Трансформатор тока – назначение и принцип работы

Что это такое и для чего нужен трансформатор тока - конструкция и область применения. Когда возникает насыщение сердечника ТТ?

Трансформатор тока (ТТ) – это тип трансформатора, предназначенный для пропорционального преобразования переменного тока значительной величины до меньшего значения, подходящего для фиксации (или обработки) измерительными приборами или устройствами управления.
Такие трансформаторы нашли широкое применение в различных областях, таких как: измерение и учет потребляемой электроэнергии, защита устройств от токовой перегрузки, мониторинг режимов работы радиоэлектронной аппаратуры и т. п.
Помимо этого, одним из главных качеств трансформатора тока является наличие гальванической развязки между высоковольтной цепью и измерительным оборудо­ванием.



Рис.1 Устройство трансформатора тока

В отличие от трансформаторов напряжения, ТТ в большинстве случаев оснащены только одним витком первичной обмотки, представляющим собой токопроводящую шину, пропущенную сквозь кольцо сердечника с намотанной на него вторичной обмоткой (Рис.1).
Вторичная обмотка, содержащая 10...100 витков изолированного провода, должна быть подключена к низкоомной нагрузке, в качестве которой может выступить амперметр, низковольтное реле либо резистор небольшого номинала.

Переменный ток I₁, протекая по первичной обмотке, создает в магнитопроводе сердечника магнитный поток (Ф), который, в свою очередь, индуцирует во вторич­ной обмотке ЭДС. Если вторичная цепь замкнута, то под воздействием этой ЭДС возникает вторичный ток I₂. Условие замкнутости вторичной обмотки крайне важно для линейности преобразования трансформатора тока, мало того – высокоомная нагрузка (или разрыв) во вторичной цепи является аварийным режимом, т. к. приводит к перенасыщению сердечника и появлению на выходе обмотки высокого напряжения.

Ток, протекающий через вторичную цепь, направлен в противоположную сторону по отношению к току первичной обмотки и численно равен:

I₂ = - (I₁ - I_нам)/N,
где:
  • I₂ — ток во вторичной обмотке;
  • I₁ — ток в первичной обмотке;
  • I_нам — ток намагничивания;
  • N — число витков вторичной обмотки.

Параметр I_нам в формуле говорит о том, что первичный ток трансформируется во вторичную обмотку не полностью, а частично используется для намагничивания сердечника ТТ.
При этом в устоявшемся режиме (т. е. когда через первичную обмотку течёт только переменный ток) магнитные потоки, создаваемые токами пер­вич­ной и вторичной обмоток, имеют близкую величину и взаимно противоположные направления, компенсируя друг друга (Рис.2). В этом режиме намагничивающий магнитный поток Ф_нам невелик, а следовательно, бояться насыщения магнитопровода (при выборе замкнутого сердечника достаточной габаритной мощности) не стоит.



Рис.2 Распределение магнитных потоков в трансформаторе тока

Другое дело – переходные процессы, возникающие при: включении/выключении силовой линии, коммутационных скачках тока или КЗ в нагрузке. При чисто активной нагрузке ничего страшного не произойдёт, однако, учитывая тот факт, что большинство потребителей имеет комплексный характер импеданса, кривая вторичного тока (в моменты коммутации) приобретает апериодическую состав­ляю­щую, приводящую к смещению синусоиды тока относительно нуля (Рис.3).



Рис.3 Изменения тока вторичной цепи ТТ при коммутационных скачках

В связи с тем, что скорость изменения апериодической составляющей гораздо меньше скорости изменения переменной составляющей тока, она практически не трансформируется во вторичную цепь, и большая ее часть идет на насыщение сердечника. Это, в свою очередь, ухудшает трансформацию периодической составляющей во вторичную цепь и также повышает долю этого тока в токе намагничивания. Возникает так называемый эффект «подмагничивающего дей­ст­вия», обуславливающий появление в сердечнике остаточной магнитной индукции, которая сохраняется в нем в течение длительного времени.
Для борьбы с этим эффектом некоторые зарубежные производители используют в трансформаторах тока сердечники, имеющие немагнитные зазоры.

Трансформаторы тока могут работать как в цепях переменного тока, запитанных от сетевого источника (с частотой 50 Гц), так и в импульсных силовых устройствах, частота которых может находиться в диапазоне от десятков до сотен килогерц. В первом случае в качестве материала для изготовления сердечника выбирается электротехническая (трансформаторная) сталь, во втором случае – феррит с соответствующей частоте магнитной проницаемостью.
Надо отметить, что использование ферритовых колец (с μ>2000) для измерения тока в сети 220 В также имеет некоторое право на жизнь и описано в некоторых радиолюбительских разработках. При этом, скорее всего, потребуется некоторое увеличение количества витков как первичной обмотки (до 2...4), так и вторичной.