Делители LV

Делители напряжения низковольтные (LV): принцип действия, конструкция, классификация и применение

Делитель напряжения низковольтный (ДНН) – это пассивное электротехническое устройство, предназначенное для пропорционального снижения измеряемого или контролируемого напряжения до уровня, безопасного и удобного для подключения измерительных приборов, устройств релейной защиты, систем учета и автоматики. В отличие от измерительных трансформаторов напряжения, работающих на принципе электромагнитной индукции, делители напряжения реализуют принцип резистивного, емкостного или комбинированного деления входного сигнала. Они применяются в сетях переменного и постоянного тока с номинальным напряжением, как правило, до 1000 В (в соответствии с классом низкого напряжения по МЭК 60038).

Принцип действия и основные схемы

Основой любого делителя является последовательное соединение двух или более импедансов (сопротивлений, емкостей). Выходное напряжение снимается с части этого соединения.

Резистивный делитель

Самый простой тип. Выходное напряжение (U_вых) определяется соотношением резисторов: U_вых = U_вх

• (R₂ / (R₁ + R₂)). Коэффициент деления K_д = (R₁ + R₂) / R₂. Такие делители применяются преимущественно в цепях постоянного и низкочастотного переменного тока. Их недостаток – потребляемая мощность и нагрев, особенно при высоких напряжениях.

Емкостный делитель

Использует последовательное соединение конденсаторов. Выходное напряжение определяется соотношением емкостей: U_вых = U_вх

• (C₁ / (C₁ + C₂)). Коэффициент деления K_д = (C₁ + C₂) / C₁. Емкостные делители не потребляют активную мощность в установившемся режиме, имеют лучшие частотные характеристики и часто используются в высокочастотных цепях и в качестве входного каскада для измерений в сетях переменного тока промышленной частоты.

Комбинированные (RC, RL) делители

Применяются для компенсации фазовых сдвигов, улучшения переходных характеристик или для работы в специфических частотных диапазонах. Например, RC-делитель может использоваться для согласования с кабелем передачи данных.

Конструктивное исполнение

Конструкция делителя определяется его назначением, классом точности и условиями эксплуатации.

• Моноблочные делители для монтажа на DIN-рейку: Компактные устройства в пластиковом или металлическом корпусе, предназначенные для установки в распределительных щитах и шкафах. Имеют клеммные соединения для первичной и вторичной цепи.
• Делители для печатного монтажа (SMD, выводные): Миниатюрные компоненты для встраивания в платы приборов учета, защиты, источников питания.
• Проходные делители: Имеют конструкцию, позволяющую пропустить силовой провод (шину) через окно делителя, что упрощает монтаж в существующих установках без разрыва цепи.
• Делители с изолированным выходом (с гальванической развязкой): Включают в себя дополнительный элемент (оптопару, изолирующий усилитель) для обеспечения гальванической развязки между первичной цепью и выходом, что повышает безопасность и помехозащищенность.

Ключевые технические характеристики и параметры

Параметр	Описание	Типичные значения/примеры
Номинальное первичное напряжение (Un)	Напряжение, на работу при котором рассчитан делитель.	230 В, 400 В, 690 В переменного тока; 24 В, 110 В, 440 В постоянного тока.
Номинальное вторичное напряжение (Usn)	Выходное напряжение при подаче номинального первичного.	10 В, 5 В, 3.3 В, 1 В, 100 мВ. Для стыковки с АСУ ТП: 0..10 В, 0..5 В, 4..20 мА.
Коэффициент деления (Kд)	Отношение входного напряжения к выходному.	400:1, 1000:1, (230V/10V=23).
Класс точности	Погрешность преобразования в процентах от измеряемой величины в установленных условиях.	0.1, 0.2, 0.5, 1.0. Для измерительных целей – 0.1-0.5; для сигнализации и защиты – 1.0-3.0.
Номинальная мощность (нагрузка)	Мощность, которую можно длительно подключать к выходу делителя без нарушения его характеристик.	0.1 ВА, 0.5 ВА, 2 ВА. Для резистивных делителей критичен максимальный ток.
Рабочий частотный диапазон	Диапазон частот входного сигнала, в котором гарантируется заявленная точность.	45..65 Гц (пром. частота), 0..1 кГц, 20 Гц..20 кГц (аудио), DC..100 МГц (ВЧ).
Температурный коэффициент (ТКС)	Изменение коэффициента деления в зависимости от температуры.	10-5 1/°C, 50 ppm/°C (для прецизионных резисторов).
Степень защиты (IP)	Класс защиты оболочки от проникновения твердых тел и воды.	IP20 (для щитов), IP54 (для пыле- и влагозащищенных установок).

Области применения делителей LV

• Системы коммерческого и технического учета электроэнергии: В качестве датчиков напряжения для многотарифных счетчиков, анализаторов качества электроэнергии, где требуется высокая точность (0.2S, 0.5S).
• Устройства релейной защиты и автоматики (РЗА): Для подачи сигнала, пропорционального напряжению сети, на входы защитных реле (контроль напряжения, частоты, направленной мощности).
• Системы автоматизированного управления технологическими процессами (АСУ ТП): Преобразование уровня напряжения для ввода в программируемые логические контроллеры (ПЛК), распределенные системы управления (РСУ) через аналоговые входные модули (0..10В, 0..5В).
• Источники питания и преобразовательная техника: В схемах обратной связи для контроля выходного напряжения импульсных блоков питания, частотных преобразователей, стабилизаторов.
• Испытательное и измерительное оборудование: В составе осциллографов, вольтметров, анализаторов спектра для расширения диапазона измеряемых напряжений.
• Системы возобновляемой энергетики: Контроль напряжения на выходе солнечных панелей, в цепях постоянного тока ветрогенераторов и аккумуляторных батарей.

Преимущества и недостатки по сравнению с трансформаторами напряжения (ТН)

Критерий	Делитель напряжения (LV)	Трансформатор напряжения (ТН)
Принцип действия	Гальваническая связь (кроме вариантов с изоляцией).	Гальваническая развязка (электромагнитная).
Габариты и вес	Значительно меньше и легче, особенно емкостные.	Больше и тяжелее из-за магнитопровода и обмоток.
Частотный диапазон	Широкий, от DC до высоких частот.	Ограничен, в основном промышленная частота 50/60 Гц.
Переходные процессы	Быстрый отклик, нет насыщения магнитопровода.	Может быть насыщение, искажение формы сигнала.
Стоимость	Как правило, ниже.	Выше.
Надежность	Высокая (отсутствие обмоток, риск межвиткового замыкания).	Зависит от качества изоляции обмоток.
Необходимость заземления	Для безопасности часто требуется заземление средней точки или одного из выводов.	Вторичная обмотка обязательно заземляется.

Требования стандартов и безопасность

Производство и применение низковольтных делителей напряжения регламентируется рядом международных и национальных стандартов:

• МЭК/EN 61869 (части 1, 2, 3, 11): Измерительные трансформаторы. Этот стандарт распространяется и на емкостные делители, используемые для измерительных целей.
• МЭК/EN 60044-7: Трансформаторы напряжения электронные (по сути, делители с активной электроникой).
• МЭК/EN 61010-1: Требования безопасности для электрического оборудования для измерений, управления и лабораторного применения.
• По напряжению изоляции: Делитель должен выдерживать испытательное напряжение, значительно превышающее номинальное (например, 4 кВ для сети 400 В).

Критически важным аспектом является обеспечение безопасности персонала. При пробое верхнего плеча резистивного делителя на выходе может появиться полное высокое напряжение. Для предотвращения этого применяют защитные элементы: варисторы, супрессоры, ограничительные стабилитроны или схемы на операционных усилителях с ограничением. В ответственных случаях обязательна установка предохранителя на выходной цепи.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается делитель напряжения от трансформатора напряжения?

Трансформатор напряжения осуществляет преобразование за счет электромагнитной индукции между двумя гальванически развязанными обмотками. Делитель напряжения работает на принципе непосредственного падения напряжения на последовательно соединенных элементах (резисторах, конденсаторах). ТН обеспечивает полную гальваническую развязку, но имеет ограниченный частотный диапазон и может насыщаться. Делитель, как правило, не обеспечивает развязки (кроме специальных моделей), но работает от постоянного тока до высоких частот и не подвержен насыщению.

Как правильно выбрать класс точности делителя?

Класс точности выбирается исходя из задачи:

• 0.1, 0.2: Для прецизионных измерений, коммерческого учета электроэнергии (в паре со счетчиком класса 0.5S или выше).
• 0.5: Для технического учета, контроля параметров сети в промышленных установках.
• 1.0, 3.0: Для сигнализации, питания цепей релейной защиты, АСУ ТП, где важна пропорциональность, а не абсолютная точность.

Также необходимо учитывать температурную стабильность (ТКС), которая напрямую влияет на реальную точность в рабочих условиях.

Можно ли использовать делитель напряжения в цепях постоянного тока?

Да, резистивные делители являются основным средством для масштабирования сигналов постоянного тока. Емкостные делители в чистом виде для постоянного тока не работают (конденсатор представляет разрыв цепи), но могут использоваться в комбинированных RC-схемах для измерения пульсирующих или смешанных сигналов.

Как влияет нагрузка (сопротивление входов прибора) на точность делителя?

Влияние существенное. Выход делителя рассчитан на работу с определенной номинальной нагрузкой (S_n). При подключении нагрузки с меньшим сопротивлением (большей мощностью) происходит «просадка» выходного напряжения и увеличение погрешности. Для минимизации этого эффекта необходимо, чтобы входное сопротивление подключаемого прибора (вольтметра, ПЛК) было на порядок (в 10 и более раз) выше выходного сопротивления делителя. В противном случае требуется пересчет коэффициента деления с учетом нагрузки или использование активных делителей с буферным усилителем на выходе.

Что такое «активный делитель напряжения»?

Активный делитель – это устройство, в котором пассивный делитель (обычно резистивный высокой точности) сочетается с операционным усилителем (ОУ), включенным в режиме повторителя или усилителя с малым коэффициентом. ОУ выполняет функции буфера: имеет высокое входное сопротивление (практически не нагружает делитель) и низкое выходное сопротивление (может передавать сигнал на длинную линию с минимальными искажениями). Активные делители обеспечивают высокую точность, стабильность и часто включают в себя цепи защиты и фильтрации.

Каковы основные причины выхода из строя делителей напряжения и как их избежать?

• Превышение номинального напряжения: Приводит к пробою резисторов или конденсаторов, перегреву. Необходимо применять делители с запасом по напряжению (например, на сеть 400 В выбирать делитель на 690 В) и использовать внешние ограничители перенапряжений (варисторы).
• Перегрузка по выходной мощности: Подключение нагрузки с потребляемым током выше номинального для делителя. Следует проверять соответствие нагрузки паспортным данным.
• Перегрев: Недостаточное охлаждение, особенно для резистивных делителей большой мощности, установленных в закрытых шкафах. Обеспечить вентиляцию.
• Неправильный монтаж: Нарушение изоляции, неправильное заземление. Соблюдать инструкции производителя и ПУЭ.

Как осуществляется поверка и калибровка делителей напряжения?

Поверка (для средств измерений, используемых в сфере государственного регулирования) проводится аккредитованными метрологическими организациями с применением эталонов сравнением с образцовым делителем или калибратором напряжения более высокого класса точности. Калибровка (для применения внутри предприятия) выполняется аналогичным образом, но без оформления свидетельства о поверке. Проверяются: коэффициент деления на нескольких точках диапазона, фазовый сдвиг (для переменного тока), влияние температуры, линейность. Для делителей, используемых в цепях учета, поверка является обязательной и периодической.