Контроль напряжения и тока нужен во множестве устройств, и национальная энергосистема здесь не исключение. Сложность в том, что в магистральных сетях эти величины на порядки выше, чем в бытовой или промышленной электронике, поэтому безопасное измерение превращается в полноценную инженерную задачу.
Как её решают на практике, рассказал Джордан Тейлор, автор YouTube-канала The Electric Brit. В своём видео он разбирает устройство трансформаторов тока (ТТ), применяемых в энергосистеме, и связанного с ними оборудования, которое обеспечивает гальваническую развязку и делает измерения безопасными.
Как устроен трансформатор тока
Принцип работы ТТ достаточно прост. Первичной обмоткой служит сам проводник с измеряемым током, нередко это всего один виток или шина, проходящая через магнитопровод. Вторичная обмотка содержит много витков, поэтому ток в ней меньше первичного во столько раз, во сколько отличается число витков. Обычно трансформаторы рассчитывают так, чтобы на выходе получался стандартный номинальный ток 1 или 5 А, с которым уже могут работать счётчики и устройства защиты.
Главное преимущество такой схемы — отсутствие электрического контакта между высоковольтной линией и измерительными цепями: энергия передаётся только через магнитное поле, а изоляция трансформатора принимает на себя линейное напряжение. При этом у ТТ есть строгое правило эксплуатации: вторичную обмотку нельзя оставлять разомкнутой, пока через первичную идёт ток, иначе на её выводах может появиться опасное для людей и изоляции напряжение.
Зачем трансформаторы тока энергосистеме
Даже если базовые принципы остаются прежними, при токах 5 кА и выше соответственно растут требуемые изоляционные расстояния, а цена ошибки в любой детали становится несравнимо выше. Трансформаторы тока вместе со связанным оборудованием участвуют в реализации защиты от перегрузки по току, защиты от перенапряжения, а также дифференциальной защиты.
Дифференциальная защита сравнивает токи на входе и выходе защищаемого участка — например, силового трансформатора, шины или линии. В нормальном режиме они практически совпадают, а заметная разница указывает на утечку или короткое замыкание. Такая неисправность может возникнуть и внутри самого ТТ, если повреждены его обмотки.
При обнаружении любого аварийного режима система может отключить автоматический выключатель или принять другие корректирующие меры. Кстати, тот же принцип сравнения токов позволяет выявлять и незаконный отбор электроэнергии: если часть мощности уходит мимо учёта, баланс на участке перестаёт сходиться.
Неидеальность и выбор трансформатора
Как и любые трансформаторы, ТТ далеки от идеала. Одна из главных проблем — насыщение магнитопровода: при очень больших токах, например во время короткого замыкания, сердечник перестаёт линейно передавать сигнал, и форма вторичного тока искажается. Поэтому трансформаторы для точного коммерческого учёта и для релейной защиты проектируют по-разному: первые должны быть максимально точными в рабочем диапазоне, а вторые — сохранять приемлемую точность при многократных перегрузках, когда защита должна сработать.
По словам автора видео, точные измерения и правильный выбор типа трансформатора — это отдельное искусство, требующее учёта множества факторов. В конечном счёте именно трансформаторы тока и связанное с ними оборудование позволяют энергосистеме переменного тока быстро реагировать на любые изменения и остаются одной из основ надёжного электроснабжения, на котором держится современное общество.
