Трансформатор тока - Current transformer
А трансформатор тока (CT) является разновидностью трансформатор который используется для уменьшения или умножения переменный ток (AC). Он производит ток во вторичной обмотке, который пропорционален току в первичной обмотке.
Трансформаторы тока, наряду с трансформаторами напряжения или потенциала, измерительные трансформаторы. Измерительные трансформаторы масштабируют большие значения напряжения или тока до небольших стандартизованных значений, с которыми легко обращаться с измерительными приборами и защитные реле. Измерительные трансформаторы изолируют цепи измерения или защиты от высокого напряжения первичной системы. Трансформатор тока обеспечивает вторичный ток, который точно пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке. Трансформатор тока представляет незначительную нагрузку на первичную цепь.[1]
Трансформаторы тока являются устройствами измерения тока в энергосистеме и используются на генерирующих станциях, электрических подстанциях, а также в промышленных и коммерческих системах распределения электроэнергии.
Функция
Трансформатор тока имеет первичную обмотку, сердечник и вторичную обмотку, хотя в некоторых трансформаторах, включая трансформаторы тока, используется воздушный сердечник. Хотя физические принципы одинаковы, детали трансформатора «тока» по сравнению с трансформатором «напряжения» будут отличаться из-за различных требований приложения. Трансформатор тока предназначен для поддержания точного соотношения между токами в первичной и вторичной цепях в определенном диапазоне.
В переменный ток в первичной производит переменный магнитное поле в сердечнике, который затем индуцирует переменный ток во вторичной обмотке. Первичный контур практически не зависит от вставки трансформатора тока. Для точных трансформаторов тока необходима тесная связь между первичной и вторичной обмотками, чтобы гарантировать, что вторичный ток пропорционален первичному току в широком диапазоне токов. Ток во вторичной обмотке - это ток в первичной обмотке (при условии, что первичная обмотка имеет один виток), деленное на количество витков вторичной обмотки. На рисунке справа «I» - это ток в первичной обмотке, «B» - магнитное поле, «N» - количество витков на вторичной обмотке, а «A» - амперметр переменного тока.
Трансформаторы тока обычно состоят из кремнистая сталь кольцевой сердечник, намотанный множеством витков медной проволоки, как показано на рисунке справа. Проводник, по которому проходит первичный ток, пропускается через кольцо. Таким образом, первичная обмотка трансформатора тока состоит из одного витка. Первичная «обмотка» может быть постоянной частью трансформатора тока, то есть тяжелой медной шиной, по которой ток проходит через сердечник. Также распространены оконные трансформаторы тока, в которых кабели цепи могут проходить через середину отверстия в сердечнике, чтобы обеспечить одновитковую первичную обмотку. Для обеспечения точности первичный провод должен быть отцентрирован в апертуре.
ТТ определяются их текущим соотношением от первичной к вторичной. Номинальный вторичный ток обычно составляет 1 или 5 ампер. Например, вторичная обмотка ТТ 4000: 5 будет обеспечивать выходной ток 5 ампер, когда ток первичной обмотки составляет 4000 ампер. Это соотношение также можно использовать для определения импеданса или напряжения на одной стороне трансформатора, учитывая соответствующее значение на другой стороне. Для ТТ 4000: 5 вторичный импеданс можно найти как ZS = NZп = 800Zп, а вторичное напряжение можно найти как VS = NVп = 800 Вп. В некоторых случаях вторичный импеданс равен сослался к первичной стороне и находится как ZS′ = N2Zп. Обращение к импедансу выполняется простым умножением начального значения вторичного импеданса на коэффициент тока. Вторичная обмотка трансформатора тока может иметь отводы для обеспечения диапазона соотношений, пять отводов являются общими.[1]
Формы и размеры трансформаторов тока различаются в зависимости от конечного пользователя или производителя коммутационного оборудования. Измерительные трансформаторы тока с одинарным коэффициентом низкого напряжения имеют кольцевой или пластиковый корпус.
Трансформаторы тока с разъемным сердечником имеют либо сердечник, состоящий из двух частей, либо сердечник со съемной частью. Это позволяет размещать трансформатор вокруг проводника без предварительного его отключения. Трансформаторы тока с разъемным сердечником обычно используются в слаботочных измерительных приборах, часто переносных, работающих от батарей и переносных (см. Рисунок внизу справа).
Использовать
Трансформаторы тока широко используются для измерения тока и контроля работы Энергосистема. Наряду с выводами напряжения, коммерческие трансформаторы тока управляют энергосистемой. счетчик ватт-часов на многих крупных коммерческих и промышленных предприятиях.
Трансформаторы тока высокого напряжения монтируются на фарфоровых или полимерных изоляторах, чтобы изолировать их от земли. Некоторые конфигурации трансформатора тока скользят вокруг проходного изолятора высоковольтного трансформатора или автоматический выключатель, который автоматически центрирует проводник внутри окна CT.
Трансформаторы тока могут быть установлены на выводах низкого или высокого напряжения силового трансформатора. Иногда часть шины может быть удалена для замены трансформатора тока.
Часто несколько трансформаторов тока устанавливаются в виде «стека» для различных целей. Например, устройства защиты и коммерческое измерение могут использовать отдельные трансформаторы тока для обеспечения изоляции между цепями измерения и защиты и позволяют использовать трансформаторы тока с различными характеристиками (точность, характеристики перегрузки) для устройств.
Импеданс нагрузки (нагрузки) не должен превышать указанное максимальное значение, чтобы вторичное напряжение не превысило пределы для трансформатора тока. Номинальный ток первичной обмотки трансформатора тока не должен быть превышен, иначе сердечник может войти в нелинейную область и в конечном итоге насыщать. Это может происходить ближе к концу первой половины каждой половины (положительной и отрицательной) синусоидального сигнала переменного тока в первичной обмотке и может снизить точность.[1]
Безопасность
Трансформаторы тока часто используются для контроля больших токов или токов при высоких напряжениях. Технические стандарты и методы проектирования используются для обеспечения безопасности установок, использующих трансформаторы тока.
Вторичная обмотка трансформатора тока не должна отключаться от нагрузки, пока ток находится в первичной обмотке, так как вторичная обмотка будет пытаться продолжать управлять током до эффективного бесконечного сопротивление вплоть до напряжения пробоя изоляции, что снижает безопасность оператора. Для некоторых трансформаторов тока это напряжение может достигать нескольких киловольт и вызывать дуга. Превышение вторичного напряжения также может снизить точность трансформатора или вывести его из строя. Включение трансформатора тока с разомкнутой вторичной обмоткой эквивалентно включению трансформатора напряжения (нормального типа) с короткозамкнутой вторичной обмоткой. В первом случае вторичная обмотка пытается произвести бесконечное напряжение, а во втором случае вторичная обмотка пытается произвести бесконечный ток. Оба сценария могут быть опасными и повредить трансформатор.[1]
Точность
На точность КТ влияет ряд факторов, в том числе:
- Бремя
- Класс нагрузки / класс насыщения
- Фактор рейтинга
- Загрузить
- Внешний электромагнитные поля
- Температура
- Физическая конфигурация
- Выбранный ответвитель для ТТ с несколькими коэффициентами
- Изменение фазы
- Емкостная связь между первичной и вторичной обмотками
- Сопротивление первичного и вторичного
- Ток намагничивания сердечника
Классы точности для различных типов измерений и при стандартных нагрузках во вторичной цепи (нагрузки) определены в МЭК 61869-1 как классы 0,1, 0,2 с, 0,2, 0,5, 0,5 с, 1 и 3. Обозначение класса является приблизительной мерой. точности КТ. Погрешность отношения (первичного к вторичному току) ТТ класса 1 составляет 1% при номинальном токе; погрешность отношения ТТ класса 0,5 составляет 0,5% или меньше. Ошибки по фазе также важны, особенно в схемах измерения мощности. Каждый класс имеет допустимую максимальную фазовую ошибку для указанного импеданса нагрузки. [1]
Трансформаторы тока, используемые для защитных реле, также имеют требования к точности при токах перегрузки, превышающих номинальные, чтобы гарантировать точную работу реле при сбоях в системе. Для трансформатора тока с номиналом 2,5L400 выходной ток вторичной обмотки в двадцать раз превышает номинальный вторичный ток (обычно 5 А × 20 = 100 А) и 400 В (падение IZ) его выходная точность будет в пределах 2,5%.
Бремя
Вторичная нагрузка трансформатора тока называется «нагрузкой», чтобы отличить ее от первичной нагрузки.
Нагрузка при измерении ТТ электрическая сеть в значительной степени резистивный сопротивление представлена его вторичная обмотка. Типичная нагрузка для трансформаторов тока IEC составляет 1,5.VA, 3 ВА, 5 ВА, 10 ВА, 15 ВА, 20 ВА, 30 ВА, 45 ВА и 60 ВА. Рейтинги нагрузки ANSI / IEEE: B-0.1, B-0.2, B-0.5, B-1.0, B-2.0 и B-4.0. Это означает, что ТТ с номинальной нагрузкой B-0,2 будет поддерживать заявленную точность с точностью до 0,2Ω на вторичном контуре. На этих диаграммах характеристик показаны параллелограммы точности на сетке, включающие шкалы погрешности амплитуды и угла сдвига фаз при номинальной нагрузке трансформатора тока. Элементы, которые увеличивают нагрузку на схему измерения тока, - это блоки переключателей, счетчики и промежуточные устройства. проводники. Наиболее частой причиной избыточного импеданса нагрузки является провод между метр и КТ. Когда счетчики подстанции расположены далеко от шкафов счетчиков, чрезмерная длина кабеля создает большое сопротивление. Эту проблему можно уменьшить, используя более толстые кабели и трансформаторы тока с более низкими вторичными токами (1 А), что приведет к меньшему падению напряжения между трансформатором тока и его измерительными устройствами. [1]
Напряжение насыщения сердечника в точке колена
В напряжение в точке перегиба трансформатора тока - величина вторичного напряжения, выше которой выходной ток перестает линейно следовать за входным током с заявленной точностью. При испытании, если на вторичные клеммы подается напряжение, ток намагничивания будет увеличиваться пропорционально приложенному напряжению, пока не будет достигнута точка перегиба. Точка перегиба определяется как напряжение, при котором увеличение приложенного напряжения на 10% увеличивает ток намагничивания на 50%.[2] Для напряжений, превышающих точку перегиба, ток намагничивания значительно увеличивается даже при небольших приращениях напряжения на клеммах вторичной обмотки. Напряжение точки перегиба в меньшей степени применимо для измерения трансформаторов тока, поскольку их точность обычно намного выше, но ограничена в очень небольшом диапазоне номинальных значений трансформатора тока, обычно в 1,2–1,5 раза превышающем номинальный ток. Однако концепция напряжения в точке перегиба очень уместна для трансформаторов тока защиты, поскольку они обязательно подвергаются токам короткого замыкания, в 20-30 раз превышающим номинальный ток.[3]
Сдвиг фазы
В идеале первичный и вторичный токи трансформатора тока должны быть синфазными. На практике это невозможно, но при нормальных частотах мощности фазовые сдвиги достижимы несколько десятых градуса, тогда как более простые трансформаторы тока могут иметь фазовый сдвиг до шести градусов.[4] Для измерения тока фазовый сдвиг не имеет значения, поскольку амперметры отображать только величину тока. Однако в ваттметры, счетчики энергии, и фактор силы метров, сдвиг фазы вызывает ошибки. Для измерения мощности и энергии ошибки считаются незначительными при единичном коэффициенте мощности, но становятся более значительными, когда коэффициент мощности приближается к нулю. При нулевом коэффициенте мощности любая указанная мощность полностью связана с фазовой ошибкой трансформатора тока.[4] Введение электронных счетчиков мощности и энергии позволило откалибровать погрешность фазы тока.[5]
строительство
Трансформаторы тока стержневого типа имеют клеммы для подключения источника и нагрузки первичной цепи, а корпус трансформатора тока обеспечивает изоляцию между первичной цепью и землей. Благодаря использованию масляной изоляции и фарфоровых вводов такие трансформаторы могут применяться при самых высоких напряжениях передачи.[1]
Трансформаторы тока кольцевого типа устанавливаются над шиной или изолированным кабелем и имеют только низкий уровень изоляции на вторичной обмотке. Для получения нестандартных соотношений или для других специальных целей через кольцо можно пропустить более одного витка первичного кабеля. Если в оболочке кабеля имеется металлический экран, он должен быть заделан так, чтобы ток сетевой оболочки не проходил через кольцо, чтобы обеспечить точность. Трансформаторы тока, используемые для измерения токов замыкания на землю (нулевой последовательности), например, в трехфазной установке, могут иметь три первичных проводника, пропущенных через кольцо. Только чистый несимметричный ток производит вторичный ток - его можно использовать для обнаружения короткого замыкания между проводником под напряжением и землей. В кольцевых трансформаторах обычно используются системы сухой изоляции с кожухом из твердой резины или пластика поверх вторичных обмоток.
Для временных подключений трансформатор тока с разъемным кольцом можно надеть на кабель, не отключая его. Этот тип имеет многослойный железный сердечник с шарнирной секцией, которая позволяет устанавливать его поверх кабеля; сердечник связывает магнитный поток, создаваемый однооборотной первичной обмоткой, с намотанной вторичной обмоткой с множеством витков. Поскольку зазоры в навесном сегменте вносят неточность, такие устройства обычно не используются для коммерческого учета.
Трансформаторы тока, особенно те, которые предназначены для обслуживания подстанций высокого напряжения, могут иметь несколько ответвлений на вторичных обмотках, что обеспечивает несколько передаточных отношений в одном устройстве. Это может быть сделано для уменьшения количества запасных частей или увеличения нагрузки на установку. Трансформатор тока высокого напряжения может иметь несколько вторичных обмоток с одной и той же первичной обмоткой, что позволяет использовать отдельные схемы измерения и защиты или для подключения к разным типам защитных устройств. Например, одна вторичная обмотка может использоваться для максимальной токовой защиты ответвления, в то время как вторая обмотка может использоваться в схеме дифференциальной защиты шины, а третья обмотка - для измерения мощности и тока.[1]
Особые типы
Специально построенный широкополосный трансформаторы тока также используются (обычно с осциллограф ) измерять формы волны из высокая частота или импульсные токи внутри импульсная мощность системы. В отличие от трансформаторов тока, используемых для силовых цепей, широкополосные трансформаторы тока рассчитаны на выходное напряжение на ампер первичного тока.
Если нагрузочное сопротивление намного меньше индуктивного импеданса вторичной обмотки на частоте измерения, то ток во вторичной обмотке отслеживает первичный ток, и трансформатор обеспечивает выходной ток, пропорциональный измеренному току. С другой стороны, если это условие не выполняется, то трансформатор является индуктивным и дает дифференциальный выход. В Пояс Роговского использует этот эффект и требует внешнего интегратор чтобы обеспечить выходное напряжение, пропорциональное измеренному току.
Стандарты
В конечном итоге, в зависимости от требований клиента, существует два основных стандарта, по которым проектируются трансформаторы тока. IEC 61869-1 (в прошлом IEC 60044-1) и IEEE C57.13 (ANSI), хотя канадские и австралийские стандарты также признаются.[1][6]
Типы высокого напряжения
Трансформаторы тока используются для защиты, измерения и контроля в высоковольтных электрических сетях. подстанции и электрическая сеть. Трансформаторы тока могут быть установлены внутри распределительного устройства или в вводы аппаратов, но очень часто используются отдельно стоящие трансформаторы тока наружной установки. На подстанции, живой танк Трансформаторы тока имеют значительную часть корпуса, находящегося под напряжением сети, и должны быть установлены на изоляторах. Мертвый танк Трансформаторы тока изолируют измеряемую цепь от корпуса. ТТ резервуара под напряжением полезны, потому что первичный проводник короткий, что обеспечивает лучшую стабильность и более высокий номинальный ток короткого замыкания. Первичная обмотка может быть равномерно распределена по магнитному сердечнику, что обеспечивает лучшую производительность при перегрузках и переходных процессах. Поскольку основная изоляция трансформатора тока с трансформатором тока под напряжением не подвергается воздействию тепла первичных проводов, срок службы изоляции и термическая стабильность повышаются.[1]
Трансформатор тока высокого напряжения может содержать несколько сердечников, каждый со вторичной обмоткой, для различных целей (например, для измерительных цепей, управления или защиты).[7] Трансформатор тока нейтрали используется в качестве защиты от замыкания на землю для измерения любого тока короткого замыкания, протекающего через нейтральную линию от нейтральной точки звезды трансформатора.
Смотрите также
использованная литература
- Коварство, А .; Патерсон, В. (1977). Электроэнергетические системы, Том первый. Пергамон. п. 331. ISBN 0-08-021729-X.
- ^ а б c d е ж г час я j Дональд Г. Финк, Х. Уэйн Битти (редактор), Стандартное руководство для инженеров-электриков, одиннадцатое издание, Mc-Graw Hill, 1978, 0-07-020974-X, стр. 10-51 - 10-57.
- ^ «IEC 60050 - Международный электротехнический словарь - Подробная информация для IEV № 321-02-34:» напряжение в точке перегиба"". www.electropedia.org. Получено 2018-07-12.
- ^ Анон, Руководство по применению защитных реле, второе изданиеThe General Electric Company Limited of England, 1975 Раздел 5.3.
- ^ а б «Ошибки измерения из-за фазового сдвига трансформатора тока - континентальные системы управления». ctlsys.com. Получено 2017-09-21.
- ^ «Коррекция фазового угла CT - Континентальные системы управления». ctlsys.com. Получено 2017-09-21.
- ^ «IEC 61869-9: 2016 | Интернет-магазин IEC | LVDC». webstore.iec.ch. Получено 2018-07-12.
- ^ Руководство по применению защитных реле(The General Electric Company Limited of England, 1975), страницы 78-87.