Трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН)

Трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) представляют собой специализированные измерительные трансформаторы, предназначенные для безопасного измерения высоких напряжений и токов в электрических сетях путем их преобразования в стандартизированные, пропорционально уменьшенные величины. Они являются неотъемлемым элементом любой электроустановки напряжением выше 1000 В, обеспечивая работу систем учета, защиты, автоматики и управления.

1. Назначение и основные функции

1.1. Трансформаторы тока (ТТ)

• Преобразование тока: Снижение первичного тока (от 1 А до десятков кА) до стандартных вторичных значений (1 А или 5 А).
• Гальваническая развязка: Отделение цепей измерения и защиты от высоковольтной силовой цепи, что обеспечивает безопасность персонала.
• Согласование: Питание низкоточных измерительных приборов (амперметров, счетчиков, ваттметров) и реле защиты токами, соответствующими их номиналам.

1.2. Трансформаторы напряжения (ТН)

• Преобразование напряжения: Снижение первичного напряжения (от 0.38 кВ до сотен кВ) до стандартных вторичных значений (100 В, 100/√3 В).
• Гальваническая развязка: Аналогично ТТ, обеспечивает безопасность при работе с измерительными приборами.
• Создание точки нулевого потенциала: В схемах заземления для работы релейной защиты (например, защиты от замыканий на землю).

2. Принцип действия и конструкция

Оба типа трансформаторов работают на основе закона электромагнитной индукции, аналогично силовым трансформаторам, но с критически важными отличиями в режимах работы.

2.1. Трансформатор тока (ТТ)

Принцип действия: Последовательное включение первичной обмотки (W1) в цепь измеряемого тока. Нагрузка (измерительные приборы и реле) подключается ко вторичной обмотке (W2), которая никогда не должна размыкаться при поданном первичном токе. Разрыв вторичной цепи приводит к появлению на ее выводах опасно высокого напряжения, способного пробить изоляцию и представляющего угрозу для жизни.

Конструкция:

1. Магнитопровод: Набран из листов электротехнической стали.
2. Первичная обмотка: Имеет малое число витков (иногда это просто шина, пропущенная через окно магнитопровода – шинный ТТ).
3. Вторичная обмотка: Многовиточная, рассчитана на номинальный ток 1А или 5А.
4. Изоляция:
   • Фарфоровая, эпоксидная: Для напряжений до 35 кВ.
   • Маслонаполненная, бумажно-масляная: Для высоких напряжений (110 кВ и выше).
5. Корпус: Чугунный, алюминиевый или стальной.

2.2. Трансформатор напряжения (ТН)

Принцип действия: Параллельное подключение первичной обмотки (W1) к цепи измеряемого напряжения. Вторичная обмотка (W2) нагружается на высокоомные цепи измерительных приборов и реле, работая в режиме, близком к холостому ходу.

Конструкция:

1. Магнитопровод: Тороидальный или стержневой.
2. Обмотки: Первичная (W1) имеет большое количество витков, вторичная (W2) – меньшее.
3. Изоляция: Аналогична ТТ (фарфор, эпоксидная смола, масло, газ SF6).
4. Корпус: Герметичный, с расширительным баком (для масляных исполнений).

3. Основные параметры и характеристики

3.1. Трансформаторы тока

• Номинальный первичный ток (I1н): 5, 10, 15, 20, … 5000 А и более.
• Номинальный вторичный ток (I2н): 1 А или 5 А (стандарт).
• Номинальная нагрузка (S2н) в ВА: Мощность, которую ТТ может отдать во вторичную цепь с сохранением точности (например, 5, 10, 15 ВА).
• Класс точности: Определяет допустимую погрешность.
  • Для измерений (амперметры, счетчики): 0.2; 0.5; 1.0.
  • Для защиты (реле): 5P, 10P. Цифра указывает на полную погрешность в %.
• Коэффициент безопасности приборов (FS) или коэффициент предельной кратности: Для трансформаторов тока класса 0.5; 1.0. Показывает, во сколько раз должна возрасти вторичная нагрузка, чтобы погрешность достигла 10%.
• Токовая погрешность (εI) и угловая погрешность (δ): Ключевые параметры, влияющие на точность.

3.2. Трансформаторы напряжения

• Номинальное первичное напряжение (U1н): Соответствует напряжению сети (0.38 кВ, 6 кВ, 10 кВ, 35 кВ, 110 кВ и т.д.).
• Номинальное вторичное напряжение (U2н): 100 В, 100/√3 В, 100/3 В.
• Класс точности: 0.2; 0.5; 1.0; 3.0. Определяет допустимую погрешность по напряжению и углу.
• Номинальная мощность в ВА: Мощность, при которой ТН работает с заявленным классом точности.

4. Схемы подключения

4.1. Схемы включения ТТ

• Полная звезда: Три ТТ, соединяются в звезду. Позволяет измерять фазные токи и ток нулевой последовательности (для защиты от замыканий на землю).
• Неполная звезда (два ТТ): Экономичная схема, позволяет измерять фазные токи, но не ток нулевой последовательности.
• Треугольник: Используется для выравнивания токов в дифференциальных защитах силовых трансформаторов.
• Восьмерка (на сумму или разность токов): Для дифференциальной защиты.

4.2. Схемы включения ТН

• Звезда-Звезда: Основная схема для подключения вольтметров, счетчиков, реле напряжения.
• Звезда-Разомкнутый треугольник: Для подключения реле, контролирующих напряжение нулевой последовательности (3U0) при замыканиях на землю.
• Открытый треугольник: Резервная схема при отказе одной из фаз.

5. Особенности эксплуатации и безопасности

1. Обязательное заземление вторичных обмоток: Защита от перехода высокого потенциала из первичной цепи во вторичную. Заземляется одна точка вторичной цепи.
2. Запрет на разрыв вторичной цепи ТТ под напряжением: Перед работами во вторичных цепях ТТ их необходимо закоротить на специальных зажимах.
3. Контроль нагрузки: Превышение номинальной нагрузки вторичной цепи приводит к выходу ТТ и ТН за пределы класса точности.
4. Периодическая поверка: Проверка метрологических характеристик в установленные сроки.

6. Современные тенденции и развитие

• Оптические трансформаторы тока и напряжения (ОТТ, ОТН): Используют эффект Фарадея (для тока) и эффект Поккельса (для напряжения). Не содержат масла, не насыщаются, обладают широкой полосой пропускания.
• Гибридные оптико-электронные измерительные трансформаторы (ГОИТ): Комбинируют традиционные и оптические технологии.
• Цифровые выходы: Современные ТТ и ТН могут иметь встроенные аналого-цифровые преобразователи и передавать данные по стандарту МЭК 61850-9-2 LE непосредственно на устройства РЗА, минуя аналоговые кабели.

Заключение

Трансформаторы тока и напряжения – это не просто преобразователи величин, а критически важные элементы, обеспечивающие безопасность, учет и управление в электроэнергетике. Их правильный выбор, основанный на понимании класса точности, номинальной нагрузки и схемы включения, является залогом корректной работы всей системы релейной защиты, автоматики и коммерческого учета электроэнергии. С появлением цифровых подстанций и оптических технологий их роль эволюционирует, но фундаментальное назначение – быть надежным и точным связующим звеном между высоковольтной сетью и низковольтной аппаратурой – остается неизменным.