Измерительные трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН) являются измерительной аппаратурой, предназначенной для разделения цепей первичной и вторичной коммутаций, и обеспечивают работу средств измерения, релейной защиты и автоматики в электроустановках и сетях напряжением до и свыше 1 кВ.

Согласно ГОСТ 7746-2015 ТТ классифицируются следующим образом:

• по роду установки (категории размещения и климатическому исполнению – ГОСТ 15150): внутренней, наружной и в комплектных РУ;
• по принципу конструкции: опорные (О), проходные (П), шинные (Ш), встроенные (В), разъёмные (Р) (допускается конструктивное сочетание);
• по виду изоляции: с литой изоляцией (Л), с фарфоровой покрышкой (Ф), в пластмассовом корпусе (П), с твёрдой изоляцией (кроме фарфоровой и литой) или с полимерной покрышкой, маслонаполненные (М), газонаполненные (Г), бескорпусные;
• по числу ступеней трансформации: одноступенчатые, каскадные (К);
• по числу вторичных обмоток: с одной вторичной обмоткой, с несколькими вторичными обмотками;
• по назначению вторичных обмоток: для измерения, для учёта, для защиты (защита, автоматика, управление и сигнализация), для измерения и защиты, для работы с нормированной точностью в переходных режимах (при обозначении указывают класс точности);
• по числу коэффициентов трансформации: с одним коэффициентом трансформации, с несколькими коэффициентами трансформации (изменение числа витков первичной или/и вторичной обмотки, а также применение нескольких вторичных обмоток с различными числами витков).

Основными параметрами ТТ являются:

• номинальное напряжение (U_НОМ );
• номинальные первичный и вторичный токи ( I_1НОМ , I_2НОМ );
• номинальный коэффициент трансформации ( );

• токовая и угловая погрешности (  );
• кратность первичного тока ( );
• номинальная вторичная нагрузка ( ).

Класс точности ТТ определяется токовой погрешностью в процентах при условии колебания тока первичной обмотки 100-120 % I_1НОМ.

ТТ изготавливают на номинальные напряжения: 0,66; 3; 6; 10; 15; 20; 24; 27; 5; 110; 150; 220; 330; 500; 750 кВ, номинальные токи первичных обмоток: 1; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 75; 80; 100; 150; 200; 300; 400; 500; 600; 750; 800; 1000; 1200; 1500; 1 600; 2 000; 3 000; 4 000; 5 000; 6 000; 8 000; 10 000; 12 000; 14 000; 16 000; 18000; 20 000; 25 000; 28 000; 30 000; 32 000; 35 000; 40 000 А, номинальные токи вторичных обмоток: 1, 2, 5 А, и классы точности: 0,1; 0,2; 0,2S; 0,5; 0,5S; 1; 3; 5; 10 (для измерений, учёта, измерений и защиты, S-для коммерческого учёта), 5Р, 10Р (для релейной защиты).

Структура условного обозначения ТТ определяется по ГОСТ 7746-2015 согласно классификации.

По ГОСТ 1983-2015 ТН имеют следующую классификацию:

• по роду установки (категории размещения и климатическому исполнению– ГОСТ 15150): внутренней, наружной и в комплектных РУ;
• по числу фаз: однофазный (О), трёхфазный (Т);
• по наличию или отсутствию заземления вывода X первичной обмотки: заземляемый (З), незаземляемый;
• по числу ступеней трансформации: одноступенчатые, каскадные (К), с ёмкостным делителем (ДЕ);
• по виду изоляции: воздушно-бумажная (С), литая (Л), залитая битумным компаундом (к), с фарфоровой покрышкой (ф), масляная (м), газовая (г), полимерная (П);
• по особенностям конструктивного исполнения: с дополнительными обмотками для контроля изоляции сети (И), с компенсационными обмотками (к), защищённое исполнение (з), водозащищённое исполнение (в), герметичное исполнение (г), со встроенным предохранителем (п), антирезонансная конструкция (А).

Основными параметрами ТН являются:

• номинальные напряжения первичной и вторичной обмоток ( );
• номинальный коэффициент трансформации ( );
• погрешность по напряжению, угловая погрешность );
• номинальная вторичная нагрузка ( ).

Погрешность по напряжению в процентах выражает класс точности: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 3 (для измерений); 3Р; 6Р (для защиты, управления, автоматики, сигнализации) и не должна превышать заданных значений при колебаниях напряжения U1 в пределах 90‒110 % U1НОМ и колебаниях мощности вторичной цепи в пределах 25‒100 % номинальной.

Ряды номинальных параметров ТН и структура условного обозначения приведены в ГОСТ 1983-2015.

1. Трансформаторы тока

ТТ создают гальваническую развязку цепей первичной и вторичной коммутаций, обеспечивая питание релейной защиты и автоматики номинальным током вторичной обмотки 1, либо 5 А. Принцип работы ТТ основан на явлении взаимной индукции и заключается в создании током первичной обмотки магнитного потока, который затем, замыкаясь по магнитопроводу вторичной обмотки и пронизывая её витки наводит во вторичной обмотке ток, пропорциональный току первичной обмотки.

Отличие ТТ от силовых трансформаторов в том, что, во-первых, ТТ работают в условиях близких к КЗ, так как сопротивление измерительной аппаратуры во вторичной обмотке мало, а во-вторых, ток во вторичной обмотке ТТ не зависит от характера нагрузки (источник тока) а определяется током в первичной обмотке.

Один вывод вторичной обмотки заземляется с той целью, чтобы в случае повреждения изоляции, подключённая к вторичной обмотке аппаратура, осталась под потенциалом земли. При отключённых приборах вторичная обмотка должна быть замкнута накоротко, поскольку в случае разрыва, магнитный поток первичной обмотки обуславливает перегрев магнитопровода и появление значительного напряжения на вторичной обмотке, что грозит пробоем изоляции.

Конструктивно ТТ могут выполняться:

• по размещению: внутренней и наружной установки;
• по типу первичной обмотки: одновитковые и многовитковые.

Одновитковые ТТ внутренней установки предусматривают использование в качестве первичной обмотки токоведущие шины распределительного устройства, токопроводы выключателей, кабели и т. д. Конструкция ТТ ТЛМ-10 представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Конструкция ТЛМ-10

Данный ТТ имеет два магнитопровода (1, 2), для цепей измерения и защиты. Л 1, 2 вход и выход силовой цепи. И 1, 2 ‒ входы и выходы цепей измерения и защиты. Использование таких ТТ является экономически выгодным. К тому же, электродинамическая стойкость конструкции с одновитковыми ТТ определяется прочностью токоведущих элементов и непосредственно для ТТ изготовителем не нормируется. Однако при небольших токах первичной обмотки возрастает погрешность преобразования, что является недостатком.

Для получения высокого класса точности при малых токах первичной обмотки используют многовитковые ТТ, пример конструкции которого показан на рисунке 2.

Рисунок 2 – Конструкция многовиткового ТПЛ-10

Вторичная обмотка (2) располагается на шихтованном магнитопроводе (1) и выводится на контакты (6). Первичная обмотка (1) в форме медной шины выводится на контакты (5). Все детали ТТ заливаются эпоксидным компаундом (4).

Для обеспечения требуемого класса точности поддерживается необходимая величина магнитодвижущей силы первичной обмотки за счёт регулирования числа витков. Достоинством таких ТТ является высокая точность при различных значениях тока первичной обмотки. Среди недостатков отмечается влияние на витки первичной обмотки существенных электродинамических сил при КЗ, что снижает показатель электродинамической стойкости, а также возможность появления на первичной обмотке значительного падения напряжения вследствие относительно большой индуктивности.

На классы напряжений 35 кВ и выше для открытых установок применяют ТТ с бумажно-масляной изоляцией звеньевого типа. На рисунке 3 изображена структура ТФЗМ-35 опорного типа в фарфоровом корпусе.

Рисунок 3 – Конструкция ТФЗМ-35

Первичная (6) и вторичные обмотки с тороидальными магнитопроводами (7) размещаются в полом фарфоровом корпусе (1) залитом маслом (8). Первичная обмотка имеет несколько параллельных ветвей и даёт возможность переключения с последовательного на параллельное соединения, что позволяет регулировать коэффициент трансформации. Коробка с выводами вторичных обмоток (9) крепится к раме (10), на которую установлен корпус. В верхней части корпуса имеется маслорасширитель с маслоуказателем (2), выводы первичной обмотки (3,4), крышка (5). Недостатком рассматриваемых ТТ является значительное увеличение стоимости с ростом номинального напряжения за счёт изоляционных материалов.

На напряжения 110 кВ и выше изготавливаются ТТ масло- и газонаполненные. На рисунках 4, 5 показаны конструкции ТТ с элегазовой изоляцией на 110 кВ серии ТГФМ-110 и маслонаполненные на 220 кВ Arteche CA-245 испанского производства.

Для напряжений 220 кВ и выше также используются каскадные ТТ состоящие из нескольких секций, конструктивно представляющих собой ТТ рассмотренный выше, соединяемых по принципу: вторичная обмотка первой ступени является первичной обмоткой второй ступени. Стоимость такого ТТ существенно ниже одноступенчатого, изготовленного на аналогичное напряжение. При этом недостатком является рост погрешности вследствие увеличения сопротивления обмоток.

Рисунок 4 – внешний вид и конструкция ТТ газонаполнительный ТГФМ-110: 1 ‒ корпус, 2 ‒ трубка и стержень первичной обмотки, 3 ‒ внешние контакты первичной обмотки, 4 ‒ мембранный предохранитель, 5 ‒ блок вторичных обмоток, 6 ‒ внутренняя полость с элегазом, 7 ‒ фарфоровая покрышка, 8 ‒ опорная рама с сигнализатором давления и вентилем для подкачки элегаза,9 ‒ блок контактов выводов вторичной обмотки

Рисунок 5 – внешний вид и конструкция маслонаполненный Arteche CA-245: 1 ‒ система компенсации изменения объёма масла, 2 ‒ указатель уровня масла, 3 ‒ внешний контакт первичной обмотки, 4 ‒ сердечник и вторичные обмотки, 5 ‒ стержень первичной обмотки, 6 ‒ токопровод вторичной цепи, 7 ‒ изоляция (фарфор или силиконовая резина), 8 ‒ конденсаторный ввод, 9 ‒ усиленное заземление, 10 ‒ клапан отбора проб масла, 11 ‒ опорное основание, 12, 13 ‒ канал и блок контактов выводов вторичной обмотки

2. Трансформаторы напряжения

Трансформаторы напряжения (ТН) предназначены для развязки цепей первичной и вторичной коммутации и обеспечения работы средств измерения и защиты со значением напряжения вторичных цепей 100 и 100/√3 В.

Принцип действия ТН основан на тех же явлениях, что и принцип работы ТТ, но при этом элементы нагрузки вторичной обмотки ТН подключены параллельно и ТН работает в режиме близком к режиму холостого хода. Один из выводов вторичной обмотки заземляется.

ТН изготавливаются следующих видов:

• по количеству фаз: одно- и трёхфазные;
• по типу изоляции: с масляной и литой изоляцией.

На практике в трёхфазных электрических сетях для контроля линейных напряжений возможно использование как одно- так и трёхфазных ТН с соединением вторичных обмоток в звезду (б, в) и в открытый треугольник (а, в) как показано на рисунке 6.

Рисунок 6 – Варианты схем подключения одно и трёхфазных ТН: а – подключение двух одно-фазных ТН; б – трёхфазный двухобмоточный ТН;в – трёхфазный трёхобмоточный ТН

Внешний вид ТН НОЛ-10 с литой изоляцией представлен на рисунке 7 a. Данные ТН имеют ленточный C-образный разрезной магнитопровод, что обеспечивает высокий класс точности до 0,2, и обмотки, заливающиеся компаундом на основе эпоксидной смолы, после застывания образующей монолитный корпус.

В сетях напряжением 110 кВ и выше используются ТН каскадного типа, в которых обмотка высокого напряжения распределяется равномерно по нескольким магнитопроводам, что облегчает изоляцию. Основные элементы конструкции каскадного ТН

НКФ-110 показаны на рисунке 9, б, включающей двухстержневой магнитопровод, размещающийся в фарфоровом корпусе (3), установленном на основании (4), высоковольтный ввод (1), маслорасширитель (2), коробку выводов вторичной обмотки (5). На каждом стержне расположена обмотка высокого напряжения, рассчитанная на половину фазного напряжения. Обмотки заливаются трансформаторным маслом.

Каскадные ТН 110 кВ и выше имеют меньшие габариты и массу по сравнению с ТН с аналогичными параметрами нормальной конструкции, что определяет их экономическую эффективность и целесообразность использования. Однако стоит отметить, что результирующее активное и индуктивное сопротивления обмоток каскадных ТН значительно больше, чем у ТН нормального исполнения. В связи с этим необходимо снижать нагрузку ТН для обеспечения высокого класса точности.

Рисунок 7 – Конструкции ТН НОЛ-10 и НКФ-110: а – внешний вид ТН НОЛ-10; б –элементы конструкции НКФ-110

ТН на большие напряжения собираются из нескольких рассмотренных каскадных ТН.

Отдельную группу составляют ёмкостные ТН обладающие высокой устойчивостью характеристик точности и высококачественным откликом при переходных процессах. Такие ТН имеют в конструкции конденсаторный делитель напряжения, состоящий из одного или нескольких ёмкостных модулей с масляной изоляцией, соединённый внутренними вводами-выводами с электромагнитным блоком. На рисунке 8 показаны типовая конструкция ёмкостного ТН (а) и общие виды ТН серии НДКМ-110,220,330 (б). ТН на 330 кВ и выше имеют две или три последовательно соединённые секции.

Рисунок 8 – Конструкция ёмкостного ТН и НДКМ-110,220,330: а – конструкция ёмкостного ТН: 1 ‒ ввод высокого напряжения, 2 ‒ расширительная система, 3 ‒ ёмкостные элементы, 4 ‒ внутренние вводы-выводы промежуточного и низкого напряжений, 5 ‒ указатель уровня масла, 6 ‒ верхняя часть объёма корпуса с газовой подушкой, 7 ‒ компенсирующий реактор, 8 ‒ антиферрорезонансная демпфирующая цепь, 9 ‒ коробка вторичных выводов, 10 ‒ первичная и вторичная обмотка электромагнита, 11 ‒ сердечник; б – общий вид НДКМ на 110, 220 и 330 кВ

3. Условия выбора ТТ и ТН

Условиями выбора измерительных трансформаторов являются:

• по номинальному напряжению: U1 ном.апп ≥ Uном.сети ;
• по номинальному току первичной обмотки: I1 ном.апп ≥ Iном.сети ; или предельному рабочему току I1 раб.апп ≥ Iном.сети ;
• по электродинамической стойкости: kдин · √2 · I1 ном. ≥ iуд , или Fдоп ≥ Fрасч ;
• по термической стойкости: [kтер · I1 ном ]² ·tтер ≥ Bk  = Iкз² ·tкз ;
• по нагрузке во вторичной цепи: Z2ном ≥ Z2 ≈ r2 (в необходимом классе точности).

Для обеспечения наименьшей погрешности номинальный ток, или предельный рабочий ток первичной обмотки, должен иметь значение как можно ближе к наибольшему рабочему току сети. Класс точности выбирается по назначению трансформатора.

Технические параметры ряда ТТ и ТН широко представлены в справочниках.

4. Перспективные технологии создания и использования ТТ и ТН

Для ТТ и ТН электромагнитного действия характерно наличие потерь и погрешностей, связанных с эффектами циклического перемагничивания магнитопровода (гистерезиса), насыщения магнитопровода, резонанса, остаточного намагничивания, в том числе от токов КЗ.

По вышеуказанным причинам существует тенденция разработки и широкого внедрения ТТ и ТН (датчиков) оптоэлектронного типа, принцип действия которых основан на электрооптическом эффекте Поккельса (для ТН) и на магнитооптическом эффекте Фарадея (для ТТ).

Эффект Поккельса заключается в линейной зависимости коэффициента преломления электрооптического кристалла, не имеющего внутренней симметрии, от силы прикладываемого электрического поля. При этом в измерительном элементе может быть реализован один из двух принципов модуляции: продольная модуляция (вектор напряжённости поля параллелен направлению световой волны) и поперечная модуляция (вектор напряжённости перпендикулярен направлению световой волны).

Эффект Фарадея заключается в линейной зависимости угла вращения плоскости поляризации световой волны от тока в проводнике и параметров контура элемента Фарадея.

Преимущества использования ТТ и ТН оптоэлектронного типа:

• снижение эксплуатационных затрат;
• улучшение массогабаритных показателей;
• высокая точность и её сохранение при интенсивных внешних воздействиях;
• пожаро- и взрывобезопасность;
• наличие цифровых и аналоговых каналов.

На рисунке 9 показаны конструкция комбинированного измерительного трансформатора типа NXVCT производства NxtPhase T&D Inc. (а, б, в) и первого российского оптоэлектронного трансформатора тока ОИЦТ на 110 кВ (г).

Рисунок 9 – Конструкции оптоэлектрических трансформаторов NXVCT и ОИЦТ: а – конструкция комбинированного трансформатора NXVCT: 1 ‒ токовая головка, может включать несколько датчиков тока на эффекте Фарадея, 2 ‒ внутренняя колонка с датчиками напряжения на эффекте Поккельса и экранами для снижения поверхностного искажения поля, 3 ‒ цельнолитая спиралевидная оболочка из силиконовой резины, 4 ‒ оптическое волокно, 5 ‒ внутренний объем с сухим азотом, 6 ‒ основание, 7 ‒ измерительный элемент датчика тока, 8 ‒ чувствительное оптоволокно в кварцевой трубке, 9 ‒ токоведущая шина, 10 ‒ внешний кольцевидный экран, 11 ‒ опорный изолятор; б –конструкция ТТ ОИЦТ: 1 ‒ ячейка Фарадея, 2 ‒ токовые выводы, 3 ‒ оптоволокно, 4 ‒ основание с электронным преобразователем