11. Трансформаторы напряжения. Назначение и классификация. Принцип действия.

Трансформаторы напряжения предназначены для измерения напряжения, питания цепей автоматики, сигнализации и релейной защиты линий электропередач от замыкания на землю.

Классификация трансформаторов напряжения

Трансформаторы напряжения различаются:

По числу фаз – однофазные и трёхфазные; По числу обмоток – двухобмоточные и трёхобмоточные;

По классу точности, т.е. по допускаемым значениям погрешностей – согласно таблице 2.3;

По способу охлаждения:

трансформаторы с масляным охлаждением (масляные); трансформаторы с естественным

воздушным охлаждением (сухие и с литой изоляцией).

По роду установки:

для внутренней установки; для наружной установки.

Трансформатор напряжения (ТН) по принципу действия и конструктивному выполнению аналогичен обычному силовому трансформатору и состоит из стального сердечника (магнитопровода), собранного из тонких пластин трансформаторной стали, и двух обмоток – первичной и вторичной, изолированных друг от друга и от сердечника.

Устройство и принцип действия трансформатора напряжения

Устройство и схема включения трансформатора напряжения изображены на рисунке 2.14.

Первичная обмотка W₁, имеющая очень большое число витков, включается непосредственно в сеть высокого напряжения, а к вторичной обмотке

W₂, имеющей меньшее число витков, подключаются параллельно измерительные приборы и реле:

Рисунок 2.14 – Устройство и схема включения ТН.

Под воздействием напряжения сети по первичной обмотке проходит ток, создающий в сердечнике поток Ф, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней э.д.с. Е, равную при разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход трансформатора) напряжению на её зажимах U_2хх.

Напряжение U_2хх, меньше первичного напряжения U₁ во столько раз, во сколько раз число витков вторичной обмотки W₂ меньше числа витков первичной обмотки W₁:;

Отношения чисел витков обмоток называется коэффициентом трансформации и обозначается n_н:

; Следовательно, можно записать:

Если ко вторичной обмотке подключена нагрузка в виде приборов и реле, то напряжение на её зажимах

U₂ будет меньше э.д.с. на величину падения напряжения в сопротивлении вторичной обмотки. Однако

это падение напряжения невелико и им можно пренебречь, тогда: U₁ = U₂n_н и ;

В паспортах на трансформаторы напряжения их коэффициенты трансформации указываются дробью, в

числителе которой – номинальное первичное напряжение, а в знаменателе – номинальное вторичное

напряжение. Для правильного соединения обмоток ТН между собой и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счётчиков выводы обмоток маркируются определенным образом: начало первичной обмотки – А, конец – Х; начало основной вторичной обмотки – a, конец – х;

начало дополнительной обмотки a_д, конец – x_д.

12. Схемы соединения трансформаторов напряжения.

Однофазные трансформаторы напряжения в зависимости от назначения соединяются между собой в различные схемы.

На рисунке 2.16 приведены основные схемы соединения однофазных

ТН.

Рисунок 2.16 – Схемы соединения обмоток однофазных трансформаторов напряжения с одной вторичной обмоткой.

На рисунке а) представлена схема включения одного ТН на междуфазное напряжение АС.

Эта схема применяется, когда для защиты или измерений нужно только одно междуфазное напряжение.

На рисунке б) приведена схема соединения 2-х ТН в открытый треугольник (или неполную звезду). Эта схема применяется, когда для защиты или измерений нужно иметь два или три междуфазных напряжения.

На рисунке в) приведена схема соединения трёх однофазных ТН в звезду. Эта схема получила широкое распространение и применяется когда для защиты и измерений нужны фазные напряжения или же одновременно фазные и междуфазные напряжения.

Соединение 3-х однофазных ТН по схеме треугольник – звезда представлена на рисунке г). Эта схема обеспечивает напряжение на вторичной стороне, равное

На рисунке д) представлена схема соединения обмоток 3‑х однофазных

ТН в фильтр напряжения нулевой последовательности. В этой схеме первичные обмотки ТН соединяются в звезду с заземлённой нейтралью, а вторичные обмотки соединяются последовательно, образуя разомкнутый (не замкнутый) треугольник. Напряжение на зажимах разомкнутого треугольника равно геометрической сумме напряжений нулевой последовательности вторичных обмоток:

;

Так как сумма 3‑х фазных напряжений равна утроенному напряжению нулевой последовательности, то

;

Следовательно, на зажимах схемы разомкнутого треугольника получается напряжение, пропорциональное напряжению нулевой последовательности.

В нормальных режимах и при к.з. без земли U_p=0, т.к. векторы напряжений не содержат нулевой последовательности.

При к.з. на землю в сетях с заземлённой нейтралью и при замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью геометрическая сумма фазных напряжений не равна нулю за счёт появления напряжения нулевой последовательности. На зажимах разомкнутого треугольника появится напряжение нулевой последовательности

3U₀.

Таким образом, рассмотренная схема является фильтром напряжений нулевой последовательности.

Следует отметить, что обязательным условием работы рассмотренной схемы д) в качестве фильтра U₀ является заземление нейтрали первичных обмоток ТН, так как при отсутствии заземления первичным обмоткам ТН будут подводиться не фазные напряжения относительно земли, а фазные напряжения относительно изолированной нейтрали, сумма напряжения которых не содержит

U₀. Их сумма всегда равна нулю и при замыканиях на землю напряжение на выходе схемы будет отсутствовать.

На рисунке 2.17 представлена схема соединения трансформатора напряжения, имеющего две вторичные обмотки. Здесь первичная и основная вторичная обмотки соединены в звезду, а дополнительная вторичная обмотка соединена в схему разомкнутого треугольника (на сумму фазных напряжений – для получения напряжения нулевой последовательности, необходимого для включения реле напряжения и реле направления мощности защиты от однофазных к.з. в сетях с заземлённой нейтралью, а также для устройств контроля изоляции действующих на сигнал в сетях с изолированной нейтралью).

Рисунок 2.17 – Схема соединений обмоток ТН с двумя вторичными обмотками.

Как известно, сумма 3-х фазных напряжений в нормальном режиме, а также при 2-х и 3-х фазных к.з. равна нулю. Поэтому в этих условиях напряжение на выводах разомкнутого треугольника будет равно нулю.

Обычно на выводах разомкнутого треугольника в нормальном режиме (при отсутствии замыкания на землю) имеется небольшое напряжение величиной 0,5-2 В, которое называется напряжением небаланса

.

При однофазном.к.з. в сети с заземлённой нейтралью фазное напряжение повреждённой фазы становится равным нулю, а геометрическая сумма фазных напряжений 2-х неповрежденных фаз оказывается равной фазному напряжению.

При однофазных замыканиях на землю в сети с изолированной нейтралью напряжения неповреждённых фаз становятся равными междуфазному напряжению, а их геометрическая сумма оказывается равной утроенному фазному напряжению. В этом случае, чтобы на реле напряжение не превосходило номинального значения, равного 100 В, у ТН, предназначенных для работы в сетях с изолированными нейтралями, вторичные дополнительные обмотки, соединяемые в схему разомкнутого треугольника, имеют повышенный в 3 раза коэффициент трансформации (например, . Следует иметь в виду, чтопри включении первичных обмоток ТН на фазные напряжения они должны соединяться в звезду, нулевая точка которой обязательно должна соединяться с землёй. Заземление первичных обмоток необходимо для того, чтобы при однофазном.к.з или замыканиях на землю в сети, где установлен ТН, приборы и реле, включенные на его вторичную обмотку, правильно измеряли напряжения фаз относительно земли.

Заземление вторичных обмоток также обязательно независимо от их схемы соединения т.к. это заземление является защитным – обеспечивает безопасность персонала при попадании высокого напряжения во вторичные цепи. Обычно заземляется один из фазных проводов (как правило, фаза В) или нулевая точка звезды.

Первичные обмотки ТН до 35 кВ подключаются к сети через высоковольтные предохранители для быстрого отключения от сети повреждённого ТН.

Для защиты обмоток ТН при повреждениях во вторичных цепях устанавливаются автоматические выключатели (или предохранители) низкого напряжения.

Вторичные цепи ТН должны выполняться с высокой степенью надёжности, исключающей обрывы и потерю контактов для исключения исчезновения напряжения на защитах, так как исчезновение напряжения будет восприниматься защитами как понижение напряжения при к.з. в защищаемой сети и может привести к их неправильному действию. Исчезновение напряжения от ТН вследствие неисправностей или перегорания предохранителей также будет восприниматься защитами как потеря напряжения и также может привести к их неправильному действию. Поэтому защиты, реагирующие на понижение напряжения, выполняются так, что отличают к.з. от неисправности во вторичных цепях, либо снабжаются специальными устройствами – блокировками при неисправностях в цепях напряжения.

Измерительные трансформаторы напряжения

Они служат для преобразования высокого напряжения в низ- кое напряжение стандартной величины, удобное для измерения. Обычно за номинальное вторичное напряжение принято 100 В или 100 √3 В. Это позволяет для измерения любого напряжения применять одни и те же стандартные измерительные приборы.

Реле зашиты, реагирующие на напряжение, также изготовля- ются на стандартное напряжение независимо от напряжения установки.

Первичная обмотка трансформатора изолируется от вторич- ной соответственно классу напряжения установки. Для безопас- ности обслуживания один вывод вторичной обмотки обязательно заземляется. Таким образом, трансформатор напряжения изоли- рует измерительные приборы и реле от цепи высокого напряже- ния и делаетбезопаснымих обслуживание.

Схема включения однофазного трансформатора напряжения дана на рис. 2.15. Первичная обмотка 1 присоединена к цепи вы- сокого напряжения через предохранители 3. Вторичная обмотка 2 питает нагрузкув виде обмоток измерительныхприборов или реле зашиты через предохранители 4.

В трансформаторах напряжения нормальной конструкции за- земляются и вторичная обмотка 2, и сердечник 5. Предохраните- ли 4 служат для зашиты трансформатора напряжения от коротких замыканий в цепи вторичной нагрузки. Предохранители 3, уста- новленные на высоковольтной стороне, служат для зашиты сети от короткого замыкания в трансформаторе. Для облегчения от- ключения желательна установка токоограничивающих предохра- нителей типа ПКТ или стреляющих, с ограничивающим сопро- тивлением.

С В А

3 3

¹ 5

^А Х

а х

2

4 4

V

Рис. 2.15. Схема включения однофазного трансформатора напряжения: 1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка;

3, 4–предохранители; 5 – сердечник

Вследствие высокого сопротивления самого трансформатора при возникновении короткого замыкания во вторичной цепи ток в первичной цепи мал (порядка нескольких ампер) и его величина недостаточна для срабатывания предохранителей 3.

Основными параметрами трансформатора напряжения

являются:

• номинальное напряжение обмоток – напряжение на первич- ной и вторичной обмотках, указанное на щитке трансформатора. Номинальное напряжение трансформатора равно номинальному напряжению первичной обмотки;

• номинальный коэффициент трансформации – отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторич- ному напряжению:

^kном ^U1ном ^{/ U}2ном ^;

• погрешность по напряжению, %, которая определяется уравнением:

U ^{kномU 2U1}100 , (2.37)

U₁

где U₁– напряжение, поданное на первичную обмотку; U₂– напряжение, измеренное на зажимах вторичной обмотки.

Если U₁/ U₂=k_ном, то погрешность всегдабудет равна нулю.

За угловую погрешность принимается угол в минутах между первичным напряжением и повернутым на 180° вторичным. Если вторичное напряжение U₂опережает первичное напряжение U₁, то погрешность по углу считается положительной. Допустимая погрешностьтрансформаторапонапряжению в процентахпри номинальных условиях численно равнаклассу точности.

Погрешности трансформатора не должны превышать таблич- ные данные при колебании первичного напряжения в пределах 90…110% и при колебании мощности на вторичных зажимах в пределах 25…100 % от номинальных значений;

I₂U₂/ Z₂^,

а вторичная мощностьР₂ соответственно:

2

P₂U

2 ^I2

^U2 .

Z

2

При уменьшении сопротивления Z₂мощность, отдаваемая трансформатором напряжения, увеличивается и соответственно увеличивается погрешность;

• номинальная мощность трансформатора – наибольшая мощность(при номинальном коэффициенте мощности, равном 0,8), которая может быть снята с трансформатора при условии, что его погрешность не выйдет за пределы, определенные клас- сом точности. Требования к трансформаторам напряжения опре- деляются ГОСТ 1983-67.

Для того чтобы уменьшить погрешность по напряжению, снижают активное и реактивное сопротивления обмоток. Для по- лучения малого активного сопротивления берутся малые плотно- сти токов в обмотках (около 0,3 А/мм²), благодаря чему эти трансформаторы слабо нагружены в тепловом отношении. Для снижения индуктивного сопротивления обмоток уменьшают рас- стояние между первичной и вторичной обмотками.

Компенсацию погрешности по напряжению легко получить путем уменьшения числа витков первичной обмотки. Если уменьшить число витков первичной обмотки, то коэффициент трансформации становится меньше номинального и вторичное напряжение возрастает. Приэтом вводится положительнаяпо- грешность, которая компенсирует отрицательную. Обычно вво- дится такая коррекция, чтобы при холостом ходе трансформатор

имел максимально допустимую для данного класса точности по- ложительную погрешность.

На погрешность трансформатора влияет коэффициент мощно- сти нагрузки cos φ₂, и с его уменьшением погрешность увеличи- вается. Причем характер нагрузки оказывает большее влияние на угловую погрешность,чем на погрешность по напряжению.

На угловую погрешность витковая поправка не влияет. Угло- вую погрешность в трехфазных трансформаторах напряжения можно компенсировать. В этом случае необходимая компенсация достигается путем применения специальных компенсирующих обмоток. При активной нагрузке вносится положительная по- правка.

При индуктивной нагрузке применяется другая схема соеди- нений, которая дает отрицательную поправку. При напряжении до 35 кВ конструкция трансформаторов напряжения сходна с конструкцией силовых трансформаторов.

Индукция в сердечниках значительно меньше, чем у силовых трансформаторов. Это снижает погрешность, позволяет в некото- рых случаях проводитьиспытания индуцированным напряжением. Для испытания трансформатора на выводы вторичной обмот-

ки подается удвоенное напряжение частотой 50 Гц. На первичной обмотке появляется также удвоенное напряжение. Индукция не должна превышать индукцию насыщения.

При эксплуатации возможны случаи, когда первичная обмот- ка, рассчитанная на работу при фазном напряжении, попадает под линейное напряжение вместо фазного. При этом сердечник не должен насыщаться.

На напряжение до 35 кВ выпускаются однофазные трансфор- маторы, у которых либо оба вывода обмотки высокого напряже- ния изолированы от корпуса (рис. 2.16, а), либо изолирован толь- ко один, а второй вывод заземлен.

Применение в качестве изоляции пластмасс и отказ от масля- ной изоляции позволяет сократить массу и габаритные размеры трансформаторов, упрощается их эксплуатация, делается ненуж- ным уход за маслом. Трансформаторы с литой изоляцией пожа- робезопасны, удобны для эксплуатации в различных передвиж- ных установках. На рис. 2.16, б представлен трансформатор напряжения с литой изоляцией типа НОК-6 на те же параметры, чтои масляный. Отечественная промышленностьвыпускает трансформаторы с литойизоляцией на напряжениедо 35 кВ.

а б

Рис. 2.16. Внешний вид однофазных трансформаторов напряжения с масляной (а) и литой изоляцией (б)

Габаритные размеры трансформаторов в значительной степе- ни определяются изоляцией аппарата. В связи с этим там, где это возможно, трансформатор выполняется для измерения напряже- ния между фазой и землей. В этом случае отпадает необходи- мость в изоляции второго вывода первичной обмотки, который заземляется. Линейное напряжение получается путем соединения в звезду вторичных обмоток таких трансформаторов. При этом, однако, погрешность измерения возрастает, так как суммируются погрешности двух трансформаторов. Такая конструкция позволя-

ет уменьшить габаритные размеры и удешевить трансформатор напряжения. Возможные схемы включения однофазных транс- форматоров нормального исполнения в трехфазных сетях показа- ны на рис. 2.17.

A BC

a

A

A BC

A a

_X x

A a

_X x

B

C

b ⁰

c

c

0

Звуковой сигнал

a

б

^а б

Рис. 2.17. Схемы включения трансформаторов напряжения в трехфазных се- тях с использованием двух (а) и трех (б) однофазных трансформаторов

В случае, представленном на рис. 2.17 а, применяются два од- нофазных трансформатора, у которых первичная обмотка имеет изолированные выводы. Эта схема называется схемой открытого треугольника.

Такая схема очень удобна для измерения мощности и энергии. В этой схеме к каждому из трансформаторов может подключать- ся нагрузка вплоть до номинальной.

Схема позволяет получить и напряжение U_AC=-(U_AB+ U_BС) (приборы подключаются между точками а и с). Однако такое включение нагрузки не рекомендуется, так как создаются допол- нительные погрешности за счет тока приборов, проходящего че- рез обе вторичные обмотки.

При включении по схеме, представленной на рис. 2.17, б, мо- гут применяться трансформаторы,у которых один из выводов первичной обмотки заземлен. Каждая из обмоток подключена к фазному напряжению, поэтому номинальное напряжение транс- форматора должно равняться U_ф/√3. Вторичная нагрузка подклю- чается по схеме звезды или треугольника. Номинальное напря- жение вторичной обмотки равно 100/√3.

Для контроля изоляции и питания защиты, срабатывающей при коротком замыкании на землю, трансформаторы имеют дополни- тельные обмотки, которые включаются по схеме разомкнутого треугольника. При симметричном режиме сумма ЭДС, наводимых в этих обмотках, равна нулю. Если один из проводов заземляется, то равновесие ЭДС нарушается и напряжение на концах разомкну- того треугольника подается на реле или сигнализацию.

Возможны два режима работы схемы, представленной на рис.2.17б. Если нейтраль сети изолирована или заземлена через дугогасящую катушку, то заземление одной из фаз, например фа- зы С, не ведет к короткому замыканию. Установка может оста- ваться длительное время в работе. При этом напряжение на трансформаторе С падает до нуля, а напряжение на трансформа- торах А и В увеличивается до линейного. В связи с этим индук- ция в сердечниках трансформаторов А и В увеличивается в √3 раз. Во избежание увеличения нагрева сердечников и резкого возрастания погрешности этих трансформаторов сердечники не должны насыщаться притаком увеличении индукции.

В установках с заземленной нейтралью заземление одной из фаз вызывает короткое замыкание. Релейная зашита быстро от- ключает поврежденный участок. Напряжение на «здоровых» фа- зах при коротком замыкании не поднимается выше (1,2… 1,3) U_ф.

Уменьшение габаритных размеров и снижение стоимости трансформаторов напряжения может быть достигнуто путем объ-

единения трех отдельных измерительных трансформаторов в один трехфазный трансформатор. Применяются трехстержневые и пятистержневые магнитопроводы.

Трехфазные трехстержневые трансформаторы делаются с изо- лированной нулевой точкой на стороне высокого напряжения. Это объясняется тем, что при работе в сетях с изолированной нейтралью возникает аварийный режим работы трансформатора при заземлении одной фазы сети, если нулевая точка в трансфор- маторе заземлена.

Трансформатор напряжения: устройство и принцип работы

Трансформаторы играют значительную роль в электротехнике, выполняя функции преобразования, изоляции, измерения и защиты. Одной из самых распространенных задач устройств этого типа является регуляция отдельных параметров тока. В частности, трансформаторы напряжения (ТН) преобразуют показатели первичной электросети до оптимальных значений, с точки зрения потребителей.

Общая конструкция оборудования

Техническую основу трансформатора образует электромагнитная начинка, обеспечивающая функциональные процессы устройства. По размерам оборудование может различаться в зависимости от требований к силовой нагрузке в цепи. В типовом исполнении трансформатор имеет устройства ввода и вывода тока, а основные рабочие элементы выполняют задачи преобразования напряжения. За обеспечение надежности и безопасности технологических процессов отвечает набор изоляторов, предохранителей и устройство релейной защиты. В конструкции современного трансформатора пониженного напряжения предусматриваются и датчики регистрации отдельных рабочих параметров, показатели которых направляются на пульт управления и становятся основой для команд регулирующим органам. Функционирование электротехнических компонентов само по себе требует энергоснабжения, поэтому в некоторых модификациях преобразователи дополняются автономными источниками питания – генераторами, аккумуляторами или батареями.

Сердечники трансформатора

Ключевые рабочие элементы ТН представляют собой так называемые сердечники (магнитопроводы) и обмотки. Первые бывают двух видов – стержневые и броневые. Для большинства низкочастотных трансформаторов до 50 Гц применяются стержневые сердечники. В изготовлении магнитопровода используют специальные металлы, от характеристик которых зависят рабочие свойства конструкции, например, производительность и величина тока холостого хода. Сердечник трансформатора напряжения образуется тонкими листами сплава, изолированными между собой слоями лака и окиси. От качества данной изоляции будет зависеть степень влияния вихревых токов магнитопровода. Существует и особая разновидность наборных сердечников, которые формируют конструкции произвольного сечения, но близкого к квадратной форме. Такая конфигурация позволяет создавать универсальные магнитопроводы, но у них есть и слабые места. Так, возникает потребность в плотном стягивании металлических пластик, поскольку мельчайшие зазоры понижают коэффициент наполняемости рабочей площади катушки.

Обмотки трансформаторов напряжения

Обычно используют две обмотки – первичную и вторичную. Они изолируются и друг от друга, и от сердечника. Первый уровень обмотки отличается большим количеством витков, выполненных тонким проводом. Это позволяет ей обслуживать сети высокого напряжения (до 6000-10 000 В), требуемого для основных нужд преобразования. Вторичная обмотка предназначена для параллельного снабжения измерительных приборов, релейных устройств и другой вспомогательной электротехники. При подключении обмотки трансформаторов напряжения важно учитывать маркировку на выходных зажимах. Например, реле направления мощности, мультиметры, амперметры, ваттметры и различные счетчики соединяются с катушками посредством начала первичной обмотки (обозначение А), концевой линии (Х), начала вторичной обмотки (а) и ее конца (х). Также может использоваться дополнительная обмотка со специальными приставками в обозначении.

Монтажная арматура и средства заземления

Перечень доборных элементов и функциональных устройств может быть разным в зависимости от типа и характеристик трансформатора. К примеру, масляные конструкции с показателем первичного напряжения до 10 кВ и более обеспечиваются арматурой для заливки, слива и отбора проб технической смазки. Для масла также предусматривается бак с форсунками и регуляторами, управляющими плавной подачей жидкости в целевые зоны. Типовые наборы арматуры чаще всего включают кронштейны с болтами, патрубки, релейные компоненты, прокладки из электрокартона, фланцевые элементы и т. д. Что касается заземления, то трансформаторы с напряжением на первичной обмотке до 660 В обеспечиваются зажимами с резьбовым креплением болтов, шпилек и винтов типоразмером М6. Если показатель напряжения выше 660 В, то заземляющая арматура должна будет иметь соединения метизов формата не меньше М8.

Принцип действия ТН

Основные функции и процессы электромагнитной индукции выполняет комплекс, включающий металлический сердечник с набором трансформаторных пластин, первичную и вторичную обмотки. Качество работы устройства будет зависеть от точности базового расчета амплитуды и угла прохождения тока. За преобразование в электромагнитном поле отвечает взаимная индукция между несколькими обмотками. Переменный ток в трансформаторе напряжения на 220 В постоянно меняется, проходя по одиночной обмотке. В соответствии с законом Фарадея, электродвижущая сила индуцируется раз в секунду. В системе с закрытой обмоткой по цепи будет проходить ток по умолчанию и замыкаться на металлическом сердечнике. Чем меньше нагрузка на вторичную обмотку трансформатора, тем ближе фактический коэффициент преобразования к номинальной величине. Работа с подключением вторичной обмотки к измерительным устройствам особенно будет зависеть от степени преобразования, так как мельчайшие колебания нагрузки будут влиять на точность замеров, введенных в цепь приборов.

Разновидности трансформаторов

На сегодняшний день наиболее распространены следующие разновидности ТН:

• Каскадный трансформатор – устройство, в котором первичная обмотка разделяется на несколько последовательных секций, а за передачу мощности между ними отвечают выравнивающие и связующие обмотки.
• Заземляемый ТН – однофазные конструкции, у которых один конец первичной обмотки наглухо заземляется. Также это могут быть трехфазные трансформаторы напряжения с заземленной нейтралью от первичной обмотки.
• Незаземляемый ТН – устройство с полной изоляцией обмоток с примыкающей арматурой.
• Двухобмоточные ТН – трансформаторы с наличием одной вторичной обмотки.
• Трехобмоточные ТН – трансформаторы, у которых помимо первичной обмотки также присутствуют основная и дополнительная вторичные обмотки.
• Емкостный ТН – конструкции, отличающиеся наличием емкостных разделителей.

Особенности электронных ТН

По основным метрологическим показателям данный вид трансформаторов немногим отличается от электротехнических устройств. Обусловлено это тем, что в обоих случаях применяется традиционный канал преобразования. Главные же особенности электронных трансформаторов заключаются в отсутствии высоковольтной изоляции, что в итоге и способствует получению более высокого технико-экономического эффекта от эксплуатации оборудования. В высоковольтных сетях с первичным напряжением трансформатора напряжения до 660 В преобразователь связывается с центральной сетью гальваническим способом. Сведения об измеряемом токе передаются под высоким потенциалом, как это происходит и в аналогово-цифровом преобразователе с оптическим выходом. Однако размеры и масса электронных моделей настолько малы, что дают возможность устанавливать трансформаторные блоки в инфраструктуре высоковольтных проводных шин даже без подключения дополнительных изоляторов и крепежной арматуры.

Характеристики трансформаторов

Основной технико-эксплуатационной величиной является потенциал напряжения. На первичной обмотке он может достигать и 100 кВ, но это по большей части касается крупногабаритных промышленных станций, содержащих несколько преобразующих модулей. Как правило, на первичной обмотке поддерживается не более 10 кВ. Трансформатор напряжения для однофазных сетей с заземленной нейтралью и вовсе работает при 100 В. Что касается вторичной обмотки, то ее номинальные показатели напряжения составляют 24-45 В в среднем. Опять же, на этих контурах обслуживаются энергетически малоемкие приборы учета, для которых не требуется высокой нагрузки питания. Впрочем, и вторичные обмотки иногда имеют высокие потенциалы более 100 В в трехфазных сетях. Также в оценке характеристик трансформатора важно учитывать класс точности – это величины от 0,1 до 3, которые определяют степень отклонений в преобразовании целевых электротехнических показателей.

Феррорезонансный эффект

Электромагнитные устройства нередко подвергаются разного рода негативным влияниям и повреждениям, связанным с нарушениями в изоляции. Одним из самых распространенных процессов разрушения обмотки является феррорезонансное возмущение. Оно приводит к механическому повреждению и перегреву обмоток. Основной причиной этого явления называют нелинейность индуктивности, которая возникает в ситуациях нестабильной реакции магнитопровода на окружающее магнитное поле. Защитить трансформатор напряжения от феррорезонансных эффектов позволяют внешние меры, среди которых включение дополнительных емкостей и резисторов к коммутируемому устройству. В электронных системах минимизировать вероятность индукционной нелинейности позволяет и программирование последовательностей отключения аппаратуры.

Применение оборудования

Эксплуатация трансформаторных устройств, преобразующих напряжение, регулируется правилами использования электротехники. Учитывая оптимальные рабочие величины, специалисты вводят подстанции в снабжающую инфраструктуру целевого объекта. Основные функции систем позволяют обслуживать здания и предприятия с мощными энергетическими установками, а вторичное напряжение трансформатора до 100 В контролирует нагрузку для менее требовательных потребителей наподобие счетчиков и метрологических устройств. В зависимости от технико-конструкционных параметров, ТН могут использоваться в промышленности, в строительной сфере и в бытовом хозяйстве. В каждом случае трансформаторы обеспечивают контроль электротехнического питания, регулируя входные показатели мощности в соответствии с номинальными запросами конкретного объекта.

Заключение

Электромагнитные трансформаторы обеспечивают довольно старый, но востребованный по сей день принцип регуляции мощности в электроцепях. Устаревание данного оборудования связано и с конструкционным исполнением оборудования, и с функциональностью. Тем не менее это не мешает использовать трансформаторы тока и напряжения для ответственных задач управления электроснабжением на крупных предприятиях. К тому же нельзя сказать, что преобразователи этого типа вовсе не подвергаются улучшениям. Хотя основные принципы работы и даже техническая реализация в целом остаются прежними, инженеры в последнее время активно работают над системами защиты и управления. В итоге это сказывается на повышении безопасности, надежности и точности работы трансформаторов.

Моделирование в электроэнергетике — Измерительные трансформаторы напряжения (электромагнитные). Погрешности измерительных трансформаторов напряжения.

Измерительные трансформаторы напряжения (электромагнитные). Погрешности измерительных трансформаторов напряжения.

 

Измерительный трансформатор напряжения (measuring voltage transformer) – это трансформатор, который предназначен для преобразования значения первичного напряжения во вторичное напряжение, которое используется для осуществления измерений в измерительных приборах, устройствах релейной защиты и автоматики.

Первичная обмотка измерительного трансформатора напряжения, имеющая очень большое число витков (несколько тысяч) тонкого провода, включается непосредственно в сеть высокого напряжения, а вторичная обмотка, имеющая меньшее количество витков (несколько сотен), подключаются параллельно к устройствам релейной защиты и автоматики, а также к измерительным приборам. Следует отметить, что вторичная обмотка трансформатора напряжения работает в режиме близком к холостому ходу.

В качестве нормированной величины номинального напряжения в первичной цепи принимаются следующие значения:

6 кВ; 10 кВ; 15 кВ; 20 кВ; 24 кВ; 27 кВ; 35 кВ;

110 кВ; 150 кВ; 220 кВ; 330 кВ; 500 кВ; 750 кВ; 1150 кВ;

В качестве нормированной величины номинального напряжения во вторичной цепи принимаются следующие значения:

100 В и 100/√3 В.

 

Трансформатор напряжения выполняют с двумя и более группами вторичных обмоток. Любая обмотка измерительного трансформатора напряжения характеризуется следующим набором параметром:

xx¹ yy²

xx¹ — номинальная вторичная нагрузка, которая обычно выражается в вольтамперах (VA).  Нормированные величины вторичной нагрузки являются следующие значения: 10; 15; 25; 30; 50; 75; 100; 150; 200; 300; 400; 500; 600; 800; 1000; 1200 (В А). Данная номинальная нагрузка указывает максимальную нагрузку, которую может питать трансформатор напряжения в гарантированном классе точности.

yy² – класс точности трансформатора тока, который характеризует величину максимальной полной погрешности (в процентах) при полной загрузки вторичной обмотки.

Нормированные классы точности обмоток измерительных трансформаторов напряжения используемых в целях релейной защиты и автоматики: 3Р и 6Р, что означает возможность возникновения 3% и 6% погрешности при полной загрузки вторичной обмотки.

Нормированные классы точности обмоток измерительных трансформаторов напряжения используемых для измерительных целей: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0. Данные обмотки измерительных трансформаторов напряжения обеспечивают высокую точность измерений во всем диапазоне измерений первичного напряжения.

Правильный выбор измерительного трансформатора напряжения во многом определяет точность учета потребляемой электроэнергии, предполагает соответствие их параметров и технических характеристик условиям эксплуатации. Так, например, маркировка обмоток измерительных трансформаторов напряжения «200VA 6Р» обозначает, что полная погрешность измерения составит 6% при условии, что загрузка по вторичным цепям соответствует номинальной мощности 200 ВА.

По конструкции различают трехфазные и однофазные трансформаторы. Трехфазные трансформаторы напряжения применяются при напряжении до 18 кВ, однофазные — на любые классы напряжения. Начало и конец первичных и вторичных обмоток ТН Н (н) и К (k) обозначаются изготовителями так же, как и у силовых трансформаторов: у первичной обмотки буквами А и X, у вторичной соответственно а и х. При включении однофазных трансформаторов напряжения на фазные напряжения начала первичных обмоток присоединяются к фазам, а концы собираются в нулевую точку.

Рис.1. Схема соединения трех однофазных трансформаторов напряжения с двумя вторичными обмотками

Вторичные обмотки трансформаторов напряжения подлежат обязательному заземлению независимо от схемы их соединений. Это заземление является защитным — обеспечивающим безопасность персонала при попадании высокого напряжения во вторичные цепи. Обычно заземляется нулевая точка звезды или один из фазных проводов.

Первичные обмотки трансформаторов напряжения до 35 кВ подключаются к сети через предохранители высокого напряжения и ограничивающие сопротивления. Назначением этих предохранителей является быстрое отключение от сети поврежденного трансформатора напряжения. Для защиты обмоток трансформатора напряжения от длительного прохождения тока к. з. при повреждениях во вторичных цепях устанавливаются предохранители низкого напряжения или автоматы.

Рассмотрим схему замещения приведенного трансформатора напряжения (см. рис. 2). По принципу действия и конструктивному выполнению трансформатор напряжения аналогичен обычному силовому трансформатору. Под воздействием напряжения сети по первичной обмотке проходит ток, который создает в сердечнике переменный магнитный поток Ф. Магнитный поток, проходя через витки первичной и вторичной обмотки, индуктирует в ней э.д.с. В режиме холостого хода трансформатора напряжения (разомкнутая вторичная обмотка) наводимая ЭДС во вторичной обмотке соответствует напряжению на ее зажимах U_2XX.

Рис.2.  Схема замещения трансформатора напряжения

В случае если к вторичной обмотке трансформатора напряжения подключена нагрузка в виде устройств релейной защиты или и измерительных приборов, то напряжение на ее зажимах будет меньше э.д.с. на величину падения напряжения в сопротивлении вторичной обмотки.

В общем случае напряжение на первичной и вторичной обмотке связаны между собой следующим соотношением:

Падение напряжения определяется следующим образом:

Падение напряжения в обмотках трансформатора напряжения  обусловливает появление погрешности, искажающей значение и фазу у напряжения вторичной обмотки по сравнению с расчетным напряжением.

Построение векторной диаграммы токов и напряжения трансформатора начинаем с построения результирующего магнитного потока Ф, который наводит в первичной и вторичной обмотке ЭДС  и . Результирующий магнитный поток Ф отстает от намагничивающего тока на угол γ, что объясняется потерями в стали от вихревых токов и перемагничивания сердечника.  Под действием ЭДС во вторичной цепи протекает ток , который отстает от вектора  на угол α, определяемый соотношением активной и реактивной составляющих сопротивлений  и .

Приведённый первичный ток определяется из геометрической суммы двух векторов: тока и тока . Далее на векторной диаграмме построим вектор напряжения вторичной обмотки , как геометрическую разность вектора ЭДС и вектора . Аналогично построим на векторной диаграмме вектор приведённого первичного напряжения , как геометрическую сумму векторов ЭДС  и вектора .

Рис.3. Векторная диаграмма токов и напряжения трансформатора напряжения

Векторная диаграмма показывает, что вторичное напряжение отличается от приведённого первичного напряжения как по величине (абсолютному значению) , так и по фазе . Это отличие обусловлено наличием тока намагничивания и током во вторичной обмотке. Рост погрешности ведет к неправильным измерениям в устройствах релейной защиты и автоматики, что может стать причиной излишнего срабатывания, либо причиной отказа в срабатывании устройства релейной защиты и автоматики.

Пределы погрешности трансформаторов напряжения в зависимости от класса точности представлены в таблице.

Табл.1. Пределы погрешностей трансформатора напряжения

Класс точности	Первичное напряжение, % номинального значения	Предел допускаемой погрешности			Значение нагрузки, % номинального значения
		напряжения, %	угловой
	80 — 120	±0,1	±5′	±0,15 срад	25 ÷ 100
0,2		±0,2	±10′	±0,3 срад
0,5		±0,5	±20′	±0,6 срад
1,0		±1,0	±40′	±1,2 срад
3,0		±3,0	Не нормируют
3Р	20 ÷ 120	±3,0	±120′	±3,5 срад	25 ÷ 100
6Р		±6,0	±240′	±7,0 срад

Примечание:

Класс точности 0,2 – точные лабораторные приборы для измерения;

Класс точности 0,5 – приборы учета электроэнергии;

Класс точности 3Р и 6Р – для целей релейной защиты и автоматики.

        Основные виды погрешностей в измерительных трансформаторах напряжения

К трансформаторам напряжения предъявляются высокие требования по точности, однако любой трансформатор напряжения имеет погрешность измерения. Погрешность трансформатора напряжения — это разница между величиной вторичного и первичного напряжения приведённого ко вторичной цепи.

В измерительных трансформаторах напряжения различа­ют два вида погрешностей:

• относительная погрешность напряжения — характеризует отклонение действительного коэффициента трансформации от номинального. Если пренебречь углом δ (так как он мал), то разницу в величинах напряжений можно определять как арифметическую разность между приведенным к первичной цепи действительным вторичным напряжением и действительным первичным напряжением, которая выражена в процентах от действительного первичного напряжения 

• угловая погрешность — характеризует угол сдвига вторичного напряжения относительно первичного. Данная вид погрешности влияет на результаты измерений, выполненных с помощью ваттметров, счетчиков, фазометров и прочих приборов, показания которых зависят не только от силы тока и напряжения, но и от угла сдвига фаз между ними. Угловая погрешность считается положительной, если вектор вторичного напряжения опережает вектор первичного напряжения.

Следует отметить, что один и тот же трансформатор напряжения в зависимости от нагрузки, подключенной к его вторичной обмотке, может работать с различным классом точности и переходить из одного класса в другой при изменении нагрузки относительно его номинальной мощности. Поэтому в каталогах и паспортах на трансформаторы напряжения указываются два значения мощности: номинальная мощность в вольт-амперах, с которой трансформатор напряжения может работать в гарантированном классе точности, и предельная мощность, с которой трансформатор напряжения может работать с допустимым нагревом обмоток.

Так же следует обратить внимание, что кроме рассмотренных выше основных погрешностей, возникающих при трансформации первичного напряжения на вторичную сторону, на работу релейной защиты и точность измерений влияют также дополнительные погрешности от падения напряжения в цепях напряжения от трансформатора напряжения до места установки панелей защиты или измерений. Поэтому согласно требованиям ПУЭ сечение жил кабелей должно выбираться так, чтобы падение напряжения в указанных цепях не превышало: 3% для релейной защиты, 1,5% для щитовых измерительных приборов и 0,5% и для счетчиков.

 Способы уменьшения погрешности трансформатора напряжения

Для уменьшения погрешности магнитопровод трансформатора напряжения выполняют из высококачественной стали достаточно большого поперечного сечения (чтобы в рабочем режиме он не был насыщен), таким образом уменьшается индукция в магнитопроводе и снижается магнитное сопротивление.

Другим мероприятием по уменьшению погрешности является уменьшение плотности тока и сопротивления обмоток трансформатора напряжения.

 

Для того, чтобы добавить Ваш комментарий к статье, пожалуйста, зарегистрируйтесь на сайте.