Трансформатор тока что это такое простыми словами
Трансформатор простыми словами
Мы привыкли к тому, что напряжение в розетке всегда 220 В. Возможно не все читатели подозревают, что прежде чем поступить к потребителю, выполнялись преобразования электрической энергии. Перед поступлением на провода ЛЭП, напряжение переменного тока увеличивали до десятков, а то и сотен киловольт, а на выходе – понижали, до привычных нам 220 В. Эти преобразования выполнили силовые трансформаторы. В данной статье я расскажу вам, что такое трансформатор простыми словами.
Потребность в преобразования переменного напряжения возникает практически на каждом шагу. Чаще всего мы испытываем необходимость в понижении напряжения, так как большинство узлов современных электронных устройств работает при низких напряжениях. Однако для некоторых цепей высоковольтных узлов требуются значительные напряжения, порядка нескольких тысяч вольт.
Рис. 1. Промышленный трансформатор
Что такое трансформатор?
Если коротко, то это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения с сохранением частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.
Немного исторических фактов
В основу действия трансформатора легло явление магнитной индукции, открытое М. Фарадеем в 1831 г. Физик, работая с постоянным электрическим током, заметил отклонение стрелки гальванометра, подключенного к одной из двух катушек, намотанных на сердечник. Причем гальванометр реагировал только в моменты коммутации первой катушки.
Поскольку опыты проводились от источника постоянного тока, Фарадей не смог объяснить открытое явление.
Прообраз трансформатора появился лишь в 1848 году. Его изобрел немецкий механик Г. Румкорф, называя устройство индукционной катушкой особой конструкции. Однако Румкорф не заметил трансформации выходных напряжений.Датой рождения первого трансформатора считается день выдачи патента П. Н. Яблочкову на изобретение устройства с разомкнутым сердечником. Это случилось 30.11.1876 года.
Типы аппаратов с замкнутыми сердечниками появились в 1884 году. Их создали англичане Джон и Эдуард Гопкнинсоны.
По большому счету, технический интерес у электромехаников к переменному току возник только благодаря изобретению трансформатора. Идеи российского электротехника М. О. Доливо-Добровольского и всемирно известного Николы Тесла победили в спорах о преимуществах переменных напряжений именно благодаря возможности трансформации тока.
С победой идей этих великих электротехников потребности в трансформаторах резко выросла, что привело к их усовершенствованию и созданию новых типов приборов.
Общее устройство и принцип работы
Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод (см. Рис. 2). Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.
Рисунок 2. Устройство трансформатора
Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.
Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:
В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать, а в некоторых изделиях применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.
В связи с тем, что для характеристик ферромагнетиков характерна нелинейность намагничивания, сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения которого применяют метод шихтования магнитопроводов.
Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.
Рисунок 3. Внешний вид трансформатора
Базовые принципы действия
Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует наведение ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1 / W2, где символами W1 и W2 обозначено количество витков в катушках.
Если k > 1, то трансформатор повышающий, а при 0 
Виды магнитопроводов
Более широкий спектр охватывает классификация по назначению.
Силовые
Назначения силового трансформатора понятно из названия. Термин силовые применяется к семейству моделей, как правило, большой мощности, используемых для преобразования электрической энергии в сетях ЛЭП и в различных обслуживающих установках.
При трансформации сохраняются частоты переменного тока, поэтому возможно подключение силовых трансформаторов в группы для работы в высоковольтных трехфазных сетях.
Силовые аппараты могут соединяться в группы с различными схемами подключения обмоток: по принципу звездочки, треугольником или зигзагом. Схема звездочка оправдана, если в трехфазных сетях нагрузка симметрическая. В противном случае предпочтения отдают треугольнику. При таком способе подключения токи первичной обмотки подмагничивают по отдельности каждый стержневой магнитопровод.
Тогда однофазное сопротивление приблизится к расчетному, а перекос напряжений будет устранен.
Автотрансформаторы
Группа устройств, в которых первичная и вторичная обмотки за счет их прямого соединения между собой образуют электрическую связь, называется автотрансформаторами. Характерным признаком этой группы является несколько пар выводов, к которым можно подключить нагрузку.
Обмотки автотрансформаторов имеют не только магнитную, но и электрическую связь. Они нашли применение в соединениях заземленных сетей, работающих под напряжением, превышающим 110 кВ, но при низких коэффициентах трансформации – не более 3 – 4.
Можно первичную обмотку подключить последовательно в электрическую цепь с другими устройствами и получить гальваническую развязку. Такие приборы получили названия трансформаторов тока. Первичную цепь таких устройств контролируют путём изменения однофазной нагрузки, а вторичную катушку используют в цепях измерительных приборов или сигнализации. Второе название приборов – измерительные трансформаторы.
Особенностью работы измерительных трансформаторов является особый режим выходной обмотки. Она функционирует в критическом режиме короткого замыкания. При разрыве вторичной цепи возникает резкое повышение напряжения в ней, что может вызвать пробои или повреждение изоляции.
Трансформатор тока
Напряжения
Типичное применение – изоляция логических цепей защиты измерительных приборов от высокого напряжения. Трансформатор напряжения – это понижающий прибор, преобразующий высокое напряжение в более низкое.
Импульсные
В работе современной электронике применяются высокочастотные сигналы, которые часто необходимо отделить от других сигналов.
Задача импульсных трансформаторов – преобразования импульсных сигналов с сохранением формы импульса.
Для высокочастотных импульсных аппаратов выдвигаются требования о максимальном сохранении формы импульса на выходе. Имеет значение именно форма, а не амплитуда и даже не знак.
Сварочные
В работе сварочного аппарата важен большой сварочный ток. При этом, сетевое напряжение понижают до безопасного уровня. Благодаря мощному электрическому току дуговой разряд сварочного аппарата плавит металл.
В сварочном трансформаторе имеется возможность ступенчатого регулирования величины тока во вторичных цепях способом изменения индуктивного сопротивления, либо путем секционирования одной из обмоток.
Фото устройства представлено на рисунке 6. Обратите внимание на наличие коммутирующего переключателя.
Рис. 6. Трансформатор для сварочного полуавтомата на броневом магнитопроводе
В сварочных аппаратах применяют конструкции на основе однофазных трансформаторов, а также с применением трехфазных трансформаторов. Для сварки некоторых металлов, например, нержавейки, сварочный ток выпрямляют.
Разделительные
Устройства, в которых нет электрической связи между обмотками, называют резделительными трансформаторами. Силовые разделительные аппараты применяются для повышения безопасности электросетей. Другая область применения разделительных трансформаторов – обеспечение гальванической развязки между отдельными узлами электрических цепей.
Согласующие
Данные типы аппаратов применяют для согласования сопротивления каскадов электронных схем. Они обеспечивают минимальное искажение формы сигналов, создают гальванические развязки между узлами электронных устройств.
Пик-трансформаторы
Аппараты, преобразующие синусоидальные токи в импульсные напряжения. Полярность выходных напряжений меняется через каждых полпериода.
Воздушные и масляные
Силовые трансформаторы бывают сухими (с воздушным охлаждением) (см. рис. 7) и масляными (см. рис. 8).
Модели сухих силовых трансформаторов чаще всего используют для преобразований сетевых напряжений, в том числе и в схемах трехфазных сетей.
Рисунок 7. Сухой трехфазный трансформатор
При подключении нагрузки происходит нагревание обмоток, что грозит разрушением электрической изоляции. Поэтому в сетях с напряжениями свыше 6 кВ работают приборы с масляным охлаждением. Специальное трансформаторное масло повышает надежность изоляции, что очень важно при больших выходных мощностях.
Рис. 8. Строение промышленного трансформатора с масляным охлаждением
Сдвоенный дроссель
Конструктивно такой аппарат является трансформатором с одинаковыми катушками. Катушки одинаковой мощности образуют встречный индуктивный фильтр. Эффективность аппарата выше, чем у дросселя (при одинаковых размерах).
Вращающиеся
Применяются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами происходит при больших скоростях вращения.
Обозначение на схемах
Трансформаторы наглядно изображаются на электрических схемах. Символически изображаются обмотки, которые разделены магнитопроводом в виде жирной или тонкой линии (см. рис. 9).
Пример обозначения
На схемах трехфазных трансформаторов обмотки начинаются со стороны сердечника.
Области применения
Кроме преобразования напряжений в электрических сетях, трансформаторы часто применяются в блоках питания радиоэлектронных устройств. Преимущественно это автотрансформаторы, которые одновременно выдают несколько напряжений для различных узлов.
Сегодня все чаще используют бестрансформаторные блоки питания. Однако там где требуется питание мощным переменным током, без электромагнитных устройств не обойтись.
При эксплуатации энергетических систем часто возникает необходимость преобразования определенных электрических величин в подобные им аналоги с пропорционально измененными значениями. Это позволяет моделировать определенные процессы в электроустановках, безопасно выполнять измерения.
Работа трансформатора тока (ТТ) основана на законе электромагнитной индукции, действующего в электрических и магнитных полях, изменяющихся по форме гармоник переменных синусоидальных величин.
Он преобразует первичную величину вектора тока, протекающего в силовой цепи, во вторичное пониженное значение с соблюдением пропорциональности по модулю и точной передачей угла.
Принцип работы трансформатора тока
Демонстрацию процессов, происходящих при преобразованиях электрической энергии внутри трансформатора, поясняет схема.
Через силовую первичную обмотку с числом витков w1 протекает ток I1, преодолевая ее полное сопротивление Z1. Вокруг этой катушки формируется магнитный поток Ф1, который улавливается магнитопроводом, расположенным перпендикулярно направлению вектора I1. Такая ориентация обеспечивает минимальные потери электрической энергии при ее преобразовании в магнитную.
Пересекая перпендикулярно расположенные витки обмотки w2, поток Ф1 наводит в них электродвижущую силу Е2, под влиянием которой возникает во вторичной обмотке ток I2, преодолевающий полное сопротивление катушки Z2 и подключенной выходной нагрузки Zн. При этом на зажимах вторичной цепи образуется падение напряжения U2.
В реальной работе значения токов в обмотках не являются постоянными величинами. Поэтому коэффициент трансформации принято обозначать по номинальным значениям. Например, его выражение 1000/5 означает, что при рабочем первичном токе 1 килоампер во вторичных витках будет действовать нагрузка 5 ампер. По этим значениям и рассчитывается длительная эксплуатация этого трансформатора тока.
Магнитный поток Ф2 от вторичного тока I2 уменьшает значение потока Ф1 в магнитопроводе. При этом создаваемый в нем поток трансформатора Фт определяется геометрическим суммированием векторов Ф1 и Ф2.
Учебный плакат «Измерительные траснформаторы»:
Опасные факторы при работе трансформатора тока
Возможность поражения высоковольтным потенциалом при пробое изоляции
Поскольку магнитопровод ТТ выполнен из металла, обладает хорошей проводимостью и соединяет между собой магнитным путем изолированные обмотки (первичную и вторичную), то возникает повышенная опасность получения электротравм персоналом или повреждения оборудования при нарушениях изоляционного слоя.
С целью предотвращения таких ситуаций используется заземление одного из вторичного выводов трансформатора для стекания через него высоковольтного потенциала при авариях.
Эта клемма всегда имеет обозначение на корпусе прибора и указывается на схемах подключения.
Возможность поражения высоковольтным потенциалом при разрыве вторичной цепи
Выводы вторичной обмотки маркируют «И1» и «И2» так, чтобы направление протекающих токов было полярным, совпадало по всем обмоткам. При работе трансформатора они всегда должны быть подключены на нагрузку.
Объясняется это тем, что проходящий по первичной обмотке ток обладает мощностью (S=UI) высокого потенциала, которая трансформируется во вторичную цепь с малыми потерями и при разрыве в ней резко уменьшается составляющая тока до значений утечек через окружающую среду, но при этом значительно возрастает падение напряжения на разорванном участке.
Потенциал на разомкнутых контактах вторичной обмотки при прохождении тока в первичной схеме может достигать нескольких киловольт, что очень опасно.
Поэтому все вторичные цепи трансформаторов тока постоянно должны быть надежно собраны, а на выведенных из работы обмотках или кернах всегда устанавливаются шунтирующие закоротки.
Конструкторские решения, используемые в схемах трансформаторов тока
Любой трансформатор тока, как электротехническое устройство, предназначен для решения определенных задач при эксплуатации электроустановок. Промышленность выпускает их большим ассортиментом. Однако, в некоторых случаях при усовершенствовании конструкций бывает проще использовать готовые модели с отработанными технологиями, чем заново проектировать и изготавливать новые.
Принцип создания одновиткового ТТ (в первичной схеме) является базовым и показан на картинке слева.
Здесь первичная обмотка, покрытая изоляцией, выполнена прямолинейной шиной Л1-Л2, проходящей через магнитопровод трансформатора, а вторичная намотана витками вокруг него и подключена на нагрузку.
Принцип создания многовиткового ТТ с двумя сердечниками, показан справа. Здесь берется два одновитковых трансформатора со своими вторичными цепями и через их магнитопроводы пропускается определенное количество витков силовых обмоток. Таким способом не только усиливается мощность, но дополнительно увеличивается количество выходных подключаемых цепочек.
Три этих принципа могут быть модифицированы различными способами. Например, применение нескольких одинаковых обмоток вокруг одного магнитопровода широко распространено для создания отдельных, независимых друг от друга вторичных цепей, которые работают в автономном режиме. Их принято называть кернами. Таким способом подключают различные по назначению защиты выключателей или линий (трансформаторов) к токовым цепям одного трансформатора тока.
В устройствах энергетического оборудования работают комбинированные трансформаторы тока с мощным магнитопроводом, используемом при аварийных режимах на оборудовании, и обычным, предназначенным для замеров при номинальных параметрах сети. Обмотки, навитые вокруг усиленного железа, используют для работы защитных устройств, а обычные — для измерений тока или мощности/сопротивления.
защитными обмотками, маркируемыми индексом «Р» (релейные);
измерительными, обозначаемыми цифрами метрологического класса точности ТТ, например, «0,5».
Защитные обмотки при нормальном режиме работы трансформатора тока обеспечивают измерение вектора первичного тока с точностью 10%. Их по этой величине так и называют — «десятипроцентными».
Принцип определения точности работы трансформатора позволяет оценить его схема замещения, показанная на картинке. В ней все значения первичных величин условно приведены к действию во вторичных витках.
Схема замещения описывает все процессы, действующие в обмотках с учетом энергии, затрачиваемой на намагничивание сердечника током I.
Построенная на ее основе векторная диаграмма (треугольник СБ0) свидетельствует, что ток I2 отличается от значений I’1 на величину I нам (намагничивания).
Чем выше эти отклонения, тем ниже точность работы трансформатора тока. Чтобы учесть ошибки измерения ТТ введены понятия:
относительной токовой погрешности, выражаемой в процентах;
угловой погрешности, вычисляемой длиной дуги АБ в радианах.
Абсолютную величину отклонения векторов первичного и вторичного тока определяет отрезок АС.
Общепромышленные конструкции трансформаторов тока выпускаются для работы в классах точности, определяемых характеристиками 0,2; 0,5; 1,0; 3 и 10%.
Практическое применение трансформаторов тока
Разнообразное количество их моделей можно встретить как в маленьких электронных приборах, размещенных в небольшом корпусе, так и в энергетических устройствах, занимающих значительные габариты в несколько метров. Они разделяются по эксплуатационным признакам.
Классификация трансформаторов тока
По назначению их разделяют на:
При эксплуатации объектов используют ТТ:
наружного монтажа на открытом воздухе;
для закрытых установок;
встроенные в оборудование;
накладные — надеваемые на проходной изолятор;
переносные, позволяющие делать замеры в разных местах.
По величине рабочего напряжения оборудования ТТ бывают:
высоковольтными (более 1000 вольт);
на значения номинального напряжения до 1 киловольта.
Также трансформаторы тока классифицируют по способу изоляционных материалов, количеству ступеней трансформации и другим признакам.
Для работы цепей учета электрической энергии, измерений и защит линий или силовых автотрансформаторов используются выносные измерительные трансформаторы тока.
На фото ниже показано их размещение для каждой фазы линии и монтаж вторичных цепей в клеммном ящике на ОРУ-110 кВ для силового автотрансформатора.
Эти же задачи выполняют трансформаторы тока на ОРУ-330 кВ, но, учитывая сложность более высоковольтного оборудования, они имеют значительно большие габариты.
На энергетическом оборудовании часто применяют встроенные конструкции трансформаторов тока, которые размещают прямо на корпусе силового объекта.
Они имеют вторичные обмотки с выводами, размещаемыми вокруг высоковольтного ввода в герметичном корпусе. Кабели от зажимов ТТ проложены к прикрепленным здесь же клеммным ящикам.
Внутри высоковольтных трансформаторов тока чаще всего в качестве изолятора используется специальное трансформаторное масло. Пример такой конструкции показан на картинке для трансформаторов тока серии ТФЗМ, рассчитанной на работу при 35 кВ.
До 10 кВ включительно используются твердые диэлектрические материалы для изоляции между обмотками при изготовлении корпуса.
Примером может служить трансформатор тока марки ТПЛ-10, используемый в КРУН, ЗРУ и других видах распределительных устройств.
Пример подключения вторичной токовой цепи одного из кернов защит REL 511 для выключателя линии 110 кВ демонстрирует упрощенная схема.
Неисправности трансформатора тока и способы их отыскания
У включенного под нагрузку трансформатора тока может нарушиться электрическое сопротивление изоляции обмоток или их проводимость под действием теплового перегрева, случайных механических воздействий либо из-за некачественного монтажа.
В действующем оборудовании чаще всего повреждаются изоляция, что приводит к межвитковым замыканиям обмоток (снижению передаваемой мощности) или возникновению токов утечек через случайно созданные цепи вплоть до КЗ.
С целью выявления мест некачественного монтажа силовой схемы периодически проводятся осмотры работающей схемы тепловизорами. На их основе своевременно устраняются дефекты нарушенных контактов, уменьшается перегрев оборудования.
Проверку отсутствия межвитковых замыканий осуществляют специалисты лабораторий РЗА:
снятием вольтамперной характеристики;
прогрузкой трансформатора от постороннего источника;
замерами основных параметров в рабочей схеме.
Они же анализируют величину коэффициента трансформации.
При всех работах оценивается соотношение между векторами первичных и вторичных токов по величине. Отклонения их по углу не осуществляется из-за отсутствия высокоточных фазоизмерительных устройств, которые применяются при поверках трансформаторов тока в метрологических лабораториях.
Высоковольтные испытания диэлектрических свойств возложены на специалистов лаборатории службы изоляции.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: