Трансформатор струму: що це, як працює і як обрати для 10–110 кВ

Трансформатор струму — це вимірювальний трансформатор, який зменшує струм первинного кола (сотні або тисячі ампер) до стандартних 1 або 5 А, щоб його могли безпечно вимірювати лічильники, амперметри та пристрої релейного захисту. Його первинна обмотка ввімкнена послідовно в лінію, а вторинна живить прилади і водночас ізолює їх від високої напруги. Для мереж 10–110 кВ трансформатор струму обирають за класом напруги, номінальним первинним струмом, кількістю і класами вторинних обмоток та стійкістю до струмів короткого замикання.

Як працює трансформатор струму

Первинна обмотка має один або кілька витків і пропускає через себе весь струм лінії. Вторинна обмотка має багато витків і намотана на окремий магнітопровід. Співвідношення витків задає коефіцієнт трансформації: для трансформатора 300/5 А при первинному струмі 300 А у вторинному колі тече 5 А, при 150 А — 2,5 А.

Від силового трансформатора він відрізняється режимом роботи. Вторинна обмотка трансформатора струму навантажена на прилади з дуже малим опором і працює майже в режимі короткого замикання. Звідси головне правило експлуатації: вторинне коло трансформатора струму під навантаженням не можна розмикати. Без вторинного струму магнітопровід насичується, на розімкнених виводах з'являється напруга, небезпечна для людини та ізоляції. Тому, щоб замінити лічильник, вторинні виводи спочатку закорочують на випробувальній колодці.

У російськомовній технічній документації цей апарат називають «трансформатор тока»; у старих проєктах трапляються позначення ТПЛ (прохідний з литою ізоляцією) і ТОЛ (опорний з литою ізоляцією). Вимоги до вимірювальних трансформаторів зведені в серію стандартів IEC 61869.

Види трансформаторів струму

За конструкцією та місцем встановлення

• Опорні — стоять на власній основі в комірці КРУ або КСО, первинне коло під'єднують до виводів на корпусі.
• Прохідні — одночасно виконують роль прохідного ізолятора через стіну або перегородку.
• Вбудовані — надягаються на ввід силового трансформатора чи вимикача; первинною обмоткою є сам провідник вводу.
• Окремо встановлені на підстанціях 35–110 кВ — колонкові апарати зовнішньої установки з порцеляновою або полімерною покришкою, які ставлять на опорні конструкції ВРП.

За видом ізоляції

Вид головної ізоляції залежить від класу напруги. У таблиці — типові поєднання, без прив'язки до конкретного виробу.

Обмотки для обліку і для захисту

Один трансформатор струму зазвичай має кілька вторинних обмоток на окремих магнітопроводах. Вони мають різні завдання, і плутати їх не можна.

Вимірювальна обмотка має бути точною в робочому діапазоні струмів і насичуватися при КЗ, щоб не пошкодити лічильник. Класи точності — 0,2; 0,5; 0,2S; 0,5S. Цифра означає допустиму похибку струму у відсотках при номінальному струмі. Класи з літерою S нормують точність з 1 % номінального струму, тому їх обирають для комерційного обліку на лініях, де навантаження сильно змінюється протягом доби.

Захисна обмотка, навпаки, не повинна насичуватися при струмах КЗ, інакше реле отримає спотворений сигнал. Її клас записують як 5P10 або 10P20: перше число — гранична повна похибка у відсотках, після літери P — у скільки разів струм може перевищити номінальний без виходу за цю похибку.

Ще один параметр обмотки — номінальне вторинне навантаження у В·А. Сума споживання приладів і опору з'єднувальних кабелів не повинна його перевищувати, інакше похибка виходить за клас. На довгих кабельних трасах від ВРП до релейного щита цей пункт часто стає вирішальним, і тоді вибирають вторинний струм 1 А замість 5 А.

Приклад: оливонаповнений трансформатор струму на 110 кВ

Як виглядає конкретне виконання, видно на прикладі трансформатора струму LB7-110, який LL GLOBAL постачає під замовлення для мереж 110 кВ. Це оливонаповнений апарат зовнішньої установки з паперово-оливною ізоляцією конденсаторного типу.

Що в конструкції перевіряють під час вибору будь-якого апарата цього класу:

• Два коефіцієнти трансформації. Первинна обмотка розділена на дві секції. Їх перемикають пластинами зовні розширювального бака: послідовне з'єднання дає коефіцієнт a/c, паралельне — 2a/c. Якщо навантаження підстанції зросте, трансформатор не доведеться міняти.
• Повна герметичність. Зміну об'єму оливи від температури компенсує металевий сильфон, і олива не контактує з повітрям. Рівень оливи видно в оглядовому вікні.
• Віднімальна полярність. Коли первинний струм тече від P1 до P2, вторинний виходить з S1. Це стандартне маркування, але при монтажі диференційного захисту його перевіряють окремо.
• Виконання W2 розраховане на райони з II ступенем забруднення ізоляції.

Для 10, 20 і 35 кВ у модельному ряду є трансформатори струму LZZBJ9-12, LZZW(F)-20, LCW-35, LCWQD-35, LB6-35 і LABN-35, а також високовольтні комплекти обліку електроенергії JLSZV(F)4-10W і JLSZY(F)-35W. Їхні параметри підбираємо під конкретне технічне завдання; перелік є в розділі вимірювальних трансформаторів.

Чим трансформатор струму відрізняється від трансформатора напруги

Обидва апарати вимірювальні, але вмикаються по-різному. Трансформатор струму стоїть послідовно в колі і працює майже в режимі КЗ, трансформатор напруги підключається паралельно, між фазою і землею або між фазами, і працює майже в режимі холостого ходу. Тому для трансформатора напруги небезпечне коротке замикання у вторинному колі, а для трансформатора струму — обрив.

На підстанції 35 кВ поруч із трансформаторами струму зазвичай стоїть однофазний оливний трансформатор напруги JDJ2-35 з відношенням 35/0,1 кВ. На 110 кВ замість електромагнітного часто ставлять ємнісний трансформатор напруги TYD110/√3-0.02-H: окрім вимірювання він слугує конденсатором зв'язку для ВЧ-каналів по лінії. Лічильник активної енергії отримує сигнали від обох апаратів: струм від трансформатора струму, напругу від трансформатора напруги.

Як обрати трансформатор струму для 10, 35 або 110 кВ

1. Клас напруги. Найбільша робоча напруга апарата має бути не нижчою за напругу мережі: для 10 кВ — 12 кВ, для 35 кВ — 40,5 кВ, для 110 кВ — 126 кВ.
2. Номінальний первинний струм. Беруть найближче стандартне значення над розрахунковим робочим струмом приєднання. Завищений номінал погіршує точність обліку при малих навантаженнях, тому для лічильників краще класи 0,2S або 0,5S.
3. Вторинний струм 1 чи 5 А. 5 А — звичний варіант для КРУ і КСО з короткими кабелями. 1 А вигідніший, коли до релейного щита десятки або сотні метрів кабелю.
4. Кількість і класи обмоток. Порахуйте споживачів: облік, телемеханіка, основний і резервний захист, диференційний захист шин. На 110 кВ часто беруть одну-дві вимірювальні і три-чотири захисні обмотки, як у виконанні P/P/P/0.5 трансформатора LB7-110.
5. Навантаження обмоток у В·А з урахуванням довжини і перерізу вторинних кабелів.
6. Термічна та динамічна стійкість. Апарат повинен витримати розрахунковий струм КЗ у точці встановлення протягом часу дії резервного захисту.
7. Умови встановлення: внутрішня чи зовнішня установка, мінімальна температура, висота над рівнем моря, ступінь забруднення та потрібна довжина шляху витоку ізоляції.

Окремо про мінімальну температуру: стандартне виконання LB7-110 розраховане до −25 °C. Для відкритих підстанцій у регіонах, де зима буває холоднішою, у технічному завданні треба одразу вказати спеціальне холодостійке виконання.

Часті запитання

Трансформатор струму — це що простими словами?

Це «перекладач» великого струму в малий: через первинну обмотку тече струм лінії, а з вторинної знімається пропорційний йому струм 1 або 5 А. До вторинної обмотки підключають лічильник, амперметр і реле захисту, і вони не мають прямого контакту з високою напругою.

Чому не можна розмикати вторинне коло трансформатора струму?

Під час роботи вторинний струм розмагнічує осердя. Якщо коло розірвати, магнітопровід насичується, на виводах виникає висока напруга, ізоляція може пробитися, а людина отримати ураження. Перед роботами вторинні виводи закорочують.

Що означає клас 0,5S або 5P20?

0,5S — вимірювальна обмотка з похибкою не більше 0,5 % при номінальному струмі і з нормованою точністю від 1 % номіналу. 5P20 — захисна обмотка з граничною похибкою 5 % при струмі, що у 20 разів перевищує номінальний.

Який трансформатор струму потрібен для 10 кВ?

Найчастіше опорний або прохідний з литою ізоляцією на 12 кВ, з вторинним струмом 5 А, однією обмоткою для обліку і однією або двома для захисту. Первинний струм вибирають за робочим струмом приєднання, а стійкість — за струмом КЗ на шинах розподільного пристрою.

Чи можна змінити коефіцієнт трансформації вже встановленого трансформатора?

Лише якщо це передбачено конструкцією. У LB7-110 коефіцієнт змінюється перемиканням пластин первинної обмотки (наприклад, 2×300 А дає 300 або 600 А), в інших моделях бувають відпайки на вторинній обмотці. Трансформатор з одним коефіцієнтом при зміні навантаження доведеться замінити.

Перед замовленням підготуйте таблицю приєднань: напруга, робочий і ударний струм, перелік приладів на кожну обмотку та довжини вторинних кабелів. За такою таблицею трансформатори підбираються без додаткових уточнень; її можна надіслати разом з технічним завданням на info@llenergo.com.