Для измерения токов небольшой величины (от единиц до нескольких десятков ампер) отлично подойдут токоизмерительные шунты или датчики, работающие на эффекте Холла. Но в тех случаях, когда необходимо измерять, сотни или даже тысячи ампер переменного тока, используют специальный датчик переменного тока — трансформатор тока (далее в тексте — ТТ).
Принцип работы этого устройства такой же, как и у трансформатора напряжения, и основан на явлении электромагнитной индукции, за счёт чего организуется гальваническая развязка между измерительным прибором и силовой цепью. Подобные датчики широко применяются в системах учёта электроэнергии и в устройствах защиты, обеспечивая безопасную работу и длительный срок эксплуатации контрольно-измерительных систем.
Одним из главных документов, на который стоит опираться при работе с ТТ, является ГОСТ 7746-2015. В нём описывается классификация, изложены основные параметры и характеристики, технические требования к эксплуатации, методы контроля, а также освещены вопросы, касающиеся метрологического обслуживания. В данной статье будут затронуты только основные положения, чтобы сформировалось базовое понимание об рассматриваемом устройстве.
В соответствии с ГОСТ 2.723-68 «Обозначения условные графические в схемах. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, автотрансформаторы и магнитные усилители», для обозначения на принципиальных электрических схемах ТТ имеют следующее условное графическое обозначение (УГО):
Начало и конец первичной обмотки обозначаются литерами Л1 и Л2 (линий), а вторичной — И1 и И2 (измерение). В англоязычной среде для маркировки принято пользоваться индексами P1 и P2 (первичная), S1 и S2 (вторичная).
Конструкция
В общем случае, ТТ состоит из следующих основных частей:
— магнитопровод (сердечник), который является основанием устройства;
— первичная обмотка (силовая часть), которая представляет собой часть цепи, по которой протекает измеряемый ток;
— вторичная обмотка (измерительная часть), которая нагружается резистором, а с него снимается напряжение, пропорциональное измеряемому току.
Магнитопровод конструктивно может иметь различные формы. Например, датчики для измерения небольших токов (до нескольких ампер) имеют сердечник, который представляет собой небольшое ферритовое кольцо.
Для измерения величин десятки и сотни ампер используются ТТ, у которых магнитопровод собран из набора пластин (кольцевой или прямоугольной формы), изготовленных из электротехнической стали.
Также существуют датчики с так называемым воздушным сердечником. В таких устройствах магнитопровод отсутствует, поэтому каркасом служит, как правило, тороидальная конструкция из диэлектрического материала (например, пластик). Одним из примеров таких датчиков является пояс (катушка) Роговского. Это отдельный вид измерительных устройств, которые обладают специфическими параметрами и характеристиками. Основным отличием от датчиков с ферромагнитным сердечником является наличие обратного витка во вторичной обмотке.
Отдельно стоит упомянуть неинвазивные (разборные) датчики. Термин «неинвазивный» позаимствован из медицины и означает «не связанный с проникновением через естественные внешние барьеры организма». Если проводить аналогию, то установка датчика для измерения тока осуществляется без разрыва цепи, не прекращая работы. Это возможно благодаря особой конструкции магнитопровода: он разборный и состоит из двух частей. В англоязычной среде неинвазивные датчики называют split core current transformer (трансформатор тока с разделенным сердечником).
Примером неинвазивных датчиков являются преобразователи серии SCT-013. У них магнитопровод разделён на две части. В замкнутом состоянии части ферритового сердечника плотно прилегают друг к другу, благодаря чему магнитный поток проходит без потерь. Вторичная обмотка установлена на основную неподвижную часть датчика, поскольку к ней подключается нагрузочный резистор и сигнальный кабель.
Принцип работы
В качестве первичной обмотки ТТ выступает цепь, через которую протекает измеряемый ток. Причём достаточно даже того, чтобы проводник просто однократно проходил через внутреннее отверстие магнитопровода.
Согласно закону электромагнитной индукции, когда по первичной обмотке протекает ток, в ней формируется магнитное поле, и, следовательно, образует магнитный поток в сердечнике. Магнитный поток проходит сквозь вторичную обмотку, благодаря чему в ней индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), величина которой пропорциональна силе тока в первичной обмотке. А взаимосвязь между количеством витков и величиной тока в каждой из обмоток можно определить следующим выражением:
где k — коэффициент трансформации;
W1 и W2 — количество витков в первичной и вторичной обмотках соответственно;
I1 и I2 — величины тока в соответствующих обмотках.
Для безопасной и корректной работы с ТТ крайне важно вторичную измерительную обмотку нагружать резистором (зачастую, сопротивление резистора варьируется от единиц до нескольких десятков Ом, при этом номинальная мощность рассеивания может составлять 5-10 Вт), который будет выполнять роль токоизмерительного шунта. Через него будет протекать электрический ток, пропорциональный току в первичной обмотке, и снимаемое падение напряжение на шунте можно использовать для измерений.
При работе с датчиком нужно следить за тем, чтобы вторичная обмотка всегда оставалась замкнутой через резистор. Если её не нагрузить, то наведённая в ней ЭДС будет слишком большого значения (сотни вольт), и прикладывать такое напряжение на вход измерительных устройств опасно, а также это может привести к пробою межвитковой изоляции и вызвать короткое замыкание.
Чтобы объяснить данное явление с точки зрения физики, рассмотрим процессы, которые протекают в датчике во время работы. Когда ТТ работает в штатном режиме, каждая из обмоток (W1 и W2) создаёт в сердечнике свой магнитный поток (Ф1 и Ф2), которые направлены встречно. И в том случае, когда вторичная обмотка размыкается, магнитный поток Ф2 пропадает. Из-за этого поток Ф1 увеличивается и наводит большую ЭДС в измерительной обмотке. Также возникают вихревые токи Фуко в самом магнитопроводе, из-за чего он сильно нагревается. А это может повредить изоляцию обеих обмоток.
