2. Трансформаторы напряжения

Трансформатор напряжения (ТН) по принципу действия и конструктивному выполнению аналогичен обычному силовому трансформатору и состоит из: стального сердечника (магнитопровода), собранного из тонких пластин трансформаторной стали, и 2^х обмоток – первичной и вторичной, изолированных друг от друга и от сердечника.

Устройство и схема включения трансформатора напряжения изображены на рис. 2-1.

Первичная обмотка W₁, имеющая очень большое число витков включается непосредственно в сеть высокого напряжения, а к вторичной обмотке W₂, имеющей меньшее число витков, подключаются параллельно измерительные приборы и реле.

Рис.2.1. Устройство и схема включения ТН.

Под воздействием напряжения сети по первичной обмотке проходит ток, создающий в сердечнике поток Ф, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней э.д.с. Е, которая при разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход трансформатора) равна напряжению на её зажимах U_2хх.

Напряжение U_2хх, меньше первичного напряжения U₁ во столько раз, во сколько раз число витков вторичной обмотки W₂ меньше числа витков первичной обмотки W₁:

(2-1)

Отношения чисел витков обмоток называется коэффициентом трансформации и обозначается n_н:

Следовательно, можно записать:

(2-2)

Если ко вторичной обмотке подключена нагрузка в виде приборов и реле, то напряжение на её зажимах U₂ будет меньше э.д.с. на величину падения напряжения в сопротивлении вторичной обмотки. Однако, это падение напряжения невелико и им можно пренебречь, тогда:

U₁=U₂n_н; (2-3)

В паспортах на трансформаторы напряжения их коэффициенты трансформации указываются дробью, в числителе которой – номинальное первичное напряжение, а в знаменателе – номинальное вторичное напряжение.

Для правильного соединения обмоток ТН между собой и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счётчиков выводы обмоток маркируются определенным образом: начало первичной обмотки – А, конец – Х; начало основной вторичной обмотки – a, конец – х; начало дополнительной обмотки a_д, конец – x_д.

Трансформаторы напряжения выполняются в однофазном или трёхфазном исполнении.

При включении однофазных ТН на фазные напряжения начала их первичных обмоток присоединяются к фазам, а концы собираются в нулевую точку.

При включении ТН на междуфазные напряжения начала первичных обмоток подключаются к начальным фазам в порядке их чередования (например, при включении 2-х однофазных ТН на междуфазные напряжения АВ и ВС при чередовании фаз А-В-С первый ТН включается началом первичной обмотки к фазе А, концом – к фазе В, а второй ТН – началом к фазе В и концом к фазе С).

П

ри маркировке выводов вторичных обмоток трансформаторов напряжения за началоа принимается тот вывод, из которого ток выходит, в то время когда в первичной обмотке ток проходит от начала А к концу Х (рис. 2-2).

Рис.2-2. Маркировка выводов обмоток ТН.

Таким образом, правило маркировки обмоток трансформаторов напряжения следующее:

Если на первичной стороне ток входит в начало А, то началом вторичной обмотки а, будет тот её вывод, из которого в этот момент ток выходит.

При маркировке и включении обмоток по этому правилу направление тока в нагрузке (приборе или реле) при включении через ТН останется таким же, как и при включении непосредственно в сеть.

Схемы соединения трансформаторов напряжения

Однофазные трансформаторы напряжения в зависимости от назначения соединяются между собой в различные схемы.

На рис. 2-3 приведены основные схемы соединения однофазных ТН.

Рис.2-3. Схемы соединения обмоток однофазных трансформаторов напряжения с одной вторичной обмоткой.

На рисунке (а) представлена схема включения одного ТН на междуфазное напряжение АС.

Эта схема применяется, когда для защиты или измерений нужно только одно междуфазное напряжение.

На рис. (б) приведена схема соединения 2-х ТН в открытый треугольник (или неполную звезду). Эта схема применяется, когда для защиты или измерений нужно иметь два или три междуфазных напряжения.

На рис. (в) приведена схема соединения 3^х однофазных ТН в звезду. Эта схема получила широкое распространение и применяется когда для защиты и измерений нужны фазные напряжения или же одновременно фазные и междуфазные напряжения.

Соединение 3-х однофазных ТН по схеме треугольник – звезда представлена на рис. (г). Эта схема обеспечивает напряжение на вторичной стороне, равное

На рис. (д) представлена схема соединения обмоток 3‑х однофазных ТН в фильтр напряжения нулевой последовательности. В этой схеме первичные обмотки ТН соединяются в звезду с заземлённой нейтралью, а вторичные обмотки соединяются последовательно, образуя разомкнутый (не замкнутый) треугольник. Напряжение на зажимах разомкнутого треугольника равно геометрической сумме напряжений нулевой последовательности вторичных обмоток:

Так как сумма 3‑х фазных напряжений равна утроенному напряжению нулевой последовательности, то

Следовательно, на зажимах схемы разомкнутого треугольника получается напряжение, пропорциональное напряжению нулевой последовательности.

В нормальных режимах и при к.з. без земли U_p=0, т.к. векторы напряжений не содержат нулевой последовательности.

При к.з. на землю в сетях с заземлённой нейтралью и при замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью геометрическая сумма фазных напряжений не равна нулю за счёт появления напряжения нулевой последовательности и на зажимах разомкнутого треугольника появится напряжение нулевой последовательности 3U₀.

Таким образом, рассмотренная схема является фильтром напряжений нулевой последовательности.

Следует отметить, что обязательным условием работы рассмотренной схемы (д) в качестве фильтра U₀ является заземление нейтрали первичных обмоток ТН, так как при отсутствии заземления первичным обмоткам ТН будут подводиться не фазные напряжения относительно земли, а фазные напряжения относительно изолированной нейтрали, сумма напряжения которых не содержит U₀ и их сумма всегда равна нулю и при замыканиях на землю напряжение на выходе схемы будет отсутствовать.

На рис. 2-4 представлена схема соединения трансформатора напряжения имеющего две вторичные обмотки. Здесь первичная и основная вторичная обмотки соединены в звезду, а дополнительная вторичная обмотка соединена в схему разомкнутого треугольника (на сумму фазных напряжений – для получения напряжения нулевой последовательности, необходимого для включения реле напряжения и реле направления мощности защиты от однофазных к.з. в сетях с заземлённой нейтралью, а также для устройств контроля изоляции действующих на сигнал в сетях с изолированной нейтралью).

Рис.2-4. Схема соединений обмоток ТН с двумя вторичными обмотками.

Как известно, сумма 3-х фазных напряжений в нормальном режиме, а также при 2-х и 3-х фазных к.з. равна нулю. Поэтому в этих условиях напряжение на выводах разомкнутого треугольника будет равно нулю.

Обычно на выводах разомкнутого треугольника в нормальном режиме (при отсутствии замыкания на землю) имеется небольшое напряжение величиной 0,5-2 В, которое называется напряжением небаланса.

При 1ф. к.з. в сети с заземлённой нейтралью фазное напряжение повреждённой фазы становится равным нулю, а геометрическая сумма фазных напряжений 2-х неповрежденных фаз оказывается равной фазному напряжению.

При однофазных замыканиях на землю в сети с изолированной нейтралью напряжения неповреждённых фаз становятся равными междуфазному напряжению, а их геометрическая сумма оказывается равной утроенному фазному напряжению. В этом случае, чтобы на реле напряжение не превосходило номинального значения, равного 100 В, у ТН предназначенных для работы в сетях с изолированными нейтралями, вторичные дополнительные обмотки, соединяемые в схему разомкнутого треугольника, имеют повышенный в 3 раза коэффициент трансформации (например, ).

Следует иметь в виду, что при включении первичных обмоток ТН на фазные напряжения они должны соединяться в звезду, нулевая точка которой обязательно должна соединяться с землёй. Заземление первичных обмоток необходимо для того, чтобы при 1ф. к.з. или замыканиях на землю в сети, где установлен ТН, приборы и реле, включенные на его вторичную обмотку правительно измеряли напряжения фаз относительно земли.

Заземление вторичных обмоток также обязательно независимо от их схемы соединения т.к. это заземление является защитным – обеспечивает безопасность персонала при попадании высокого напряжения во вторичные цепи. Обычно заземляется один из фазных проводов (как правило, фаза В) или нулевая точка звезды.

Первичные обмотки ТН до 35 кВ подключаются к сети через высоковольтные предохранители для быстрого отключения от сети повреждённого ТН.

Для защиты обмоток ТН при повреждениях во вторичных цепях устанавливаются автоматические выключатели (или предохранители) низкого напряжения.

Вторичные цепи ТН должны выполняться с высокой степенью надёжности, исключающей обрывы и потерю контактов для исключения исчезновения напряжения на защитах, так как исчезновение напряжения будет восприниматься защитами как понижение напряжения при к.з. в защищаемой сети и может привести к их неправильному действию. Исчезновение напряжения от ТН вследствие неисправностей или перегорания предохранителей также будет восприниматься защитами как потеря напряжения и также может привести к их неправильному действию. Поэтому защиты, реагирующие на понижение напряжения, выполняются так, что отличают к.з. от неисправности во вторичных цепях, либо снабжаются специальными устройствами – блокировками при неисправностях в цепях напряжения.

Погрешности трансформаторов напряжения

Трансформаторы напряжения имеют погрешности:

• погрешность по напряжению (или погрешность в коэффициенте трансформации), под которой понимается отклонение действительного коэффициента трансформации от номинального;

• погрешность по углу, под которой понимается угол сдвига вторичного напряжения относительно первичного.

В зависимости от погрешностей ТН подразделяются на классы точности. Допустимые погрешности в зависимости от класса точности приведены в таблице 2-1.

Таблица 2-1

Допустимые погрешности ТН

Класс точности	Допустимая погрешность по напряжению, %	Допустимая погрешность по углу, мин.	Область применения
0,2	+ 0,2	+ 10'	Точные лабораторные измерения
0,5	+ 0,5	+ 20'	Учёт электроэнергии
1,0	+ 1,0	+ 40'	Все типы защит, имеющие цепи напряжения и щитовые приборы
3,0	+ 3,0	не нормируется	Контроль изоляции и др. виды сигнализации

Один и тот же трансформатор напряжения может работать с различным классом точности при изменении нагрузки, подключенной к его вторичной обмотке. Поэтому в паспортах и справочниках на ТН указывается два значения мощности: номинальная мощность, при которой трансформатор может работать в гарантированном классе точности и предельная мощность, при которой он может работать с допустимым нагревом обмоток.

Кроме основных погрешностей (по величине и углу) на работу релейной защиты и точность измерений влияют также дополнительные погрешности, связанные с падением напряжения в цепях напряжения от ТН до места установки панелей защиты или измерений. Так, для цепей напряжения релейной защиты нормируемое падение напряжение не должно превышать 3%, для щитовых электроизмерительных приборов не более 1,5%, а для счётчиков электроэнергии – не более 0,5%.

Ёмкостные делители напряжения

Кроме электромагнитных трансформаторов напряжения широкое применение нашли ёмкостные делители напряжения.

Принцип действия ёмкостного делителя напряжения (рис. 2-5) заключается в следующем: между проводом ВЛ и землёй включаются несколько последовательно включённых конденсаторов при этом напряжение линии относительно земли распределяется между конденсаторами обратно пропорционально их ёмкости (на конденсаторы с меньшей ёмкостью подаётся большее напряжение, а на конденсаторы с большей ёмкостью – меньшее). К последнему в цепи фаза – земля конденсатору подключают первичную обмотку электромагнитного трансформатора напряжения (ТН) ко вторичной обмотке которой подключаются цепи напряжения релейной защиты и измерений. Обычно ёмкость конденсаторов выбирается таким образом, чтобы при номинальном фазном напряжении на линии (Uф) напряжение на нижнем конденсаторе (Сз) составляло не более 0,1 Uф.

Рис.2-5. Принцип устройства ёмкостного делителя напряжения.

Обычно ёмкостные делители напряжения совмещаются с конденсаторами связи в/ч защиты.

Выводы:

1. Трансформаторы напряжения являются измерительными преобразователями, предназначенными для преобразования первичной информации о напряжении в величины удобные для измерений и безопасные для обслуживающего персонала.

2. В зависимости от назначения ТН могут соединяться между собой в различные схемы:

• в открытый треугольник (неполную звезду) для получения междуфазных напряжений);

• в звезду – для получения фазных и междуфазных напряжений;

• в разомкнутый треугольник – для получения напряжения нулевой последовательности.

Основные погрешности ТН: по величине (погрешность в коэффициенте трансформации) и по углу.

Нормальный режим ТН, в котором погрешности имеют наименьшие значения – холостой ход.