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.

    Классификация трансформаторов напряжения

    По типу установки и конструкции

    • 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).

    По роду изоляции

    • 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.

    По количеству обмоток

    • 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.

    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.

    Классы точности трансформаторов напряжения по ГОСТ 1983-2001 и МЭК 61869-3
    Класс точностиПредел допускаемой погрешности по напряжению, ±%Предел допускаемой угловой погрешности, ± минутыОсновное назначение
    0.10.15Эталонные измерения, лабораторные работы.
    0.20.210Точный коммерческий учет электроэнергии.
    0.50.520Технический учет, контрольные измерения.
    1.01.040Измерительные приборы щитовые, устройства РЗА.
    3.03.0Не нормируетсяИзмерения, 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.

    • 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.

    Эксплуатационные особенности и требования безопасности

    При эксплуатации ТН необходимо строго соблюдать следующие правила:

    • 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.

    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):

    • 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).

    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?

    • 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.

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).

Войти

Зарегистрироваться

Сбросить пароль

Пожалуйста, введите ваше имя пользователя или эл. адрес, вы получите письмо со ссылкой для сброса пароля.