Трансформаторы тока измерительные: принцип действия, конструкция, классификация и применение

Трансформатор тока (ТТ) — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования первичного тока произвольной величины в пропорционально уменьшенный вторичный ток, стандартизированного номинального значения (чаще всего 5 А или 1 А), безопасный для непосредственного измерения стандартными приборами и подачи на устройства защиты и автоматики. Основная функция измерительного ТТ — обеспечение гальванической развязки между цепью высокого напряжения и цепями измерительных приборов и реле, что гарантирует безопасность персонала.

Принцип действия и основные соотношения

Принцип действия ТТ основан на законе электромагнитной индукции. Первичная обмотка, содержащая W1 витков, включается последовательно в измеряемую цепь. По ней протекает первичный ток I1. Этот ток создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, который, пронизывая витки вторичной обмотки (W2 витков), наводит в ней электродвижущую силу и, при замкнутой вторичной цепи, вторичный ток I2. Соотношение первичного и вторичного токов приближенно описывается формулой: I1 / I2 ≈ W2 / W1 = Kн, где Kн — номинальный коэффициент трансформации. Например, ТТ с Kн = 100/5 А имеет соотношение витков 20:1.

Важнейшей характеристикой ТТ является его погрешность. Для измерительных трансформаторов она нормируется классами точности, которые определяют допустимую погрешность в процентах от измеряемой величины в рабочем диапазоне нагрузок. Погрешность состоит из двух составляющих: токовой погрешности (ΔI%) и угловой погрешности (δ).

Конструктивные исполнения трансформаторов тока

Конструкция ТТ определяется номинальным напряжением, током, назначением и условиями эксплуатации.

• Проходные: Устанавливаются в проемах металлических конструкций или стен, через их изолятор проходит токоведущая шина или стержень, который может выполнять роль первичной обмотки. Широко применяются в КРУ и на подстанциях.
• Опорные: Монтируются на плоскую опорную поверхность. Имеют собственную изолированную первичную обмотку. Часто используются в качестве вводных трансформаторов в распределительных устройствах.
• Шинные (ТШ): Первичной обмоткой является сама шина распределительного устройства, которая пропускается через окно магнитопровода. Конструкция проста и надежна.
• Встроенные: Магнитопровод с вторичной обмоткой устанавливается на ввод высоковольтного аппарата (например, силового трансформатора или выключателя). Роль первичной обмотки выполняет токоведущий стержень ввода.
• Разъемные (ТР): Магнитопровод разъемный, что позволяет устанавливать ТТ без разрыва токоведущей цепи. Применяются для модернизации и в системах учета, где необходим монтаж под напряжением.
• Тороидальные (с кольцевым магнитопроводом): Не имеют первичной обмотки. Шина или кабель пропускается через окно. Используются в релейной защите и в цепях измерения.

Классификация и основные параметры

Трансформаторы тока классифицируются по ряду ключевых параметров.

1. По назначению

• Измерительные: Предназначены для передачи сигнала на измерительные приборы (счетчики, амперметры, ваттметры). Их работа нормируется в области до 120% номинального тока. При значительных перегрузках магнитопровод насыщается, ограничивая рост вторичного тока и защищая приборы.
• Защитные (для релейной защиты): Предназначены для питания цепей релейной защиты. Должны сохранять требуемую точность при токах, многократно превышающих номинальный (до 30-50 крат), вплоть до тока короткого замыкания. Имеют нормированную предельную кратность или кривую намагничивания.
• Промежуточные: Используются в цепях защиты для выравнивания токов в дифференциальных схемах, изоляции цепей и преобразования коэффициента трансформации.
• Лабораторные: Обладают высокой точностью (класс 0.1, 0.05, 0.02) и множеством коэффициентов трансформации.

2. По типу установки

• Для наружной установки (в атмосфере воздуха).
• Для закрытой установки (внутри помещений).
• Встроенные в электрооборудование.
• Для специальных условий (на судах, в шахтах, в тропическом исполнении).

3. По роду изоляции

• Маслонаполненные: Токоведущие части и магнитопровод погружены в бак с трансформаторным маслом, выполняющим функцию изоляции и охлаждения. Применяются на высокие напряжения (110 кВ и выше).
• Газонаполненные (элегазовые): Изоляция — шестифтористая сера (SF6). Компактны, пожаро- и взрывобезопасны.
• С литой изоляцией (эпоксидной): Наиболее распространены на напряжения до 35 кВ. Обмотки и сердечник залиты компаундом. Необслуживаемые, стойкие к воздействию среды.
• Сухие (с воздушно-бумажной, фарфоровой изоляцией): Для внутренней установки на напряжения до 10 кВ.

4. По числу ступеней трансформации

• Одноступенчатые.
• Каскадные (многоступенчатые) — для очень высоких напряжений.

Основные параметры согласно ГОСТ 7746-2015 (МЭК 61869-1,2)

Номинальные параметры указываются на табличке трансформатора.

Таблица 1. Основные номинальные параметры измерительных ТТ

Параметр	Обозначение	Типовые значения / Пояснение
Номинальное напряжение	Uн	0.66; 6; 10; 15; 20; 24; 27; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750; 1150 кВ. Определяет уровень изоляции.
Номинальный первичный ток	I1н	Ряд от 1 до 40000 А. Стандартные: 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 80, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 750, 800, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000, 10000 А.
Номинальный вторичный ток	I2н	5 А (наиболее распространен) или 1 А (для снижения потерь в длинных кабелях).
Номинальный коэффициент трансформации	Kн	Отношение I1н / I2н. Указывается дробью: 100/5, 1000/1 и т.д.
Класс точности	—	Для измерительных: 0.1; 0.2; 0.5; 1; 3; 5. Цифра обозначает допустимую токовую погрешность в % при I1н. Классы 0.1, 0.2, 0.5 — для точного учета; 1, 3 — для технических измерений.
Номинальная вторичная нагрузка	S2н	Мощность в В·А, которую ТТ может отдать во вторичную цепь с сохранением класса точности. Стандартный ряд: 1; 2.5; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 60 В·А. Также может указываться в Омах (Z2н).
Предельная кратность	—	Для защитных ТТ: отношение предельного первичного тока к номинальному, при котором полная погрешность не превышает 10% (класс 10P). Обозначается, например, 10P20 (кратность 20).
Номинальная частота	fн	50 Гц или 60 Гц.

Схемы соединения обмоток трансформаторов тока

Схемы включения вторичных обмоток ТТ определяются целью измерений или видом защиты.

• Полная звезда: Применяется для измерения токов во всех трех фазах, питания дифференциальных и дистанционных защит. Позволяет выявить однофазные КЗ.
• Неполная звезда (два ТТ на две фазы): Измерение тока в двух фазах. Экономична, но не реагирует на однофазные КЗ в сети с изолированной нейтралью.
• Треугольник: Преобразует фазные токи в разностные (междуфазные). Используется в дифференциальных защитах силовых трансформаторов для компенсации сдвига фаз.
• Восьмерка (разностная схема): Для включения токовых реле в защитах от междуфазных КЗ.
• Одиночное включение: Для измерения тока в одной фазе (например, в цепях учета или амперметрах).

Подбор и эксплуатация: ключевые аспекты

Правильный выбор ТТ критически важен для обеспечения точности измерений и надежности защиты.

1. Выбор по напряжению: U_уст ≤ U_н ТТ.
2. Выбор по току: I_{раб. max} ≤ I_1н. Для измерительных ТТ номинальный ток должен быть близок к рабочему, но не менее его. Для защитных — учитывается ток КЗ.
3. Выбор по конструкции и типу установки.
4. Проверка по классу точности: Фактическая нагрузка вторичной цепи (Z₂) должна быть меньше или равна номинальной (Z_2н) для выбранного класса точности. Z₂ = ΣZ_пр + Z_к + Z_р, где ΣZ_пр — сопротивление соединительных проводов, Z_к — сопротивление контактов, Z_р — сопротивление обмоток приборов.
5. Проверка на электродинамическую и термическую стойкость: Ток электродинамической стойкости (i_дин) и ток термической стойкости (I_терм) ТТ должны быть больше расчетных токов КЗ в установке.
6. Проверка вторичной нагрузки: Критически важный этап. Сопротивление проводов рассчитывается по формуле: R_пр = ρ
7. L / q, где ρ — удельное сопротивление (для меди ~0.0175 Ом·мм²/м), L — длина двужильного кабеля в метрах (туда и обратно), q — сечение жилы в мм².

Меры безопасности при работе с трансформаторами тока

Вторичная обмотка ТТ при работе должна быть всегда замкнута на нагрузку или закорочена. Размыкание вторичной цепи при протекании первичного тока недопустимо, так как приводит к следующим последствиям:

• Резкому увеличению ЭДС на выводах разомкнутой обмотки (до нескольких киловольт), что опасно для жизни персонала и может привести к пробою изоляции.
• Сильному перегреву магнитопровода из-за резкого увеличения потока, ведущему к повреждению изоляции и выходу ТТ из строя.
• Появлению значительного потенциала на корпусе.

Перед проведением работ во вторичных цепях ТТ необходимо либо отключить первичную цепь, либо надежно замкнуть накоротко зажимы вторичной обмотки на клеммнике ТТ с помощью специальных закороток.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. В чем принципиальная разница между измерительным и защитным трансформатором тока?

Измерительный ТТ оптимизирован для работы в области нормальных и небольших перегрузочных токов (до 1.2 I_1н) с высокой точностью. Его магнитопровод при больших токах насыщается, защищая подключенные приборы. Защитный ТТ, наоборот, должен точно трансформировать токи, многократно превышающие номинальный (токи КЗ), для чего он имеет магнитопровод с иными характеристиками и нормируется по полной (составной) погрешности и предельной кратности.

2. Почему номинальный вторичный ток чаще всего равен 5 А? Когда выбирают 1 А?

Ток 5 А — исторически сложившийся стандарт для большинства аналоговых приборов. Ток 1 А выбирают в случаях, когда вторичная цепь имеет большую протяженность (свыше 50-70 метров). При токе 1 А потери мощности в соединительных проводах (P=I²R) в 25 раз меньше, что позволяет использовать провода меньшего сечения или обеспечить работу ТТ с требуемым классом точности на большем удалении.

3. Как правильно выбрать сечение контрольного кабеля для вторичных цепей ТТ?

Сечение выбирается исходя из условия, чтобы полное сопротивление вторичной цепи (включая приборы и контакты) не превышало номинальной нагрузки ТТ в выбранном классе точности. Расчет ведется по сопротивлению. Минимальное сечение медного провода, как правило, составляет 2.5 мм² для цепей 5 А и 1.5 мм² для цепей 1 А, но окончательный расчет обязателен. Для длинных линий часто требуется сечение 4 мм² и более.

4. Можно ли использовать свободные (неработающие) вторичные обмотки ТТ?

Любые неиспользуемые вторичные обмотки трансформатора тока должны быть обязательно закорочены и заземлены в одной точке. Оставлять их разомкнутыми категорически запрещено по соображениям безопасности.

5. Что такое класс точности 0.2S и 0.5S? Чем они отличаются от 0.2 и 0.5?

Классы с литерой «S» (расширенный) предъявляют более жесткие требования к погрешности в диапазоне малых токов (от 1% до 20% от I_1н). Это критически важно для точного коммерческого учета электроэнергии при малых нагрузках, когда обычный трансформатор класса 0.5 может давать недопустимо большую погрешность.

6. Сколько точек заземления должно быть у вторичной цепи ТТ и почему?

Вторичные цепи ТТ должны быть заземлены в одной, и только одной точке, обычно на ближайшем к ТТ сборке зажимов или клеммнике. Многоточечное заземление создает параллельные пути для токов, что может привести к шунтированию измерительных приборов и реле, нарушению их работы, а также к циркуляции блуждающих токов по земле.

7. Как проверить правильность фазировки (полярности) трансформаторов тока?

Проверка полярности осуществляется подачей пониженного постоянного или переменного тока в первичную обмотку и наблюдением за направлением отклонения стрелки аналогового вольтметра (милливольтметра) или показаниями специализированного прибора для проверки полярности. Маркировка выводов (Л1 и Л2 — первичная, И1 и И2 — вторичная) должна соответствовать: при токе, входящем в Л1, во вторичной цепи ток выходит из И1 и проходит через нагрузку к И2.

8. Что такое «трансформатор тока с РПН»?

Это ТТ с несколькими отводами (ответвлениями) первичной или вторичной обмотки, позволяющими изменять (переключать) коэффициент трансформации в некотором диапазоне (например, 100/5 — 200/5 — 300/5 — 400/5 — 500/5). Позволяет адаптировать ТТ к изменяющимся условиям нагрузки объекта без его замены.

Заключение

Трансформаторы тока являются незаменимыми и критически важными элементами любой электроэнергетической системы. Их корректный выбор, расчет вторичной нагрузки, правильный монтаж и эксплуатация в строгом соответствии с правилами безопасности определяют точность коммерческого и технического учета, а также надежность срабатывания устройств релейной защиты, предотвращающих развитие аварий и повреждение дорогостоящего оборудования. Постоянное развитие технологий, включая появление оптических трансформаторов тока, не отменяет фундаментальных принципов, лежащих в основе работы классических электромагнитных ТТ, знание которых обязательно для любого специалиста в области энергетики.