Что такое трансформатор тока и как он работает?

Трансформатор тока — это устройство, которое принимает большой потенциально опасный электрический ток, протекающий через линию электропередачи, и производит меньший, пропорциональный ток — обычно 1 ампер или 5 ампер — который безопасен и совместим с измерительными приборами, реле защиты и оборудованием мониторинга. Он работает по принципу электромагнитной индукции, используя магнитный сердечник и вторичную обмотку для передачи текущей информации без какого-либо прямого электрического соединения между первичной цепью и измерительными приборами.

Когда вторичная цепь трансформатора тока под напряжением разомкнута, вторичный ток, создающий противодействующую магнитодвижущую силу, отсутствует. Поток в сердечнике возрастает до уровня насыщения в каждом полупериоде, создавая на клеммах вторичной обмотки очень высокие всплески напряжения, иногда превышающие несколько тысяч вольт. Это создает серьезный риск поражения электрическим током для персонала, повреждения вторичной изоляции и необратимой деградации материала сердечника из-за магнитной перегрузки. Всегда закорачивайте вторичную обмотку или поддерживайте подключенную нагрузку, когда на трансформатор тока подается напряжение.

Измерительный трансформатор рассчитан на высокую точность при нормальных рабочих токах — обычно в пределах от 1% до 120% номинального тока — и рассчитан на быстрое насыщение при возникновении токов повреждения, защищая подключенные счетчики от повреждений. Защитный трансформатор тока спроектирован таким образом, чтобы оставаться линейным и точным даже при очень больших значениях номинального тока (например, в 10–20 раз больше номинального тока), чтобы реле защиты могли правильно обнаруживать неисправности и реагировать на них. Эти два типа выполняют дополняющие друг друга функции и, как правило, не являются взаимозаменяемыми в критически важных приложениях.

Соотношение 400/5 означает, что когда через первичную цепь протекает ток 400 ампер, вторичная обмотка будет выдавать 5 ампер. Соотношение 80:1. Этот выход на 5 А совместим со стандартными реле защиты и счетчиками энергии, рассчитанными на входной ток 5 А. Если первичный ток составляет 200 ампер, вторичный ток составит 2,5 ампера. Соотношение, указанное на паспортной табличке, определяет пропорциональное соотношение во всем диапазоне измерений с учетом ограничений класса точности.

Стандартные трансформаторы тока работают по принципу электромагнитной индукции, который требует переменного (изменяющегося) тока для создания напряжения во вторичной обмотке. Они не могут измерять постоянный ток (DC), поскольку постоянный ток не создает изменяющегося магнитного потока. Вместо этого для измерения постоянного тока используются альтернативные технологии, такие как датчики тока на эффекте Холла, феррозондовые датчики или катушки Роговского со встроенной электроникой. Для применений, связанных со смещением постоянного тока, существуют специальные трансформаторы тока, устойчивые к постоянному току или с нулевым потоком, но они представляют собой отдельные категории продуктов, отличные от стандартных трансформаторов переменного тока.

Выбор между номиналами вторичной обмотки 1 А и 5 А в первую очередь зависит от длины вторичного кабеля между трансформатором тока и подключенными приборами. Вторичная обмотка на 5 А пропускает в пять раз больший ток, чем вторичная обмотка на 1 А, что означает, что мощность, рассеиваемая на сопротивлении кабеля, в 25 раз больше (поскольку мощность равна квадрату тока, умноженному на сопротивление). Для длинных кабелей — обычно более 30–40 метров — предпочтительнее использовать вторичную обмотку с током 1 А, чтобы обеспечить низкую нагрузку и высокую точность. Для коротких отрезков в компактных распределительных устройствах стандартными являются вторичные обмотки на 5 А, которые уменьшают количество витков, необходимых во вторичной обмотке, упрощая производство.

Напряжение в точке перегиба является критическим параметром для трансформаторов тока класса защиты, особенно тех, которые используются в схемах дифференциальной и ограниченной защиты от замыканий на землю. Оно определяется как синусоидальное вторичное напряжение, при котором увеличение этого напряжения на 10 % приводит к увеличению тока возбуждения на 50 %. В практическом плане он представляет собой границу между линейной рабочей областью и началом магнитного насыщения. Защитные трансформаторы тока должны иметь напряжение в точке перегиба, достаточно высокое, чтобы обеспечить необходимый ток реле через полное сопротивление вторичной цепи в наихудших условиях неисправности, гарантируя надежную работу реле до насыщения сердечника.