Что такое трансформатор напряжения и как он работает?

Для передачи электроэнергии на большие расстояния напряжения электрического тока с помощью силовых трансформаторов повышают до сотен тысяч вольт. Поскольку высокие напряжения очень опасны, то для работы электроприборов используют ток после силового понижающего трансформатора. Однако на всей протяженности ЛЭП установлено множество защитных устройств. Для отделения напряжений цепей этих приборов от потенциалов линий электропередач применяют трансформатор напряжения (ТН).

Приборы этого типа часто используются для безопасного способа подключения измерительных приборов. Задача ТН состоит в преобразовании высоковольтных токов линий (свыше 6 кВ) до безопасного уровня. Применение таких трансформаторов удешевляет эксплуатацию энергосистем за счет снижения затрат на изоляцию оборудования, работающего в низковольтных сетях.

Устройство и принцип действия

Конструктивно ТН особо не отличается от других типов преобразующих устройств. Его устройство:

  • магнитный сердечник, шихтованный из пластин электротехнической стали;
  • первичная катушка;
  • одна или две вторичные обмотки;
  • защитный кожух (для конструкций уличного типа).

Внешний вид и схематическое изображение изделия смотрите на рис.1. На картинке изображено устройство с одной (основной) вторичной обмоткой. На некоторых моделях есть дополнительная вторичная обмотка, которая может использоваться, например, для подключения приборов измерения.

Трансформатор напряжения. Строение
Рис. 1. Трансформатор напряжения. Строение

Обратите внимание на то, что между выводами первичных обмоток и вторичными катушками отсутствует гальваническая связь. Это главное отличие измерительных трансформаторов от конструкции обычного понижающего трансформатора.

Защитные кожухи изготовляются из разных материалов. В моделях, используемых для обслуживания высоковольтных ЛЭП, применяют диэлектрики, изготовленные из фарфора (рис. 2),

ТН на 110 кВ
Рис. 2. ТН на 110 кВ

Для охлаждения обмоток таких высоковольтных агрегатов применяют специальные трансформаторные масла.

В сетях средней мощности применяют модели с корпусами на основе эпоксидных смол (рис. 3).

ТН наружного типа
Рис. 3. ТН наружного типа

Трехфазные ТН с нулевыми выводами выполняются на магнитопроводе с пятью стержнями. Такая конструкция защищает обмотки от перегрева, так как при однофазных замыканиях в цепях высоковольтных проводов цепь линий суммарного магнитного потока в самом трансформаторе замыкается по стали сердечника.

Принцип действия также мало отличается от работы силового понижающего трансформатора. Магнитный поток, возникающий в первичной катушке, распространяется по магнитопроводу, вызывая напряжение ЭДС во вторичной обмотке. Величина напряжения зависит от соотношения числа витков в катушках. Поскольку вторичные обмотки состоят из малого количества витков, то и выходное напряжение небольшое (обычно оно не превышает 100 В).

Принцип работы ТН объясняет схема на рисунке 4.

Принцип работы трансформатора напряжения
Рис. 4. Принцип работы трансформатора напряжения

Важной задачей при изготовлении трансформаторов данного типа является выполнение требований по достижению необходимых амплитудных и угловых параметров синусоиды, определяющих соответствующий класс точности: 0,5; 1; 3. В эталонных образцах применяется класс точности 0,2. Для измерительных приборов важно чтобы класс точности был максимально высоким. Чем он выше, тем меньшая погрешность измерения прибора.

Точность параметров преобразованных переменных токов зависит от нагрузки. Чем выше нагрузка вторичной цепи, тем больше погрешность трансформатора напряжения (снижается класс точности). Оптимальные параметры напряжения на выходе трансформатора достигаются при номинальных нагрузках. В этом режиме эффективность преобразования тока возрастает по мере приближения к номинальному коэффициенту трансформации.

Работа ТН эффективна при малых номинальных мощностях во вторичных цепях. Для этих устройств длительное состояние в режиме холостого хода является нормой. Поэтому они эффективно используются в системах защиты линий, которые большую часть времени находятся в режиме ожидания и потребляют мало тока.

Разновидности

По конструкции и способам подключения трансформаторы напряжения классифицируются следующим образом:

  • двухобмоточный ТН (состоит из первичной катушки и основной вторичной обмотки);
  • трехобмоточный (имеет две вторичные обмотки. Одна из них является основной, а другая – дополнительной);
  • заземляемый (конструкция однофазных ТН у которых один вывод первичной обмотки уходит на землю.В моделях трехфазных ТН наглухо заземлены все нейтрали);
  • незаземляемый;
  • тип каскадных трансформаторов (первичную обмотку образуют каскады из секций);
  • семейство емкостных трансформаторов, конструкция которых содержит элементы емкостных делителей;
  • модели антирезонансных трансформаторов (см. рис. 5).
Модель антирезонансного ТН
Рис. 5. Модель антирезонансного ТН

Можно отдельно выделить низковольтные конструкции, которые используются в некоторых электронных устройствах. Данный класс электронных трансформаторов применяют в тех случаях, когда в электронных схемах необходима развязка, отделяющая цепи высоких напряжений от низких.

Расшифровка маркировки

Для различения разновидностей моделей к ним применяют буквенную маркировку:

  • Н – трансформатор напряжения;
  • Т – трехфазная модель;
  • О – однофазный ТН;
  • С – сухой (воздушное охлаждение);
  • М – масляный;
  • А – антирезонансные модели;
  • К – каскадные устройства;
  • Ф – фарфоровый тип корпуса;
  • И – пятистержневой трансформатор, содержащий обмотку для контроля изоляции;
  • Л – конструкции в литом корпусе;
  • ДЕ – емкостные;
  • З – заземляемые (первичную катушку необходимо заземлять).

Технические параметры

Основные сведения указываются на шильдике трансформатора напряжения.

Шильдик трансформатора
Рис. 6. Шильдик трансформатора

Технические параметры трансформаторов:

  • величина напряжения на первичном фазном входе;
  • напряжение на выводах вторичных фазных обмоток;
  • коэффициенты мощности;
  • максимальные напряжения короткого замыкания.

К важным сведениям относится параметры номинальной частоты и класс точности для номинального коэффициента трансформации. На некоторых моделях изготовители указывают угловые погрешности и допустимые погрешности напряжений.

Схемы подключения

Простейшая схема подключения применяется в пунктах обслуживания линий под напряжением 6 – 10 кВ. Подключенные по такой схеме трансформаторы используются для включения вольтметра и подачи напряжений на реле устройства АВР. Пример такой схемы показан на рис. 7.

Простая схема
Рис. 7. Простая схема подключения трансформатора напряжения

На рисунке 8 приведена схема, применяемая для включения однофазных трансформаторов с целью подачи безопасного напряжения на нагрузки, запитанные от вторичных обмоток. В данной схеме использовано группу однофазных трансформаторов, катушки которых соединены по принципу звезды. Обратите внимание, что первичные обмотки соединены с глухозаземленной нейтралью.

Схемы соединений
Рис. 8. Еще пример схемы подключения

Данная схема применяется в сетях 0,5 – 10 кВ для подключения измерительных приборов, счетчиков. По аналогичной схеме подключаются вольтметры, используемые для контроля изоляции.

Схема эффективна для приема сигналов, свидетельствующих об однофазных замыканиях на землю. Существуют и другие схемы подключений, в частности по типу соединения открытого треугольника. Особенность таких схем в том, что мощность группы из двух ТН меньше мощности трех устройств соединенных по схеме полного треугольника не в 1,5 раза, а в √3 раз.

В некоторых схемах применяется комбинированное соединение обмоток. Для этого подходит соединение «треугольник – звезда». В работе таких схем номинальное напряжение составляет 173 В. Указанный способ подключения применяется в системах регулирования возбуждения обмоток генераторов и компенсаторов.

Применение

Основное применение первичных преобразователей напряжений – подача питания на обмотки измерительных приборов и подключение реле защиты в сетях 380 В и выше. Трансформаторы позволяют расширить диапазоны измерений и изоляцию реле от высоких межфазных потенциалов. Включение выводов первичных обмоток между фазой и землей дает возможность градуировать шкалы приборов с учетом коэффициента трансформации, что позволяет контролировать первичные параметры линий ЛЭП.

Изменение параметров напряжений в первичных цепях влияет на поведение переменных магнитных потоков. Эти возмущения фиксируются вторичными обмотками, которые реагируют изменением амплитуды тока и частоты колебаний. Сигналы поступают на различные защитные устройства, которые автоматически отключают участки линий с КЗ и с другими критичными отклонениями.

Видео по теме

🔴 Как устроен трансформатор напряжения и как он работает. Понижающий трансформатор
🔴 Как устроен трансформатор напряжения и как он работает. Понижающий трансформатор

Использованная литература

  • Вавин В.Н. «Трансформаторы напряжения и их вторичные цепи» 1977
  • Рожкова Л.Д., Козулин В.С. «Электрооборудование станций и подстанций» 1987
  • А. Г. Годжелло «Электрические аппараты» 2016

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *