6. Трансформаторы тока

6.1. Общие сведения

В качестве первичных преобразователей тока в силовой цепи наибольшее применение получили трансформаторы тока (ТТ) на замкнутых магнитопроводах. ТТ в общем случае имеет две обмотки: первичную и вторичную. Вторичная обмотка обычно имеет достаточно большое число витков. Число витков первичной обмотки часто равно единице или составляет несколько витков. Конструктивно первичная обмотка выполняется в виде шины, которую охватывает магнитопровод трансформатора тока.

Согласно ГОСТ 7746–78 выводы первичной обмотки обозначают “Л1” и “Л2”, а выводы вторичной обмотки – “И1” и “И2”. За “начало” первичной обмотки принимается вывод Л1. Если в данный момент времени первичный ток втекает в “начало” первичной обмотки, то за “начало” вторичной обмотки принимается вывод И1, из которого вытекает вторичный ток. С целью упрощения исполнения схем иногда буквенные обозначения выводов заменяют точками. На рис. 6.1 приведена принципиальная схема трансформатора тока с принятыми обозначениями выводов.

Рис. 6.1. Принципиальная схема трансформатора тока

На рис. 6.2 приведена схема замещения трансформатора тока (а) и векторная диаграмма токов (б).

Рис. 6.2. Схема замещения трансформатора тока (а)

и векторная диаграмма токов (б)

Из векторной диаграммы токов следует, что приведенный первичный ток I'₁ не равен по величине вторичному току I₂ и сдвинут по фазе на угол . Ошибки преобразования токов вызваны наличием тока намагничивания I'_. Для идеального трансформатора тока (при допущении I'_ = 0) I'₁ = I₂.

Точность работы реальных ТТ характеризуют токовая, полная и угловая погрешности. Токовая погрешность f_i определяется арифметической разностью между током I₂ и током I'₁. Угловая погрешность δ определяется углом  сдвига между этими токами. Согласно ГОСТ 7746–78Е точность работы ТТ, предназначенных для релейной защиты, характеризуется полной погрешностью ε. Она пропорциональна геометрической разности между током I'₁ и током I₂, т.е. току намагничивания I'_ = I'₁ – I₂. Трансформаторы тока, используемые в релейной защите, имеют два класса точности 5Р и 10Р, оцениваемые по полной погрешности ε.

Отношение ₂ / ₁ = n_Т называют витковым коэффициентом трансформации ТТ. Коэффициентом трансформации (токовым) считают так же отношение номинального первичного тока трансформатора тока к номинальному вторичному току – n_Т = I­_1Н / I­_2Н. Необходимо отметить, что коэффициенты трансформации, определенные через числа витков и через номинальные токи из-за наличия тока намагничивания, не равны. Выравнивание коэффициентов трансформации осуществляется путем витковой коррекции. Номинальные значения вторичного тока I­_2Н могут быть 5 А или 1 А. Номинальные токи первичных обмоток находятся в пределах от 5 А до 15000 А. Обычно ТТ напряжением 6-10 кВ имеют две вторичных обмотки (напряжением 35 кВ и выше – три и более): одна класса точности 0,5 используется для измерений, в частности, учета электрической энергии, в другая класса Р (5 или 10 %) – в схемах релейной защиты.

На рис. 6.3 показана зависимость токов от сопротивления нагрузки. Чем меньше сопротивление нагрузки, тем меньше ток намагничивания и, следовательно, меньше погрешность. Режим работы ТТ, близкий к короткому замыканию, характеризуется минимальными погрешностями и поэтому он выбран для ТТ. При больших значениях ZН трансформатора тока растет ток намагничивания I' и он работает с большими погрешностями, поэтому данный режим недопустим. Если разомкнуть вторичную об-

Рис. 6.3. Зависимость токов от сопротивления нагрузки

мотку, магнитный поток в магнитопроводе резко возрастет, будет происходить его нагрев, ведущей к сгоранию ТТ. Кроме того, на выводах вторичной разомкнутой обмотке появляется высокое напряжение, достигающее 1-1,5 кВ.

Вторичная обмотка ТТ обязательно должна быть заземлена – если произойдет пробой изоляции, то при заземленной вторичной обмотке получится короткое замыкание, защитная аппаратура отключит поврежденный трансформатор. Заземление вторичной обмотки делается прежде всего для обеспечения техники безопасности – для защиты персонала при пробое изоляции ТТ и поэтому такое заземление называют защитным.

Отличительной особенностью трансформаторов тока от обычных силовых трансформаторов является то, что первичный ток I'₁, являющийся током контролируемой фазы, не зависит от величины нагрузки вторичной обмотки трансформатора тока Z_Н. При изменении сопротивления нагрузки Z_Н (см. рис. 6.2 и 6.3) ток I'₁ перераспределяется между вторичным током I₂ и током намагничивания I'_.

С другой стороны при неизменном сопротивлении нагрузки и увеличении первичного тока I'₁ ток намагничивания I'_ также растет, при этом увеличивается погрешность трансформатора тока (рис. 6.4). Это связано с насыщением магнитопровода ТТ, уменьшением индуктивности намагничивания и, соответственно, с ростом намагничивающего тока. Кривые зависимости I₂ = f(I'₁) при больших токах I'₁ имеют загиб, обусловленный насыщением магнитопровода ТТ. Следует отметить, что при насыщении магнитопровода вторичный ток и ток намагничивания несинусоидальны, т.е. кроме основной они содержат дополнительно высшие гармоники.

Ещё одна особенность ТТ связана с величиной сопротивления нагрузки Z_Н вторичной обмотки – чем меньше Z_Н, тем меньше погрешность по току ΔI. На рис. 6.4 показаны две кривые зависимости I₂ = f(I'₁) при различных сопротивлениях нагрузки (Z_Н2 > Z_Н1).

Рис. 6.4. Зависимость вторичного тока от приведенного первичного тока	Рис. 6.5. Кривая предельной кратности трансформатора тока

Трансформаторы тока работают в широком диапазоне первичных токов. В нормальном режиме работы системы электроснабжения по ТТ протекают токи в пределах его номинального первичного значения I_1.ТТ.H, а при коротких замыканиях через ТТ могут протекать токи КЗ максимального режима работы системы электроснабжения. И во всем диапазоне изменения первичных токов ТТ должен работать в заданном классе точности. Для оценки точности работы ТТ вводится понятие предельной кратности первичного тока

К10 = I1.РАСЧ / I1.ТТ.H,

(6.1)

при которой обеспечивается работа ТТ с погрешностью не более 10 %, в зависимости от сопротивления нагрузки Z_Н. В выражении (6.1) обозначено: I_1.РАСЧ – расчётный ток КЗ, определяемый для конкретной СЭС и применяемой защиты; I_1.ТТ.H – номинальный первичный ток ТТ.

На рис. 6.5 приведена зависимость предельной кратности первичного тока К₁₀ = f(Z_Н) при постоянной полной погрешности ε = 10 %. Выше этой кривой погрешность ε > 10 %, а ниже ε < 10 %. В нижней области и обеспечивается работа ТТ с необходимым классом точности. Зная предельную кратность изменения первичного тока К_10.РАСЧ, можно определить допустимое значение вторичной нагрузки Z_Н.ДОП. Трансформатор тока будет работать в пределах допустимой погрешности, если выполняется условие Z_Н < Z_Н.ДОП. Заводы-изготовители трансформаторов тока приводят кривые предельных кратностей первичного тока К₁₀ от сопротивления нагрузки Z_Н при 10 % или 5 % полных погрешностей для трансформаторов типа 10Р и 5Р, предназначенных для работы в схемах релейной защиты (см. приложение П.2.3 [25, 26]).