Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения

Обновлено: 17.05.2024

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения

Это измерительные трансформаторы. Предназначены для нормирования токов и напряжений в системах электроснабжения, а также для гальванической развязки силовых и измерительных цепей.
ТТ работает всегда в режиме КЗ (то есть его нагрузкой могут быть только амперметры или измерительные шунты) , его вообще нельзя размыкать - это вызовет перенапряжение и пробой изоляции во вторичной обмотке.

Нормальным режимом работы ТН является ХХ, но его можно и нагружать на что-либо кроме вольтметров, например, применять для питания собственных нужд подстанции. Да и он больше похож на обычный тр-р, чем ТТ, который выполнен в виде кольца (тороидальный сердечник с обмоткой) , сквозь которое проходит измеряемый ток, и этот проводник в центре играет роль первичной обмотки.

Есть также бесконтактные измерители-преобразователи тока, которые часто (ошибочно) называют трансформаторы тока. Они находят применение в качестве датчиков тока - например, для формирования сигнала на входе АЦП у системы сбора данных. Они имеют малые габариты и могут содержать активные элементы: операционные усилители, датчики Холла, обратную связь. Но внешне выглядят как единое целое, так как схемы и обмотки в них залиты компаундом. Им режим ХХ не страшен - они преобразуют ток в пропорциональный сигнал напряжения. Их можно встретить на выходе "больших" ТТ вместо аналоговых амперметров.

Трансформаторы напряжения, это обычные трансформаторы, у которых есть Сердечник, первичная и вторичная обмотка. И применяются для повышения, либо понижения напряжения. Трансформаторы тока в основном применяются в измерительной технике. Например в электросчетчиках. В них, в отличие от ТрН, нет первичной обмотки. И сердечником у них является питающий кабель, либо шинка, подключаемая в разрыв цепи питающего кабеля..

трансформатор тока имеет большое внутреннее сопротивление. Поэтому он поддерживает, стабилизирует, ток в измерительной цепи. Например, первоначально стоял один амперметр. Потом к нему добавили последовательно еще два. Показания первого не изменились. Можно вынести прибор на значительное расстояние, показания опять остаются прежними.

Ключевые отличия трансформатора тока от трансформатора напряжения

Чтобы понять, чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения, необходимо знать особенности первого и второго устройства. Трансформаторы тока созданы - в первую очередь - как измерительные или же защитные приборы.

Защитные трансформаторы

Основную функцию данных трансформаторов легко понять. Они строго «следят» за тем, чтобы каждый, кто залез в электрическую сеть, не получил смертельный удар. Отличительной особенностью является строгое контролирование. В самой электрической системе для комфортной работы приборов поддерживается очень высокое напряжение. Однако любая техника рано или поздно может дать сбой, поэтому обязательно нужно оставить окно, через которое специалисты-ремонтники смогут проверять состояние сети, проводить профилактические работы. Происходит это за счет трансформатора тока, который в определенном месте дает максимально безопасный доступ.

Измерительные трансформаторы

Измерительные трансформаторы представляют собой особые приборы. Основная их задача - преобразовывать переменный ток, в итоге получается такой же переменный, но уже с допустимыми для измерения значениями. С помощью данного устройства можно подключить к цепи вольтметр, амперметр или любой другой измерительный прибор.

Также имеется дополнительная функция - возможность подключить любую технику, не испортив ее, а также получить максимально точный и правильный результат измерений (иногда даже десятые доли могут радикально изменить картину).

Независимо от конкретного типа основная особенность трансформатора тока заключается в особой точности, а также в возможности образовывать некоторую необходимую безопасную изоляцию.

Трансформаторы напряжения ↑

Трансформаторы тока и напряжения имеют разное предназначение.

Вторые созданы для изменения напряжения с высокого на низкое и наоборот. Это отличный способ «подогнать» определенную электрическую сеть под нужный стандарт.

Подобные трансформаторы позволяют достичь необходимого уровня безопасности, предотвратить огромное количество чрезвычайных происшествий, спасти жизни и здоровье людей, а также оставить огромное количество приборов исправными.

Мало кто знает, что трансформаторы напряжения присутствуют практически в каждом приборе для того, чтобы защитить его от внезапного повышения напряжения, например, при ударе молнии или же в случае нарушения правил эксплуатации.

Основное отличие ↑

Основное отличие этих двух трансформаторов (напряжения и тока) заключается именно в их предназначении и функциях, которые они надежно выполняют.

Основная задача устройства для тока состоит в защите или в обеспечении точности, которая просто необходима для различных измерений или же любого обслуживания электрических сетей как в конкретном месте, так и в комплексе.

Назначение же трансформатора напряжения связано не с проверками и измерениями и даже не с ремонтом и профилактикой, а непосредственно с эксплуатацией. Невозможно запустить сеть без данного аппарата. Обязательно нужно преобразовывать напряжение с пониженного на повышенное. Именно с помощью подобных трансформаторов можно использовать везде универсальную электрическую сеть, ток в которой изменяется данным аппаратом и подходит под любую технику, будь то бытовые приборы или же устройства промышленного назначения.

Также стоит отдельно отметить опасность каждого трансформатора. Угрожает безопасности отсутствие или неработоспособность устройства, регулирующего напряжение: если неожиданно единица измерения повысится в большую сторону, то могут быть очень серьезные последствия, которые чреваты разнообразными трагедиями - от пожаров до других бедствий. Также отсутствие изоляции угрожает ремонтникам, а отсутствие точных измерений может нарушить работу; но слишком серьезных последствий практически невозможно добиться.

Предназначение в электрической сети ↑

Присутствие и одного, и другого трансформатора в электрической сети незаменимо. Трансформатор напряжения встречается практически везде. Он может быть встроен в каждый бытовой прибор. Обязательно находится в общедомовой сети, не говоря уже о более серьезных промышленных объектах. Отличительной особенностью работы трансформатора тока является то, что он не нужен на каждом мелком объекте, он подходит для достаточно крупных предприятий, куда подводится сеть очень большой мощности. Настолько большой, что необходима дополнительная изоляция даже для того, чтобы просто измерить все величины.

Не стоит путать эти трансформаторы, это может иметь очень печальные последствия. Нужно грамотно разбираться в данной технике для того, чтобы устанавливать и ремонтировать ее, правильно пользоваться и знать все опасности.

Инженерный центр "ПрофЭнергия" имеет все необходимые инструменты для качественного проведения диагностики трансформаторов, слаженный коллектив профессионалов и лицензии, которые дают право осуществлять все необходимые испытания и замеры. Оставив выбор на электролаборатории "ПрофЭнергия" вы выбираете надежную и качествунную работу своего оборудования!

Назначение трансформатора тока и принцип его работы

Своевременная поверка и замена трансформатора тока, обязательные, так как от устройства зависит точность измерений при обслуживании особо мощных электроустановок, безопасность функционирования и взаимодействие с ними. Устройство понижает мощность до нужного уровня, давая возможность подключать измерительные приборы. Выбор трансформатора тока осуществляется под задачи (защита или измерение), конкретную мощность и особенности оборудования.

Понятие трансформатор тока, назначение

Под трансформаторами тока (ТТ) подразумевают аппараты статичного типа с электромагнитным принципом с обмотками (две или больше) на металлическом стержне (магнитопроводе) с выводами для подключения в сеть и к измерительным приборам.

Для чего применяют ТТ:

подсоединения измерителей, РЗиА (защитных реле), которые не выдержали бы первоначальной нагрузки. Происходит изолирование подключаемого и работающего узла от чрезмерных мощностей обслуживаемого оснащения;
расширение пределов измерений;
понижения тока по мощности и создание защиты;
контроль в цепях с высокими величинами, например, в сварочном аппарате, где ток достигает 150–250 А;
в любых других случаях, когда надо понизить ток.

ТТ работают с переменными, в крайнем случае с пульсирующими напряжением — если подключить к постоянному, то на выходе потенциал будет нулевым. Иногда встречается название «трансформатор постоянного тока», это значит, что в нем используются специальные выпрямители.

Где используются

ТТ широко применяются при транспортировке электроэнергии на большие расстояния, для распределения между приемниками. Они отличаются тем, что предназначены для выпрямительных, стабилизирующих, сигнальных, усиливающих, контрольных узлов, на станциях и объектах, производящих электричество. Именно поэтому к их точности и подключению требования чрезвычайно высокие — даже ничтожные отклонения значимые.

Где чаще всего и зачем применяют:

в промышленной, производственной энергетике, в релейных узлах подстанций, распределительных конструкциях, мощных электроустановках;
для замеров и в приборах, осуществляющих данную функцию. Ставят в узлы учета (коммерческого, бытового);
для контроля высоких величин, при подсоединении учетных устройств, электросчетчиков.

В чем разница между трансформаторами тока и напряжения

Если рассматривать вопрос, чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения, то это алгоритм действия, назначение и компоновка, но иногда внешне приборы могут быть схожими.

Первичка может быть с одним витком через окно магнитопровода. На другой катушке строго определенный номинал.

Наличие в ЭУ слабо и среднемощных ТТ обезопасит работы — элемент разделяет цепи высоких/низких мощностей, упрощает измерители, реле.

Устройства, например, способны осуществлять понижение с тысяч ампер до 5 А, 1 А.

Разновидности

Есть много видов ТТ, но в наиболее общем виде выбор трансформаторов тока учитывает, что изделия подразделяются на измерительные (ТТИ) и для защиты.

защита или контроль (измерение);
промежуточные — для замеров, выравнивания токов в АВДТ;
лабораторные.

для размещения снаружи (в ОРУ), или внутри (в ЗРУ);
встраиваемые (в ЭУ, измерителях, коммутационных агрегатах);
накладные;
для переноски (для лабораторий, тестирования).

с множеством витков (петлеобразные, восьмеркой);
одновитковые.

сухая: (фарфор, эпоксид, бэкелит);
промасленное покрытие;
компаунд.

Токовый трансформатор может выполняться с возможностью открывать его, устанавливать и запирать, без отключения, в онлайн режиме.

Защитные ТТ

Трансформаторы защитные обычно релейного типа, «следят», чтобы проводящий манипуляции, влезающий в электросети электростанции, не получил смертельный удар. Внутри электросистем, создающих, транспортирующих, распределяющих энергию, для корректной работы присутствуют опасные значения. Но любое оборудование требует проверки, починки, обслуживания, поэтому оставляют «окно» безопасности в виде ТТ для специалистов-ремонтников.

Измерительные ТТ

Задача измерительного трансформатора тока ТТИ — преобразовывать величины, создавая возможность подсоединять вольтметр, амперметр, другой измеритель, не боясь, что он перегорит от чрезмерной нагрузки. При этом получают максимально точные, достоверные данные измерений. Другими словами, ТТ изолирует подключаемый девайс, не только для замеров, но и любой другой по потребности, от высоких мощностей.

Устройство и принцип работы

В основе работы — электромагнитная индукция. Аппарат разделяет высоковольтные токонесущие части и трансформирует величины энергии до безопасных или требуемых.

Суть работы ТТ. Если через первичку идет переменный определенной силы ток, то вторичная катушка, будучи с постоянной активной нагрузкой, например (резистор или обслуживаемая ЭУ), создает на них падение напряжения пропорционально току первички (зависимо от коэффициента трансформации) и сопротивлению. Напряжение уменьшается в максимально возможном диапазоне, возможности понижения почти бесконечные.

Устройство, схема трансформатора тока:

две (реже больше) обмотки на магнитопроводе из электростали:
первичная (включаемая в сеть). Это любая токопроводящая жила;
вторичная (от нее энергия подается к приемнику). Одиночная или групповая снабжается несколькими выводами для защитных цепей, приборов измерения и контроля;
выводы, клеммы.

Первичные витки подсоединяются последовательным методом, поэтому там полная нагрузка, вторичная же замыкается на нее (реле защиты, счетчики), пропуская ток пропорциональный величине на первой. Сопротивление измерителей малое и считается, что все трансформаторы тока функционируют в состоянии КЗ.

Есть несколько вариантов вторичных обмоток, обычно они создаются для подсоединения защитных приспособлений и для приборов контрольных, учетных. К катушкам обязательно должна подключаться нагрузка со строго регламентированным сопротивлением — даже ничтожные отклонения приводит к критическим погрешностям замеров, не селективности РЗ.

Работа ТТ поэтапно на примере схемы

Трансформатор тока как устроен, принцип работы поэтапно:

Через первичную цепь (кол. витков W1) идет ток I1, преодолевается ее полное сопротивление Z1.
Вокруг катушки образуется магнитное направленное поле Ф1, улавливаемое стержнем стоящим перпендикулярно к вектору (I1) данной величины. Ориентация деталей делает потери энергии почти нулевыми.
Пересекающий перпендикулярные по отношению к нему витки W2 поток Ф1 создает там движущую силу Е2.
Из-за последней во вторичной катушке (Z2) появляется ток I2, преодолевающий сопротивление (ее и подсоединенной нагрузки Zн).
На клеммах витков вторичной катушки возникает понижение напряжения U2. Одно магнитное поле Ф2 от вторичных витков I2 понижает другое Ф1 в стержне. Возникший в нем трансформаторный поток Фт определяют суммой векторов (Ф1 и 2).

Принцип работы, отличия трансформатора напряжения основываются на электромагнитных явлениях, как и в токовых. Но разница в количестве витков обмоток и назначении. Важно учесть цели, на которые конструкция рассчитана, трансформаторы напряжения обслуживают потребителей, поэтому «заточены» на трансформацию питания для электроприборов, ТТ — для защитных и измерительных устройств, а также они используются при осуществлении контроля и работают в режиме КЗ.

Важность коэффициента трансформации, класса точности, погрешности

Коэффициент трансформации (КТ) — определяет пропорциональность преобразования, задается при проектировании ТТ, при выпуске обязательно проверяется. На схеме это К1, определяемый соотношением l1/l2 (двумя векторами).

Эффективность коэффициентов собранных изделий отображает класс точности. При реальном функционировании токовые величины не постоянные, поэтому коэффициент обозначают номинальным. Пример: 1000/5 — при 1 кА рабочего тока (первичного) во вторичной цепи действует нагрузка 5 А. Именно по описанным значениям и проводится расчет продолжительность эксплуатации этого трансформаторного тока.

Погрешность ТТ влияет на класс его точности и определяется сечением, уровнем проницаемости материала магнитопровода, величинами магнитного пути.

Возрастание сопротивления нагрузки во вторичной цепи, превышающее возможности ТТ (при этом там генерируется повышенное напряжение), провоцирует пробой изоляции — трансформатор выходит из строя, перегорает. Поэтому важно правильно подбирать данный параметр. Предельное сопротивление есть в справочных материалах.

Монтаж, подключение, опасные факторы

При пробое изоляции обмоток возникает возможность поражения током, но риск предотвращается заземлением вывода (обозначается на корпусе) вторички.

На выводы вторичной катушки И1 и И2 токи полярные, они обязательно постоянно подсоединены на нагрузку. Идущая по первичной цепи энергия со значительным потенциалом (S=UI). В другой происходит трансформация, и при обрыве в ней там падает напряжение. Потенциал разомкнутых концов при протекании энергии большой, что представляет значительную опасность.

По описанным выше причинам все вторичные цепи ТТ собирают особо тщательно и надежно, на них и кернах, выведенных из функционирования, всегда ставят шунтирующие закоротки.

Как подключается ТТ

Есть несколько схем для изделий защитного типа. Рассмотрим подключение ТТ на трехфазное напряжение.

самая распространенная, защита одно- и многофазных систем от КЗ;
три ТТ соединяются в звезду.

Если ток ниже настроек на реле КА1–КА3, то это нормальная ситуация, защита не активируется. Ток на К0 — это сумма всех 3 фаз. При возрастании величин в одной из них растет ток и в ТТ. Произойдет сработка реле при КЗ и при превышении нагрузок.

защита от межфазных замыканий для создания цепей с нейтралью с заземлением;
для маломощных приемников с другими вариантами защиты.

Схема «треугольник и звезда» — для дифференциальной защиты.

Схема без обесточивания при КЗ на землю используется, но редко по этой же причине. Для защиты от замыканий между фазами и всплесков в одной из них.

ТТИ подсоединяются простым последовательным подключением первичных витков изделия.

Монтаж

Монтаж трансформаторов тока:

Ревизия устройства, проверка изоляции (должно быть выше 1 кОм на 1 В);
Отключают ЭУ;
Убедится в обесточивании, зафиксировать заземления.
Разметка, установка креплений. Запрещено размещать трансформатор вплотную к ЭУ (минимальный зазор — 10 см).
Выставляются таблички, ограждения.
Первичные витки подсоединяются последовательно, но с нагрузкой на вторичных. Если нет возможности подключить измеритель, то ее контакты замыкают, чтобы не было высоких мощностей на ней, которые приведут его повреждению.

ТТ не допускает холостого функционирования, его режим близок к КЗ: вторичные витки при подключении прибора к измеряемому току обязательно замыкаются. Иначе происходит перегревание, повреждающее изоляцию. Перед отсоединением измерителей сначала закорачивают катушки. У некоторых моделей для этого есть узлы клеммы, перемычки.

Расчет

Расчет трансформатора тока можно провести по онлайн-калькуляторам, подобрать по номиналу (например, для 10 кВ). Но это слишком упрощенные инструменты. Исчисления и параметры для выбора — чрезвычайно обширная тема, поэтому опишем основы.

Точность чрезвычайно важная, поэтому потребуются тщательные исчисления специалистами. Необходимо знать множество специфических нюансов, например:

при разных схемах подсоединения, видах КЗ, есть разные формулы определения сопротивления;
проверяют первичный ток на термо- и электродинамическую стойкость;
есть свои нюансы для ТТ, для релейной защиты и для учетных целей, измерений.

Правила, как выбрать трансформатор тока в общих чертах:

номинальное рабочее напряжение ТТ должно превышать или сравниваться с номиналом ЭУ (стандартные значения 0.66, 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 750 кВ). Если обслуживаемое оборудование имеет 10 кВ, то изделие должно быть рассчитано на этот показатель;
первичный ток ТТ — больше номинального тока у ЭУ, но учитывая перегрузочную способность;
оценивают ТТ по номинальной мощности вторичной нагрузки, которая должны превышать расчетное ее значение. (Sном>=Sнагр);
оценивают размеры и расположение для установки, номинальные нагрузки (есть таблица), наработка до отказа, срок службы, класс точности.

Проверка после расчета

после расчета ТТ проверяют по загрузке при макс. и мин. значениях, протекающих через него нагрузок;
по п. 1.5. 17 ПУЭ при макс. подключенной нагрузке ток во вторичной катушке — не менее 40 % номинала счетчика, при мин. — не менее 5 %;
макс. загрузка должна быть от 40 %, а мин. — от 5 %, и в любом случае она не должна превышать 100 %, иначе возникнет перегрузка трансформатора;
если рассчитанные величины макс./мин. загрузок меньше 40 % и 5 % соответственно, то надо подбирать изделие с меньшим номиналом, а если этого нельзя сделать по параметрам макс. нагрузки, надо предусмотреть монтаж двух счетчиков — для макс. и мин. нагрузки.

Самостоятельная сборка ТТ

Создание ТТ своими руками — отдельная тема, так как для процедуры потребуются широкое описание расчетов с формулами, но упрощенно процесс выглядит как наматывание рассчитанного количества витков медной проволоки на стержень (железо, сталь).

В основе лежит известный принцип. Токи на первичке и вторичке обозначают соотношением. Например, 100/5: величина на первой в 20 раз превышает таковую на второй, то есть, когда на ней есть 100 А, то на другой будет 5 А. Изделие 500/5 понижает 500 А до 5 А (на вторичных витках). Указанные величины зависят от соотношения количества витков.

Поверка

Поверка измерительных трансформаторов, трансформаторов напряжения, поверки трансформаторов тока всех возможных видов не имеют одного фиксированного срока. Разные типы и модели имеют свою периодичность поверочных мер.

Межповерочный интервал находится в диапазоне 4–16 лет. Например (модель — срок в годах):

ТТИ-А — 5;
ТОП — 8;
ТШП — 16;
ТОЛ-10 — 8;
ТПЛ-10 — 8.

Узнать сроки можно из таких источников:

Поверки нужны для допуска к эксплуатации, мероприятие осуществляют специальные аккредитованные и лицензированные учреждения, лаборатории, структуры энергетических компаний. Исполнитель должен иметь соответствующее свидетельство. После мероприятия его проведение и состояние изделия подтверждается поверительным клеймом, пломбой, отметкой в паспорте, протоколом.

Основная цель поверки — определить погрешность. По непригодным изделиям гасят клеймо, вносят запись в паспорт, выдают извещение о непригодности, аннулируют предыдущие свидетельства.

При тестировании используют несколько методик и приборов (мегаомметры, вольтметры, амперметры, приборы сравнения токов). Подробно процедура прописана в ГОСТе 8.217-2003.

Где купить

Чтобы максимально быстро приобрести трансформатор, можно посетить ближайший специализированный магазин. Оптимальным же, по соотношению цена-качество, остаётся вариант покупки в Интернет-магазине АлиЭкспресс. Обязательное длительное ожидание посылок из Китая осталось в прошлом, ведь сейчас множество товаров находятся на промежуточных складах в странах назначения: например, при заказе вы можете выбрать опцию «Доставка из Российской Федерации»:

Для чего нужны трансформаторы тока и чем они отличаются от трансформаторов напряжения

Говоря о трансформаторе напряжения, мы имеем ввиду электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения определенной частоты: из высокого — в пониженное, или из низкого — в более высокое, в зависимости от назначения трансформатора, и в конечном счете — от коэффициента трансформации данного экземпляра. При помощи трансформатора напряжения электрическая мощность с достаточно высоким КПД передается из первичной цепи — во вторичную, к которой обычно и подключается нагрузка, то есть потребитель.

Тем не менее, напряжение на вторичной обмотке трансформатора напряжения, работающего под нагрузкой в штатном режиме или на холостом ходу, всегда остается почти неизменным, по крайней мере с высокой точностью близким к номинальному напряжению вторичной обмотки трансформатора, то есть будет лежать в определенном известном, довольно узком диапазоне. Но при этом ток нагрузки может быть очень разным — варьироваться от нуля до максимально допустимого, в зависимости от импеданса и характера нагрузки, которую трансформатор питает в данный момент.

Трансформатор тока существенно отличается от трансформатора напряжения, как конструктивно, так и по назначению, и по особенностям применения. В то время как первичная и вторичная (или вторичные, если их несколько) обмотки трансформатора напряжения зачастую имеют немалое количество витков, отвечающее коэффициенту трансформации и параметрам сердечника, то первичная обмотка трансформатора тока — это всего один виток, проходящий через окно магнитопровода. Вторичная же обмотка трансформатора тока имеет множество витков, и всегда соединена с активной нагрузкой строго определенного номинала, например с резистором.

Теперь если через первичную обмотку потечет переменный ток определенной величины, то вторичная обмотка, будучи нагружена на постоянную активную нагрузку в виде резистора, создаст на нем падение напряжения, пропорциональное току первичной обмотки (через коэффициент трансформации) и сопротивлению нагрузки. То есть, в зависимости от тока первичной цепи, напряжение вторичной обмотки трансформатора тока может изменяться в широких пределах — от нуля до максимально допустимого.

Очевидно, такой режим отличается от режима работы трансформатора напряжения. Здесь (у трансформатора тока) как правило нет узкого диапазона номинальных напряжений вторичной обмотки, характерного для трансформаторов напряжения. Типичное применение трансформатора тока — измерение тока в цепях, к которым уже подключена нагрузка.

Трансформаторы тока, кроме расширения пределов измерения, изолируют измерительные приборы от высокого напряжения и делают возможным измерение тока в сетях с напряжением выше 1000 В.

Первичная обмотка трансформатора тока имеет изоляцию, рассчитанную на полное рабочее напряжение сети. Для обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала (в случае пробоя изоляции) один из зажимов вторичной обмотки и сердечник трансформатора должны быть заземлены.

В отличие от силовых трансформаторов ток вторичной обмотки в трансформаторе тока зависит от тока первичной обмотки (измеряемого тока). Поэтому при работе с трансформатором тока необходимо особенно внимательно следить за тем, чтобы вторичная обмотка была замкнута. Для этого они имеют приспособление для замыкания вторичной обмотки при отключении измерительного прибора.

В тех случаях, когда проводник с током нельзя разъединить, для подключения трансформатора тока применяются трансформаторы в виде токовых клещей. Сердечник таких трансформаторов состоит из двух половин, скрепленных шарниром, что позволяет охватить проводник с током, не разрывая его. Вторичная обмотка замкнута на амперметр, который обычно укрепляется на самом сердечнике.

Итак, трансформатор напряжения предназначен для преобразования электрической мощности переменного тока с целью питания нагрузок различного номинала, рассчитанных на напряжение вторичной обмотки трансформатора.

К трансформаторам напряжения относятся мощные промышленные трансформаторы, трансформаторы подстанций, сетевые трансформаторы, сварочные трансформаторы, трансформаторы в блоках питания некоторых бытовых приборов и т. д. эти трансформаторы могут быть как повышающими, так и понижающими.

Измерительные трансформаторы напряжения предназначены для преобразования высокого напряжения сети в напряжение, доступное для измерения обычными приборами, т. е. для расширения пределов измерения приборов на переменном токе по напряжению.

Трансформаторы тока используются в измерительных целях — там, где необходимо узнать величину переменного тока, текущего по проводу. Трансформатор тока включается в разрыв этого провода, а к его вторичной обмотке подсоединяется амперметр или вольтметр, соединенный с резистором известного номинала. Путем несложных вычислений легко найти величину тока первичной обмотки. Вычисления может производить как человек, так и электроника.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Чем отличаются измерительные трансформаторы тока от трансформаторов напряжения

Для измерения электрических величин в сетях высокого напряжения обычно применяются измерительные трансформаторы тока и напряжения, которые позволяют для измерения этих величин пользоваться приборами низкого напряжения.

Измерительный трансформатор напряжения по всей конструкции принципиально ничем не отличается от обыкновенного силового трансформатора, только его мощность очень невелика (100 - 1000 ВА).

Измерительный трансформатор тока имеет в первичной обмотке ток главной цепи (измеряемый ток).

В отличие от трансформатора напряжения, трансформатор тока состоит только из одного или нескольких витков в качестве первичной обмотки. Эта первичная обмотка может быть с одним плоским витком и или катушкой из высокопрочной проволоки, намотанной вокруг сердечника, или просто проводником или шиной, помещенными в центральное отверстие.

В отличие от обычного трансформатора для трансформатора тока заданным является не первичное напряжение, а первичный ток, и вторичный ток (текущий в измерительные приборы) должен быть пропорционален первичному току.

Такая пропорциональность возможна, когда сопротивление вторичной обмотки невелико и железо трансформатора не насыщено. Поэтому трансформатор тока работает в условиях, близких к работе трансформатора при коротком замыкании, и его мощность еще меньше, чем трансформатора напряжения — порядка нескольких десятков вольтампер.

Трансформаторы тока могут снижать уровни тока с тысяч ампер до стандартного выходного сигнала с известным соотношением 5 А или 1 А. Таким образом, с трансформаторами тока можно использовать небольшие и точные инструменты и устройства управления, поскольку они изолированы от любых линий высокого напряжения.

Большинство трансформаторов тока имеют стандартный номинал вторичной обмотки 5 А, причем первичный и вторичный токи выражаются как отношение 100/5. Это означает, что первичный ток в 20 раз превышает вторичный ток, поэтому, когда в первичном проводе протекает 100А, во вторичной обмотке будет вырабатываться 5А. Трансформатор тока, например, 500/5, будет производить 5 А во вторичной обмотке и 500 А в первичном проводе, в 100 раз больше.

Трансформатор тока никогда не должен оставаться работать без нагрузки, когда через него протекает основной первичный ток, точно так же, как трансформатор напряжения никогда не должен работать при коротком замыкании.

Чем автотрансформатор отличается от трансформатора и для чего он нужен

Для повышения или понижения напряжения и гальванической развязки цепей используются трансформаторы. Обычный трансформатор состоит из двух и более обмоток не соединённых друг с другом, расположенных на одном сердечнике.

Но изменить величину напряжения можно и с помощью другого устройства — автотрансформатора, принцип действия и сферы применения которого мы и рассмотрим сегодня.

Отличия от трансформатора

Прежде чем перейти к разговору об автотрансформаторе, давайте вспомним как устроен обычный трансформатор. Он состоит из сердечника, на котором расположены две или больше обмоток. Обмотка, которая подключается к источнику питания называется первичной (w1), а обмотка, к которой подключается нагрузка — вторичной (w2).

Рисунок 1 — электромагнитная схема трансформатора Рисунок 1 — электромагнитная схема трансформатора

При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока, создаётся магнитный поток Ф и замыкается в сердечнике. Так как вторичная обмотка намотана на том же сердечнике, то магнитный поток, пересекая её витки, наводит в них ЭДС. При подключении ко вторичной обмотке нагрузки Zн индуцированная ЭДС порождает электрический ток. Ток вторичной обмотки влияет на ток первичной обмотки так, что при увеличении тока нагрузки (тока во вторичной обмотке) увеличивается ток в первичной.

Так как индуктированная ЭДС в каждом витке одинаковая, то напряжение первичной и вторичной обмоток зависят только от соотношения количества витков между ними, а это соотношение называется коэффициентом трансформации: k=w1/w2.

Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи и мощность из одной обмотки в другую передаётся электромагнитным путём, а магнитопровод (сердечник) на котором они расположены усиливает индуктивную связь между обмотками.

Рисунок 2 — схема трансформатора Рисунок 2 — схема трансформатора

Вернёмся к теме, согласно п. 2.25 ГОСТ 16110-82 автотрансформатор — это трансформатор, две или более обмоток которого гальванически связаны так, что они имеют общую часть.

Фраза «гальванически связаны» — значит, что между первичной и вторичной обмоткой есть электрический контакт. Для наглядности ещё раз изобразим обычный трансформатор и пронумеруем выводы его обмоток: начало и конец первичной — цифрами 1 и 2, а вторичной — цифрами 3 и 4.

Рисунок 3 — схема трансформатора Рисунок 3 — схема трансформатора

Если соединить вывод 2 с выводом 3 (рисунок 4 — а), то мы получим автотрансформатор. Но такого обозначения на схеме вы не встретите нигде, обычно их изображают как на рисунке 4 — б.

Рисунок 4 — автотрансформатор: а) соединение обмоток для сравнения с трансформатором; б) обозначение на схеме Рисунок 4 — автотрансформатор: а) соединение обмоток для сравнения с трансформатором; б) обозначение на схеме

На рисунке 5 видим, что обмотка 1-4 первичная, так как к ней подключён источник питания. А вот с обмоткой 3-4 дело обстоит интереснее: так как к ней подключена нагрузка то логично её называть вторичной, но при этом она является частью первичной обмотки.

Примечание. У автотрансформаторов часть от точки подключения к сети до точки подключения нагрузки называют «последовательной», потому что она фактически соединяется последовательно с нагрузкой, а часть обмотки к которой подключается нагрузка называют «общей». Но далее в статье предлагаю называть их «первичной» и «вторичной» обмотки для поддержания аналогии с обычными трансформаторами, по той логике, что нагрузка подключается ко вторичной обмотке, а питание к первичной.

В зависимости от конкретного случая источник переменного тока и нагрузку подключают к разным выводам, например, если подключить источник питания к выводам 1 и 4, а нагрузку к выводам 3 и 4 — мы получим понижающий автотрансформатор. Если подключить питание к выводам 3 и 4, а нагрузку к 1 и 4 — получим повышающий автотрансформатор.

Принцип действия

Рассмотрим принцип работы автотрансформатора, и предположим, что у нас понижающий автотрансформатор к которому питание и нагрузка подключены как изображено на рисунке 4 — в.

Электрический ток, протекая по обмотке 1-4 автотрансформатора, создаёт в сердечнике переменный магнитный поток, который индуктирует в обмотке ЭДС E. При этом ЭДС каждого витка одинакова, и ЭДС во вторичной обмотке E2 будет пропорциональна количеству её витков (w2), относительно полного количества витков автотрансформатора (w1+w2), то есть между точками 1 и 4.

Соотношения этих ЭДС можно записать так:

где E – ЭДС индуктированная во всей обмотке, E2 – ЭДС вторичной обмотки, W – общее количество витков первичной и вторичной обмотки (W=w1+w2).

Кстати отношение W/w2 называют коэффициентом трансформации и обозначают латинской буквой k, то есть k=W/w2.

То есть если у нашего автотрансформатора всего 100 витков, при этом нагрузка подключается к последним 30 виткам, то если мы подадим на концы катушки переменное напряжение U1=10 вольт, то на нагрузке будет U2=3 вольта.

Рисунок 5 — электромагнитная схема, напряжения и токи в обмотках автотрансформатора Рисунок 5 — электромагнитная схема, напряжения и токи в обмотках автотрансформатора

Особенности: ток первичной и вторичной обмоток, мощности

В трансформаторе мощность от источника питания и первичной обмотки передаётся во вторичную обмотку и нагрузку через магнитное поле, пронизывающее сердечник. Электрической связи между обмотками нет. У автотрансформатора обмотки связаны друг с другом, даже более того, «вторичная» обмотка – это часть первичной обмотки. Поэтому мощность от источника питания в нагрузку передаётся и через электрическую, и через магнитную связь.

Из этого вытекает несколько особенностей, и для начала рассмотрим токи в обмотках автотрансформатора. Ток первичной , вернее последовательной части обмотки обозначим как I1, ток нагрузки — I2, а ток, протекающий во вторичной обмотке — I12.

Если составить по первому правилу Кирхгофа уравнение токов, для точки соединения обмоток 2-3, то ток нагрузки I2 состоит из суммы токов I1 и I12:

Выразим ток вторичной обмотки I12:

То есть ток вторичной обмотки равен разницы тока нагрузки и тока первичной обмотки.

И что это нам даёт?

Допустим, к сети напряжением 220В нужно подключить нагрузку с номинальным напряжением 110В, мощность которой составляет 1 кВт.

Для этой задачи можно использовать трансформатор с коэффициентом трансформации 2, давайте рассчитаем номинальный ток нагрузки (вторичной обмотки):

Ток первичной обмотки, потребляемый трансформатором из сети 220В составит:

Таким образом ток вторичной обмотки составит 9,1А, а ток первичной – 4,34 А.

При использовании для этой задачи авто трансформатора с коэффициентом трансформации 2, из сети будет потребляться ток:

Ток нагрузки будет таким же, как и в предыдущем случае:

А вот ток вторичной обмотки:

То есть в этом конкретном случае и первичную и вторичную обмотки можно намотать одинаковым проводом, а при использовании трансформатора для вторичной обмотки понадобился бы провод, условно, в два раза большего сечения.

Для большей наглядности давайте посчитаем то же самое, только представим, что у нас есть нагрузка рассчитанная на другое напряжение, например, на U2=175 вольт (величина взята для примера). В этом случае коэффициент трансформации автотрансформатора будет меньше — 1,31. Потребляемый из сети ток останется таким же:

Рассчитаем ток нагрузки:

Тогда ток вторичной обмотки составит:

При использовании трансформатора для этой же задачи ток вторичной обмотки составил бы:

I2=I1×k= 5.6 А

Мы видим разницу между токами вторичной обмотки в 5 раз. Это позволяет намотать вторичную обмотку проводом меньшего сечения , чем пришлось бы использовать во вторичной обмотке обычного трансформатора. При этом чем меньше коэффициент трансформации, тем меньше ток во вторичной обмотке автотрансформатора. При коэффициентах трансформации больше 2 это преимущество нивелируется.

В этом и заключается первое преимущество автотрансформатора перед трансформатором.

Примечание — в расчетах я не учитывал потери, коэффициенты мощности и прочее, их цель проиллюстрировать разницу между устройствами, а не рассчитать реальную электрическую цепь.

Для автотрансформаторов выделяют проходную и расчётную мощности, давайте разберёмся в чём их отличие и на что они влияют.

Как уже неоднократно отмечалось, у трансформатора вся мощность из первичной обмотки во вторичную передаётся с помощью магнитного поля. При этом сердечник подбирается по мощности трансформатора, то есть чем мощнее трансформатор – тем больше должен быть сердечник.

У автотрансформатора мощность из сети передаётся в нагрузку не только за счёт магнитной связи, но и за счёт электрической связи между обмотками. Поэтому выделяют несколько видов мощности.

Проходная мощность Sпр — это произведение выходного напряжения на ток нагрузки:

Расчётная мощность Sрасч (она же трансформаторная или типовая) — это мощность, которая передаётся из сети в нагрузку магнитным полем, и составляет лишь часть от проходной. Оставшаяся часть от проходной мощности передаётся в нагрузку с помощью электрической связи, обозначим её как Sэ.

Разложим проходную мощность на составляющие. Так как I2=I1+I12, то формула проходной мощности примет вид:

Расчётная мощность так называется, потому что именно её используют при расчётах трансформатора. Что это нам даёт?

В рассмотренном выше примере через сердечник трансформатора передавался 1 кВт мощности, а у автотрансформатора через магнитное поле передавалось всего:

Что в 5 раз меньше, чем у трансформатора. Так как мощность — это основной критерий выбора сердечника, то площадь сердечника автотрансформатора будет меньше, чем у трансформатора аналогичной мощности.

Но как и в случае с сечением провода, чем больше коэффициент трансформации, тем большая мощность передаётся магнитным полем, и наоборот — при маленьких коэффициентах трансформации больше мощности передаётся через электрическую связь. Зависимость отношения Sэ к Sпр от коэффициента трансформации изображена на рисунке 6. Таким образом при больших коэффициентах трансформации выгода от использования автотрансформаторов вместо трансформаторов исчезает.

Рисунок 6 — зависимость Sэ/Sпр от коэффициента трансформации Рисунок 6 — зависимость Sэ/Sпр от коэффициента трансформации

То есть наиболее целесообразно применять автотрансформаторы вместо трансформаторов при коэффициенте преобразования меньше чем 2.

Подведём итоги

На практике с автотрансформаторами мы сталкиваемся довольно часто, например, в релейных и электронных (симисторных) стабилизаторах напряжения они используются для повышения и понижения напряжения.

Рисунок 7 — блок схема релейного стабилизатора Рисунок 7 — блок схема релейного стабилизатора

Трёхфазные автотрансформаторы нашли применение в сетях высокого напряжения для связи сетей с «соседними» напряжениями — 110 и 220, 220 и 500 кВ.

Для проведения испытаний, а также настройки электрооборудования используются лабораторные автотрансформаторы – ЛАТРы. Это автотрансформаторы, в которых вместо отвода от обмотки для подключения нагрузки используется скользящий контакт, на рисунке 8 он обведён зелёным цветом, типа токосъёмной щётки. Изменяя положение скользящего контакта, вы подключаете нагрузку к разным виткам обмотки, другими словами – вы можете регулировать напряжение.

При этом с помощью большинства ЛАТРов можно как понижать, так и повышать напряжение. Кстати ЛАТР – это основа электромеханических, или, как их ещё называют, сервоприводных стабилизаторов напряжения.

Рисунок 8 — ЛАТР: а) внешний вид, б) внутреннее устройство (красным выделен скользящий контакт, к которому подключается нагрузка) Рисунок 8 — ЛАТР: а) внешний вид, б) внутреннее устройство (красным выделен скользящий контакт, к которому подключается нагрузка)

При одинаковой мощности преимущества автотрансформаторов перед трансформаторами заключаются в пониженном расходе меди и электротехнической стали для сердечника. При этом КПД автотрансформаторов достигает 99,7%. Но преимущества тем больше выражены, чем больше Sэ, и меньше расчётная часть Sрасч проходной мощности, то есть при низких коэффициентах трансформации. И все преимущества исчезают при больших коэффициентах трансформации.

Применение автотрансформаторов для преобразования в сетях высокого напряжения улучшает КПД энергосистем, снижает стоимость передачи энергии, но приводит к увеличению токов короткого замыкания.

Кроме этого, у автотрансформаторов есть серьёзный недостаток — гальваническая связь с питающей сетью. Это значит, что напряжение на вторичной обмотке может оказаться таким же, как на первичной. Поэтому с целью обеспечения электробезопасности использование автотрансформаторов для питания переносных светильников сверхнизкого напряжения запрещается (ПТЭЭП п.2.12.6 и ряд других документов), а также для питания другого оборудования, на котором работают люди. По этой же причине нельзя использовать автотрансформаторы в качестве силовых для понижения 6-10 кВ до 0,4 кВ.

Из-за наличия электрической связи между обмотками вытекает ещё один недостаток – необходимо выполнять изоляции обеих обмоток на большее напряжение, по сравнению с обычными трансформаторами.

Читайте также: