Трансформаторы опорные

Трансформаторы опорные: конструкция, принцип действия и область применения

Опорный трансформатор (ТО) – это измерительный трансформатор напряжения, предназначенный для преобразования высокого первичного напряжения в стандартное вторичное напряжение, удобное для измерения, контроля и защиты, с сохранением фазового угла и пропорциональности. Его ключевая особенность – способность работать в составе емкостного делителя напряжения, например, в сочетании с проходным изолятором или отдельным конденсатором, что является основным режимом работы в высоковольтных сетях. ТО устанавливаются непосредственно на опору (столб) ЛЭП или на конструкцию открытого распределительного устройства (ОРУ), что и определило их название.

Принцип действия и место в схеме измерений

Принцип действия опорного трансформатора основан на законах электромагнитной индукции. Он работает как обычный трансформатор напряжения в режиме, близком к холостому ходу, так как сопротивление подключаемых к его вторичной обмотке приборов (вольтметров, счетчиков, реле) велико. Однако его первичная обмотка рассчитана не на полное сетевое напряжение, а на пониженное, снимаемое с нижней части емкостного делителя.

Емкостной делитель формируется конденсатором связи (КС), встроенным в проходной изолятор или выполненным отдельно, и входной емкостью самого ТО. Напряжение на первичной обмотке ТО пропорционально отношению емкостей: U_то = U_сети

• (C₁ / (C₁ + C₂)), где C₁ – емкость связи, C₂ – входная емкость ТО и дополнительных элементов. Таким образом, ТО является неотъемлемой частью емкостного преобразователя, обеспечивая гальваническую развязку и дальнейшее понижение напряжения до стандартных значений 100/√3 В, 100 В или 110/√3 В.

Конструктивные особенности и составные части

Конструктивно опорный трансформатор представляет собой герметизированный аппарат, рассчитанный на эксплуатацию на открытом воздухе. Основные компоненты:

• Магнитопровод: Набирается из листов холоднокатаной электротехнической стали, имеет стержневую или броневую конструкцию. Для уменьшения погрешностей работает при низких значениях магнитной индукции.
• Обмотки: Первичная обмотка рассчитана на напряжение, как правило, 6-15 кВ (напряжение с емкостного делителя). Вторичных обмоток может быть несколько: основная (для измерений) и дополнительная (для защиты или контроля изоляции), часто с отпайками для регулировки коэффициента трансформации. Выполняются из медного или алюминиевого провода с усиленной изоляцией.
• Изоляция: Современные ТО используют литую эпоксидную изоляцию, обеспечивающую высокую механическую прочность, влагостойкость и не требующую обслуживания. Классы изоляции: F, H.
• Корпус и элементы крепления: Корпус из алюминиевого сплава или нержавеющей стали, имеет фланец для жесткого крепления на вертикальной или горизонтальной плоскости. Снабжен клеммной коробкой с герметичными вводами для вторичных цепей.
• Демпфирующие устройства: Для подавления феррорезонансных явлений, характерных для ТО, работающих с емкостным источником, в конструкцию часто вводятся активные или пассивные демпфирующие цепи (резисторы, стабилитроны, схемы на насыщающихся дросселях).

Классификация и основные технические характеристики

Опорные трансформаторы классифицируются по ряду признаков:

• По роли в схеме: Трансформаторы напряжения для работы с емкостным делителем (тип НДЕ).
• По количеству ступеней: Одноступенчатые (только ТО) и каскадные (для сверхвысоких напряжений).
• По числу вторичных обмоток: Двухобмоточные и трехобмоточные.
• По классу точности: Определяет допустимую погрешность по напряжению и углу. Для измерений – 0.2, 0.5, 1.0. Для защиты – 3P, 6P.
• По номинальному напряжению: Определяется классом напряжения сети, в которой работает емкостной делитель (110 кВ, 150 кВ, 220 кВ и выше).

Основные технические характеристики приведены в таблице:

Параметр	Типовые значения / Обозначение	Пояснение
Номинальное напряжение сети	110 кВ, 220 кВ, 330 кВ, 500 кВ, 750 кВ	Напряжение сети, в которую встраивается емкостной делитель.
Номинальное первичное напряжение ТО	6 кВ, 10 кВ, 13 кВ, 15 кВ	Напряжение на зажимах первичной обмотки ТО, снимаемое с делителя.
Номинальное вторичное напряжение	100/√3 В, 100 В, 110/√3 В	Стандартное напряжение для измерительных приборов и реле.
Номинальная мощность вторичной обмотки	10 ВА, 25 ВА, 50 ВА, 100 ВА	Мощность, которую можно длительно отбирать от вторичной обмотки, не превышая класс точности.
Класс точности основной обмотки	0.2, 0.5, 1.0 (для измерений), 3P, 6P (для защиты)	Определяет максимальную погрешность в рабочем диапазоне нагрузок.
Номинальный коэффициент трансформации	Например, (110/√3 кВ) / (0.1/√3 кВ) = 1100	Отношение номинальных напряжений. Указывается с учетом схемы включения.
Группа соединения обмоток	Y/yn/Δ (Звезда/звезда с выведенной нейтралью/треугольник)	Обозначает схему соединения первичной и вторичных обмоток.
Испытательное напряжение промышленной частоты	Согласно ГОСТ/МЭК для соответствующего класса изоляции	Определяет электрическую прочность изоляции.

Область применения и схемы подключения

Опорные трансформаторы применяются преимущественно в высоковольтных сетях (110 кВ и выше) как экономичная и надежная альтернатива электромагнитным трансформатора напряжения на полное напряжение. Основные области:

• Коммерческий учет электроэнергии: ТО класса точности 0.2 или 0.5S используются для подключения высоковольтных счетчиков.
• Системы релейной защиты и автоматики (РЗА): Обмотки класса 3P/6P подают напряжение на защитные реле (дистанционные, направленные), устройства АПВ, противоаварийной автоматики.
• Сигнализация и контроль: Контроль напряжения, синхронизация, устройства контроля изоляции сети (с использованием обмотки, соединенной в разомкнутый треугольник).
• Системы сбора данных (АСКУЭ, SCADA): Обеспечение аналоговых сигналов для телемеханики.

Типовая схема подключения включает емкостной делитель (конденсатор связи в проходном изоляторе), к средней точке которого через высоковольтный предохранитель подключается первичная обмотка ТО. Вторичные цепи подключаются через автоматический выключатель или предохранители в клеммной коробке. Обязательно выполняется заземление одного вывода вторичной обмотки и корпуса ТО для безопасности.

Преимущества и недостатки по сравнению с другими типами ТН

Преимущества:

• Экономичность: Значительно меньшая стоимость и материалоемкость по сравнению с каскадными или электромагнитными ТН на полное напряжение для классов 110 кВ и выше.
• Высокая надежность: Отсутствие высоковольтной первичной обмотки на полное напряжение упрощает конструкцию и повышает стойкость к перенапряжениям.
• Меньшие габариты и масса: Облегчает транспортировку и монтаж на опоре.
• Пожаробезопасность: Использование литой изоляции и отсутствие масла исключает риск возгорания и взрыва.
• Широкий частотный диапазон: Способность работать в широком диапазоне частот, что важно для измерений в сетях с несинусоидальными сигналами.

Недостатки:

• Зависимость от исправности емкостного делителя: Повреждение конденсатора связи выводит из работы весь измерительный комплекс.
• Склонность к феррорезонансу: Взаимодействие с емкостью сети может вызывать резонансные явления, для подавления которых требуются дополнительные устройства.
• Ограниченная мощность: Как правило, имеют меньшую номинальную мощность вторичной нагрузки по сравнению с некоторыми электромагнитными ТН.
• Наличие дополнительной погрешности: Погрешность делителя (зависящая от температуры, частоты, старения конденсатора) суммируется с погрешностью самого ТО.

Требования нормативных документов и стандарты

Производство и эксплуатация опорных трансформаторов в РФ регламентируется рядом стандартов:

• ГОСТ 1983-2015 (МЭК 61869-3:2011): «Трансформаторы измерительные. Часть 3. Дополнительные требования к трансформаторам напряжения». Основополагающий стандарт.
• ГОСТ 30832-2002: «Измерительные трансформаторы напряжения емкостные на номинальное напряжение 110 кВ и выше. Общие технические условия».
• ПУЭ (Глава 1.5, 3.4): Определяют требования к установке, заземлению, защите и выбору трансформаторов.
• Стандарты МЭК 61869 серии: Международные стандарты, гармонизированные с российскими.

Требования касаются точности, диэлектрических испытаний, термической и динамической стойкости, маркировки, условий эксплуатации (температура, влажность, высота над уровнем моря).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем опорный трансформатор принципиально отличается от обычного электромагнитного трансформатора напряжения (ТН)?

Обычный электромагнитный ТН рассчитан на включение в сеть на полное линейное или фазное напряжение. Опорный ТО предназначен для работы в паре с емкостным делителем, и его первичная обмотка рассчитана на значительно более низкое напряжение (порядка 10-15 кВ), снимаемое с этого делителя. Таким образом, ТО – это лишь часть измерительного комплекса, в то время как электромагнитный ТН – законченное устройство.

Как выбирается номинальная мощность опорного трансформатора?

Номинальная мощность выбирается исходя из суммарной нагрузки всех подключаемых к вторичным обмоткам приборов (ваттметров, счетчиков, реле, устройств телемеханики) с учетом их cos φ. Суммарная потребляемая мощность в ВА не должна превышать номинальную мощность ТО для выбранного класса точности. Рекомендуется запас 20-30%. При перегрузке погрешности трансформатора выйдут за пределы, установленные классом точности.

Что такое феррорезонанс в цепях ТО и как с ним борются?

Феррорезонанс – это нелинейный резонансный процесс, возникающий в цепи, содержащей нелинейную индуктивность (магнитопровод ТО) и емкость (емкость делителя и сети). Может вызывать перенапряжения, перегрев, повреждение изоляции. Для подавления применяют:

• Активные демпфирующие цепи, подключаемые ко вторичной обмотке (резисторы, стабилитроны).
• Пассивные схемы с насыщающимися дросселями.
• Правильный выбор рабочей точки магнитопровода (низкая индукция).
• Использование ТО с повышенным магнитным сопротивлением (воздушный зазор).

Можно ли использовать опорный трансформатор без емкостного делителя?

Нет, в штатном режиме – нельзя. Его первичная обмотка не рассчитана на полное сетевое напряжение. Подача высокого напряжения непосредственно на первичные зажимы ТО приведет к мгновенному пробою изоляции и разрушению аппарата. ТО функционально неполноценен без емкостного делителя.

Как выполняется проверка и поверка опорных трансформаторов?

Проверка включает:

• Визуальный осмотр, проверка целостности изоляции, состояния клеммной коробки.
• Измерение сопротивления изоляции обмоток мегаомметром (как правило, 2500 В).
• Испытание повышенным напряжением промышленной частоты в соответствии с нормативами.
• Поверка (калибровка) коэффициента трансформации и угловой погрешности на специальных установках (например, по методу сравнения с образцовым трансформатором). Поверка проводится периодически, в сроки, установленные для средств измерений.

Что указывается в паспортных данных ТО, кроме напряжения и мощности?

Паспортные данные также включают: заводской номер и дату изготовления; схему и группу соединения обмоток; класс точности для каждой обмотки; номинальные коэффициенты трансформации; данные о демпфирующем устройстве (если есть); результаты заводских испытаний (сопротивление обмоток, ток холостого хода, характеристики потерь); массу; климатическое исполнение и категорию размещения (УХЛ1, У1 для наружной установки).