Коэффициент трансформации — один из основных параметров трансформатора тока (ТТ). Он определяет соответствие между первичным и вторичным токами и используется для пересчёта показаний измерительных приборов, настройки систем учёта и оценки правильности выбора ТТ для конкретного присоединения. В этой статье разберём, что такое коэффициент трансформации тока, как его рассчитывают, чем номинальный коэффициент отличается от действительного, как число проходов первичного проводника влияет на коэффициент схемы и каким образом проверяют ТТ при испытаниях.
- Коэффициент трансформации — отношение первичного тока к вторичному (например, 200/5 → К = 40).
- Номинальный коэффициент — по паспорту, действительный — по факту измерения.
- Завышенный Ктт ухудшает точность при малых нагрузках — проверяйте по ПУЭ 1.5.17.
- Классы 0,2S/0,5S нормируют точность с 1% Iн — важны для коммерческого учёта.
- Вторичная нагрузка влияет на погрешность — считайте сопротивление проводов и приборов.
Что такое коэффициент трансформации тока
Коэффициент трансформации тока (Ктт) — отношение номинального первичного тока трансформатора тока к номинальному вторичному току. На практике номинальное отношение токов указывают в виде записи, например 200/5, 300/5 или 1000/5. Первая цифра соответствует номинальному первичному току, вторая — номинальному вторичному току.
Например, для ТТ 200/5 номинальный первичный ток составляет 200 А, а номинальный вторичный — 5 А. Числовое значение номинального коэффициента трансформации равно:
Если во вторичной цепи такого трансформатора измерено 4 А, соответствующий первичный ток в первом приближении составит:
Такой расчёт является приближённым, поскольку фактическое отношение первичного и вторичного токов отличается от номинального вследствие погрешности трансформатора тока. Для точных измерительных расчётов необходимо учитывать действительную погрешность конкретной вторичной обмотки.
В зависимости от схемы измерения и учёта коэффициент трансформации может учитываться непосредственно измерительным прибором, задаваться в его настройках либо применяться внешней системой расчёта. Если измерительная система использует также трансформаторы напряжения, необходимо учитывать и коэффициент трансформации ТН.
Где искать Ктт:
- паспортная табличка (шильдик) на корпусе — номинальное отношение токов обычно указывается в виде 200/5, 400/5, 1000/5 и т. п.;
- паспорт трансформатора тока — в разделе с техническими характеристиками указываются номинальные первичные и вторичные токи, класс точности, номинальная вторичная нагрузка и другие параметры;
- исполнительная и эксплуатационная документация — для установленного ТТ должны быть зафиксированы схема подключения, выбранные выводы и назначение вторичных обмоток;
- документация на систему учёта — коэффициент, используемый при расчёте показаний, должен соответствовать фактически установленному ТТ и схеме измерения.
Не следует путать коэффициент трансформации трансформатора тока с коэффициентом трансформации трансформатора напряжения. Для ТТ коэффициент определяется отношением токов I1/I2, а для трансформатора напряжения — отношением первичного и вторичного напряжений U1/U2.
Формула коэффициента трансформации
Для идеализированного трансформатора тока при пренебрежении током намагничивания выполняется приближённое соотношение между токами и числами витков обмоток:
Таким образом, при увеличении числа витков вторичной обмотки относительно первичной вторичный ток становится меньше первичного. В реальном трансформаторе тока часть магнитодвижущей силы связана с током намагничивания магнитопровода, поэтому фактическое отношение токов отличается от идеализированного.
Для номинального режима коэффициент трансформации определяют по номинальным токам:
Например, для ТТ 600/5:
Номинальный коэффициент — паспортное значение, рассчитанное по номинальным токам: Кном = I1ном / I2ном.
Действительный коэффициент — фактическое отношение токов в конкретном режиме: Кд = I1 / I2. Он может отличаться от номинального из-за погрешности ТТ.
Погрешность трансформации — отклонение фактического преобразования от идеального преобразования с номинальным коэффициентом. Она зависит, в частности, от первичного тока, вторичной нагрузки, магнитных свойств магнитопровода и других условий работы.
Поэтому в реальном ТТ действительный коэффициент не обязан абсолютно совпадать с номинальным. Важно, чтобы характеристики погрешности соответствовали классу точности и нормируемым условиям работы конкретной вторичной обмотки.
Распространённые значения коэффициентов
ГОСТ 7746-2015 устанавливает требования к трансформаторам тока и предусматривает различные номинальные значения первичного и вторичного токов. Для измерительных и учётных цепей широко применяются вторичные токи 5 А и 1 А. Ниже приведены некоторые распространённые варианты ТТ с номинальным вторичным током 5 А.
| Номинальный первичный ток, А | Номинальный вторичный ток, А | Коэффициент трансформации |
|---|---|---|
| 50 | 5 | 10 |
| 75 | 5 | 15 |
| 100 | 5 | 20 |
| 150 | 5 | 30 |
| 200 | 5 | 40 |
| 300 | 5 | 60 |
| 400 | 5 | 80 |
| 500 | 5 | 100 |
| 600 | 5 | 120 |
| 800 | 5 | 160 |
| 1000 | 5 | 200 |
| 1500 | 5 | 300 |
| 1600 | 5 | 320 |
| 2000 | 5 | 400 |
| 3000 | 5 | 600 |
Если номинальный вторичный ток составляет 1 А, числовой коэффициент при том же первичном токе будет в пять раз больше. Например, для ТТ 100/1 коэффициент равен 100, а для ТТ 1000/1 — 1000. ГОСТ 7746-2015 предусматривает несколько номинальных значений вторичного тока, включая 1, 2 и 5 А.
Вторичный ток 1 А применяют, в частности, при значительной длине вторичных цепей. При одинаковом сопротивлении соединительных проводов потери мощности именно в соединительных проводах пропорциональны квадрату тока:
Поэтому при переходе с 5 А на 1 А при неизменном сопротивлении соединительной линии расчётные потери мощности в проводах уменьшаются примерно в 25 раз. При этом полная вторичная нагрузка ТТ включает не только сопротивление соединительных проводов, но и потребление подключённых приборов, а также сопротивление контактов и других элементов вторичной цепи.
Как рассчитать коэффициент трансформации
Сам номинальный коэффициент трансформации рассчитывается достаточно просто:
Например, для ТТ 400/5:
Однако выбор самого ТТ нельзя сводить только к делению максимального рабочего тока на вторичный ток. Нужно учитывать диапазон фактических нагрузок присоединения, класс точности, номинальную вторичную нагрузку, длину и сечение вторичных цепей, назначение обмотки, а для защитных обмоток — требования релейной защиты и характеристики ТТ при токах короткого замыкания.
Пример. Расчётный ток линии составляет 380 А. Если из доступного ряда выбирается ТТ с номинальным первичным током 400 А и вторичным током 5 А, его номинальный коэффициент трансформации составляет:
При первичном токе 380 А идеализированный расчётный вторичный ток составит:
Это соответствует 95% номинального вторичного тока 5 А. Фактическое значение может отличаться вследствие погрешности конкретной вторичной обмотки.
При выборе ТТ стоит проверить работу измерительной системы как при минимальном, так и при максимальном рабочем токе. Особенно важно не выбирать чрезмерно высокий коэффициент только ради возможности увеличения нагрузки в будущем.
Ограничения по ПУЭ (п. 1.5.17) для измерительных трансформаторов тока в цепях учёта:
- при максимальной нагрузке присоединения ток во вторичной обмотке ТТ должен составлять не менее 40% номинального тока измерительной обмотки счётчика;
- при минимальной рабочей нагрузке ток во вторичной обмотке должен составлять не менее 5% номинального тока измерительной обмотки счётчика.
Эти требования относятся к соответствующим измерительным цепям учёта. При выборе конкретного ТТ также учитывают его класс точности, назначение вторичной обмотки, электродинамическую и термическую стойкость, требования релейной защиты и другие условия эксплуатации.
Выбирать ТТ с чрезмерно большим коэффициентом «на вырост» без проверки минимального рабочего тока не следует. При малой нагрузке вторичный ток может оказаться слишком низким для обеспечения требуемой точности измерительной системы, вследствие чего относительная погрешность измерения может увеличиться.
Как проверить коэффициент трансформации
Проверка коэффициента трансформации входит в состав испытаний трансформаторов тока при приёмо-сдаточных, пусконаладочных и других предусмотренных нормативной документацией проверках. Она позволяет подтвердить соответствие фактического отношения токов паспортным данным, проверить правильность выбранных выводов и выявить возможные дефекты обмоток или ошибки в соединениях.
При испытании определяют фактические значения первичного и вторичного токов и рассчитывают действительный коэффициент трансформации:
Простое измерение отношения первичного и вторичного токов позволяет определить действительный коэффициент трансформации при конкретном режиме испытания. Но такое измерение само по себе не подтверждает класс точности ТТ. Для подтверждения класса точности необходимо проводить испытания в нормируемых точках и условиях, установленных нормативной документацией для конкретной вторичной обмотки и её класса.
Определение действительного коэффициента методом токов
Основной принцип непосредственного определения коэффициента трансформации ТТ заключается в одновременном измерении первичного и вторичного токов.
- Вторичная цепь ТТ должна быть замкнута на предусмотренную испытательную нагрузку или измерительную цепь.
- В первичную цепь подают испытательный ток от источника, рассчитанного на проведение соответствующего испытания.
- Одновременно измеряют первичный и вторичный токи измерительными средствами с необходимой точностью.
- Рассчитывают действительный коэффициент трансформации: Кд = I1 / I2.
- Полученное значение сравнивают с номинальным коэффициентом.
- Если требуется определить погрешность или подтвердить класс точности, испытание проводят в нормируемых точках и условиях для соответствующей вторичной обмотки.
Например, если при испытании измерены первичный ток 200 А и вторичный ток 4,99 А, действительный коэффициент составит:
Для ТТ с номинальным отношением 200/5 это значение близко к номинальному коэффициенту 40. Однако само по себе такое совпадение ещё не означает подтверждения класса точности: для этого необходимо оценивать нормируемую погрешность в установленных стандартом условиях.
Что требуется для подтверждения класса точности
Подтверждение класса точности — более широкая задача, чем определение коэффициента трансформации в одной точке. Испытание выполняют при установленных нормативами значениях первичного тока и вторичной нагрузки. В зависимости от класса и назначения обмотки нормируются токовая и угловая погрешности.
Например, для измерительных обмоток проверяют характеристики в предусмотренном диапазоне первичного тока, а для классов 0,2S и 0,5S важной особенностью является нормирование характеристик уже при малых токах. Для защитных обмоток применяются другие критерии и нормируемые параметры.
Поэтому результат вида «Кд = 40,08 при токе 200 А» подтверждает действительное отношение токов в конкретной точке, но не является самостоятельным подтверждением класса точности 0,2, 0,5, 5P и т. п.
Вторичная цепь работающего трансформатора тока не должна размыкаться при наличии тока в первичной цепи. Размыкание вторичной цепи может привести к возникновению опасного напряжения на её выводах, повреждению изоляции и подключённого оборудования. Перед отключением приборов вторичную цепь необходимо предварительно замкнуть предусмотренным для этого испытательным или эксплуатационным устройством.
Метод двух вольтметров
Метод двух вольтметров применяется для определения коэффициента трансформации некоторых трансформаторов напряжения и силовых трансформаторов, однако для трансформаторов тока он не является основным методом непосредственного определения рабочего коэффициента трансформации.
Для ТТ непосредственное определение отношения токов выполняют токовым методом либо с использованием специализированных испытательных установок. При любом испытании необходимо исключить возможность размыкания вторичной цепи при наличии тока в первичной обмотке.
Автоматизированная проверка
Для профессиональной проверки трансформаторов тока применяют специализированные испытательные комплексы. Они позволяют формировать необходимый испытательный ток, одновременно измерять первичный и вторичный токи, определять коэффициент трансформации и рассчитывать погрешности.
В зависимости от конкретного оборудования могут использоваться установки типа УИКТ-3, комплексы РЕТОМ и другие средства испытаний, поддерживающие соответствующие функции проверки трансформаторов тока. Возможности конкретной установки необходимо проверять по её технической документации.
Когда проверять Ктт:
- при приёмо-сдаточных и пусконаладочных испытаниях;
- при вводе нового оборудования в эксплуатацию;
- при проведении предусмотренных нормативами метрологических процедур;
- после ремонта, разборки или других работ, которые могли повлиять на состояние обмоток и магнитопровода;
- после замены или изменения соединений секций многодиапазонного ТТ;
- при выявлении несоответствия показаний измерительных приборов расчётным значениям;
- при подозрении на повреждение обмоток, межвитковое замыкание или другие неисправности.
Коэффициент трансформации и погрешности
Номинальный коэффициент трансформации является паспортной характеристикой ТТ. Однако в реальном режиме фактическое отношение первичного и вторичного токов отличается от номинального. Это связано прежде всего с током намагничивания магнитопровода и условиями работы вторичной цепи.
Для измерительных трансформаторов тока выделяют две основные составляющие погрешности:
- токовая погрешность — отклонение фактического вторичного тока от значения, которое соответствовало бы идеальному преобразованию с номинальным коэффициентом;
- угловая погрешность — угловое расхождение между соответствующими векторами первичного и вторичного токов.
Допустимые значения погрешностей определяются классом точности и условиями, установленными нормативной документацией, в частности ГОСТ 7746-2015. Для измерительных и учётных вторичных обмоток применяются различные классы точности, а для защитных обмоток — в частности, классы 5P и 10P.
- 0,2S и 0,5S — классы точности, применяемые в измерительных и учётных системах, где важна высокая точность также при малых первичных токах;
- 0,2; 0,5; 1,0; 3,0 — измерительные классы точности для соответствующих областей применения;
- 5P и 10P — классы точности защитных обмоток трансформаторов тока, для которых нормируется поведение ТТ при значительных токах, характерных для работы релейной защиты.
Чем меньше числовое обозначение измерительного класса, тем меньше допускаемая нормируемая погрешность в соответствующих условиях испытания. При этом сравнивать классы необходимо только в рамках их назначения и установленных для них условий нормирования.
Почему классы 0,2S и 0,5S важны при малых нагрузках
Обычная измерительная нагрузка электроустановки может существенно меняться в течение суток. Если ТТ выбран с большим номинальным первичным током, фактический ток в его первичной цепи значительную часть времени может составлять лишь небольшую долю номинального.
Именно поэтому для систем коммерческого учёта важна способность ТТ сохранять нормируемую точность при малых токах. У классов 0,2S и 0,5S погрешность нормируется, в частности, начиная с первичного тока около 1% номинального. Это позволяет контролировать точность измерения и при режимах, когда нагрузка значительно ниже номинальной.
Для обычных измерительных классов диапазон нормирования начинается с более высокого значения первичного тока. Поэтому при одинаковом номинальном отношении ТТ класса S может быть предпочтительнее для систем учёта, где существенную часть времени оборудование работает при небольшой нагрузке.
Влияние вторичной нагрузки
На фактическую точность ТТ существенно влияет вторичная нагрузка. Она определяется подключёнными измерительными и защитными приборами, сопротивлением соединительных проводов, контактных соединений и других элементов вторичной цепи.
Чем больше сопротивление вторичной цепи, тем больше напряжение должен развивать трансформатор тока для поддержания необходимого вторичного тока. Это увеличивает магнитную нагрузку на сердечник и может привести к росту погрешности.
Номинальная нагрузка вторичной обмотки и фактическая нагрузка подключённой цепи — не одно и то же. Номинальная нагрузка является параметром ТТ, например 10 или 15 ВА. Фактическую нагрузку рассчитывают для конкретной схемы по сопротивлению проводов, контактов и подключённых приборов.
Вторичная цепь ТТ выполнена медным проводом сечением 2,5 мм², длина прямого и обратного проводов — 40 м. Сопротивление проводов: Rпров = 0,0175 × 40 / 2,5 = 0,28 Ом.
Подключённые приборы имеют сопротивление 0,12 Ом, контакты — 0,05 Ом. Полное сопротивление цепи: R2 = 0,28 + 0,12 + 0,05 = 0,45 Ом.
При токе 5 А мощность потерь: P = I² × R = 25 × 0,45 = 11,25 Вт. Это значение должно быть ниже допустимой нагрузки обмотки ТТ (например, 15 ВА).
В реальном проектном расчёте сопротивление проводов, приборов и контактов следует определять по фактическим данным. Приведённый пример показывает сам принцип расчёта и не заменяет проверку вторичной нагрузки конкретного ТТ.
Для длинных вторичных цепей применение ТТ с номинальным вторичным током 1 А позволяет значительно уменьшить потери мощности в соединительных проводах при прочих равных условиях.
Влияние числа проходов первичного проводника
Для проходных (шинных) трансформаторов тока эквивалентное отношение первичного и вторичного токов зависит от числа первичных витков, образованных проходами проводника через окно магнитопровода. Каждый проход проводника через окно образует один виток первичной цепи относительно магнитопровода ТТ. Поэтому увеличение количества проходов увеличивает число первичных ампер-витков при неизменном токе линии.
Пример: если конструкция ТТ и заводская документация допускают два прохода первичного проводника вместо одного, при одинаковом токе линии число первичных ампер-витков увеличивается примерно в два раза.
Для N одинаковых проходов первичного проводника через окно ТТ эквивалентный коэффициент схемы в идеализированном приближении можно определить как:
Соответственно, вторичный ток можно оценить по формуле:
Например, ТТ 300/5 имеет номинальный коэффициент 60. При двух разрешённых заводом проходах первичного проводника эквивалентный коэффициент схемы составит примерно 30. При токе линии 150 А расчётный вторичный ток будет:
При этом паспортный коэффициент самого трансформатора не изменяется: он по-прежнему имеет номинальное отношение 300/5. Изменяется коэффициент преобразования конкретной схемы включения за счёт увеличения числа первичных витков.
Возможность многократного прохождения первичного проводника должна быть прямо предусмотрена конструкцией ТТ и заводской документацией. Нельзя самостоятельно изменять число проходов только для получения требуемого коэффициента. Необходимо также учитывать допустимое сечение проводника, механические условия монтажа и требования производителя к конкретному типу ТТ.
Многодиапазонные трансформаторы тока
Некоторые трансформаторы тока имеют несколько вторичных выводов или секций обмотки, позволяющих получить разные номинальные коэффициенты трансформации. Такой ТТ называют многодиапазонным.
Условно можно представить вторичную обмотку как несколько последовательно расположенных секций. При подключении одного набора выводов используется определённое число витков вторичной обмотки, а при подключении другого — большее или меньшее. Изменение числа используемых вторичных витков изменяет отношение первичного и вторичного токов.
Условный пример: предположим, что ТТ имеет первичный номинальный ток 600 А и две предусмотренные производителем схемы подключения вторичной обмотки. При одном варианте выводов получается отношение 600/5, а при другом — 300/5. В первом случае номинальный коэффициент равен 120, во втором — 60.
Это не означает, что у трансформатора одновременно существуют два независимых коэффициента без каких-либо условий. Фактический диапазон и порядок переключения определяются конкретной конструкцией и маркировкой выводов.
Нельзя выбирать выводы многодиапазонного ТТ по аналогии с другим трансформатором. Схема соединения секций, допустимые токи и получаемые отношения трансформации должны соответствовать паспорту и маркировке конкретного изделия. Неправильное соединение может привести к ошибке коэффициента и нарушению работы измерительной или защитной цепи.
Маркировка выводов и полярность
Даже при правильном коэффициенте трансформации неправильное подключение выводов ТТ может привести к ошибкам в измерениях и нарушению работы защит.
В зависимости от стандарта и конструкции выводы первичной и вторичной обмоток могут иметь различные обозначения. В распространённой системе используются обозначения P1 и P2 для первичной стороны и S1 и S2 для вторичной. В конкретном изделии необходимо руководствоваться маркировкой и схемой, приведённой производителем.
Обозначения выводов используются для определения одноимённых выводов и полярности обмоток, что позволяет правильно определить направления токов и фазовые соотношения при подключении ТТ.
Перепутанные выводы вторичной обмотки, например S1 и S2, изменяют направление вторичного тока относительно принятого положительного направления в схеме. В измерительных цепях и схемах релейной защиты это приводит к нарушению правильных фазовых соотношений и может вызвать неправильную работу измерительных приборов, устройств учёта и защит.
Типичные ошибки при выборе и монтаже
При рабочем токе около 250 А вместо ТТ 300/5 устанавливают ТТ 600/5. При токе 250 А идеализированный вторичный ток ТТ 300/5 составит около 4,17 А, а ТТ 600/5 — около 2,08 А. При минимальном рабочем токе 20 А для ТТ 600/5 вторичный ток составит всего около 0,167 А, то есть 3,3% от номинальных 5 А. Такой режим необходимо отдельно оценивать с точки зрения требований к измерительной системе и нормируемой погрешности.
Запись 400/5 — это номинальное отношение первичного и вторичного токов, а числовой коэффициент трансформации равен 80. При технических расчётах важно различать эти два обозначения.
Длинная линия до счётчика, недостаточное сечение проводов, большое количество приборов или плохие контактные соединения увеличивают сопротивление вторичной цепи. В результате погрешность ТТ может выйти за пределы нормируемой для выбранного класса точности.
В многодиапазонном ТТ выбор неправильных выводов может привести к получению коэффициента, отличающегося от требуемого.
Перепутывание выводов вторичной обмотки изменяет направление вторичного тока и может привести к неправильной работе схем учёта, дифференциальной и направленной защиты.
Для проходного ТТ дополнительный проход проводника действительно изменяет коэффициент преобразования конкретной схемы, но использовать этот способ можно только в пределах, разрешённых заводской документацией.
Размыкание вторичной цепи под нагрузкой. Вторичная цепь работающего ТТ не должна размыкаться при наличии тока в первичной цепи. Перед отключением измерительного прибора или другого потребителя вторичную цепь необходимо предварительно замкнуть предусмотренным для этого устройством.
Вывод
Коэффициент трансформации — одна из ключевых характеристик трансформатора тока, определяющая соответствие первичного и вторичного токов. При выборе ТТ важно учитывать не только номинальное отношение, но и фактический диапазон рабочих токов, класс точности, вторичную нагрузку, назначение обмотки и требования измерительной или защитной системы.
Для измерительных цепей особенно важно не завышать коэффициент без необходимости: при малом первичном токе вторичный ток также уменьшается, а относительная погрешность измерения может возрастать. Для систем учёта, работающих в широком диапазоне нагрузок, классы 0,2S и 0,5S позволяют нормировать точность также при малых первичных токах.
При расчёте вторичной нагрузки следует учитывать не только приборы, но и сопротивление соединительных проводов, контактов и других элементов цепи. Для проходных и многодиапазонных ТТ необходимо строго соблюдать предусмотренные производителем схемы подключения и допустимое число проходов первичного проводника.
При проверке важно различать определение действительного коэффициента трансформации и подтверждение класса точности. Первое можно получить из отношения измеренных первичного и вторичного токов в конкретной точке. Второе требует испытаний в нормируемых точках и условиях с оценкой соответствующих погрешностей.
Перед вводом в эксплуатацию коэффициент трансформации и характеристики вторичных обмоток проверяют в составе предусмотренных испытаний. Полученные результаты сопоставляют с паспортными данными, классом точности и требованиями действующей нормативной документации. Такой подход позволяет обеспечить корректную работу систем измерения, учёта и релейной защиты.
