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.
Измерительные трансформаторы подразделяются по двум основным признакам: виду преобразуемой величины и типу установки.
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).
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.
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.
Производство и испытания измерительных трансформаторов в РФ регламентируются межгосударственными стандартами (ГОСТ) и отраслевыми нормами. Ключевые документы:
Выбор ТТ и ТН является комплексной инженерной задачей. Основные критерии приведены в таблицах.
| 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
|
| 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. |
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.