Трансформаторы напряжения
Трансформаторы напряжения: устройство, принцип действия, классификация и применение
Трансформатор напряжения (ТН) — это измерительный трансформатор, предназначенный для преобразования высокого первичного напряжения в стандартное низкое вторичное напряжение, безопасное для непосредственного подключения измерительных приборов, устройств релейной защиты и автоматики (РЗА), а также систем учета электроэнергии. Основная функция ТН — гальваническая развязка цепей высокого напряжения от низковольтных цепей и обеспечение безопасности персонала. Точность преобразования является ключевым параметром, определяющим область применения конкретного типа трансформатора.
Принцип действия и основные конструктивные элементы
Принцип действия трансформатора напряжения основан на явлении электромагнитной индукции. Он состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника), набранного из листов электротехнической стали, и двух обмоток: первичной (W1), подключаемой к сети высокого напряжения, и вторичной (W2), к которой подключается нагрузка (приборы). При подаче переменного напряжения U1 на первичную обмотку в магнитопроводе создается переменный магнитный поток, который, пересекая витки вторичной обмотки, наводит в ней электродвижущую силу. Вторичное напряжение U2 определяется коэффициентом трансформации Kn = U1ном / U2ном = W1 / W2. Стандартное номинальное вторичное напряжение в России и странах СНГ составляет 100 В, 100/√3 В или 100/3 В. В некоторых странах также используется 110 В или 120 В.
Основные конструктивные элементы масляного ТН:
- Активная часть: магнитопровод с обмотками, изолированными и закрепленными на стержне.
- Изоляция: маслобарьерная (в масляных ТН), литая эпоксидная (в сухих ТН), газонаполненная (в ТН с элегазом).
- Бак: герметичный стальной резервуар, заполненный трансформаторным маслом, служащим для изоляции и охлаждения.
- Изоляторы: проходные (вводы высокого напряжения) и опорные.
- Клеммная коробка: для подключения вторичных цепей.
- Расширитель: компенсирует изменение объема масла при температурных колебаниях.
- Для внутренней установки: предназначены для работы в закрытых распределительных устройствах (ЗРУ).
- Для наружной установки: предназначены для работы на открытом воздухе (ОРУ), имеют усиленную влагозащиту.
- Заземляемые (однофазные): один конец первичной обмотки заземляется. Применяются в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью для подключения в фазное напряжение.
- Незаземляемые: обмотки не имеют заземленной точки, вся первичная обмотка изолирована от земли. Используются, например, в схемах контроля изоляции.
- Каскадные: первичная обвивка разделена на несколько последовательных секций, что позволяет распределить потенциал по изоляции и снизить ее стоимость для напряжений 110 кВ и выше.
- Емкостные (емкостные делители): используют емкостной делитель для предварительного снижения напряжения, после которого следует обычный электромагнитный трансформатор. Применяются на сверхвысоких напряжениях (330 кВ и выше).
- Маслонаполненные: традиционная конструкция для высоких напряжений. Надежны, хорошо охлаждаются, но требуют контроля уровня масла и пожароопасны.
- Сухие (с литой изоляцией): обмотки залиты эпоксидным компаундом. Не требуют обслуживания, пожаробезопасны, экологичны. Применяются в основном для напряжений до 35 кВ.
- Газонаполненные (с элегазом SF6): изоляция и дугогашение обеспечиваются шестифтористой серой. Компактны, негорючи, стабильны в работе. Широко применяются в КРУЭ.
- Двухобмоточные: одна первичная и одна вторичная обмотка.
- Трехобмоточные: одна первичная и две вторичные обмотки (основная и дополнительная). Дополнительная обмотка, соединенная в разомкнутый треугольник, используется для контроля изоляции и защиты от замыканий на землю.
- Соединение в звезду (Y): Позволяет получить фазные и линейные напряжения. Применяется для подключения вольтметров, ваттметров, счетчиков, реле напряжения.
- Соединение в открытый треугольник (V): Используется два однофазных ТН. Экономичная схема для получения линейных напряжений, но не позволяет контролировать фазные напряжения относительно земли.
- Соединение в неполную звезду: Аналогична схеме V, но с заземленной средней точкой вторичных обмоток.
- Соединение в треугольник и звезда с дополнительной обмоткой: Трехфазная группа из трех однофазных трехобмоточных ТН. Основные обмотки соединяются в звезду, дополнительные — в разомкнутый треугольник. Напряжение на разомкнутом треугольнике (3U0) появляется только при несимметрии или замыкании на землю в сети, что используется в защитах от замыканий на землю.
- Вторичные обмотки ТН должны быть обязательно заземлены. Это обеспечивает безопасность персонала при пробое изоляции между обмотками, переводя высокое напряжение на землю.
- Цепи вторичных обмоток должны быть защищены от короткого замыкания плавкими вставками или автоматическими выключателями. Первичная цепь защищается предохранителями или выключателями.
- Запрещается оставлять вторичные обмотки ТН под нагрузкой при снятом первичном напряжении, так как это может привести к их повреждению.
- Не допускается работа ТН с нагрузкой, превышающей номинальную для выбранного класса точности.
- Для масляных ТН обязателен регулярный контроль уровня и состояния масла (визуальный, хроматографический анализ газов).
- При проведении испытаний и проверок необходимо учитывать возможность возникновения феррорезонансных процессов, особенно в сетях с изолированной нейтралью, что может привести к перенапряжениям и повреждению оборудования.
- 0.2: для коммерческого учета на стороне высокого напряжения (точка учета на границе балансовой принадлежности).
- 0.5: для технического учета внутри предприятия, для контрольно-измерительных приборов.
- 1.0: для устройств релейной защиты, автоматики, сигнализации и щитовых вольтметров.
- 3.0: для измерения в цепях, где не требуется высокая точность (например, индикация наличия напряжения).
- Межвитковое замыкание в обмотках из-за старения изоляции или перенапряжений.
- Пробой изоляции между обмотками или на землю.
- Перегрев из-за длительной работы в режиме перегрузки.
- Увлажнение изоляции (для масляных ТН — из-за негерметичности, для сухих — из-за конденсации).
- Феррорезонансные явления в сетях с изолированной нейтралью.
- Механические повреждения вводов или корпуса.
Классификация трансформаторов напряжения
По типу установки и конструкции
По роду изоляции
По количеству обмоток
Классы точности и нагрузки
Класс точности ТН определяет допустимую погрешность преобразования напряжения в процентах от номинального значения при определенных условиях. Погрешность имеет две составляющие: угловую (δ) и амплитудную (ΔU). Класс точности указывается цифрой, соответствующей предельной погрешности в процентах при номинальной нагрузке.
| Класс точности | Предел допускаемой погрешности по напряжению, ±% | Предел допускаемой угловой погрешности, ± минуты | Основное назначение |
|---|---|---|---|
| 0.1 | 0.1 | 5 | Эталонные измерения, лабораторные работы. |
| 0.2 | 0.2 | 10 | Точный коммерческий учет электроэнергии. |
| 0.5 | 0.5 | 20 | Технический учет, контрольные измерения. |
| 1.0 | 1.0 | 40 | Измерительные приборы щитовые, устройства РЗА. |
| 3.0 | 3.0 | Не нормируется | Измерения, не требующие высокой точности (сигнализация, вольтметры). |
Нагрузка ТН — это суммарная мощность, потребляемая всеми приборами, подключенными к его вторичным обмоткам. Она измеряется в вольт-амперах (В·А) и не должна превышать номинальную мощность ТН для данного класса точности. Превышение нагрузки приводит к увеличению погрешности и перегреву трансформатора.
Схемы соединения обмоток ТН
Выбор схемы соединения определяется задачами системы измерения и защиты.
Эксплуатационные особенности и требования безопасности
При эксплуатации ТН необходимо строго соблюдать следующие правила:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем трансформатор напряжения принципиально отличается от трансформатора тока?
Трансформатор тока (ТТ) работает в режиме, близком к короткому замыканию, его первичная обмотка включается последовательно в цепь тока, а вторичная никогда не должна размыкаться под нагрузкой. Трансформатор напряжения работает в режиме, близком к холостому ходу, его первичная обмотка включается параллельно цепи напряжения, а вторичная не должна замыкаться накоротко. ТТ преобразует ток, ТН — напряжение.
Почему вторичную обмотку ТН обязательно заземляют?
Заземление вторичной обмотки (обычно точки N) выполняется для защиты персонала и оборудования. В случае пробоя изоляции между первичной и вторичной обмотками высокое напряжение может попасть на низковольтные цепи. При наличии заземления это приводит к срабатыванию защит и отключению поврежденного участка, предотвращая поражение людей и выход из строя приборов.
Что такое напряжение 3U0 и для чего оно используется?
Напряжение 3U0 (напряжение нулевой последовательности) — это геометрическая сумма трех фазных напряжений. В нормальном симметричном режиме оно равно нулю. При однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью возникает несимметрия, и на выводах дополнительной обмотки ТН, соединенной в разомкнутый треугольник, появляется напряжение 3U0 (обычно 100 В). Это напряжение используется для сигнализации и пуска защит от замыканий на землю.
Как выбрать класс точности ТН для конкретной задачи?
Выбор класса точности регламентируется нормативными документами (ПУЭ, ГОСТ):
Что произойдет, если вторичная обмотка ТН окажется в режиме короткого замыкания?
Короткое замыкание во вторичной цепи ТН приведет к резкому увеличению тока в ней. Это вызовет сильный нагрев обмоток, что может привести к их повреждению, оплавлению изоляции и выходу трансформатора из строя. Для предотвращения этого вторичные цепи защищаются плавкими вставками или автоматическими выключателями с малым номинальным током.
Каковы основные причины выхода из строя ТН?
Заключение
Трансформаторы напряжения являются неотъемлемым и критически важным элементом любой электроустановки высокого и среднего напряжения. Они обеспечивают не только возможность измерения параметров сети с помощью стандартизированных приборов, но и формируют информационные сигналы для систем релейной защиты и автоматики, гарантируя тем самым устойчивость и безопасность работы энергосистемы. Правильный выбор типа, класса точности и схемы включения ТН, а также соблюдение норм их эксплуатации и обслуживания являются обязательным условием надежного и точного функционирования систем контроля, учета и управления электроэнергией. Современные тенденции развития направлены на повышение точности, надежности, внедрение оптико-электронных трансформаторов напряжения и интеграцию ТН в состав интеллектуальных цифровых подстанций (Smart Grid).