Что такое трансформатор тока?

Трансформатор тока (ТТ) представляет собой вспомогательный аппарат, предназначенный для включения измерительных приборов и реле в электрические цепи переменного тока. ТТ применяют при измерении больших токов, когда непосредственное включение приборов на полный ток электрической цепи становится невозможным. В таких случаях измеряемый ток с помощью трансформатора тока понижают до значений, соответствующих шкале прибора.

Принцип работы ТТ

Трансформатор тока (Рисунок 1) как и силовой трансформатор, имеет первичную (1) и вторичную (2) обмотки, расположенные на сердечнике (3), набранном из пластин электротехнической стали. Первичная обмотка включается в разрыв контролируемой электрической цепи, а к вторичной обмотке подключаются последовательно соединенные измерительные приборы и реле, которые являются вторичной нагрузкой трансформатора тока.

Принцип работы трансформатора (Рисунок 2) основан на законе электромагнитной индукции. Рассмотрим процесс преобразования электрического тока подробнее.

1. Создание основного магнитного потока Ф₁

При подаче на первичную обмотку переменного напряжения U₁ от внешнего источника, по ней начинает протекать первичный ток I₁. Ток I₁, проходя по виткам первичной обмотки W₁, создает в сердечнике переменный магнитный поток Ф₁, изменяющийся с той же частотой, что и ток I₁.

2. Возникновение вторичного тока I₂ и вторичного потока Ф₂

Под воздействием переменного магнитного потока сердечника во вторичной обмотке W₂ наводится электродвижущая сила (ЭДС) E₂ . Под ее воздействием во вторичной цепи, состоящей из вторичной обмотки с полным сопротивлением Z₂ и вторичной нагрузки (измерительных приборов и реле) с полным сопротивлением Z_н, протекает ток I₂. Согласно закону Ленца, этот ток создает противодействующий магнитный поток Ф₂.

3. Формирование результирующего магнитного потока Ф₀

В результате размагничивающего действия потока Ф₂ в сердечнике устанавливается магнитный поток Ф₀, равный разности потоков Ф₁ и Ф₂ и являющийся частью потока Ф₁, т. е.:

Этот результирующий поток Ф₀, называемый рабочим магнитным потоком, обеспечивает передачу электромагнитной энергии из первичной обмотки во вторичную.

Магнитный поток Ф₀ определяет величину ЭДС E₂. Ток I₂ существует благодаря наличию магнитного потока Ф₀, и он тем больше, чем больше Ф₀. В то же время, чем больше ток I₂, тем больше противодействующий поток Ф₂ и, соответственно, меньше Ф₀.

4. Установление динамического равновесия

При заданных значениях магнитного потока Ф₁ и сопротивлений Z₂, Z_н в системе устанавливаются определенные значения ЭДС E₂, тока I₂ и магнитного потока Ф₂, что обеспечивает равновесие магнитных потоков в сердечнике, описываемое формулой (I).

Важно: Разность магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ не может быть равна нулю, так как в этом случае исчезнет поток Ф₀, а значит, не будет ЭДС E₂ и тока I₂, а следовательно, и потока Ф₂. Таким образом, магнитный поток Ф₁, создаваемый первичным током I₁, всегда больше магнитного потока Ф₂, создаваемого вторичным током I₂.

В установившемся режиме через первичную и вторичную обмотки протекают мощности S₁ и S₂ соответственно. Из закона сохранения энергии (если пренебречь потерями) следует, что:

Зависимость вторичного тока ТТ от первичного

Величина магнитного потока Ф зависит от создающего его тока I и от числа витков обмотки W, по которой он проходит. Произведение тока на число витков называют намагничивающей силой (НС) или магнитодвижущей силой (МДС) и выражают в ампер-витках (ав). Именно МДС ( $F=\mathit{I·W}$ ) является источником магнитного потока в сердечнике.

Рабочий магнитный поток Ф₀, являющийся потоком взаимной индукции для обмоток трансформатора, создается совместным действием МДС F₁ и F₂ (Рисунок 1 и Рисунок 2). Магнитодвижущие силы взаимно уравновешиваются так же, как и соответствующие им магнитные потоки. Взаимосвязь МДС F₁ и F₂ поясняется векторной диаграммой, приведенной на Рисунке 3а.

В теории трансформаторов принимается, что результирующая МДС F₀ создается током намагничивания I₀, протекающим в первичной обмотке. В результате имеем уравнение равновесия МДС:

или:

где:
I₀ — ток намагничивания, создающий в сердечнике рабочий магнитный поток Ф₀ и являющийся частью первичного тока I₁;
W₁ и W₂ — число витков первичной и вторичной обмоток.

Разделив все члены (III) на W₂, можно его переписать в виде:

или:

Здесь I'₀ и I'₁ - ток намагничивания и первичный ток, приведенные ко вторичной обмотке.

Отношение $\frac{W_2}{W_1}=N_{т}$ называется коэффициентом трансформации трансформатора тока.

При первичном токе, не превышающем номинального тока ТТ, ток намагничивания обычно имеет незначительную величину (не более 1-3% первичного тока). Поэтому в выражении (IV) им можно пренебречь (принять равным нулю). Тогда:

Поскольку $N_{т}$ величина постоянная, вторичный ток трансформатора тока пропорционален первичному. Это свойство ТТ лежит в основе его использования при измерении тока. Из выражения (V) также следует, что для понижения измеряемого тока число витков вторичной обмотки должно быть больше числа витков первичной.

Основные недостатки трансформаторов тока решаемые в датчике тока ATE.S

Выше мы рассмотрели лишь общие принципы работы классических ТТ. Однако для оценки применимости трансформаторов тока в современных системах автоматизации этого недостаточно. На практике инженеры сталкиваются с рядом принципиальных ограничений, вытекающих из самой физики устройства. Именно эти недостатки и были учтены при создании датчика тока ATE.S. Рассмотрим их подробнее.

Основные причины возникновения погрешности измерения у трансформаторов тока

Ключевым фактором, определяющим точность ТТ, является поведение тока намагничивания I₀, который зависит от результирующей МДС $F_0=I_0\cdot W_1$ . Эта МДС напрямую связана с магнитным состоянием сердечника. Поэтому для понимания причин возникновения погрешностей необходимо рассмотреть, как меняются параметры ТТ в зависимости от рабочей точки на кривой намагничивания (Рисунок 4).

Для анализа режимов работы трансформаторов тока зачастую используют упрощенную схему приведенную на Рисунке 5.

В данной схеме замещения ветвь намагничивания Z'₀ задает разницу между токами I'₁ и I'₂:

Следовательно чем меньше сопротивление ветви намагничивания, тем больший ток намагничивания I'₀ протекает в цепи и тем больше результирующая погрешность измерения ТТ:

Зависимость точности измерения ТТ от величины нагрузочного сопротивления и первичного тока контролируемой цепи

Согласно ГОСТ 7746 п. 5.2 таблица 5, трансформаторы тока должны соответствовать одному из следующих классов точности для целей измерения: 0,1; 0,2; 0,2S; 0,5; 0,5S; 1; 3; 5; 10. Точность работы ТТ в значительной мере зависит от вторичной нагрузки.

При малом сопротивлении нагрузки Z_н, нагрузка трансформатора определяется в основном сопротивлением вторичной обмотки Z₂. Низкое сопротивление вторичной цепи ТТ приводит к снижению рабочего магнитного потока Ф₀ (Рисунок 6). В таком режиме сопротивление ветви намагничивания Z'₀ очень мало, что соответствует начальной (нелинейной) части характеристики намагничивания - области 1, где магнитная проницаемость материала μ мала.

Если Z'₀ мало, то даже при небольшом значении ЭДС E₂ через ветвь намагничивания может протекать значительный ток I'₀ , величина которого прямо пропорциональна результирующей погрешности трансформатора (VI).

Кроме сопротивления вторичной нагрузки, на точность влияет величина первичного тока. Малым значениям I₁ соответствует работа в области 1, где ток I'₀ изменяется нелинейно (не пропорционально току I₁), увеличивая свою долю в I₁.

Схожая ситуация возникает и при больших величинах первичного тока I₁, так как для создания пропорционального ему большого тока I₂ трансформатору необходимо создать достаточно сильное магнитное поле. В этом случае наступает насыщение стали сердечника (область 3) из-за роста тока I'₀, ответвляющегося на намагничивание.

Аналогичные рассуждения справедливы и для случая больших значений сопротивления нагрузки Z_н. Трансформатор старается обеспечить постоянство вторичного тока I₂ за счет повышения вторичной ЭДС E₂. Из Рисунка 7 видно, что данный процесс ведет к резкому возрастанию тока намагничивания I'₀.

Таким образом работа ТТ в заявленном классе точности возможна лишь в определенном диапазоне значений первичного тока и сопротивления нагрузки. Эти пределы также устанавливаются ГОСТ 7746.

Действительные погрешности f представляют в виде кривой на графике, выражающей зависимость от величины первичного тока. Согласно ГОСТ 7746, эта кривая не должна выходить за пределы ломаной линии, проведенной через точки предельных погрешностей. На Рисунке 8 в качестве примера показаны предельные погрешности для класса точности 0,2.

Согласно графику, погрешности не должны превышать 0,2% только в узком диапазоне от 100% до 120% значения номинального тока, что подтверждает сказанное выше.

Ограниченная возможность работы в режиме перегрузки

Нередко на предприятиях после монтажа измерительных цепей происходит реконструкция установок потребителя с увеличением мощности нагрузки. Изначально ТТ подбираются с учетом расчетного тока потребителя. Номинальный первичный ток трансформатора выбирается наиболее близким к расчетному току, чтобы обеспечить заявленный уровень точности монтируемого трансформатора.

Однако согласно ГОСТ 7746 п. 6.6.5. таблица 11 наибольший рабочий ток ТТ редко превышает номинальный первичный ток (Таблица 1).

Таблица 1 — Наибольшие рабочие первичные токи трансформаторов

Стандарт допускает лишь кратковременную (не более 2 часов в неделю) перегрузку на 20%.

Это ограничение связано не с точностью, а с тепловым режимом работы трансформатора. Его нарушение может привести к перегреву, «пожару стали» и последующему выходу ТТ из строя (Рисунок 9).

Недопустимость работы с разомкнутой вторичной обмоткой (режим холостого хода трансформатора)

Особенность ТТ в том, что его первичный ток I₁ не зависит от вторичной нагрузки и остается неизменным даже при обрыве вторичной цепи.

При размыкании вторичной цепи исчезает размагничивающее действие тока I₂, и весь первичный ток становится током намагничивания. Это вызывает лавинообразный рост магнитного потока и ЭДС E₂, величина которой может достигать нескольких киловольт. Это опасно для изоляции, вторичных цепей и персонала.

Таким образом, классический трансформатор тока — это устройство с принципиальными ограничениями: его точность и безопасность жестко привязаны к узкой линейной области работы сердечника и требуют строгого соблюдения условий эксплуатации.

В чем основное отличие трансформаторов тока от датчиков тока ATE.S?

Принцип работы датчиков тока ATE.S также основан на законе электромагнитной индукции (Рисунок 10), однако их конструкция и схемотехника кардинально меняют потребительские свойства.

Первичным источником сигнала является сам проводник контролируемой электрической цепи, который продевается в окно малогабаритного тороидального сердечника из магнитомягкого материала несущего на себе большое количество витков (1). При этом датчик тока ATE.S допускает повышение чувствительности измерения путем продевания дополнительных витков через окно трансформатора. Вторичная обмотка нагружена на прецизионное сопротивление (2).

Именно здесь реализовано ключевое решение описанных ранее проблем.

Использование материала с начальной проницаемостью в сотни раз выше, чем у электротехнической стали, кардинально снижает ток намагничивания I₀ во всем рабочем диапазоне. Данный физический эффект можно очень просто объяснить (с некоторыми допущениями) следующим образом:

В идеальном ТТ весь первичный ток трансформируется во вторичный. В реальном — часть первичного тока (очень малая) уходит на намагничивание сердечника. Однако чем выше магнитная проницаемость материала сердечника μ, тем меньше требуется энергии магнитного поля H для создания того же значения магнитной индукции B в сердечнике (Рисунок 4), следовательно ток намагничивания уменьшается (VII).

где:
μ_в — магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума),
μ — магнитная проницаемость материала сердечника,
H — напряженность магнитного поля,
l — длина магнитной цепи,
I₀ — ток намагничивания сердечника,
W₁ — количество витков в первичной обмотке.

Схема получения метрологической информации встроена в ДТ ATE.S и полностью отличается от классических ТТ.

С нагрузочного сопротивления (2) информация попадает на схему обработки сигналов (11), в которой производится преобразование его к унифицированному диапазону 4÷20 мА с ограничением максимального тока. При этом отдельный узел защиты при обрыве измерительной цепи (3) позволяет ограничить максимальное вторичное напряжение U₂ датчика, что позволяет избавиться от риска выхода датчика тока из строя при высоких значениях аварийных токов первичной цепи.

Работа датчика тока на фиксированное нагрузочное сопротивление (2) с обязательной юстировкой и техническим контролем при производстве гарантирует стабильность его характеристик в нормальных, аварийных и после аварийных режимах работы.

В результате достигается следующее:

1. Независимая точность: Благодаря высокопроницаемому сердечнику и работе на фиксированную нагрузку заявленная точность сохраняется во всем диапазоне измерений, а не в узком «окне».
2. Безопасность и надежность: Встроенная защита полностью устраняет риск возникновения высокого напряжения при обрыве цепи.
3. Высокая перегрузочная способность: Конструктивные решения позволяют датчику переносить длительные перегрузки.

Благодаря такому подходу, ATE.S сочетает в себе точность, присущую измерительным преобразователям, и высокий уровень надежности. Датчик реализован в компактном корпусе (Рисунок 11) массой до 85 г.

Датчики тока ATE.S в ноябре 2024 года внесены в Государственный реестр средств измерений (ГРСИ РФ), имеют сертификат об утверждении типа средства измерения № 93913-24 и выпускаются с первичной поверкой.

Такое исполнение максимально упрощает интеграцию датчика в системы автоматизации.

Сравнение классических трансформаторов тока с датчиками тока ATE.S

Выводы

Классические трансформаторы тока по-прежнему широко применяются в энергетике. Однако для задач современной промышленной автоматизации их ограничения (зависимость точности, опасность при обрыве цепи, сложность интеграции) часто становятся критическими.

Датчик тока ATE.S был создан ООО «ЭЛХАРТ» именно как решение таких задач. Он сохраняет достоинства классических трансформаторов тока, но благодаря применению в его конструкции современных технических решений обеспечивает:

1. Стабильную точность, не зависящую от режима работы.
2. Полную безопасность и надежность.
3. Простоту интеграции в системы управления (унифицированный выходной сигнал 4…20 мА).

Хотя стоимость ATE.S несколько выше, чем у простого ТТ, его преимущества позволяют внедрять автоматизированный контроль тока в тех областях, где использование классических трансформаторов было неэффективно или невозможно, повышая уровень автоматизации на предприятии.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Павел К.