Принципы подбора параметров трансформатора тока и его нагрузки

Учитывая многочисленные повторяющиеся вопросы разработчиков, предлагаю Вашему вниманию некоторые комментарии, позволяющие более рационально применять измерительные трансформаторы тока и избежать некоторых ошибок при проектировании различных приборов и систем. «Матерые» разработчики пусть не обижаются на некоторое упрощение изложения информации. Цель этих комментариев - избежать грубых ошибок, а здесь формулы ни к чему. В любом случае мы, имея уникальную методику расчета трансформаторов подтвержденную практикой, готовы просчитать работу трансформатора тока в каждом конкретном приложении или по конкретным ТТ.

Один из наиболее часто встречающихся вопросов обычно посвящается в той или иной степени нагрузке токового трансформатора. Кстати, это наиболее важный аспект правильной работы трансформатора тока.
Расхожее мнение о передаче тока в нагрузку по известной по школьной физике формуле Iвых=Iвх/k не совсем верно и относится только к идеальному трансформатору. В идеале - сопротивление нагрузки должно быть равно 0, но на практике этого достичь практически невозможно. Не вдаваясь глубоко в теорию можно провести четкую взаимосвязь между сопротивлением нагрузки и погрешностью коэфф. передачи тока, сопротивлением нагрузки и величиной тока насыщения трансформатора (т.е. тока, при котором изменение тока на входе не приводит к увеличению тока на выходе). Дело в том, что отбираемая мощность в нагрузке не позволяет работать трансформатору в нулевых магнитных полях (идеальный трансформатор), а, следовательно, в работу вступают искажения, вносимые сердечником, а именно - нелинейность кривой намагничивания сердечника, в частности насыщение сердечника в больших полях. На примере ЮНШИ...002 эти зависимости выглядят так — см. фото 1, 2.

Эти зависимости справедливы для любого трансформатора тока, хотя, при применении эл. технического железа в качестве материала сердечника, эти зависимости на порядок ярче выражены. На эти зависимости особенно надо обратить внимание разработчикам, предполагающим использование трансформаторов в качестве сигнализаторов перегрузок, когда во вторичную цепь трансформатора пытаются включить высокоомное реле. В теории все должно работать, но на практике это не всегда может получиться. Также надо внимательно отнестись к установке на выходе трансформатора выпрямительных мостов, т.к. трансформатор тока должен будет развить не менее 1.2 в. на выходе, прежде чем в работу включится нагрузка на выходе моста.
Не меньшее влияние на точность трансформатора и входные токи насыщения оказывает коэфф. трансформации. Чем он выше - тем более линейной будет характеристика трансформатора (естественно при прочих равных условиях). На примере магнитопровода 25х15х5 сплава 5В, при Rн=5 Ом и намотке проводом ПЭТВ2 0.09 зависимость погрешности от коэфф. трансформации имеет след. вид — см. фото 3, 4.

Грубо говоря, чем выше коэфф. трансформации и ниже сопр. нагрузки, тем точнее трансформатор. Если необходимо достичь высокой точности - не стоит забывать об встроенном усилителе, имеющимся в составе любой м.сх. измерения мощности. Хотя здесь придется найти компромисс между внешними наводками на входные цепи и величиной измерительного сигнала.
При выборе трансформатора тока, необходимо также реально представлять себе его передаточную характеристику. Не стоить верить обещаниям производителей об абсолютной линейности передаточной характеристики. Имея дело с реальным трансформатором надо отдавать себе отчет, что погрешность коэфф. передачи зависит от суммарной напряженности магнитного поля в сердечнике, т.к. магнитная проницаемость сердечника сильно зависит от напряженности магн. поля и может различаться в разы. В целом погрешность коэфф. передачи трансформатора ЮНШИ...002 для Rн=6 Ом выглядит так — см. фото 5.

На графике видно, что в области низких входных токов (до 2.5А), погрешность практически постоянна, затем наблюдается рост. При входных токах свыше 225А погрешность растет катастрофически, т.к. трансформатор входит в насыщение. Приведенный график относится к случаю, когда отн. нач. магн. прониц. материала магнитопровода находится в пределах 32 тыс, хотя типовое значение - 60 тыс и выше. Для отн. нач. магн. прониц. материала магнитопровода - 70 тыс погрешность выглядит след. образом — см. фото 6.

На графике видно, что макс. погрешность снизилась с 0,55% до 0,25%. Естественно, для получения большей точности можно брать сплавы с очень высокой магн. прониц. например 82В, нач. отн. магн. прониц. которого составляет 150-200 тыс ед., но это палка о 2-х концах, т.к. насыщение у него наступает при более низких полях, а цена значительно выше.
Приведенные зависимости и рассуждения хотя и не позволяют реально рассчитать трансформатор, но общие тенденции отражают достаточно точно. В любом случае - можно постараться подобрать параметры трансформатора так, чтобы получить требуемую точность и не выйти за рамки бюджета.