Что такое трансформатор тока
Трансформатор тока (ТТ) — это измерительный трансформатор, который понижает большой первичный ток до малого стандартного значения, безопасного и удобного для амперметров, счётчиков электроэнергии и устройств релейной защиты. Первичной обмоткой обычно служит сам провод или шина, продетые сквозь кольцевой сердечник (тогда число витков первички Np = 1), а вторичка Ns содержит много витков тонкого провода. Ток вторичной цепи во столько раз меньше первичного, во сколько раз витков во вторичке больше.
ТТ незаменим там, где ток измеряется десятками и сотнями ампер: на вводных щитах, трансформаторных подстанциях, в системах коммерческого учёта, а также в токовых клещах, где разъёмный сердечник просто обхватывает провод, не разрывая цепь. В основе работы лежит равенство ампер-витков: произведение тока на число витков одинаково для обеих обмоток, Ip·Np = Is·Ns. Отсюда выводятся все рабочие формулы калькулятора:
Is = Ip · Np / Ns коэффициент Kт = Ip / Is = Ns / Np
На нагрузке: Uн = Is · Rн Pн = Is² · Rн
Вторичный ток и коэффициент трансформации
Вторичный ток Is прямо пропорционален первичному и обратно пропорционален числу витков вторички: Is = Ip · Np / Ns. Коэффициент трансформации Kт показывает, во сколько раз ток понижен, и равен отношению витков Ns/Np либо, что то же самое, отношению токов Ip/Is. Его принято записывать как отношение первичного тока к вторичному — например, 100:5 или 2000:1.
Стандартизирован именно вторичный ток: почти все приборы рассчитаны на 5 А или 1 А при номинальном первичном токе. Поэтому на практике сначала выбирают номинал первички по измеряемому току, а число витков вторички подбирают так, чтобы получить нужный стандартный вторичный ток. Если продеть провод сквозь окно сердечника несколько раз, первичных витков станет больше (Np = 2, 3…), а коэффициент во столько же раз уменьшится — простой приём для измерения малых токов.
Формула Is = Ip · Np / Ns описывает идеальный трансформатор. В реальном ТТ часть первичных ампер-витков расходуется на намагничивание сердечника, поэтому вторичный ток чуть меньше расчётного и слегка сдвинут по фазе. Это и есть токовая и угловая погрешности, величину которых ограничивает класс точности прибора.
Нагрузка вторичной цепи (burden)
Нагрузкой (по-английски burden) называют полное сопротивление, подключённое ко вторичке: сам измерительный прибор плюс сопротивление соединительных проводов. По закону Ома напряжение на нагрузке равно Uн = Is · Rн, а рассеиваемая в ней мощность Pн = Is² · Rн. Паспортную нагрузку ТТ указывают не в омах, а в вольт-амперах (ВА) при номинальном вторичном токе — так удобнее, потому что одно и то же число ВА при разном вторичном токе даёт разное сопротивление. Например, паспортная запись «10 ВА, класс 0,5» означает, что заявленная точность держится, пока полное сопротивление вторичной цепи не выходит за эквивалент 10 ВА при номинальном вторичном токе.
Фактическая нагрузка должна укладываться в паспортный предел. Если она слишком велика, сердечник входит в насыщение, вторичный ток перестаёт быть пропорциональным первичному и показания «заваливаются». Именно поэтому при длинных линиях от ТТ до щита выгоден вторичный ток 1 А: сопротивление проводов остаётся тем же, а потери мощности Is²·R в них при 1 А в 25 раз меньше, чем при 5 А.
Справочные данные
Класс точности измерительного ТТ нормирует токовую погрешность при номинальном токе; у классов защиты (с буквой P) цифра означает предельную полную погрешность при большом токе короткого замыкания.
| Класс | Погрешность по току | Где применяется |
| 0.1 | ±0,1 % | эталонные ТТ, поверка |
| 0.2 / 0.2S | ±0,2 % | точный коммерческий учёт |
| 0.5 / 0.5S | ±0,5 % | расчётный учёт электроэнергии |
| 1 | ±1 % | щитовые амперметры |
| 3 | ±3 % | грубые измерения, индикация |
| 5P / 10P | 5 % / 10 % (полная, при КЗ) | релейная защита |
Паспортную нагрузку задают стандартным рядом в вольт-амперах. Ниже показано, во что она превращается в омах для двух стандартных вторичных токов, по формуле Rн = ВА / Is²:
| Нагрузка, ВА | Rн при Is = 5 А | Rн при Is = 1 А |
| 2,5 | 0,1 Ом | 2,5 Ом |
| 5 | 0,2 Ом | 5 Ом |
| 10 | 0,4 Ом | 10 Ом |
| 15 | 0,6 Ом | 15 Ом |
| 30 | 1,2 Ом | 30 Ом |
Как применять на практике
ТТ работает только с переменным током — постоянный он не передаёт; для измерения постоянного тока берут токовый шунт или датчик Холла. Ток вторичной цепи — это действующее (RMS) значение; пересчитать амплитуду и действующее значение поможет калькулятор RMS. Напряжение на измерительном резисторе-нагрузке считают по закону Ома, а мощность, которую он должен рассеивать без перегрева, — по калькулятору мощности резистора.
Сердечник ТТ чаще всего кольцевой, поэтому его геометрию удобно прикинуть калькулятором тороида, а запас по индукции до насыщения — калькулятором плотности магнитного потока. Если же вам нужен не измерительный, а силовой преобразователь, посмотрите сетевой трансформатор или прикиньте его габаритную мощность в расчёте трансформатора.
Частые ошибки и безопасность
⚠ Главное правило: вторичную обмотку ТТ нельзя размыкать, пока по первичке течёт ток. Разомкнутая вторичка перестаёт компенсировать магнитный поток, сердечник резко насыщается, и на разрыве наводится опасное высокое напряжение — до сотен и тысяч вольт, что грозит пробоем изоляции и поражением человека. Перед отключением прибора вторичку обязательно замыкают накоротко специальной перемычкой или клеммником.
Другие типичные ошибки: перегруз по нагрузке (выход за паспортные ВА ведёт к насыщению и потере точности), неучтённое сопротивление длинных вторичных проводов и путаница направления первичного провода — у ТТ есть маркировка полярности выводов (обычно Л1/Л2 на первичке и И1/И2 на вторичке), которую важно соблюдать для счётчиков и защиты.
Пример
Возьмём значения калькулятора по умолчанию: первичный ток Ip = 100 А, провод продет сквозь сердечник один раз (Np = 1), вторичка Ns = 2000 витков, нагрузка Rн = 10 Ом. Вторичный ток Is = 100 · 1 / 2000 = 0,05 А, то есть 50 мА. Коэффициент трансформации Kт = 2000 / 1 = 2000 : 1. Напряжение на нагрузке Uн = 0,05 · 10 = 0,5 В, а рассеиваемая мощность Pн = 0,05² · 10 = 0,025 Вт = 25 мВт. Как видим, на приборной нагрузке выделяются доли вольта и десятки милливатт — поэтому измерительные цепи ТТ такие «щадящие» по мощности.
См. также: сетевой трансформатор · согласующий трансформатор · автотрансформатор · токовый шунт · тороид · все калькуляторы
|
