Ток возбуждения трансформатора тока — это ток, необходимый для установления и поддержания магнитного потока в сердечнике трансформатора тока. Это небольшая, но критически важная составляющая работы ТТ, поскольку она напрямую влияет на точность преобразования тока. Согласно Международной электротехнической комиссии (МЭК), ток возбуждения определяется как «действующее значение тока, принимаемого вторичной обмоткой трансформатора тока, когда синусоидальное напряжение номинальной частоты прикладывается к клеммам вторичной обмотки, а первичная и любые другие обмотки разомкнуты-замкнуты».
В эквивалентной схеме трансформатора тока ток возбуждения протекает через ветвь намагничивания, которая отражает магнитные свойства сердечника. Предполагается, что первичный ток идеально преобразуется во вторичную сторону, но часть этого тока отводится через ветвь возбуждения. Остаток представляет собой истинный вторичный ток, протекающий через внешнюю нагрузку. Ток возбуждения является функцией вторичного напряжения возбуждения (Es) и импеданса вторичного возбуждения (Ze) и представляет собой количество ампер-витков, необходимое для намагничивания сердечника.
Ток возбуждения можно разложить на две составляющие: ток намагничивания и составляющую потерь. Ток намагничивания (Im) — это компонент, создающий магнитный поток в сердечнике. Компонент потерь (Ia) представляет собой потери активной мощности в сердечнике из-за вихревых токов и гистерезиса. Полный ток возбуждения представляет собой векторную сумму этих двух компонентов: Ie=Im + Ia. Ток намагничивания обычно намного превышает составляющую потерь, особенно в высококачественных-материалах сердечника с низкими потерями.
Величина тока возбуждения зависит от нескольких факторов. Свойства материала активной зоны,-включая проницаемость, плотность потока насыщения и потери-играют первостепенную роль. Материалы с более высокой проницаемостью требуют меньшего тока намагничивания для создания заданного потока. Размеры сердечника и количество вторичных витков также влияют на ток возбуждения: чем больше сердечник, тем больше витков, как правило, получается меньший ток возбуждения при заданном напряжении. Еще одним критическим фактором является напряжение возбуждения, которое определяется нагрузкой и вторичным током.
Ток возбуждения является основным источником ошибок в трансформаторе тока. Поскольку ток возбуждения вычитается из тока, который в противном случае был бы доступен для вторичной цепи, он напрямую влияет на ошибку коэффициента трансформации ТТ. Взаимосвязь между током возбуждения и ошибкой коэффициента трансформации можно понять, если принять во внимание, что первичные амперные-витки должны быть равны сумме вторичных амперных-витков и амперных-витков возбуждения. Когда ток возбуждения увеличивается-из-за более высокой нагрузки, более высокого вторичного напряжения или насыщения сердечника-, вторичный ток уменьшается, и ошибка коэффициента усиления увеличивается.
Характеристика возбуждения ТТ обычно представляет собой кривую, связывающую приложенное вторичное напряжение с током возбуждения. Эта кривая имеет две отдельные области: линейную область при низких напряжениях, где сердечник не насыщается, и область насыщения при высоких напряжениях, где ток возбуждения быстро увеличивается при небольшом увеличении напряжения. Переход между этими областями называется точкой перегиба. Ниже точки перегиба ток возбуждения мал и точность трансформатора тока хорошая. Выше точки перегиба ток возбуждения резко возрастает, и точность трансформатора тока быстро ухудшается.
Ток возбуждения определяет максимальную точность, которую можно достичь с помощью данного трансформатора тока. Поскольку ток возбуждения является неотъемлемым свойством магнитного сердечника, он устанавливает фундаментальный предел производительности трансформатора тока. Даже в идеальных условиях ток возбуждения вносит небольшую, но не-нулевую погрешность коэффициента и фазовую погрешность. Целью разработчика ТТ является минимизация тока возбуждения за счет тщательного выбора материала сердечника, размеров сердечника и конфигурации обмотки.
В практических приложениях ток возбуждения измеряется во время испытаний трансформатора тока для проверки его рабочих характеристик. Проверка возбуждения включает в себя подачу переменного напряжения на вторичную обмотку при разомкнутой- первичной обмотке и измерение результирующего тока возбуждения. Кривая возбуждения, полученная в результате этого испытания, используется для определения напряжения в точке перегиба и оценки пригодности трансформатора тока для защиты. Трансформатор с меньшим током возбуждения при данном напряжении обычно считается более качественным.
Ток возбуждения также имеет важные последствия для безопасности. Если вторичная цепь трансформатора тока случайно разомкнута-при протекании первичного тока, ток возбуждения создаст очень высокое напряжение на клеммах вторичной обмотки. Это может подвергнуть опасности персонал и повредить оборудование. Вторичную цепь трансформатора тока никогда нельзя оставлять разомкнутой-, пока продолжает течь первичный ток, поскольку трансформатор тока ведет себя как дроссель с высокой степенью насыщения, создавая пиковое и относительно высокое напряжение на вторичном выходе.
Таким образом, ток возбуждения является фундаментальной характеристикой трансформаторов тока, которая напрямую определяет их точность и производительность. Он представляет собой ток, необходимый для намагничивания сердечника, и является основным источником ошибок соотношения и фазы. Понимание тока возбуждения-и его связи с материалом сердечника, нагрузкой и рабочим напряжением- необходимо для выбора, тестирования и применения трансформатора тока в электроэнергетических системах.