Принцип работы трансформатора напряжения

Измерительные трансформаторы напряжения. Устройство и работа

Измерительные трансформаторы напряжения предназначены для возможности измерения высокого напряжения электроустановок переменного тока путем снижения этого напряжения для подачи на защитные реле, приборы измерения и системы автоматики.

При отсутствии измерительных трансформаторов понадобилось бы применять приборы и реле с большими габаритными размерами, так как необходима надежная изоляция от высокого напряжения, которая увеличивает размеры устройств. Изготовить такое оборудование практически невозможно, так как напряжения линий могут достигать величины 110 киловольт.

Измерительные трансформаторы для замера напряжения дают возможность применять стандартные обычные приборы для измерений электрических параметров, при этом увеличивая их диапазон измерения. Защитные реле, подключаемые через эти трансформаторы, могут применяться обычного исполнения.

Гальваническая развязка, которую обеспечивают трансформаторы путем отделения измерительной цепи от высокого напряжения, позволяет создать необходимый уровень безопасности обслуживающего персонала.

Такие трансформаторы нашли свою популярность в устройствах высокого напряжения. От их качественного функционирования зависит степень точности учета расхода электрической энергии и электрических измерений, а также автоматических аварийных систем и защитных реле.

Устройство и работа

Измерительные трансформаторы устроены аналогично понижающим силовым трансформаторам, и состоят из металлического сердечника, выполненного из электротехнической листовой стали, первичной и вторичной обмоток. Трансформаторы могут оснащаться несколькими вторичными обмотками, в зависимости от конструкции и предъявляемых требований к трансформатору.

К первичной обмотке подключается высокое напряжение, а с вторичной обмотки снимается напряжение измерительными устройствами. Коэффициент трансформации такого устройства равен отношению первичного высокого напряжения к номинальному значению вторичного напряжения.

Если бы трансформатор функционировал абсолютно без потерь и с абсолютной точностью, то оба напряжения на обеих обмотках совпадали бы по фазе, и коэффициент трансформации был бы равен единице. Однако на практике коэффициент трансформации всегда меньше единицы, так как всегда имеются некоторые потери энергии при работе трансформатора.

Погрешность измерительного трансформатора зависит от:

• Величины вторичной нагрузки.
• Магнитной проницаемости сердечника.
• Устройства магнитопровода.

Существуют методы снижения погрешности по напряжению путем снижения числа витков первичной обмотки, добавления различных компенсирующих обмоток.

Число витков первичной обмотки намного больше, чем вторичной. Измеряемое напряжение подается на первичную обмотку, к вторичной обмотке подключают различные измерительные приборы: вольтметры, ваттметры, фазометры и т.д.

Трансформаторы напряжения эксплуатируются в режимах, подобных холостому ходу. Это объясняется тем, что подключенный к вторичной обмотке прибор, например, вольтметр, обладает большим сопротивлением, и ток, протекающий по этой обмотке, очень незначителен.

Особенности подключения

Трансформаторы могут устанавливаться как на шинах подстанции, так и на каждом отдельном объекте. Перед электрическим монтажом необходимо осмотреть трансформатор на предмет необходимого уровня масла для масляных моделей, исправности армированных швов, целостности изоляции.

При проведении монтажа обе обмотки трансформатора должны быть завернуты в изоляцию, так как случайное касание выводов вторичной обмотки с проводами, находящимися под напряжением, может привести к возникновению на первичной обмотке опасного для жизни напряжения.

Для безопасности вторичную обмотку перед подключением заземляют. Это предотвращает возможность попадания высокого напряжения в цепи низкого напряжения при возможном пробивании изоляции.

Необходимо учитывать, что если к вторичной цепи подключить слишком много измерительных и других приборов, то величина тока вторичной цепи значительно увеличится, так же как и погрешность измерения. Вследствие этого необходимо следить, чтобы общая мощность присоединенных приборов не превзошла наибольший допустимый предел мощности, определенный инструкцией или паспортом трансформатора.

При превышении общей мощности допустимой величины целесообразно подключить дополнительный трансформатор, и переключить на него несколько приборов от первого трансформатора.

Трансформаторы должны иметь защиту от короткого замыкания, в противном случае при коротком замыкании обмотки перегреются, и изоляция будет повреждена. Для этого в цепях всех незаземленных проводников подключают электрические автоматы, а также рубильники (для образования видимого разрыва цепи при ее отключении). Первичную обмотку трансформатора чаще всего защищают путем установки предохранителей.

Разновидности

Измерительные трансформаторы классифицируются по нескольким признакам и параметрам. Рассмотрим основные из таких признаков и параметров.

По числу фаз:

• Однофазные.
• Трехфазные.

По количеству обмоток:

• Трехобмоточные.
• Двухобмоточные.

По методу охлаждения:

• С воздушным охлаждением (сухие).
• С масляным охлаждением.

По месту монтажа:

• Внутренние (для монтажа внутри помещений).
• Внешние (для установки снаружи помещений).
• Для распределительных устройств.

По классам точности: 0,2; 0,5; 1; 3.

Измерительные трансформаторы с несколькими обмотками

К таким трансформаторам есть возможность подключения сигнализирующих устройств, которые подают сигнал о замыкании цепи с изолированной нейтралью, а также защитных устройств, защищающих от замыканий в цепи с заземленной нейтралью.

На рисунке «а» изображена схема с 2-мя вторичными обмотками. На рисунке «б» показана схема 3-х трехфазных трансформаторов. В них первичные и основные вторичные обмотки соединены по схеме звезды, а нейтральный проводник соединен с землей. На приборы измерения могут подключаться три фазы и ноль от основных вторичных обмоток. Вспомогательные вторичные обмотки соединены «треугольником». От этих обмоток поступает сумма напряжений фаз на дополнительные устройства: сигнальные, защитные и другие.

Основные схемы подключения

Наиболее простая схема с применением однофазного трансформатора изображена на рисунке 4 «а». Она используется в панелях запуска электродвигателей, на пунктах переключения напряжением до 10 киловольт, для подключения реле напряжения и вольтметра.

Схема по рисунку 4 «б» используется для неразветвленных цепей в электроустановках от 0,4 до 10 киловольт. Это дает возможность установить заземление вторичных цепей возле трансформаторов.

Во вторичной цепи, изображенной на рисунке 4 «в», подключен двухполюсный автомат вместо предохранителей. При срабатывании автомата его контакт замкнет сигнальную цепь «обрыв цепи». Вторичные обмотки заземлены в фазе В на щите. Рубильником можно выключить вторичную цепь, и обеспечить при этом видимый разрыв. Такая схема используется в электроустановках от 6 до 35 киловольт при разветвленных вторичных цепях.

На рисунке 4 «г» измерительные трансформаторы подключены схемой «треугольник-звезда». Это позволяет создать вторичное напряжение, необходимое для приборов автоматической регулировки возбуждения компенсаторов. Для надежности функционирования этих приборов предохранители во вторичных цепях не подключают.

ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Трансформатор — устройство для преобразования величины напряжения переменного тока. Работа трансформатора основывается на законе электромагнитной индукции.

Ток, протекающий по одной из обмоток, вызывает возникновение переменного магнитного поле в сердечнике, а оно наводит ЭДС в остальных обмотках.

Именно наличие переменного магнитного поля создает условия для работы трансформатора. На постоянном токе трансформатор работать не может. В случае подключения трансформатора к источнику постоянного напряжения, переменное магнитное поле не создается, следовательно нет причины для образования ЭДС.

В таком случае ток первичной обмотки определяется только ее омическим сопротивлением.

Большинство электронной аппаратуры требует питания, отличного от напряжения сети. В большинстве случаев это напряжение значительно ниже и может иметь несколько различных значений.

Трансформатор с несколькими вторичными обмотками позволяет выполнить максимально простое преобразование величины напряжения с той оговоркой, что питающее напряжение переменное.

В случае необходимости преобразовывать постоянное напряжение, приходится сначала преобразовывать его в переменное, что требует определенных схемотехнических решений. В таком случае использование трансформаторов оправдано только наличием гальванической развязки между обмотками.

УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Основные узлы, которые входят в трансформатор это сердечник и обмотки. Сердечники трансформаторов бывают двух типов — броневые и стержневые. Для работы с низкочастотными напряжениями, в том числе и 50 Гц применяются стержневые магнитопроводы. В свою очередь они подразделяются на:

• Ш-образные;
• П-образные;
• тороидальные.

Для изготовления сердечника используется специальное трансформаторное железо. От качества железа во многом зависят параметры трансформатора, такие как ток холостого хода (ТХХ) и КПД. Сердечник набирается из тонких листов железа, изолированных друг от друга слоем окиси или лака. Это делается для того, чтобы уменьшить потери в сердечнике за счет вихревых токов.

Как Ш-образный, так и П-образный сердечники могут собираться из отдельных пластин, а могут быть использованы уже готовые половинки, сделанные из навитых на специальную оправку сплошных лент железа, поклеенных и разрезанных на две части — витые сердечники. Такие сердечники называются ПЛ.

У каждого из типов свои достоинства и недостатки:

Наиболее часто используются для сборки магнитопровода произвольного сечения, которое ограничивается только шириной пластин. Следует иметь ввиду, что наилучшие параметры имеют трансформаторы с поперечным сечением сердечника, близким к квадратному.

Недостатки — необходимость в плотном стягивании, повышенное магнитное поле рассеивания трансформатора и низкий коэффициент заполнения окна катушки (реальная площадь металла в сердечнике меньше геометрических размеров из-за неплотного прилегания пластин).

Собираются еще проще, поскольку весь сердечник состоит из двух частей для П-образного магнитопровода и четырех для Ш-образного. Характеристики значительно лучше, чем у наборного магнитопровода. Недостатки — соприкасающиеся поверхности должны иметь минимальный зазор во избежание ослабления магнитного поля.

При ударах пластины половинок зачастую отслаиваются и их очень трудно совместить для плотного прилегания. Существует только определенный ряд размеров магнитопроводов.

Представляют собой кольцо, свитое из ленты трансформаторного железа Имеют самые лучшие характеристики из всех типов сердечников, минимальный ТХХ и практически полное отсутствие магнитного поля рассеивания.

Основной недостаток — сложность намотки, особенно проводов большого диаметра.

В Ш-образных трансформаторах все обмотки наматываются на центральном стержне, а в П-образном первичная может размещаться на одном стержне, а вторичная на другом. Гораздо чаще обмотки делятся пополам и наматываются на обеих стержнях. Затем обе половины обмоток соединяются последовательно.

Такая намотка улучшает характеристики трансформатора и сокращает количество провода для обмоток.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Основные характеристики трансформатора:

• входное напряжение;
• значения выходных напряжений;
• мощность;
• напряжение и ток холостого хода.

Отношение напряжений на первичной и вторичной обмотках представляет собой коэффициент трансформации. Он зависит только от соотношения количества витков в обмотках и остается постоянным в любых режимах работы.

Напряжение холостого хода — это напряжение на вторичных обмотках без нагрузки. Разница между ним и напряжением под нагрузкой характеризует потери в обмотках за счет сопротивления провода. Таким образом, чем толще проводники в обмотках, тем меньше будут потери и меньше разница в напряжениях.

Величина тока холостого хода зависит, в основном от качества сердечника. В идеальном трансформаторе ток, проходящий через первичную обмотку, создает переменное магнитное поле в сердечнике, которое, в свою очередь, за счет магнитной индукции создает ЭДС противоположного направления.

Индуцированная ЭДС компенсирует подаваемое напряжение и ТХХ равен нулю. В реальных условиях, за счет потерь в сердечнике, величина ЭДС всегда меньше первичного напряжения, в результате чего возникает ТХХ. Для уменьшения тока для изготовления сердечника нужен материал высокого качества, между пластинами должен отсутствовать немагнитный зазор.

Последнему требованию в максимальной степени соответствуют тороидальные сердечники — в них немагнитный зазор отсутствует.

РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Как показывает опыт и практика, точный расчет трансформатора напряжения себя не оправдывает. Точность нужна только при определении количества витков для получения нужного коэффициента трансформации. Диаметр проводов обмоток должен соответствовать или превосходить минимально допустимому по условиям нагрева.

Общая последовательность расчета трансформатора такова:

• определение мощности трансформатора;
• подбор сердечника с сечением максимально близкого к расчетному, но не меньше его;
• определение количества витков катушек, приходящихся на один вольт напряжения;
• расчет количества витков для каждой обмотки;
• расчет сечения проводов обмоток.

Мощность трансформатора определяется суммированием мощностей всех обмоток за исключением первичной. Для каждой из них — это произведение напряжения на максимальный ток потребления. Для расчета сечения сердечника нужна габаритная мощность трансформатора, которая учитывает КПД.

Площадь поперечного сечения можно найти как квадратный корень из габаритной мощности. Имея значение площади можно подобрать из таблиц готовый сердечник. Если планируется разборный, то исходя из размеров имеющихся пластин можно вычислить необходимую толщину набора. Как уже говорилось выше, сечение должно быть близким к квадрату.

Наибольшие затруднения вызывает нахождение числа витков. Для этого нужно сначала рассчитать сколько витков должно приходиться на один вольт напряжения. Это значение будет различаться в зависимости от площади сечения сердечника. Следует иметь ввиду, что при одинаковом сечении у магнитопроводов разных типов это значение также будет различно.

Можно воспользоваться следующей формулой: N = К/S ,

где N — количество витков на вольт, S — площадь сечения сердечника в см 2 , K — коэффициент, зависящий от материала и типа сердечника.

Значение коэффициента К:

• для наборных сердечников — 60;
• для типов ПЛ — 50;
• для тороидальных сердечников 40.

Как видим, количество витков у тороидального трансформатора будет минимальным. Умножая число витков на вольт на требуемое напряжение каждой обмотки, получим значение количества витков. Для компенсации потерь напряжения, количество витков вторичных обмоток нужно увеличить на 5%.

У мощных трансформаторов (более 150 Вт) этого делать не нужно.

Сечение проводов также определяется по упрощенной формуле: 0.7√ I , где I — ток обмотки.

Провод нужно брать ближайшего к расчетному сечения (можно больше, но не меньше).

В случае сомнений по поводу того, поместится ли провод в обмотке, можно посчитать, сколько витков уложится в один слой и определить количество слоев и их общую толщину для каждой из обмоток. Это справедливо только для Ш-образных и П-образных трансформаторов.

В тороидальных количество витков в каждом последующем случае будет меньше, чем в предыдущем за счет уменьшения внутреннего диаметра.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Как работает трансформатор напряжения

Для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжения другой величины, используют трансформатор напряжения. Трансформатор напряжения работает благодаря явлению электромагнитной индукции: изменяющийся во времени магнитный поток порождает ЭДС в пронизываемой им обмотке (или обмотках).

Первичная обмотка трансформатора соединяется своими выводами с источником переменного напряжения, а к выводам вторичной обмотки присоединяется нагрузка, которую необходимо питать напряжением более низким или более высоким, чем напряжение источника, от которого питается данный трансформатор.

Благодаря наличию сердечника (магнитопровода), магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой трансформатора, не рассеивается где попало, а сосредоточен главным образом в ограниченном сердечником объеме. Переменный ток, действующий в первичной обмотке, намагничивает сердечник то в одном, то — в противоположном направлении, при этом изменение магнитного потока происходит не рывками, а гармонически, синусоидально (если речь идет о сетевом трансформаторе).

Можно сказать, что железо сердечника увеличивает индуктивность первичной обмотки, то есть повышает ее способность создавать магнитный поток при прохождении тока, и улучшает свойство препятствовать нарастанию тока при приложении к выводам обмотки напряжения. Поэтому на холостом ходу (в не нагруженном режиме) трансформатор потребляет сущие миллиамперы, хотя изменяющееся напряжение на обмотку действует.

Вторичная обмотка является у трансформатора принимающей. Она принимает изменяющийся магнитный поток, порождаемый током первичной обмотки, и посылаемый благодаря магнитопроводу сквозь свои витки. Изменяющийся с определенной скоростью магнитный поток, пронизывающий витки вторичной обмотки, по закону электромагнитной индукции наводит в каждом ее витке определенную ЭДС. Эти индуцированные ЭДС складываются в каждый момент времени от витка к витку, формируя напряжение вторичной обмотки (напряжение холостого хода трансформатора).

Здесь своевременным будет отметить, что чем быстрее изменяется магнитный поток в сердечнике, тем большее напряжение наводится на каждом витке вторичной обмотки трансформатора. А поскольку и первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком (создаваемым переменным током первичной обмотки), то и напряжение на каждом витке как первичной, так и вторичной обмотки, получается одинаковым, исходя из величины магнитного потока и скорости его изменения.

Если копнуть глубже, то изменяющийся магнитный поток в сердечнике создает в пространстве вокруг себя электрическое поле, напряженность которого тем больше, чем выше скорость изменения магнитного потока, и чем больше величина этого изменяющегося магнитного потока. Данное вихревое электрическое поле действует на электроны, расположенные в проводе вторичной обмотке, толкает их в определенную сторону, поэтому на концах вторичной обмотки можно измерить электрическое напряжение.

Если ко вторичной обмотке трансформатора подключить нагрузку, то по ней потечет ток, а значит в сердечнике возникнет магнитный поток, создаваемый этим током вторичной обмотки.

Магнитный поток, порождаемый током вторичной обмотки, то есть током нагрузки, окажется направлен (см. правило Ленца) против магнитного потока первичной обмотки, и значит наведет в первичной обмотке противо-ЭДС, которая приведет к росту тока в первичной обмотке, и соответственно — к увеличению потребляемой трансформатором от сети мощности.

Возникновение противоположного первичному, вторичного магнитного потока внутри сердечника, в качестве эффекта от подключенной нагрузки, эквивалентно уменьшению индуктивности первичной обмотки. Вот почему трансформатор под нагрузкой потребляет значительно больше электрической энергии, чем на холостом ходу.

Назначение и принцип действия трансформаторов напряжения

Классический трансформатор напряжения (ТН) – это устройство, преобразующее одно его значение в другое. Процесс сопровождается частичной потерей мощности, но оправдан в ситуациях, когда необходимо изменить параметры входного сигнала. В конструкции такого трансформатора предусмотрены намоточные элементы, при правильном расчете которых удается получить требуемое выходное напряжение.

1. Назначение и принцип действия
2. Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения
3. Классификация трансформаторов напряжения
4. Измерительные трансформаторы напряжения и тока
5. Особенности работы ТН в сетях с изолированной и заземленной нулевой точкой

Назначение и принцип действия

Основное назначение трансформаторов напряжения – преобразование входного сигнала до уровня, предусмотренного стоящими перед пользователем задачами – когда рабочий потенциал требуется понизить или повысить. Добиться этого удается за счет принципа электромагнитной индукции, сформулированного в качестве закона учеными Фарадеем и Максвеллом. Согласно ему, в любой петле, расположенной близко к другому такому же витку провода, с током наводится ЭДС, пропорциональная потоку магнитной индукции, пронизывающей их. Величина этой индукции во вторичной обмотке трансформатора (состоящей из множества таких витков) зависит от силы тока в первичном контуре и от количества витков в той и другой катушке.

Ток во вторичной отмотке трансформатора и напряжение на подключенной к нему нагрузке определяются только соотношением количества витков в обеих катушках. Закон электромагнитной индукции позволяет правильно рассчитать параметры прибора, передающего мощность с входа на выход с нужным соотношением действующих токов и напряжений.

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения

Основное отличие трансформаторов тока (ТТ) от преобразователя напряжения состоит в их различном функциональном назначении. Первые используются только в измерительных цепях, позволяя снизить уровень контролируемого параметра до приемлемого значения. Вторые устанавливаются в электрических линиях переменного тока и выдают на выходе напряжения, используемые для работы подключенной бытовой аппаратуры.

Их отличия по конструкции состоят в следующем:

• в качестве первичной обмотки в трансформаторах тока используется шина силовой подводки, на которой он монтируется;
• параметры вторичной обмотки рассчитаны на подключение к измерительному прибору (электросчетчику в доме, например);
• в сравнении с ТН трансформатор тока более компактен и имеет упрощенную схему включения.

Трансформаторы тока и напряжения отвечают различным требованиям в части точности преобразуемых величин. Если для измерительного прибора этот показатель очень важен, то для трансформатора напряжения он имеет второстепенное значение.

Классификация трансформаторов напряжения

Согласно общепринятой классификации, эти устройства по своему назначению делятся на следующие основные типы:

• трансформаторы силовые с заземлением и без него;
• измерительные устройства;
• автотрансформаторы;
• специальные согласующие приборы;
• разделительные и пиковые трансформаторы.

Первые из этих разновидностей используются для доставки бесперебойного питания потребителю в приемлемом для него виде (с нужной амплитудой). Суть их действия – в преобразовании одного уровня потенциала в другой с целью последующей передачи в нагрузку. Установленные на трансформаторной подстанции трехфазные устройства, например, позволяют снизить высокие напряжения с 6,3 и 10 кВ до бытового значения 0,4 кВ.

Автотрансформаторы представляют собой простейшие индуктивные конструкции, имеющие одну обмотку с ответвлениями для регулировки величины выходного напряжения. Согласующие изделия устанавливаются в слаботочных цепях, обеспечивая передачу мощности от одного каскада к другому с минимальными потерями (с максимальным КПД). С помощью так называемых «разделительных» трансформаторов удается организовать электрическую развязку цепей с высоким и низким напряжением. Тем самым гарантируется защита владельца дома или дачи от поражения током высокого потенциала. Кроме того, эта разновидность преобразователей позволяет:

• передавать электроэнергию от источника до потребителя в нужном и безопасном виде;
• защищать нагрузочные цепи с включенными в них чувствительными приборами от электромагнитных помех;
• блокировать попадание постоянной составляющей тока в рабочие цепи.

Пиковые трансформаторы – еще одна разновидность преобразующих электрическую энергию устройств. Они служат для определения полярности импульсных сигналов и согласования ее с выходными параметрами. Этот тип преобразователей устанавливается в сигнальных цепях компьютерных систем и каналах радиосвязи.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока

Специальные измерительные трансформаторы – это особый тип преобразователей, позволяющих включать контрольные устройства в силовые цепи. Их основное назначение – преобразование тока или напряжения в величину, удобную для измерения параметров сети. Необходимость в этом возникает в следующих ситуациях:

• при снятии показаний электрическими счетчиками;
• в случае установки в силовых питающих цепях реле защиты по напряжению и току;
• при наличии в ней других устройств автоматики.

Измерительные приборы классифицируются по конструкции, типу установки, коэффициенту трансформации и числу ступеней. Согласно первому признаку они бывают встроенными, проходными и опорными, а по месту размещения – наружными или предназначенными для монтажа в ячейках КРУ закрытого типа. По числу ступеней преобразования они делятся на одноступенчатые и каскадные, а по коэффициенту трансформации – на изделия, имеющие одно или несколько значений.

Особенности работы ТН в сетях с изолированной и заземленной нулевой точкой

Электрические высоковольтные сети имеют два исполнения: с изолированной нулевой шиной, либо с компенсированной и заземленной нейтралью. Первый режим подсоединения нулевой точки позволяет не отключать сеть при однофазных (ОЗ) или дуговых замыканиях (ДЗ). ПУЭ допускают работу линий с изолированной нейтралью до восьми часов при однофазном замыкании, но с оговоркой, что в это время ведутся работы по устранению неисправности.

Повреждение электрооборудования возможно из-за повышения фазного напряжения до линейного и последующего за этим появления дуги, носящей переменный характер. Независимо от причины возникновения и режима работы это наиболее опасный вид замыканий с большим коэффициентом перенапряжения. Именно в этом случае велика вероятность появления феррорезонанса в сети.

Феррорезонансный контур в силовых сетях с изолированной нейтралью представляет собой цепочку нулевой последовательности с нелинейным намагничиванием. Трехфазный не заземляемый ТН по сути – это три однофазных трансформатора, соединенные по схеме звезда-звезда. При перенапряжениях в зонах, где он установлен, индукция в его сердечнике увеличивается примерно в 1,73 раза, являясь причиной появления феррорезонанса.

Для защиты от этого явления разработаны особые методы:

• изготовление ТН и ТТ с низкой собственной индукцией;
• включение в их цепь дополнительных демпферных элементов;
• изготовление 3-хфазных трансформаторов с единой магнитной системой в 5-тистержневом исполнении;
• заземление нейтрального провода через токоограничивающий реактор;
• использование компенсационных обмоток и т.п.;
• применение релейных схем, защищающих обмотки ТН от сверхтоков.

Эти меры защищают измерительные ТН, но полностью не решают проблему безопасности. Помочь в этом могут заземляемые приборы, устанавливаемые в сетях с изолированной нейтральной шиной.

Характер работы трансформаторов пониженного напряжения в режимах с заземленной нейтралью отличается повышенной безопасностью и существенным снижением феррорезонансных явлений. Кроме того, их использование повышает чувствительность и селективность защиты при однофазном замыкании. Такой подъем становится возможным благодаря тому, что индуктивная обмотка трансформатора включается в цепь заземления и кратковременно увеличивает ток через установленное в ней устройство защиты.

В ПУЭ приводится обоснование допустимости кратковременного заземления нейтрали небольшой индуктивностью обмотки ТН. Для этого в сети используется автоматика, которая силовыми контактами при возникновении ОЗ через 0,5 секунды ненадолго подключает трансформатор к сборным шинам. Благодаря эффекту глухозаземленной нейтрали при однофазном замыкании на землю в защитной цепи начинает течь ток, ограниченный индуктивностью ТН. Вместе с тем его величина достаточна для того, чтобы сработала аппаратура защиты от ОЗ и создала условия для гашения опасного дугового разряда.

Трансформаторы напряжения измерительные. Устройство, классификация, принцип работы, примеры

Трансформатор напряжения – это один из видов трансформаторов, который еще называют измерительным, предназначеннный для отделения первичных цепей высокого и сверх высокого напряжений и цепей измерений, РЗ и А. Также их используют для понижения высоких напряжений (110, 10 и 6 кВ) до стандартных нормируемых величин напряжений вторичных обмоток – 100 либо 100/√3.

Помимо этого, применение трансформаторов напряжение в электроустановках позволяет изолировать маломощные низковольтные измерительные приборы и устройства, что удешевляет стоимость и позволяет использовать более простое оборудование, а также обеспечивает безопасность обслуживания электроустановок.

Трансформаторы напряжения нашли широкое применение в силовых электроустановках высокого напряжения

От точности их работы зависит правильность коммерческого учета электроэнергии, селективность действия устройств РЗ и противоаварийной автоматики, также они служат для синхронизации и питания автоматики релейной защиты ЛЭП от коротких замыканий, и др.

1. Классификация трансформаторов напряжения
2. Виды трансформаторов напряжения
3. Трансформатор напряжения ЗНОЛ-НТЗ-35-IV-11
4. Назначение и область применение ЗНОЛ-НТЗ
5. Трехфазная антирезонансная группа трансформаторов напряжения 3хЗНОЛПМ(И)
6. Назначение 3хЗНОЛПМ(И)
7. НАМИТ-10-2
8. Назначение и область применения
9. Технические параметры трансформатора напряжения НАМИТ-10-2

Измерительный трансформатор конструктивно практически не отличается от стандартных силовых трансформаторов. Он состоит из обмоток: первичной и одной либо нескольких вторичных и стального сердечника, набранного листами электротехнической стали. Первичная обмотка имеет большее количество витков, в сравнении со вторичной. На первичную — подается напряжение, которое требуется измерить, а ко вторичным — подключаются ваттметр и пр. измерительные аппараты. Поскольку ваттметр имеет значительное сопротивление, то по вторичной принято считать, что протекает малый ток. Поэтому полагают, что измерительный трансформатор напряжения функционирует в режимах близких к холостому ходу.

Такие трансформаторы оснащают разъемами для подключения: первичная обмотка присоединяется к цепям силового напряжения, а ко вторичной могут подключены — реле, обмотки вольтметра или ваттметра и пр. приборы. Принцип действия у них аналогичен силовому трансформатору: трансформирование напряжения в измерительном трансформаторе производится переменным магнитным полем.

Интересное видео о работе и принципе устройста трансформаторов тока смотрите ниже:

Потери намагничивания обуславливают некоторую погрешность в классах точности.

• конструкцией магнитопровода;
• проницаемостью стали;
• коэффициентом мощности, т.е. зависит от вторичной нагрузки.

Конструкцией предусматривается компенсация погрешности по напряжению благодаря уменьшению количества витков первичной обмотки, устранению угловой погрешности с помощью компенсирующих обмоток. Простейшая схема включения трансформатора напряжения

Классификация трансформаторов напряжения

Трансформаторы напряжения принято разделять по следующим признакам:

1. По количеству фаз:
   • однофазные;
   • трехфазные.
2. По числу обмоток:
   • 2-х-обмоточные;
   • 3-х-обмоточные.
3. По способу действия системы охлаждения:
   • электрические устройства с масляным охлаждением;
   • электрические устройства с воздушной системой охлаждения ( с литой изоляцией либо сухие).
4. По способу установки и размещения:
   • для наружной установки;
   • для внутренней;
   • для комплектных РУ.
5. По классу точности: по нормируемым величинам погрешностей.

Виды трансформаторов напряжения

Рассмотрим несколько трансфомраторов напряжения разных производителей:

Трансформатор напряжения ЗНОЛ-НТЗ-35-IV-11

Производиель — Невский трансформаторный завод «Волхов».

Назначение и область применение ЗНОЛ-НТЗ

Трансформаторы предназначены для наружной установки в открытых распределительных устройствах (ОРУ). Трансформаторы обеспечивают передачу сигнала измерительной информации измерительным приборам и устройствам защиты и управления, предназначены для использования в цепях коммерческого учета электроэнергии в электрических установках переменного тока на класс напряжения 35 кВ. Трансформаторы выполнены в виде опорной конструкции.

Корпус трансформаторов выполнен из компаунда на основе гидрофобной циклоалифатической смолы «Huntsman», который одновременно является основной изоляцией и обеспечивает защиту обмоток от механических и климатических воздействий.Рабочее положение трансформаторов в пространстве — вертикальное, высоковольтными выводами вверх.

Рисунок — Габаритные размеры трансформатора

Рисунок — схемы подключения обмоток трансформаторов

Характеристики:

1. Класс напряжения по ГОСТ 1516.3, кВ — 27 35 27
2. Наибольшее рабочее напряжение, кВ — 30 40,5 40,5
3. Номинальное напряжение первичной обмотки, кВ — 15,6 20,2 27,5
4. Номинальное напряжение основной вторичной обмотки, В — 57,7 100
5. Номинальное напряжение дополнительной вторичной обмотки, В — 100/3, 100 127
6. Номинальные классы точности основной вторичной обмотки — 0,2; 0,5; 1; 3

Ещё одно интересное видео о работе трансформаторов тока:

Трехфазная антирезонансная группа трансформаторов напряжения 3хЗНОЛПМ(И)

Производитель «Свердловский завод трансформаторов тока»

Назначение 3хЗНОЛПМ(И)

Трансформаторы предназначены для установки в комплектные устройства (КРУ), токопроводы и служат для питания цепей измерения, защиты, автоматики, сигнализации и управления в электрических установках переменного тока частоты 50 или 60 Гц в сетях с изолированной нейтралью.

Трансформаторы изготавливаются в климатическом исполнении «УХЛ» категории размещения 2 по ГОСТ 15150.

Рабочее положение — любое.

Расположение первичного вывода возможно как с лицевой так и с тыльной стороны трансформатора.

Трехфазная группа может комплектоваться в 4-ех вариантах:

• из трех трансформаторов ЗНОЛПМ — 3хЗНОЛПМ-6 и 3хЗНОЛПМ-10;
• из трех трансформаторов ЗНОЛПМИ — 3хЗНОЛПМИ-6 и 3хЗНОЛПМИ-10;
• из одного трансформатора ЗНОЛПМ (устанавливается по середине) и двух трансформаторов ЗНОЛПМИ (устанавливаются по краям) — 3хЗНОЛПМ(1)-6 и 3хЗНОЛПМ(1)-10;
• из двух трансформаторов ЗНОЛПМ (устанавливаются по краям) и одного трансформатора ЗНОЛПМИ (устанавливается по середине) — 3хЗНОЛПМ(2)-6 и 3хЗНОЛПМ(2)-10.

Для повышения устойчивости к феррорезонансу и воздействию перемежающейся дуги в дополниетльные обмотки, соединенные в разомкнутый треугольник, используемые для контроля изоляции сети, рекомендуется включать резистор сопротивлением 25 Ом, рассчитанный на длительное протекание тока 4А.

Внимание! При заказе трансформаторов напряжения для АИСКУЭ обязательно заполнение опросного листа.

Гарантийный срок эксплуатации — 5 (пять) лет со дня ввода трансформатора в эксплуатацию, но не более 5,5 лет с момента отгрузки с завода-изготовителя.

Срок службы — 30 лет.

НАМИТ-10-2

Производитель ОАО «Самарский Трансформатор»

Назначение и область применения

Трансформатор напряжения НАМИТ-10-2 УХЛ2 трехфазный масляный антирезонансный является масштабным преобразователем и предназначен для выработки сигнала измерительной информации для измерительных приборов в цепях учёта, защиты и сигнализации в сетях 6 и 10 кВ переменного тока промышленной частоты с изолированной нейтралью или заземлённой через дугогасящий реактор. Трансформатор устанавливается в шкафах КРУ(Н) и в закрытых РУ промышленных предприятий

Технические параметры трансформатора напряжения НАМИТ-10-2

1. Номинальное напряжение первичной обмотки, кВ — 6 или 10
2. Наибольшее рабочее напряжение, кВ — 7,2 или 12
3. Номинальное напряжение основной вторичной обмотки (между фазами), В — 100 (110)
4. Ннапряжение дополнительной вторичной обмотки (аД — хД), не более, В — 3
5. Класс точности основной вторичной обмотки — 0,2/0,5

Рисунок — Габаритные размеры и схема подключения.

Принцип действия измерительных трансформаторов

Измерительные трансформаторы являются обособленной группой электротехнических изделий.

В зависимости от конструкции назначение измерительных трансформаторов тока и напряжения различно – они преобразуют основные показатели электрических цепей (напряжение или ток), уменьшая их величину до заданного значения.

Главная задача заключается в достижении необходимых параметров, при которых точно и корректно работает контрольно-измерительная аппаратура.

Все измерительные трансформаторы делятся на две группы исходя из основных критериев:

• по току;
• по напряжению.

В зависимости от их принадлежности к одной из категорий существенно отличается конструкция и принцип работы изделий. Давайте более подробно рассмотрим основные конструктивные особенности и назначение измерительных трансформаторов каждой группы.

Принцип действия измерительных трансформаторов напряжения основан на понижении подводимого напряжения и изолировании подключенных после него измерительных приборов от влияния повышенного напряжения в сетях переменного тока.

Дополнительно повышается уровень безопасности для персонала, который обслуживает высоковольтные сети и снимает контрольные показания с приборов. Широкое применение такие изделия получили в релейных автоматических системах защиты и в различных электроустановках.

Благодаря включению в цепь питания этого трансформатора можно использовать стандартные контрольно-измерительные приборы для снятия точных показаний в линиях с высоким значением напряжения.

В противном случае пришлось бы существенно менять конструкцию измерительной аппаратуры и увеличивать ее в размерах за счет дополнительных катушек индуктивности, изоляции и других элементов.

Принцип действия измерительных трансформаторов тока заключается в снижении до необходимого уровня силы тока от первичного источника, к которому запитан измерительный прибор. Главное применение таких трансформаторов – контроль и снятие точных показаний в высоковольтных сетях.

Основная особенность устройства заключается в полном контроле силы тока и обеспечении безопасной работы с подключенной контрольно-измерительной аппаратурой, на которую ограничена подача тока высокого значения.

Варианты маркировки

На шильде изделия можно встретить различную информацию, которая поможет подобрать правильное устройство исходя из заданных параметров основных характеристик. Маркировка измерительных трансформаторов различается в зависимости от типа устройства.

Так, для трансформаторов тока характерны следующие символы и обозначения:

• «Т» (первая буква) – трансформатор тока;
• вторая буква в обозначении отвечает за тип конструкции. Может быть четыре варианта: «О», «П», «Ф», «Ш», что означает опорный, проходной, фарфор, шинный;
• третьей буквой маркируется материал изоляции – литая (Л), масляная (М) или газовая (Г).

После буквенной маркировке указываются числовые значения, которые характеризуют класс изоляции, климат и коэффициент трансформации. Для примера: маркировка ТОМ-3У2 100/3 читается как «трансформатор тока опорный с масляной изоляцией, 3кВ, для умеренного климата второго класса с коэффициентом 100:3».

У трансформаторов напряжения маркировка отличается большим количеством букв, которые обозначают количество фаз, тип изоляции, класс прибора и его назначение, тип конструкции.

Более подробно это выглядит следующим образом:

• класс трансформатора – Н (напряжение);
• по количеству фаз – одна (О) или три (Т);
• принадлежность – измерительный (И);
• особенности конструкции – заземляемая первичная обмотка (З);
• разновидность – каскадный (К), антирезонансный (А), цельнолитой корпус из полимера (Л), наличие емкостного делителя (ДЕ), фарфоровая покрышка (Ф);
• тип исполнения – масляный (М), сухой (С).

Знание маркировки существенно облегчает выбор измерительных трансформаторов.

Особенности монтажа

Монтаж измерительных трансформаторов производится высококвалифицированными специалистами, которые обязаны иметь категорию допуска к электротехническим работам не ниже третьего уровня. Перед установкой необходимо провести проверку на выявление возможных дефектов.

Для трансформаторов тока рекомендуется произвести следующие действия:

• визуальный осмотр корпуса на предмет механических повреждений;
• проверка коэффициента трансформации на соответствие заданным параметрам;
• состояние вторичной обмотки (отсутствие обрывов);
• правильно ли промаркированы все выводы для подключения к источнику питания и контрольно-измерительной аппаратуре;
• целостность фарфоровой покрышки и токоведущего стержня.

После визуального осмотра можно переходить к процессу установки и дальнейшего введения в эксплуатацию.

Для трансформаторов напряжения также проводят визуальный осмотр перед установкой.

Обращают внимание на следующие моменты:

• целостность корпуса;
• отсутствие течи масла;
• предварительное испытание измерительных трансформаторов (определяют полярность у выводов для низшего и высшего напряжения, измеряют коэффициент трансформации, проверяют величину сопротивления обмоток);
• проверка уровня масла. В больших устройствах количества масла определяют по специальному индикатору, а в компактных изделиях без расширителя не доливают масла примерно на 2-3 сантиметра до крышки. Образовавшийся воздушный карман и будет играть роль расширителя.

Все монтажные и пусковые работы проводятся в соответствии с указаниями изготовителя и с соблюдением правил безопасности.

Эксплуатация

Эксплуатация измерительных трансформаторов должна проводиться строго в соответствии с рекомендациями и предписаниями фирмы-изготовителя. В процессе использования устройств рекомендуется регулярный профилактический осмотр с целью выявления возможных неисправностей и быстрого их устранения.

Регулярное обслуживание для трансформаторов тока предусматривает следующие мероприятия:

• контроль нагрузки внешней цепи с целью недопущения перегрузок (коэффициент перегруженности линии не может быть больше 20%);
• внешний осмотр состояния подводящих контактов;
• проверка целостности фарфоровых изоляторов;
• осмотр внешней изоляции, удаление загрязнений и влаги.

Для трансформаторов напряжения рекомендуется проводить регулярные профилактические осмотры:

• состояние внешнего кожуха на предмет наличия повреждений и подтеков масла;
• проверка уровня масла;
• необходимо обращать внимание на наличие специфических тресков и посторонних шумов внутри изделия;
• проверка целостности фарфоровых изоляторов и сварных швов.

При обнаружении любого вида неполадок устройство обесточивается и выводится из эксплуатации.

Ремонт измерительных трансформаторов проводят специализированные организации (обычно это сертифицированные мастерские от фирм производителей оборудования).

Чтобы узнать больше о новинках в мире электротехники, увидеть современное оборудование и узнать о передовых технологиях в профильных отраслях, достаточно посетить выставку «Электро».

Широкая международная экспозиция будет принимать посетителей на территории ЦВК «Экспоцентр».

На выставке можно больше узнать больше о назначении, принципе действия измерительных трансформаторов, а также особенностях монтажа и ремонта устройств.

Что такое трансформатор напряжения и как он работает?

Для передачи электроэнергии на большие расстояния напряжения электрического тока с помощью силовых трансформаторов повышают до сотен тысяч вольт. Поскольку высокие напряжения очень опасны, то для работы электроприборов используют ток после силового понижающего трансформатора. Однако на всей протяженности ЛЭП установлено множество защитных устройств. Для отделения напряжений цепей этих приборов от потенциалов линий электропередач применяют трансформатор напряжения (ТН).

Приборы этого типа часто используются для безопасного способа подключения измерительных приборов. Задача ТН состоит в преобразовании высоковольтных токов линий (свыше 6 кВ) до безопасного уровня. Применение таких трансформаторов удешевляет эксплуатацию энергосистем за счет снижения затрат на изоляцию оборудования, работающего в низковольтных сетях.

Устройство и принцип действия

Конструктивно ТН особо не отличается от других типов преобразующих устройств. Его устройство:

• магнитный сердечник, шихтованный из пластин электротехнической стали;
• первичная катушка;
• одна или две вторичные обмотки;
• защитный кожух (для конструкций уличного типа).

Внешний вид и схематическое изображение изделия смотрите на рис.1. На картинке изображено устройство с одной (основной) вторичной обмоткой. На некоторых моделях есть дополнительная вторичная обмотка, которая может использоваться, например, для подключения приборов измерения.

Рис. 1. Трансформатор напряжения. Строение

Обратите внимание на то, что между выводами первичных обмоток и вторичными катушками отсутствует гальваническая связь. Это главное отличие измерительных трансформаторов от конструкции обычного понижающего трансформатора.

Защитные кожухи изготовляются из разных материалов. В моделях, используемых для обслуживания высоковольтных ЛЭП, применяют диэлектрики, изготовленные из фарфора (рис. 2),

Рис. 2. ТН на 110 кВ

Для охлаждения обмоток таких высоковольтных агрегатов применяют специальные трансформаторные масла.

В сетях средней мощности применяют модели с корпусами на основе эпоксидных смол (рис. 3).

Рис. 3. ТН наружного типа

Трехфазные ТН с нулевыми выводами выполняются на магнитопроводе с пятью стержнями. Такая конструкция защищает обмотки от перегрева, так как при однофазных замыканиях в цепях высоковольтных проводов цепь линий суммарного магнитного потока в самом трансформаторе замыкается по стали сердечника.

Принцип действия также мало отличается от работы силового понижающего трансформатора. Магнитный поток, возникающий в первичной катушке, распространяется по магнитопроводу, вызывая напряжение ЭДС во вторичной обмотке. Величина напряжения зависит от соотношения числа витков в катушках. Поскольку вторичные обмотки состоят из малого количества витков, то и выходное напряжение небольшое (обычно оно не превышает 100 В).

Принцип работы ТН объясняет схема на рисунке 4.

Рис. 4. Принцип работы трансформатора напряжения

Важной задачей при изготовлении трансформаторов данного типа является выполнение требований по достижению необходимых амплитудных и угловых параметров синусоиды, определяющих соответствующий класс точности: 0,5; 1; 3. В эталонных образцах применяется класс точности 0,2. Для измерительных приборов важно чтобы класс точности был максимально высоким. Чем он выше, тем меньшая погрешность измерения прибора.

Точность параметров преобразованных переменных токов зависит от нагрузки. Чем выше нагрузка вторичной цепи, тем больше погрешность трансформатора напряжения (снижается класс точности). Оптимальные параметры напряжения на выходе трансформатора достигаются при номинальных нагрузках. В этом режиме эффективность преобразования тока возрастает по мере приближения к номинальному коэффициенту трансформации.

Работа ТН эффективна при малых номинальных мощностях во вторичных цепях. Для этих устройств длительное состояние в режиме холостого хода является нормой. Поэтому они эффективно используются в системах защиты линий, которые большую часть времени находятся в режиме ожидания и потребляют мало тока.

Разновидности

По конструкции и способам подключения трансформаторы напряжения классифицируются следующим образом:

• двухобмоточный ТН (состоит из первичной катушки и основной вторичной обмотки);
• трехобмоточный (имеет две вторичные обмотки. Одна из них является основной, а другая – дополнительной);
• заземляемый (конструкция однофазных ТН у которых один вывод первичной обмотки уходит на землю.В моделях трехфазных ТН наглухо заземлены все нейтрали);
• незаземляемый;
• тип каскадных трансформаторов (первичную обмотку образуют каскады из секций);
• семейство емкостных трансформаторов, конструкция которых содержит элементы емкостных делителей;
• модели антирезонансных трансформаторов (см. рис. 5).

Рис. 5. Модель антирезонансного ТН

Можно отдельно выделить низковольтные конструкции, которые используются в некоторых электронных устройствах. Данный класс электронных трансформаторов применяют в тех случаях, когда в электронных схемах необходима развязка, отделяющая цепи высоких напряжений от низких.

Расшифровка маркировки

Для различения разновидностей моделей к ним применяют буквенную маркировку:

• Н – трансформатор напряжения;
• Т – трехфазная модель;
• О – однофазный ТН;
• С – сухой (воздушное охлаждение);
• М – масляный;
• А – антирезонансные модели;
• К – каскадные устройства;
• Ф – фарфоровый тип корпуса;
• И – пятистержневой трансформатор, содержащий обмотку для контроля изоляции;
• Л – конструкции в литом корпусе;
• ДЕ – емкостные;
• З – заземляемые (первичную катушку необходимо заземлять).

Технические параметры

Основные сведения указываются на шильдике трансформатора напряжения.

Рис. 6. Шильдик трансформатора

Технические параметры трансформаторов:

• величина напряжения на первичном фазном входе;
• напряжение на выводах вторичных фазных обмоток;
• коэффициенты мощности;
• максимальные напряжения короткого замыкания.

К важным сведениям относится параметры номинальной частоты и класс точности для номинального коэффициента трансформации. На некоторых моделях изготовители указывают угловые погрешности и допустимые погрешности напряжений.

Схемы подключения

Простейшая схема подключения применяется в пунктах обслуживания линий под напряжением 6 – 10 кВ. Подключенные по такой схеме трансформаторы используются для включения вольтметра и подачи напряжений на реле устройства АВР. Пример такой схемы показан на рис. 7.

Рис. 7. Простая схема подключения трансформатора напряжения

На рисунке 8 приведена схема, применяемая для включения однофазных трансформаторов с целью подачи безопасного напряжения на нагрузки, запитанные от вторичных обмоток. В данной схеме использовано группу однофазных трансформаторов, катушки которых соединены по принципу звезды. Обратите внимание, что первичные обмотки соединены с глухозаземленной нейтралью.

Рис. 8. Еще пример схемы подключения

Данная схема применяется в сетях 0,5 – 10 кВ для подключения измерительных приборов, счетчиков. По аналогичной схеме подключаются вольтметры, используемые для контроля изоляции.

Схема эффективна для приема сигналов, свидетельствующих об однофазных замыканиях на землю. Существуют и другие схемы подключений, в частности по типу соединения открытого треугольника. Особенность таких схем в том, что мощность группы из двух ТН меньше мощности трех устройств соединенных по схеме полного треугольника не в 1,5 раза, а в √3 раз.

В некоторых схемах применяется комбинированное соединение обмоток. Для этого подходит соединение «треугольник – звезда». В работе таких схем номинальное напряжение составляет 173 В. Указанный способ подключения применяется в системах регулирования возбуждения обмоток генераторов и компенсаторов.

Применение

Основное применение первичных преобразователей напряжений – подача питания на обмотки измерительных приборов и подключение реле защиты в сетях 380 В и выше. Трансформаторы позволяют расширить диапазоны измерений и изоляцию реле от высоких межфазных потенциалов. Включение выводов первичных обмоток между фазой и землей дает возможность градуировать шкалы приборов с учетом коэффициента трансформации, что позволяет контролировать первичные параметры линий ЛЭП.

Изменение параметров напряжений в первичных цепях влияет на поведение переменных магнитных потоков. Эти возмущения фиксируются вторичными обмотками, которые реагируют изменением амплитуды тока и частоты колебаний. Сигналы поступают на различные защитные устройства, которые автоматически отключают участки линий с КЗ и с другими критичными отклонениями.

Видео по теме