► Принцип роботи трансформатора струму
► Небезпечні фактори при роботі трансформатора струму
► Типи конструкцій трансформаторів струму
При експлуатації енергетичних систем часто виникає необхідність перетворення певних електричних величин в подібні їм аналоги з пропорційно зміненими значеннями. Це дозволяє моделювати певні процеси в електроустановках, безпечно виконувати вимірювання.
Робота трансформатора струму (ТC) базується на законі електромагнітної індукції, що діє в електричних і магнітних полях, які змінюються за формою гармонік змінних синусоїдальних величин.
Трансформатор струму перетворює первинну величину вектора струму, що протікає в силовому колі, у вторинне знижене значення з дотриманням пропорційності по модулю і точною передачею кута.
Принцип роботи трансформатора струму
Основні процеси, які відбуваються при перетвореннях електричної енергії всередині трансформатора струму, можна зрозуміти з наведеної нижче схеми.
Через силову первинну обмотку з числом витків ω1 протікає струм I1, долаючи її повний опір Z1. Навколо цієї котушки формується магнітний потік Ф1, який вловлюється магнітопроводом, що розташований перпендикулярно напрямку вектора I1. Така орієнтація забезпечує мінімальні втрати електричної енергії при її перетворенні в магнітну.
Перетинаючи перпендикулярно розташовані витки обмотки ω2, потік Ф1 наводить в них електрорушійну силу Е2, під впливом якої виникає у вторинній обмотці струм I2, долає повний опір котушки Z2 і підключеного вихідного навантаження Zн. При цьому на затискачах вторинного кола утворюється падіння напруги U2.
Величина К1, що визначається відношенням векторів I1 / I2, називається коефіцієнтом трансформації. Значення К1 попередньо задається при проектуванні пристрою і заміряється в готовому трансформаторі. Відхилення параметрів готового трансформатора від розрахункових значень оцінюються такою метрологічною характеристикою, як клас точності трансформатора струму.
Під час роботи трансформатора значення струмів в обмотках постійно змінюються. Тому коефіцієнт трансформації прийнято позначати за номінальними значеннями. Наприклад маркування 1000 / 5 означає, що при робочому первинному струмі 1 кілоампер у вторинній обмотці буде протікати у навантаженні струм 5 ампер. Таким чином і розраховуються основні характеристики тривалої експлуатації трансформатора струму.
Магнітний потік Ф2 від вторинного струму I2 зменшує значення потоку Ф1 в магнітопроводі. При цьому викликаний в магнітопроводі потік трансформатора ФТ визначається геометричним додаванням векторів Ф1 і Ф2.
Небезпечні фактори при роботі трансформатора струму
Існує ймовірність ураження високовольтним струмом у випадку пробою ізоляції.
Оскільки магнітопровід трансформатора струму виготовлений з металу, він має хорошу провідність і з'єднує між собою магнітним шляхом ізольовані обмотки (первинну і вторинну). Отже виникає підвищена небезпека ураження електричним струмом або пошкодження підключеного обладнання у випадку пошкодження шару ізоляції.
З метою уникнення таких ситуацій використовується заземлення одного з вторинних виводів трансформатора для стікання через нього високовольтного потенціалу при аваріях.
Клема заземлення завжди має позначення на корпусі щитка або приладу. Відповідно, на схемах теж вказується місце підключення клеми заземлення.
Існує небезпека ураження високовольтним потенціалом при пошкодженні вторинного кола.
Виводи вторинної обмотки позначають таким чином, щоб напрямок протікання струму був полярним та співпадало у всіх обмотках трансформатора. При роботі трансформатора вони завжди повинні бути підключені до навантаження.
Пояснюється це тим, що струм первинної обмотки має потужність (S = U х I) високого потенціалу, яка трансформується у вторинне коло з малими втратами, а при розриві вторинного кола різко зменшується складова струму до значень витоків через навколишнє середовище. При цьому значно зростає падіння напруги на розірваній ділянці.
Потенціал на розімкнутих контактах вторинної обмотки при проходженні струму в первинному колі може досягати декількох кіловольт, а це дуже небезпечно.
Тому вторинне коло будь-якого трансформатора струму має бути надійно змонтоване, а на незадіяних у роботі обмотках завжди встановлюються шунтуючі перемички.
Типи конструкцій трансформаторів струму
Будь-який трансформатор струму, як електротехнічний пристрій, призначений для вирішення певних завдань при експлуатації електроустановок. Промисловість випускає їх у широкому асортименті. Однак, в деяких випадках при удосконаленні конструкцій буває простіше використати готові моделі з уже відомими технологіями, ніж заново проектувати і виготовляти нові.
Принцип будови одновиткового ТС є базовим і показаний на зображенні зліва.
Тут покрита ізоляцією первинна обмотка виготовлена у формі прямолінійної шини Л1 - Л2, що проходить через магнітопровід трансформатора, а вторинна намотана у вигляді витків довкола нього та підключена до навантаження.
Принцип будови багатовиткового ТС з двома сердечниками показаний на малюнку праворуч. Як видно з малюнка, це два одновиткові трансформатори зі своїми вторинними колами, через магнітопроводи яких пропускається певна кількість витків силових обмоток. Таким чином не лише збільшується потужність, але й додатково збільшується кількість вихідних кіл навантажень.
Ці три принципи можуть існувати у вигляді різних модифікацій. Наприклад, застосування декількох однакових обмоток навколо одного магнітопроводу дуже поширене для створення окремих, незалежних одне від одного вторинних кіл, що працюють в автономному режимі. Їх прийнято називати кернами. Таким способом підключають різні за призначенням захисту вимикачів або ліній (трансформаторів) до струмових кіл одного трансформатора струму.
У пристроях енергетичного обладнання застосовуються комбіновані трансформатори струму з потужним магнітопроводом, що використовується при аварійних режимах роботи обладнання, і звичайним, призначеним для вимірювання під час номінальних параметрів мережі. Обмотки, що намотані на посилене залізо, використовують для роботи захисних пристроїв, а звичайні - для вимірювань струму або потужності (опору). Ці обмотки так і називають:
► захисні або релейні (позначаються індексом Р);
► вимірювальні, що позначаються цифрами класу точності (наприклад, «0,5»).
Захисні обмотки при нормальному режимі роботи трансформатора струму забезпечують вимірювання вектора первинного струму з точністю 10 %. За цією величиною їх прийнято називати «десятивідсотковими».
