Как рассчитать трансформатор тока

Простой расчет трансформаторов тока и датчиков тока для схем защиты ИИП

Трансформаторы тока используются в схемах защиты силовых ключей от перегрузки по току в импульсных источниках питания (ИИП). Еще одним фактором применения трансформатора тока в ИИП является необходимость потенциальной развязки цепей схемы управления ИИП и цепей силовой части. Поэтому их расчет является актуальным при создании ИИП.

В данной статье мы рассмотрим детально простой расчет трансформаторов тока одно и двухтактных ИИП.

Расчет однотактного трансформатора тока.

Исходные данные.

Амплитуда тока силового ключа I_{кл_max}=3 А .

Напряжение срабатывания защиты схемы управления U_защ=1 В .

Максимальная длительность импульса t_{имп.макс.}=25 мксек .

Минимальная длительность импульса t_{имп.мин.}=10 мксек .

Частота переключения f_п=20 кГц .

Рисунок 1. Предлагаемое решение получения сигнала для схемы защиты верхнего силового ключа с помощью трансформатора тока в ШИМ регуляторе тока нагрузки.

Решение включает в себя трансформатор тока Т1, датчик тока — резистор R2, фильтр низких частот – резистор R1 и конденсатор C1.

Данное решение применимо для так же и для понижающего ИИП.

Расчет.

Для нормальной работы защиты схемы управления и исключения ложных срабатываний сигнал, подаваемый на вход защиты должен быть уменьшен на 25-30%. Таким образом рабочее напряжение на датчике тока R2 должно быть: U_дт=U_защ-30%=0,7 В .

Для расчета трансформатора тока необходимо задаться коэффициентом трансформации. Рекомендации по выбору коэффициента трансформации основаны на уменьшении тока вторичной обмотки до десятков или сотен миллиампер. Оптимальным является диапазон 50÷100 mА. В нашем случае примем ток вторичной обмотки I_{w2_max}=100 mA. Тогда коэффициент трансформации K_тр= ( I_{кл_max})/(I_{w2_max})= 3/0,1=30 . Обычно у трансформаторов тока первичная обмотка делается одним витком. Тогда число витков вторичной обмотки w2= K_тр*w1=30*1=30 витков . Рассчитаем сопротивление датчика тока R2= ( U_дт)/(I_{w2_max} )= 0,7/0,1=7 Ом . Выберем в соответствии с рядом сопротивлений Е24, R2=7,5 Ом. Тогда рабочее напряжение датчика тока и рабочее напряжение на входе схемы защиты U_дт= I_{w2_max}*R2=0,1*7,5=0,75 В . Это значение соответствует условиям рекомендаций.

Расчет мощности выделяемой на резисторе R2 произведем по формуле P_R2=( I_{w2_rms}) 2 *R2 .

В нашем случае для прямоугольной формы тока I_{w2_rms}=I_{w2_max}*√((t_{имп.макс.})/T) .

Где T= 1/f_п = 1/20000=0,00005=50*10 -6 ,сек. — период частоты переключения.

Следовательно P_R2= 0,0707 2 *7,5=0,0375 Вт . Мощность выделяемая на резисторе R2 имеет низкое значение.

Для выбора сердечника трансформатора тока руководствуемся следующими рекомендациями.

Для высокочастотных (десятки-сотни кГц) ИИП в качестве материала сердечника применяются в основном ферриты. Тип сердечника может быть любой, но предпочтение отдается кольцевым сердечникам. Кольцевой сердечник легко можно одеть на силовой провод или на вывод компонента ИИП. Например, в блоках питания персональных компьютеров часто встречается такое конструктивное решение. Трансформатор тока там установлен на выводе разделительного конденсатора.

Провод, напрямую пропущенный сквозь кольцо, представляет собой 1 виток.

Определяем требуемое сечение сердечника по формуле S_ст= (U_дт*t_{имп.макс}.)/(w2*dB) мм 2 .

S_ст – сечение сердечника в квадратных миллиметрах.

U_дт – рабочее напряжение на датчике тока, вольт.

t_{имп.макс.} – максимальная длительность импульса в микросекундах.

w2 — число витков вторичной обмотки, витков.

dB – перепад магнитной индукции за время импульса, Тесла.

Рекомендация по выбору dB.

Для однотактных применений dB не должно превышать значения 0,05 Тл. Иначе сердечник может войти в насыщение и форма импульса на датчике тока будет далека от реальной.

Выбираем сердечник из феррита марки 2000НМ1 типоразмер К16×10×4,5 с сечением сердечника S_ст=13,5 мм 2 . Сечение выбранного сердечника должно быть обязательно больше расчетного.

Выбор сердечника обязательно должен учитывать способ крепления трансформатора тока. Например, если трансформатор тока крепится винтом, то внутренний диаметр сердечника должен позволить поместить обмотки, винт, изоляцию. При таком способе крепления винт можно использовать в качестве витка первичной обмотки.

Фильтр низких частот R1 – C2 предназначен для фильтрования высокочастотных помех, неизбежно появляющихся при переключении силового ключа.

Рекомендация по выбору: постоянная времени фильтра должна быть гораздо меньше минимальной длительности импульса τ=R1*C2≪ t_{имп.мин.} . Делается это для того чтобы избежать искажения формы импульса. Примем τ=(1/20)*t_{имп.мин.}= (1/20)*10*10 -6 =0,5 мксек .

Зададимся значением емкости конденсатора из ряда Е24, С2=470 pF . Тогда R1= τ/C2= (0,5*10 -6 )/(470*10 -12 )=1064 Ом . Выбираем значение резистора R1 из ряда Е24 1,1 кОм.

Еще одной из главных причин применения трансформаторов тока является выделение большой мощности на датчике тока при бес трансформаторной схеме. В сильноточных ИИП применение в качестве датчика тока просто резистора приводит к выделению мощности на нем в несколько ватт.

В качестве примера рассмотрим случай, когда ток ключа составляет 10 А и в качестве датчика тока применяется просто резистор. Остальные исходные данные такие же, как в нашем расчете приведенном выше. Тогда для обеспечения U_дт=0,7 В датчик тока должен иметь сопротивление

Тогда I_{кл_rms}=I_{кл_max}*√(t_{имп.мкса.}/T)=10*√(25*10 -6 )/(50*10 -6 )=7,07 А .

Мощность выделяемая на датчике тока составит P_{R_дт} = (7,07 2 )*0,07=3,5 Вт.

Для надежной работы ИИП придётся установить резистор мощностью не менее 5 ватт. Применение в этом случае трансформатора тока приведет к сокращению мощности выделяемой на датчике тока в десятки раз.

Расчет окончен.

Моделирование работы однотактного трансформатора тока в программе Multisim.

Рисунок 2 . Модель ключа с трансформатором тока.

Как видно из скриншота, Пробник 1 (подключен к нагрузке) показывает амплитуду тока через нагрузку 3,01 А. Пробник 2 (подключен к датчику тока) показывает амплитудное значение тока через датчик тока 100 mА. Действующее значение тока 70,8 mА. Амплитуда напряжения на датчике тока 751 mВ. Частота 20 кГц. Ваттметр, подключенный к датчику тока, показывает мощность 37,4 милливатт. Все значения подтверждают расчет.

Рисунок 3. Осциллограммы напряжения на датчике тока и конденсаторе фильтра.

Как видно из осциллограмм амплитуда напряжения на датчике тока составляет 751 mВ и соответствует расчету. Осциллограмма напряжения на конденсаторе фильтра показывает небольшие завалы фронта и спада импульса, обусловленные зарядом и разрядом емкости фильтра. При этом существенных изменений формы импульса не наблюдается, а амплитуда импульса остается неизменной. Окончательное решение по значениям резистора и конденсатора фильтра принимается при настройке ИИП.

ВАЖНО! При установке трансформатора тока в однотактных ИИП необходимо соблюдать фазировку обмоток! Иначе импульс напряжения на датчике тока будет иметь минусовую полярность, и схема защиты работать не будет.

Расчет двухтактного трансформатора тока.

Исходные данные.

Максимальный ток силовых ключей I_{кл_max}=2 А .

Напряжение срабатывания схемы защиты U_защ=1 В .

Максимальная длительность импульса t_{имп.макс.}=10 мксек .

Минимальная длительность импульса t_{имп.мин.}=5 мксек .

Частота переключения f_п=40 кГц .

Рисунок 4. Предлагаемое решение получения сигнала для схемы защиты силовых ключей с помощью трансформатора тока в полу мостовом ИИП.

Решение включает в себя трансформатор тока Т1, датчик тока — резистор R1, выпрямитель VD3 – VD6, регулировочный резистор R3, фильтр низких частот – резистор R2 и конденсатор C4.

Расчет.

Поскольку в схеме применен регулировочный резистор R3, для обеспечения входного сигнала схемы защиты на уровне 0,75 В при 50% регулировке R3, напряжение подаваемое на R3 должно быть равным U_R3=1,5 В .

Рабочее напряжение на датчике тока должно учитывать падение напряжения на двух диодах выпрямителя. Для быстродействующих импульсных диодов падение напряжения в открытом состоянии при малых токах составляет около 0,7 В.

Примем ток вторичной обмотки I_{w2_max}=100 mA. Тогда коэффициент трансформации K_тр= I_{кл_max}/I_{w2_max} = 2/0,1=20 . Тогда число витков вторичной обмотки w2= K_тр*w1=20*1=20 витков . Рассчитаем сопротивление датчика тока R1= U_дт/I_{w2_max} = 2,9/0,1=29 Ом . Выберем в соответствии с рядом сопротивлений Е24, R1=30 Ом.

Расчет мощности выделяемой на резисторе R1 произведем по формуле P_R1= (I_{w2_rms}) 2 *R1 . В нашем случае для прямоугольной формы тока I_{w2_rms}=I_{w2_max}*√((2*t_{имп.макс.})/T) . Где T= 1/f_п = 1/40000=0,000025=25*10 -6 ,сек. — период частоты переключения.

Тогда I_{w2_rms}=I_{w2_max}*√((2*t_{имп.макс.})/T)=0,1*√(2*10*10 -6 )/(25*10 -6 )=0,089 А . Следовательно P_R1= 0,089 2 *30=0,24 Вт . Мощность выделяемая на резисторе R1 имеет низкое значение. Для нормальной работы необходимо выбрать резистор с мощностью рассеяния не менее 0,5 Вт.

Определяем требуемое сечение сердечника.

Рекомендация по выбору dB.

У феррита марки 2000НМ1 значение магнитной индукции насыщения составляет 0,34 Тл. Максимальное рабочее значение магнитной индукции составляет 0,31 Тл. Однако при таком значении индукции и высокой частоте переключения потери в сердечнике значительны. Производители ферритов нормируют значение потерь при максимальной индукции 0,2 Тл и частоте 16 кГц. При этом считается, что потери в сердечнике приемлемы и не вызывают сильного перегрева сердечника. Поскольку у нас частота переключения составляет 40 кГц, необходимо максимальное рабочее значение индукции снизить еще. Поэтому выбираем максимальное рабочее значение магнитной индукции

В_макс=0,1 Тл. Тогда dB=2*В_макс=2*0,1=0,2 Тл .

Выбираем сердечник из феррита марки 2000НМ1 типоразмер К10×6×4,5 с сечением сердечника S_ст=9 мм 2 . Конструктивно трансформатор тока располагаем на печатной плате, причем один из выводов разделительного конденсатора проходит через окно сердечника и является витком первичной обмотки. Количество витков вторичной обмотки не велико и позволит разместить обмотку в один слой. Исходя из вышеизложенного типоразмер сердечника не изменяем.

Регулировочный резистор R3 позволит произвести настройку порога срабатывания. Номинал резистора R3 должен быть много больше номинала резистора датчика тока. Это необходимо для исключения влияния сопротивления резистора R3 на формирование падение напряжения на датчике тока R1. Поэтому выбираем номинал резистора R3 – 1 кОм, что много больше номинала R1.

Примем τ=(1/20)*t_{имп.мин.}= ( 1/20)*5*10 -6 =0,25 мксек . Зададимся значением емкости конденсатора из ряда Е24, С4=240 pF . Тогда

R1= τ/C2= (0,25*10 -6 )/(240*10 -12 )=1041 Ом . Но! Поскольку мы ведем расчет на 50% движка резистора R3, значит, резистор R3 будет оказывать влияние на заряд конденсатора C2. При 50% установке движка соответственно это 500 Ом. Тогда значение сопротивления резистора

R1 = 1041 – 500 = 541 Ом. Выбираем значение резистора R1=510 Ом.

Фазировку обмоток при установке трансформатора тока в двухтактных ИИП соблюдать нет необходимости.

Моделирование работы двухтактного трансформатора тока в программе Multisim.

Рисунок 5 . Модель полумостового ИИП с трансформатором тока.

Как видно из скриншота, Пробник 1 (подключен к коллектору верхнего транзистора) показывает амплитуду тока через ключ 2,02 А. Ваттметр, подключенный к датчику тока, показывает мощность 236 милливатт. Эти значения соответствуют исходным данным и расчету.

Рисунок 6 . Осциллограммы напряжения на датчике тока.

Как видно из осциллограммы амплитуда напряжения на датчике тока составляет 3,049 В и соответствует расчету. Небольшое падение амплитуды напряжения на датчике тока к концу импульса обусловлено частичным зарядом разделительного конденсатора.

Рисунок 7 . Осциллограммы напряжения на регулировочном резисторе и конденсаторе фильтра.

Осциллограмма напряжения на регулировочном резисторе полностью повторяет форму тока обеих ключей. Амплитуда напряжения на регулировочном резисторе составляет 1,657 В. Это значение немного выше расчетного в 1,5 В. Амплитуда напряжения на конденсаторе фильтра составляет 788 mВ, что очень близко к расчету. Осциллограмма напряжения на конденсаторе фильтра показывает небольшие завалы фронта и спада импульса, обусловленные зарядом и разрядом емкости фильтра. При этом существенных изменений формы импульса не наблюдается, а амплитуда импульса остается неизменной. Окончательное решение по значениям резистора и конденсатора фильтра принимается при настройке ИИП.

Существует еще одно схемное решение получения сигнала для схемы защиты силовых ключей с помощью трансформатора тока в двухтактном ИИП. Оно связано с применением выпрямителя со средней точкой. Для этого вторичную обмотку трансформатора тока необходимо намотать со средней точкой. Этот прием сократит количество диодов до двух.

Рисунок 8. Предлагаемое решение получения сигнала для схемы защиты силовых ключей с помощью трансформатора тока со средней точкой в полу мостовом ИИП.

В этом случае меняется расчет датчика тока.

Резистор датчика тока R1 в схеме трансформатора тока со средней точкой подключен параллельно двум последовательно соединенным полу обмоткам. Тогда напряжение одной полу обмотки будет составлять половину падения напряжения на резисторе R1. После выпрямления получим амплитуду сигнала равную напряжению одной полу обмотки минус падение напряжения на диоде. Т.е. в половину меньше, чем требуется. Поскольку в схеме применен регулировочный резистор R3, для обеспечения входного сигнала схемы защиты на уровне 0,75 В при 50% регулировке R3, напряжение подаваемое на R3 должно быть равным U_R3=1,5 В .

Таким образом для получения требуемого уровня сигнала для схемы защиты напряжение на датчике тока должно быть равно

При токе вторичной обмотки 0,1 А, действующее значение тока вторичной обмотки составит 0,089 А. А мощность рассеиваемая на резисторе R1 равна P_R1=I_{w2_rms}*U_дт=0,089*4,4=0,392 Вт. Это достаточно много. Для уменьшения мощности рассеиваемой на резисторе R1, примем ток вторичной обмотки I_{w2_max}=50 mA. Тогда коэффициент трансформации K_тр= (I_{кл_max})/(I_{w2_max}) = 2/0,05=40 .

Тогда число витков вторичной обмотки w2= K_тр*w1=40*1=40 витков . Число витков одной полу обмотки соответственно – 20 витков. Т.е. обмотка состоит из двух полу обмоток 20 + 20 витков. Рассчитаем сопротивление датчика тока R1= U_дт/I_{w2_max} = 4,4/0,05=88 Ом . Выберем в соответствии с рядом сопротивлений Е24, R1=91 Ом.

Действующее значение тока I_{w2_rms}=I_{w2_max}*√((2*t_{имп.макс.})/T)=0,05*√(2*10*10 -6 )/(25*10 -6 )=0,045 А Мощность выделяемой на резисторе R1

P_R1= (I_{w2_rms}) 2 *R1=(0,045 2 )*91=0,184 Вт . Это вполне приемлемо.

Моделирование работы двухтактного трансформатора тока со средней точкой в программе Multisim .

Моделирование проведем по упрощенной схеме.

Рисунок 9. Модель с трансформатором тока со средней точкой.

Полумостовой ИИП заменен на биполярный источник тока с амплитудой 2 ампера.

Ваттметр, подключенный к датчику тока, показывает мощность 179 милливатт. Это значение очень близко к расчетному.

Рисунок 10 . Осциллограммы напряжения на датчике тока.

Как видно из осциллограммы амплитуда напряжения на датчике тока составляет 4,51 В и соответствует расчету.

Рисунок 11 . Осциллограммы напряжения на регулировочном резисторе и конденсаторе фильтра.

Амплитуда напряжения на регулировочном резисторе составляет 1,607 В. Это значение чуть выше расчетного в 1,5 В. Осциллограмма напряжения на конденсаторе фильтра показывает небольшие завалы фронта и спада импульса, обусловленные зарядом и разрядом емкости фильтра. При этом существенных изменений формы импульса не наблюдается, а амплитуда импульса остается неизменной. Амплитуда напряжения на конденсаторе фильтра при 50% повороте движка R3 составляет 0,803 В. Это чуть выше расчетного значения. Окончательное решение по значениям резистора и конденсатора фильтра принимается при настройке ИИП.

SERGR Опубликована: 16.02.2021 0 2
Вознаградить Я собрал 0 2

Советы профессионалов, как выбрать и рассчитать трансформатор тока

Трансформатор тока

Вопрос-ответ

Номинальная работа релейной аппаратуры, модулей управления, измерительных приборов в силовых цепях энергетических установок обеспечивается с помощью трансформаторов тока. Выбор такого оборудования зависит от многих параметров и значений, помочь познакомится с которыми, осветить общие принципы действия, призвана данная статья.

Описание и принцип действия

Трансформатор тока – электромагнитное преобразовательное устройство, конструктивно, состоящее из:

цельный магнитопровод;
две обмотки, обязательно изолированные между собой и от земли (первичная и вторичная);
пластиковый запаянный неразборный корпус;
контактные клеммы для подключения прибора для измерений;
крепежные элементы для монтажа прибора;
табличка на корпусе, бумажный паспорт.

Обмотки преобразователя делятся между собой на первичную и вторичную, включаются в энергетическую цепь строго по определенным правилам.

Первичная обмотка подключается к электрической цепи последовательно (рассекая токопровод). Вторичная обмотка замкнута на определенную нагрузку измерительных элементов, релейной аппаратуры и автоматики. Она пропускает через себя величину тока, которая пропорциональна токовому значению первичной обмотки.

Принцип действия любого из них основан на законе электромагнитной индукции, действующий в равной степени в электрических и магнитных полях электрических машин и механизмов.

Его суть – преобразование величины тока, протекающего через силовую цепь энергетической установки, к которой подключается первичная обмотка трансформатора тока с определенным количеством витков, во вторичное пониженное значение тока, соблюдая при этом пропорциональность значения.

Эта пропорциональная величина электротока на выходных клеммах вторичной обмотки трансформатора необходима для нормальной работы измерительной, релейной аппаратуры, приборов учета электроэнергии в системах силовых энергетических установках до и выше 1000 вольт.

Прослеживается прямая зависимость номинальной работы всех измерительных систем, приборов контроля и управления от правильного выбора трансформаторов тока.

Классификация

Преобразователи, кроме описанных выше направлений функционирования, принято классифицировать по основным признакам, знание которых необходимо для их правильного выбора в различных силовых электроустановках.

Последовательные трансформаторы принято классифицировать по:

По роду установки

Класс измерительных токовых устройств делится на несколько вариантов общего или специального назначения:

Переносные – трансформаторы специального назначения, применяемые для контрольных измерений или испытаний в мобильных электротехнических лабораториях;
Накладные – устройства преобразования специального назначения, использующиеся на высоковольтных установках, наложением сверху проходных изоляторов цепей силового трансформатора сети;

Встроенные – измерительные трансформаторы специального типа, применяемые внутри различных электрических аппаратов и машин для преобразования величин внутренней цепи оборудования;
Внутренней установки – электротехнические устройства общего назначения применяемые на высоковольтных распределительных электросистемах, или силовых цепях низкого напряжение (400В);
Наружной установки – приборы преобразования общего назначения, применяемые открытых распределительных сетях высокого напряжения (свыше 1000В).

Точное определение оборудования на участке цепи, к которым будут подключены последовательные преобразователи становится одним из важных критериев их выбора.

По способу установки

Видовые различия корпусов последовательных трансформаторов электрической сети разделяет их по классу монтажа на:

Проходные – играют роль проходного изолятора сквозь определенное препятствие в системе электроустановки. Выводы первичных обмоток у них всегда расположен сверху, другой снизу;
Опорные – конструктивно имеют расположение всех первичных выводов на одной стороне. Их установка производится всегда на ровную опорную поверхность.

Правильное определение типа монтажа измерительного прибора для преобразования тока не допустит ошибок дальнейшего проектирования новой энергетической системы или ремонте уже созданной установки.

По типу изоляции

Группы измерительных приборов преобразования имеют различия в составе материала изоляции своих обмоток и корпуса, делятся на несколько основных:

Твердая – тип сухой изоляцией в виде фарфора, бакелита и подобных материалов;
Вязкая – изоляция, полученная путем заливки различным компаундом.
Смешанная – использование в виде изолирующего материала бумажно-масляных элементов;
Газовая – изолирование первичной от вторичной обмотки проводится воздушным зазором.

Изоляционный материал оборудования выбирается от типа электроустановок, где они применяются. Он зависит и от величины номинального напряжения на участке установки приборов, климатических условий, где будет эксплуатироваться распределительное устройство и других факторов.

По количеству ступеней трансформации

Трансформаторы делятся на два основных типа в этом разрезе классификации:

Одноступенчатые – такие устройства имеют одну первичную и одну вторичную обмотку в устройстве, один неизменяемый коэффициент трансформации;
Многоступенчатые – электромагнитный аппараты каскадного вида, устройство которых содержит или возможность изменения числа витков первичной или вторичной обмотки, или содержит сразу несколько вторичных обмоток с дифферентом их числа витков. Эта конструкция позволяет иметь несколько коэффициентов трансформации в одном устройстве;

Первый класс трансформаторов наиболее распространен в применении энергетических установок общего назначения. Второй тип применяется в специализированных участках распределительных сетей по необходимости.

По количеству вторичных обмоток

Соответственно, исходя из количества ступеней трансформации приборы делятся на:

С одной вторичной обмоткой;
С двумя и более вторичными обмотками.

Основной вид трансформаторов в таком делении относит первые его вид к приборам общего назначения, второй к типу специального назначения.

По назначению

Основное назначение этого электромагнитного прибора – трансформация тока из одной величины в другую. Существует два основных направления, использования трансформаторов:

Для измерений – передача измерительных параметров приборам, показания которых снимает персонал электроустановки с целью анализа работы энергетических установок высокого напряжения (>1000В). Первичная обмотка трансформатора тока включается в разрыв энергетической цепи, а к его вторичной обмотке подключается требуемый измерительный прибор, типа амперметра, обмоток ваттметров или счетчиков учета электроэнергии. Их монтаж производится в энергетических установках, где невозможно прямое подключение измерительной аппаратуры, обмоток электросчетчиков напрямую, но необходимо при этом их нормальное функционирование.
Для защиты – передача измерительной информации устройствам защиты, или любым модулям управления энергетической системы, в состав которой они включены. Обеспечивает изолированную работу этих приборов в высоковольтных установках или силовых цепях с напряжением 400В. Изоляция реле и контрольных приборов от первичной цепи установки обеспечивает безопасную доступность к таким модулям обслуживающего персонала для их ремонта и эксплуатации.

Часто трансформаторы тока имеют смешанный функционал.

По классу напряжения

Важным критерием выбора устройств преобразования. Он включает в себя два основных класса:

Для высоковольтных распределительных установок – 6/10/35 киловольт и выше – применения преобразователей в таких сетях имеют увеличенных габарит и некоторые конструктивные различия;
Для низковольтных распределительных устройств – применение до 1000В – наиболее распространенный класс напряжения таких приборов равен 400В. В этом классе габариты трансформаторов зависят от номинальных токов первичных обмоток, а конструктивное исполнение обладает значительным многообразием в зависимости от типа монтажа и расположения участка их установки.

Неправильный подбор класс напряжения при выборе трансформаторов сделает их применение невозможным в проектируемой или работающей энергетической системы или ее участка.

По методу преобразования

В силу развития прогресса в электротехнике этот параметр теперь входит в основную классификацию приборов преобразования, состоит из типов:

Электромагнитные – приборы преобразования, основанные на обмотках медной проволоки, с цельным стальным сердечником, наиболее распространенный экономически выгодный вид трансформаторов, широко используемый в различных распределительных сетях;
Оптико-электронный – новый тип преобразования токовой величины, основанный на прогрессивно инновационном устройстве электромагнитных приборов, их изоляции, с применением новейших материалов. Выше по цене, но имеющий более точные выходные параметры.

Резюмируя перечисленную выше классификацию электромагнитного оборудования, вывод по их верному выбору на поверхности – только полное изучение всех перечисленных параметров устройств преобразования тока, сравнение их с параметрами энергосистемы, где они будут эксплуатироваться, не позволит сделать непростительных ошибок при их подборе, дальнейшей установки и качественному использованию.

Как выбрать

Выбор трансформаторов тока (ТТ) зависит не только от знания их классификации в общем формате, но и требует правильной оценки многих других величин трансформаторов. В электротехнике такие значения принято называть номинальными параметрами.

Номинальные параметры

Правильный выбор ТТ состоит из подбора собственных номинальных величин, проведения тест-проверок, результаты которых станут основополагающими для определения необходимой марки трансформаторов.

Основные номинальные параметры ТТ состоят из:

Рабочее напряжение

Значение величины рабочего напряжения – то есть значение действующего напряжения распределительного установки, куда подбирается определенный измерительный трансформатор, должно быть меньше или равно номинальному напряжению трансформатора. Для эффективного выбора существует стандартный ряд номиналов рабочих напряжений, выраженный в киловольтах: 0,66, 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 750.

Первичный ток ТТ

Второй основной параметр выбора измерительного прибора происходит практически также, как и подбор рабочего напряжения: табличные токовые стандарты токов ТТ сравниваются со значением рабочего тока участка цепи или всей электроустановки, где планируется устанавливаться преобразовательный прибор.

Однако здесь нужно учитывать еще один критерий: в сети с активной нагрузкой и потребителями общего назначения номиналы подбираются без учета поправочных запасов по току, а вот для электрооборудования генераторов, двигателей или других активно-реактивных потребителей требуется при выборе первичного тока ТТ учитывать 10% запас по его величине. Это связано с бросками токовых величин в момент пуска подобного оборудования.

Стандартные величины по которым производится выбор тока первичной обмотки трансформатора заключены в определенный табличный ряд, единицы измерения – амперы: 1, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 80, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 750, 800, 1000, 1200, 1500, 1600, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000, 10000, 12000, 14000, 16000, 18000, 20000, 25000, 28000, 30000, 32000, 35000, 40000.

Если выбор первичного тока с учетом 10% запаса находится между стандартных значений ряда – берется больший из их значений.

Однако здесь необходимо получить данные еще двух обязательных проверок трансформаторов, чтобы окончательно быть уверенным в его правильном выборе:

Проверка на термическую стойкость

Термическая стойкость гарантирует, что выбранный ТТ сможет выдержать тепловой удар и остаться в нормальном рабочем состоянии, без каких-либо повреждений в аварийном режиме короткого замыкания (КЗ), при прохождении через него определенной величины тока короткого замыкания за определенный период времени. Существует специальная формула проверочных значений на термическую стойкость преобразовательных приборов до и выше 1000 В.

Если выбранный трансформатор не подходит под расчетные значения термической стойкости, стоит обратить внимания на другую модель трансформатора во избежание образования проблем с энергетической установкой на этапах ее дальнейшей эксплуатации.

На электродинамическую стойкость

Этот опытно – расчетный процесс тестирует выбираемый трансформатор на стойкость от динамического воздействия на него тока короткого замыкания при аварийном режиме в цепи. Определенный промежуток времени электромагнитный прибор должен выдержать и такое воздействие, оставшись в рабочем состоянии.

В противном случае – требуется смена марки или модели трансформатора. Тест на электродинамическую стойкость определен специальной формулой, в которой участвуют постоянные значения и величины аварийного режима.

Проверка по мощности вторичной нагрузки

Третий обязательный параметр выбора ТТ. Проверка проходит путем сравнительного анализа номинальной мощности ТТ и полной мощности вторичной нагрузки на всем участке цепи, в которой планируется установка выбираемого трансформатора тока. Номинальная величина мощности должна быть больше или равна значению в действующей или проектируемой установке.

Важно знать при этом, что полная мощность нагрузки цепи представляет собой сумму сопротивлений всех коммутационных, измерительных, релейных приборов и аппаратуры управления участка умноженная на квадрат тока этой аппаратуры.

Если подбор осуществляется в проектируемом распределительном устройстве – значения сопротивлений берутся из паспортных данных оборудования, установленного там, если объект уже действующий – величины сопротивления получаются путем замеров сопротивления омметров или другими известными методами.

Коэффициент трансформации

Этот параметр является заключительным номинальным параметром, который должен учитываться для правильного выбора трансформаторов тока для измерительных приборов, релейной системы и модулей управления в распределительных цепях.

Критерий выбора по данному параметру делится на два варианта:

Из минимального значения коэффициента трансформации – в этом случае его значения принимается, исходя из номинального значения линии распределительного устройства, в которое подбирается преобразовательный прибор;
Из максимального значения коэффициента трансформации –значения минимального коэффициента трансформации умноженное на отношение рабочего тока линии к максимальному значению тока вторичной обмотки трансформатора.

Второй параметр регламентируется нормативными документами «ПУЭ» (Правила устройств электроустановок) и применяется при выборе трансформаторов тока, используемых для питания обмоток учета электроэнергии.

Назначение

Учет сферы применения трансформаторов по назначению устанавливает жесткий выбор его класса точности.

Для питания обмоток коммерческого учета необходимо выбирать трансформаторы с классом точности не ниже 0,5. Бытовой учет электроэнергии ограничивает выбор приборов трансформации с классом точности равным 1

Если подбор ТТ производится для измерительных систем, типа амперметров, ваттметров, – выбираются трансформаторы с классом точности не ниже 3

Для питания релейной аппаратуры или приборов управления в распределительной установке выбор трансформаторов диктуется специальным классом точности повышенного номинала, который обозначается 10 (Р).

Не учитывая сферу применения, нельзя гарантировать правильного выбора трансформатора, т.к. его параметр под названием класс точности значительно влияет на точность снимаемых показаний и будет детальней рассмотрен в этой статьей ниже.

Другие критерии

Проектные институты или технические специалисты, ведущие выбор трансформаторов тока могут руководствоваться и другими параметрами выбора преобразовательных приборов для участка цепи энергетической установки, такими как:

Определение типа автоматизации установки узла учета, которая может повлиять на определение необходимого класса точности выбираемого трансформатора;
Расчеты длины учета и сечения проводников, идущих от ТТ до приборов учета, с целью расчета величины потери напряжения, которая должна иметь минимальные значения в процентном отношении;
Если новая энергетическая установка проектируется с нуля – учитывается метод преобразования величины тока.
Если распределительная сеть действующая – важным параметром выбора прибора становится действующей даты поверки прибора. Оборудование трансформации не должно иметь просроченных дат поверки от метрологических служб.

Любой параметр трансформатора тока выбирается исходя и в соответствии с данными, описанными в нормативной документации «Правил и Устройств Электроустановок».

Схемы включения

Для питания релейной аппаратуры, токовых обмоток учета электроэнергии общего или коммерческого назначения существует три основных схемы включения трансформаторов тока:

«полная звезда»;
«неполная звезда»;
«треугольник».

Каждая из типов подключения для различного назначения оптимизирует работу измерительных, учетных систем электрооборудования, позволяет сделать оптимальными параметры учета электроэнергии в цепях новых или действующих распределительных устройств до и выше 1000 вольт.

Как правильно выбрать ТТ для релейной защиты

Чтобы правильно выбрать трансформаторы тока для различных блоков релейной защиты и автоматики, стоит обратить внимание на несколько важных параметров их выбора:

Максимальное и номинальное значение напряжения в первичной обмотке трансформатора;
Номинальное значение тока в первичной обмотке;
Класс точности.

Последний параметр – для различных видов трансформаторов имеет различные значения, а для блоков релейной защиты и автоматики имеет приоритетное значение в связи с тем, что от него зависит точность выходного сигнала, другими словами, качество питания всего блока защиты и автоматики. Для более точной работы систем защиты и автоматики в распределительных сетях применяется использование трансформаторов с повышенным классом точности – 10 (Р). Подробное рассмотрение такого понятия, как класс точности в статье публикуется ниже.

Выбор класса точности

Параметр трансформатора тока, указывающий, что погрешность измерений величины тока вторичной обмотки ТТ не превышает значений, указанных в нормативных документах по ГОСТ 7746-2011. Согласно данному ГОСТу, номинальные значения классов точности, следующие: 0,1, 0,2S, 0,2, 0,5, 0,5S, 1, 3, 5, 10.

Для цепей измерительных приборов, учетного оборудования и систем релейной защиты классы точности преобразователей тока будут разными.

А для учета электроэнергии общего или коммерческого типа применяются обычные классы точности преобразователей тока равные 1, 3. Нужно добавить, что для питания измерительных приборов типа амперметры и подобные им, выбираются трансформаторы тока классом точности 0,5 или повышенной точности, погрешность которых составляет 0,5S.

Блоки автоматики и релейной защиты требуют к своим источникам питания в сетях распределительных установок использования оборудования повышенной точности, в которых погрешность величины тока вторичной обмотки трансформатора не будет превышать 10% значения. Маркировка такого класса точности – 10 (Р).

Примеры расчета

В качестве примера выбора трансформаторов тока рассмотрим расчетную проверку правильности выбора ТТ для счетчика электроэнергии в распределительной установке, с номинальным током в 150А, при минимуме нагрузки в 15А.

Проверяется Т-0,66 200/5, с коэффициентом трансформации – 40.

Ток вторичной обмотки при номинальном токе: 150/40 = 3,75А;

Минимальный ток вторичной обмотки при номинальной нагрузке: (5*40)/100 = 2А;

Полученный ток вторичной обмотки проверяемого трансформатора больше полученного значения минимального тока, что говорит о выполнении первого требования проверки;

Рассчитаем минимальный ток вторичной обмотки при минимальной нагрузке: 15/40 = 0,38А;

Узнаем минимальный ток вторичной обмотке при минимальной нагрузке: 5*5/100 = 0,25А;

0,38А> 0,25А – еще один пункт не выходит за рамки требуемых правил соответствия выбранного трансформатора тока;

Рассчитаем значение тока при ¼ нагрузке: 150*25/100 = 37,5А;

Рассчитаем значение тока вторичной обмотки при ¼ нагрузки: 37,5/40 = 0,94А;

Узнаем минимальный ток вторичной обмотки при ¼ нагрузке: 5*10/100 = 0,5А;

Сравнив оба значения токов вторичной обмотки, видим, что и здесь расчетное значение в норме: 0,94А> 0,5А;

Вывод: трансформатор тока Т-0,66 200/5 для учета электроэнергии выбран правильно и соответствует всем нормативным значениям «ПУЭ».

Советы и рекомендации по выбору

Основная рекомендация по подбору трансформаторов тока состоит в тщательном и полном использовании всех параметров и критериев выбора преобразователей тока по классификации и номинальным значениям оборудования в равной степени без легкомысленного отношения к любому из них.

Выбор трансформаторов тока в зависимости от их назначения в обязательном порядке должен соответствовать всем нормативным документам и стандартам ГОСТ, действующим в текущий момент их выбора.

При использовании автоматизированных программ расчета номиналов последовательных трансформаторов, перепроверка полученных значений несколькими подобными сервисами не станет лишним для подтверждения правильности полученных данных.

Онлайн расчет трансформатора тока

Данный онлайн калькулятор позволяет произвести расчет и выбор измерительных трансформаторов тока (ИТТ/ТТ) для подключения электрического счетчика по мощности.

ПРИМЕЧАНИЕ: После расчета выбранный трансформатор тока необходимо проверить по загрузке при максимальных и минимальных значениях проходящих через него нагрузок.

В соответствии с п.1.5.17. ПУЭ при максимальной нагрузке присоединения ток во вторичной обмотке трансформатора тока должен составлять не менее 40% номинального тока счетчика, а при минимальной рабочей нагрузке — не менее 5%.

Проверку выполнения данного требования можно произвести с помощью следующего онлайн калькулятора:

ПРИМЕЧАНИЕ: Максимальная загрузка должна составлять не менее 40%, а минимальная — не менее 5%, при этом загрузка в любом случае не должна составлять более 100%, данное значение будет означать перегрузку трансформатора тока.

В случае если рассчитанные значения максимальной и/или минимальной загрузок оказались меньше чем 40% и 5% соответственно необходимо выбрать трансформаторы тока с меньшим номиналом или, если это невозможно по условиям максимальной нагрузки, предусмотреть установку двух учетов электроэнергии: один — для максимальной нагрузки, второй — для минимальной.

Справочно: Расчет производится для счетчика с номинальным (базовым) током 5 Ампер.

Оказался ли полезен для Вас данный онлайн калькулятор? Или может быть у Вас остались вопросы? Напишите нам в комментариях!

Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.

Как выбрать трансформатор тока для счетчика: таблица и формулы

Интересные статьи

При организации электроснабжения предприятий, жилых и коммерческих объектов, в тех случаях, когда суммарный ток нагрузки многократно превышает возможности узла учета, или же необходимо произвести учет электроэнергии высоковольтных потребителей, устанавливаются дополнительные узлы преобразования — трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН). Они позволяют произвести линейное преобразование и осуществить учет или контроль проходящего тока с помощью обычных однофазных или трехфазных электросчетчиков, амперметров, а также организовать систему защиты линии с помощью них. В этой статье мы узнаем как выбрать трансформатор тока для счетчика электроэнергии по мощности и другим параметрам.

Разновидность устройств

При выборе трансформатора нужно учитывать его место расположение (закрытые или открытые распределительные установки, встраиваемые системы), а также конструктивные особенности исполнения (проходные, шинные, опорные, разъемные).

Проходной ТТ устанавливают в комплексных РУ и используют в качестве проходного изолятора. Опорные используют для установки на ровной поверхности. Шинный ТТ устанавливается непосредственно на токоведущие части. В роли первичной обмотки трансформатора выступает участок шины. Встроенные модели как элемент конструкции, устанавливаются в силовые трансформаторы, масляные выключатели и пр. Разъемные ТТ выполнены разборными для быстрой установки на жилы кабеля, без физического вмешательства в целостность электрических сетей.

Кроме того, разделение также проходит по типу используемой изоляции:

литая;
пластмассовый корпус;
твердая;
вязкая компаудная;
маслонаполненная;
газонаполненная;
смешанная масло-бумажная.

И различают по спецификации и сфере применения:

коммерческий учет и измерения;
защита систем электроснабжения;
измерения текущих параметров;
контроль и фиксация действующих значений;

Также различаются трансформаторы по напряжению: для электроустановок до 1000 Вольт и выше.

Также предлагаем Вам воспользоватся нашей услугой как Замена электропроводки в квартире.

Правила выбора

При выборе трансформатора его напряжение не должно быть меньшим, чем номинальное напряжение счетчика.

Аналогично поступаем при выборе ТТ по току, который должен быть равен или больше максимального тока контролируемой установки. С учетом аварийных режимов работы.

I ном ≥ I макс.уст

В ПУЭ описаны правила и нормативные требования к устройствам коммерческого учета счетчиками, а также уделено не мало внимания трансформаторам тока и нормам расчетных мощностей. Детально ознакомится можно в пункте ПУЭ 1.5.1.

Помимо этого существуют следующие правила выбора трансформатора тока для счетчика:

Длина и сечение проводников от ТТ к узлу учета должны обеспечивать минимальную потерю напряжения (не более 0.25% для класса точности 0.5 и 0.5% для трансформаторов точностью 1.0). Для счетчиков, используемых для технического учета, допускается падение напряжения 1.5% от номинального.
Для систем АИИС КУЭ трансформаторы должны иметь высокий класс точности. Для установки в такие системы используют ТТ класса S 0.5S и 0.2S, позволяя увеличить точность учета при минимальных первичных токах.
Для коммерческого учета нужно выбрать класс точности ТТ не более 0.5. При использовании счетчика точностью 2.0 и для технического учета, допускается применение трансформатора класса 1.0.
Выбор ТТ с завышенной трансформацией допускается, если при максимуме тока нагрузки, ток в трансформаторе не меньше 40% от I ном электросчетчика.
При расчете количества потребленной энергии необходимо учитывать коэффициент преобразования.
Расчет мощности ТТ производится в зависимости от сечения проводника и расчетной мощности.

По таблице ниже, согласно получившимся расчетным параметрам выбираем ближайший ТТ:

При заключении договора с энергоснабжающей организацией, в случае когда для производства учета необходима установка трансформаторов тока, для организации узла учета, выдаются технические условия, в которых указано модель узла учета а также тип ТТ, номинал автоматических выключателей место их установки для конкретной организации. В результате самостоятельные расчеты ТТ производить не нужно.