P) физически одна, но ее характеристики не могут быть оптимальны для обеих задач одновременно. Для учета важна точность в нормальном режиме, а для защиты – сохранение заданной точности вплоть до токов КЗ (предельная кратность). Современные ТТ, как правило, имеют отдельные обмотки: одну с высоким классом точности для учета (0.2S, 0.5S) и одну или несколько с классом «P» для защит.

В3: Почему при отключении нагрузки от вторичной обмотки ТТ возникает высокое напряжение?

О3: В нормальном режиме ток вторичной обмотки создает размагничивающий магнитный поток. При размыкании цепи этот ток падает до нуля, исчезает и компенсирующий поток. Первичный ток (ток сети) становится чисто намагничивающим, что приводит к резкому росту магнитного потока в сердечнике и его насыщению. Резкое изменение потока индуцирует во вторичной обмотке ЭДС, достигающую нескольких киловольт.

В4: Что такое «погрешность 10%» и «погрешность 5%» у ТТ для защиты (10P, 5P)?

О4: Цифра перед литерой «P» обозначает допустимую полную погрешность по току (ε%) при номинальном предельном первичном токе. Например, для обмотки 10P20: при первичном токе, в 20 раз превышающем номинальный (это предельная кратность), полная погрешность не превысит 10%. Для 5P10 – при десятикратном токе погрешность не более 5%.

В5: Как правильно выбрать сечение контрольного кабеля для вторичных цепей ТТ?

О5: Сечение выбирается исходя из условия, чтобы полное сопротивление цепи (сумма сопротивлений приборов, контактов и двухжилы кабеля туда и обратно) не превышало номинальной вторичной нагрузки Z_2ном ТТ для требуемого класса точности. Расчет ведется по формуле: S ≥ (ρ L √3) / (Z_2ном — Z_приб — Z_конт), где ρ – удельное сопротивление меди, L – длина кабеля до наиболее удаленного прибора. Часто для цепей учета с I_2ном=5А применяют кабель сечением не менее 2.5 мм², для I_2ном=1А – не менее 1.5 мм², но окончательный выбор требует расчета.

В6: В чем преимущество емкостных трансформаторов напряжения (КНК) перед электромагнитными на ВН 110 кВ и выше?

О6: Основные преимущества КНК: меньшая стоимость (за счет замены дорогой высоковольтной изоляции обмотки на более дешевую конденсаторную колонну), лучшие характеристики по резонансной стойкости, возможность использования для высокочастотной связи по ЛЭП. Недостатки: наличие дополнительного элемента – догрузочного устройства, несколько более сложная эксплуатация.

Заключение

Трансформаторы измерительные представляют собой сложные и высокоответственные устройства, грамотный выбор, монтаж и эксплуатация которых являются обязательным условием для обеспечения экономичности, надежности и безопасности работы электроустановок. Постоянное развитие технологий, появление цифровых ТТ и ТН (с выходом по стандарту МЭК 61869-9), интегрированных датчиков тока на эффекте Рогowski, предъявляет новые требования к специалистам. Однако фундаментальные принципы работы, классификация и правила эксплуатации классических электромагнитных трансформаторов остаются базисом для понимания любых новых решений в области преобразования измерительной информации в электроэнергетике.