Токови трансформатори — принцип на действие и приложение

При работа с енергийни системи често е необходимо да се преобразуват определени електрически величини в аналози, подобни на тях с пропорционално променени стойности. Това ви позволява да симулирате определени процеси в електрическите инсталации и безопасно да извършвате измервания.

Работата на токовия трансформатор (CT) се основава на законът на електромагнитната индукциядействащи в електрически и магнитни полета, вариращи под формата на хармоници на редуващи се синусоидални величини.

Той преобразува първичната стойност на токовия вектор, протичащ в силовата верига, във вторична намалена стойност, като спазва пропорционалността по модул и точното предаване на ъгъла.

Принципът на работа на токовия трансформатор

Демонстрацията на процесите, протичащи по време на трансформацията на електрическа енергия вътре в трансформатора, се обяснява със схемата.

Ток I1 преминава през силовата първична намотка с броя на завоите w1, преодолявайки своя импеданс Z1. Около тази намотка се образува магнитен поток F1, който се улавя от магнитна верига, разположена перпендикулярно на посоката на вектора I1. Тази ориентация осигурява минимални загуби на електрическа енергия, когато тя се преобразува в магнитна енергия.

Пресичайки перпендикулярно разположените завои на намотката w2, потокът F1 индуцира в тях електродвижеща сила E2, под въздействието на която във вторичната намотка възниква ток I2, преодолявайки импеданса на бобината Z2 и свързания изходен товар Zн. В този случай на клемите на вторичната верига се формира спад на напрежение U2.

Извиква се величината K1, определена от съотношението на векторите I1 / I2 коефициент на трансформация… Стойността му се задава по време на проектирането на устройства и се измерва в готови конструкции. Разликите между показателите на реални модели и изчислените стойности се оценяват чрез метрологичната характеристика — клас на точност на токов трансформатор. 

В реалната работа стойностите на токовете в намотките не са постоянни стойности. Следователно коефициентът на трансформация обикновено се обозначава с номинални стойности. Например неговият израз 1000/5 означава, че при работещ първичен ток от 1 килоампер, 5 амперни товари ще действат във вторичните завои. Тези стойности се използват за изчисляване на дългосрочната работа на този токов трансформатор.

Магнитният поток Ф2 от вторичния ток I2 намалява стойността на потока Ф1 в магнитната верига. В този случай потокът от създадения в него трансформатор Фт се определя от геометричното сумиране на векторите Ф1 и Ф2.

Опасни фактори по време на работа на токовия трансформатор

Възможност да бъде засегнат от високоволтов потенциал в случай на повреда на изолацията

Тъй като магнитната верига на TT е изработена от метал, има добра проводимост и магнитно свързва изолираните намотки (първична и вторична) помежду си, съществува повишен риск от токов удар за персонала или повреда на оборудването, ако изолационният слой е нарушен .

За да се предотвратят подобни ситуации, се използва заземяване на един от вторичните изводи на трансформатора за източване на потенциала за високо напрежение през него в случай на аварии.

Този терминал винаги е маркиран на корпуса на устройството и е посочен на схемите за свързване.

Възможността да бъде засегнат от потенциал за високо напрежение в случай на прекъсване на вторична верига

Заключенията на вторичната намотка са маркирани с «I1» и «I2», така че посоката на протичащите токове е полярна, съвпада във всички намотки. Когато трансформаторът работи, те винаги трябва да бъдат свързани към товара.

Това се обяснява с факта, че токът, преминаващ през първичната намотка, има висока потенциална мощност (S = UI), която се трансформира във вторична верига с ниски загуби, а когато се прекъсне, токовата компонента рязко намалява до стойностите На изтичане през околната среда, но в същото време спадът значително увеличава напреженията в счупения участък.

Потенциалът при отворените контакти на вторичната намотка по време на преминаване на ток в първи контур може да достигне няколко киловолта, което е много опасно.

Следователно всички вторични вериги на токови трансформатори трябва винаги да бъдат надеждно сглобени, а шунтиращите къси съединения винаги да се монтират на намотките или жилите, извадени от работа.

Дизайнерски решения, използвани в токови трансформаторни вериги

Всеки токов трансформатор, като електрическо устройство, е проектиран да решава определени проблеми по време на работа на електрически инсталации. Промишлеността произвежда голям асортимент от тях. В някои случаи обаче при подобряване на конструкциите е по-лесно да се използват готови модели с доказани технологии, отколкото да се преработва и произвежда нови.

Принципът на създаване на еднооборотен TT (в първичната верига) е основен и е показан на снимката вляво.

Тук първичната намотка, покрита с изолация, е направена от праволинейна шина L1-L2, преминаваща през магнитната верига на трансформатора, а вторичната се навива с завои около нея и се свързва с товара.

Принципът на създаване на многооборотен CT с две ядра е показан вдясно. Тук се вземат два еднооборотни трансформатора с техните вторични вериги и през техните магнитни вериги се преминава определен брой завои на силови намотки. По този начин се увеличава не само мощността, но и броят на изходните свързани вериги се увеличава допълнително.

Тези три принципа могат да се променят по различни начини. Например, използването на няколко еднакви намотки около една магнитна верига е широко разпространено за създаване на отделни, независими вторични вериги, които работят в автономен режим. Те се наричат ​​ядра. По този начин защитата на ключове или линии (трансформатори) с различно предназначение е свързана към токовите вериги на един токов трансформатор.

Комбинираните токови трансформатори с мощна магнитна верига, използвани в аварийни режими на оборудването, и обичайната, предназначена за измервания при номинални параметри на мрежата, работят в устройства за енергийно оборудване. Намотките, увити около армираното желязо, се използват за работа на защитни устройства, докато конвенционалните намотки се използват за измерване на ток или мощност / съпротивление.

Те се наричат ​​така:

• защитни намотки, маркирани с индекс «P» (реле);

• измерване, обозначено с числата на метрологичния клас на точност TT, например «0,5».

Защитните намотки при нормална работа на токовия трансформатор осигуряват измерване на вектора на първичния ток с точност 10%. С тази стойност те се наричат ​​„десет процента“.

Грешки при измерване

Принципът на определяне на точността на трансформатора ви позволява да оцените неговата еквивалентна схема, показана на снимката. В него всички стойности на първичните количества условно се свеждат до действие във вторични контури.

Еквивалентната схема описва всички процеси, действащи в намотките, като се взема предвид енергията, изразходвана за намагнитване на сърцевината с ток I.

Изградената на негова основа векторна диаграма (триъгълник SB0) показва, че токът I2 се различава от стойностите на I’1 със стойността на I към нас (намагнитване).

Колкото по -големи са тези отклонения, толкова по -ниска е точността на токовия трансформатор.За да се вземат предвид грешките на измерване на CT, са въведени следните концепции:

• относителна грешка на тока, изразена като процент;

• ъглова грешка, изчислена от дължината на AB дъгата в радиани.

Абсолютната стойност на отклонението на векторите на първичния и вторичния ток се определя от AC сегмента.

Общите промишлени проекти на токови трансформатори се произвеждат за работа в класове на точност, определени от характеристиките на 0,2; 0,5; 1,0; 3 и 10%.

Практическо приложение на токови трансформатори

Разнообразен брой от техните модели могат да бъдат намерени както в малки електронни устройства, разположени в малък калъф, така и в енергийни устройства, които заемат значителни размери от няколко метра.Те са разделени според експлоатационните характеристики.

Класификация на токови трансформатори

По уговорка те се разделят на:

• измерване, прехвърляне на токове към измервателни уреди;
• защитен, свързан към токови защитни вериги;
• лаборатория, с висок клас на точност;
• междинни, използвани за повторно преобразуване.

При експлоатация на съоръжения, TT се използва:

• външен монтаж на открито;

• за затворени инсталации;

• вградено оборудване;

• отгоре — поставете втулката;

• преносими, което ви позволява да правите измервания на различни места.

По стойността на работното напрежение на TT оборудването има:

• високо напрежение (повече от 1000 волта);

• за стойности на номинално напрежение до 1 киловолта.

Също така токовите трансформатори се класифицират според метода на изолационните материали, броя на стъпките на трансформация и други характеристики.

Изпълнени задачи

За работа на електрически вериги за измерване на електрическа енергия, измервания и защита на линии или силови автотрансформатори се използват външни измервателни токови трансформатори.

Снимката по -долу показва тяхното разположение за всяка фаза на линията и инсталирането на вторични вериги в клемната кутия на разпределителната уредба 110 kV за силовия автотрансформатор.

Същите задачи се изпълняват от токови трансформатори на външното разпределително устройство-330 kV, но предвид сложността на оборудването с по-високо напрежение, те имат много по-големи размери.

На силовото оборудване често се използват вградени конструкции на токови трансформатори, които се поставят директно върху корпуса на електроцентралата.

Те имат вторични намотки с проводници, поставени около втулката за високо напрежение в запечатан корпус. Кабелите от CT скобите се насочват към прикрепените тук клемни кутии.

Вътрешните токови трансформатори с високо напрежение най-често като изолатор се използва специално трансформаторно масло. Пример за такъв дизайн е показан на снимката за токови трансформатори от серията TFZM, проектирани да работят при 35 kV.

До 10 kV включително, твърди диелектрични материали се използват за изолация между намотките при производството на кутията.

Пример за токов трансформатор TPL-10, използван в KRUN, затворени разпределителни устройства и други видове разпределителни устройства.

Пример за свързване на вторичната токова верига на едно от защитните ядра REL 511 за прекъсвач 110 kV е показан с опростена диаграма.

Неизправности на токов трансформатор и как да ги намерите

Токов трансформатор, свързан с товар, може да наруши електрическото съпротивление на изолацията на намотките или тяхната проводимост под въздействието на термично прегряване, случайни механични влияния или поради некачествен монтаж.

При експлоатационното оборудване най-често се поврежда изолацията, което води до късо съединение от завой до завой на намотките (намаляване на предаваната мощност) или възникване на токове на утечка през произволно създадени вериги до късо съединение.

За да се идентифицират местата на некачествен монтаж на силовата верига, периодично се извършват проверки на работната верига с термовизори. Въз основа на тях дефектите на счупените контакти се отстраняват незабавно, прегряването на оборудването се намалява.

Липсата на затваряне от завой до завой се проверява от специалистите на лабораториите за релейна защита и автоматизация:

• като се вземе характеристиката токово напрежение;

• зареждане на трансформатора от външен източник;

• измервания на основните параметри в работната схема.

Те също така анализират стойността на коефициента на трансформация.

Във всички произведения съотношението между векторите на първичен и вторичен ток се оценява по величина. Техните отклонения в ъгъла не се извършват поради липсата на високоточни фазоизмервателни устройства, които се използват за проверка на токови трансформатори в метрологични лаборатории.

Изпитванията с високо напрежение на диелектрични свойства се възлагат на специалистите от лабораторията на изолационната служба.