Трансформаторы напряжения 220 В: классификация, принцип действия, применение и выбор

Трансформаторы напряжения (ТН) на 220 В представляют собой категорию измерительных и разделительных трансформаторов, первичная или вторичная обмотка которых рассчитана на номинальное напряжение 220 В. Они являются ключевыми элементами в системах учета электроэнергии, релейной защиты, автоматики и обеспечения безопасности в низковольтных сетях. Основное назначение – точное преобразование высокого первичного напряжения сети до стандартного безопасного значения, удобного для измерения и питания цепей управления (как правило, 100 В, 110 В или 220/√3 В), либо гальваническая развязка цепей при сохранении номинала напряжения 220 В.

Принцип действия и конструктивное исполнение

Принцип работы трансформатора напряжения основан на явлении электромагнитной индукции. При подаче переменного напряжения U1 на первичную обмотку с числом витков w1 в магнитопроводе создается переменный магнитный поток, который, пронизывая витки вторичной обмотки (w2), наводит в ней электродвижущую силу. Напряжение на вторичной обмотке U2 определяется соотношением: U1/U2 ≈ w1/w2 = Kн, где Kн – коэффициент трансформации. Для точного измерения фаза вторичного напряжения должна быть противоположна фазе первичного (сдвиг близок к 180°).

Конструктивно ТН на 220 В делятся на несколько типов:

• Сухие (воздушные) однофазные и трехфазные: Магнитопровод и обмотки открыты или залиты компаундом. Применяются в установках внутренней установки (ЗРУ, НКУ) благодаря негорючести, экологичности и простоте обслуживания.
• Маслонаполненные (герметичные): Активная часть помещена в стальной бак, заполненный трансформаторным маслом для улучшения изоляции и охлаждения. Используются в основном в устаревших комплектных распределительных устройствах наружной установки.
• Литые эпоксидные (в т.ч. с литой изоляцией): Обмотки и магнитопровод залиты эпоксидным компаундом. Обладают высокой стойкостью к воздействию среды, компактностью, не требуют обслуживания. Широко применяются в современных КРУ, КТП, шкафах учета.
• Тороидальные (тороидальные): Имеют кольцевой магнитопровод, что обеспечивает низкий уровень магнитного поля рассеяния и высокий КПД. Часто используются в качестве разделительных и медицинских трансформаторов.

Классификация и основные параметры

Трансформаторы напряжения 220 В классифицируются по нескольким ключевым признакам и характеризуются рядом технических параметров, регламентируемых ГОСТ 1983-2001, МЭК 61869-3 и другими стандартами.

1. По назначению:

• Измерительные ТН: Предназначены для преобразования напряжения с заданной точностью для подключения измерительных приборов (вольтметров, ваттметров, счетчиков) и устройств РЗА. Классы точности: 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 3.0.
• Защитные ТН: Обеспечивают питание цепей релейной защиты и автоматики. Основное требование – сохранение определенной точности вплоть до напряжения, многократно превышающего номинальное (до 1.9*Uном).
• Разделительные ТН (трансформаторы 220/220 В): Не изменяют величину напряжения, но обеспечивают гальваническую развязку первичной и вторичной цепей. Применяются для повышения электробезопасности, устранения контура заземления, питания чувствительной аппаратуры.
• Лабораторные (образцовые) ТН: Обладают повышенным классом точности (0.05; 0.02) для поверки других измерительных трансформаторов и приборов.

2. По способу включения в сеть 220 В:

• ТН для включения между фазой и землей: Однофазные трансформаторы, где первичная обмотка рассчитана на фазное напряжение сети (например, 220/√3 ≈ 127 В в сетях с изолированной нейтралью или 220 В в однофазных сетях).
• ТН для включения между двумя фазами: Первичная обмотка рассчитана на линейное напряжение 380 В, но вторичная может выдавать 100 В или 220 В для цепей управления.
• ТН с номинальным первичным напряжением 220 В: Используются в качестве промежуточных, понижающих с 380/220 В до 100 В, или как разделительные.

3. Основные технические параметры (на примере измерительного ТН):

Таблица 1. Основные параметры трансформатора напряжения типа НОМ-0.66 (220/100 В)

Наименование параметра	Значение	Пояснение
Номинальное первичное напряжение, U1ном	220 В	Напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка.
Номинальное вторичное напряжение, U2ном	100 В	Стандартное напряжение для измерительных цепей.
Коэффициент трансформации, Kн	220/100 = 2.2	Отношение номинальных напряжений.
Класс точности	0.5; 1.0	Допустимая погрешность в % при номинальной нагрузке.
Номинальная вторичная нагрузка, S2ном	3.75; 6.25; 15 ВА	Полная мощность, которую можно подключить к вторичной обмотке без превышения погрешности.
Номинальная частота	50 Гц	Частота сети, для работы в которой предназначен ТН.
Рабочий диапазон температур	от -45°C до +50°C	Климатическое исполнение (УХЛ, Т и др.).
Степень защиты по IP	IP00, IP20, IP54	Защита от проникновения твердых тел и влаги.

Схемы включения трансформаторов напряжения в трехфазных сетях

В трехфазных сетях 380/220 В с изолированной или глухозаземленной нейтралью применяются различные схемы соединения обмоток ТН.

Схема неполного треугольника (V/V-образная)

Применяется два однофазных ТН. Первичные обмотки включаются на линейные напряжения UAB и UBC. Вторичные обмотки соединены в разомкнутый треугольник, позволяя измерять три линейных напряжения. Недостаток – отсутствие возможности контроля фазных напряжений и напряжения нулевой последовательности. Преимущество – экономичность.

Схема звезда-звезда (Y/Yн-образная)

Три однофазных или один трехфазный пятистержневой ТН. Первичные обмотки соединены в звезду с заземленной нейтралью, вторичные – в звезду с выведенной нейтралью. Позволяет измерять все линейные и фазные напряжения, а также напряжение нулевой последовательности (3U0) при использовании разомкнутого треугольника на дополнительных обмотках.

Схема с использованием трехфазного ТН типа ЗНОМ

Трехфазный трехстержневой трансформатор с двумя вторичными обмотками: основная (Yн) для измерений и дополнительная (разомкнутый треугольник) для контроля изоляции и защиты от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью.

Расчет и выбор трансформатора напряжения 220 В

Выбор ТН производится по следующим критериям:

1. По номинальному напряжению: Uном сети ≥ Uном ТН. Для сети 220 В выбирается ТН с U1ном = 220 В, 380/√3 В или 380 В в зависимости от схемы включения.
2. По конструкции и месту установки: Для КРУ – литые, для щитов – сухие, для особо влажных сред – с повышенной степенью защиты IP.
3. По классу точности: Для коммерческого учета – 0.5S или 0.5; для технического учета – 1.0; для цепей РЗА – 3P или 6P.
4. По номинальной вторичной нагрузке S2ном: Фактическая нагрузка вторичных цепей S2факт не должна превышать S2ном для выбранного класса точности. Расчет S2факт производится суммированием потребляемых мощностей всех подключенных приборов с учетом потерь в соединительных проводах.

Таблица 2. Пример расчета вторичной нагрузки для ТН в цепи учета

Подключенный прибор	Кол-во, шт	Потребляемая мощность на 1 прибор, ВА	Суммарная мощность, ВА
Счетчик электроэнергии	1	0.5 ВА (на обмотку напряжения)	0.5 ВА
Вольтметр	1	3 ВА	3 ВА
Регистратор качества э/э	1	5 ВА	5 ВА
Итого по приборам:			8.5 ВА
Потери в проводах (расчетные)	—	—	~1.5 ВА
Общая расчетная нагрузка S2факт:			~10.0 ВА

Для данного примера необходимо выбрать ТН с S2ном ≥ 10.0 ВА для класса точности 0.5, например, 15 ВА.

Обслуживание, диагностика и безопасность

Эксплуатация ТН включает в себя периодический визуальный осмотр, контроль состояния контактных соединений, измерение сопротивления изоляции мегаомметром (норма не менее 1 МОм на 1 кВ номинального напряжения). Для измерительных ТН обязательна периодическая поверка (калибровка) в аккредитованной лаборатории для подтверждения класса точности. Критически важно соблюдать правило: вторичная обмотка ТН при работе всегда должна быть нагружена или замкнута накоротко, но ни в коем случае не должна оставаться под напряжением в режиме холостого хода. Холостой ход может привести к резкому росту магнитного потока, перегреву и пробою изоляции из-за перенапряжения. При выводе ТН из работы сначала шунтируют вторичную обмотку, затем отключают первичную.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. В чем разница между трансформатором напряжения 220/100 В и разделительным трансформатором 220/220 В?

Трансформатор 220/100 В является понижающим измерительным, его основная задача – точное пропорциональное снижение напряжения для питания стандартных измерительных цепей 100 В. Разделительный трансформатор 220/220 В имеет коэффициент трансформации ~1, его задача – создать гальваническую развязку между первичной и вторичной цепями для обеспечения безопасности, подавления помех, исключения токов утечки.

2. Можно ли использовать трансформатор напряжения 380/100 В в сети 220 В?

Нет, это недопустимо. При включении ТН на пониженное против номинала напряжение (220 В вместо 380 В) пропорционально снизится и магнитный поток в магнитопроводе. Однако, если к такому ТН подключена номинальная вторичная нагрузка, ток во вторичной обмотке будет определяться нагрузкой, а не коэффициентом трансформации. Это может привести к недопустимому увеличению тока в первичной обмотке, ее перегреву и выходу трансформатора из строя. Кроме того, резко снизится точность измерений.

3. Что такое класс точности 0.5S и чем он отличается от 0.5?

Класс точности 0.5S – расширенный класс точности, регламентирующий меньшую погрешность в диапазоне нагрузок от 1% до 120% от номинальной, особенно при малых нагрузках (1-5% Sном). Это критически важно для точного учета электроэнергии в условиях малых нагрузок (ночью, на объектах с низким энергопотреблением). Обычный класс 0.5 нормирует погрешность только в диапазоне 25-100% номинальной нагрузки.

4. Почему при подключении трансформатора напряжения важно учитывать сечение и длину контрольного кабеля?

Сопротивление проводов контрольного кабеля добавляется к сопротивлению нагрузки вторичной цепи. При большой длине и малом сечении проводов падение напряжения на них может стать значительным, что приведет к дополнительной погрешности измерения, превышающей допустимую для выбранного класса точности. Поэтому при проектировании выполняют расчет сечения жил кабеля по допустимому падению напряжения, чтобы суммарная нагрузка (приборы + провода) не превышала номинальную мощность ТН.

5. Каковы признаки неисправности трансформатора напряжения?

• Повышенный нагрев корпуса при нормальной нагрузке.
• Посторонний гул, треск, запах гари.
• Нестабильные или нулевые показания измерительных приборов во всех фазах.
• Срабатывание защит или предохранителей во вторичных цепях.
• Снижение сопротивления изоляции ниже нормы (менее 1 МОм для 0.66 кВ).

При обнаружении этих признаков ТН должен быть немедленно отключен и отправлен на проверку.

Заключение

Трансформаторы напряжения 220 В, несмотря на кажущуюся простоту, являются высокоточными и надежными устройствами, от корректности выбора, монтажа и эксплуатации которых напрямую зависят точность учета электроэнергии, надежность работы систем защиты и безопасность обслуживающего персонала. Современные тенденции направлены на широкое применение литых эпоксидных трансформаторов с малыми габаритами и высокими изоляционными свойствами, а также на интеграцию ТН в состав интеллектуальных устройств с цифровым выходом. Грамотный инженерный подход к применению трансформаторов напряжения является неотъемлемой частью проектирования и эксплуатации любых низковольтных распределительных сетей и систем автоматизации.