Измерительные трансформаторы напряжения: определение, назначение, классификацию, условные обозначения, конструкции.

Измерительные трансформаторы напряжения – это специальный понижаюжий трансформатор напряжения, предназначенный для измерения высоких значений напряжения (выше 1 кВ) и осуществляющий гальваническое разделение цепей высокого напряжения от низковольтных измерительных приборов и реле. Благодаря трансформаторам можно применять приборы с небольшими стандартными номинальными значениями напряжения (например100 В) в высоковольтных цепях, по которым могут протекать большие токи. Измерительные трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к холостому ходу, потому что ко вторичной обмотке трансформатора подключают приборы с относительно большим внутренним сопротивлением.

При измерениях в высоковольтных цепях трансформаторы обеспечивают безопасность обслуживания приборов, присоединенных к вторичным обмоткам. Это достигается за счет электрической изоляции (гальванического разделения) первичной и вторичной обмоток трансформаторов и заземления металлического корпуса и вторичной обмотки. При отсутствии заземления и повреждении изоляции между обмотками вторичная обмотка и подключенные к ней приборы окажутся под высоким потенциалом, что недопустимо

Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных друг от друга обмоток, помещенных на магнитопроводе: первичной с числом витков ω₁ и вторичной с числом витков ω₂.

 

Схемы включения измерительных трансформаторов. а —трансформатора тока; 6 — трансформатора напряжения.

 

В трансформаторах напряжения первичное напряжение U ₁ больше вторичного U ₂,

поэтому у них ω₁ > ω ₂. Обе обмотки выполняются из относительно тонкого провода (первичная — из более тонкого, чем вторичная). Вторичное номинальное напряжение U _2ному стационарных трансформаторов составляет100и100/√3В при первичномноминальном напряжении U _1ном до 750/√3 кВ.

По показаниям приборов, включенных во вторичные обмотки, можно определить значения измеряемых величин. Для трансформатора напряжения их показания надо умножить на действительные коэффициенты трансформации К _U = U ₁/ U₂.

Магнитопроводы трансформаторов обычно изготовляют из лучших сортов кремнистой стали. Благодаря этому уменьшаются реактивные сопротивления Х1 и Х2, обусловленные соответственно потоками рассеяния первичной и вторичной обмоток трансформаторов, и, кроме того, уменьшаются ток холостого хода и потери в маг-иитопроводе.

 

Стационарные трансформаторы напряжения делятся на классы точности 0,2; 0,5; 1 и 3, а лабораторные - на классы 0,05, 0,1 и 0,2

 

Стационарные трансформаторы напряжения изготовляются на номинальные первичные напряжения до сотен киловольт при вторичном напряжении 150, 100 и 100/√3 В. Номинальные мощн о с т и с о с т а в л я ю т о т 5 д о 1200 ВА

 

По внешнему виду и устройству трансформаторы напряжения мало отличаются от силовых трансформаторов на небольшие мощности. Лабораторные трансформаторы чаще всего бывают переносными на несколько пределов измерения.

 

Для трехфазных цепей изготовляются трехфазные трансформаторы напряжения (рис 14.15). На трех стержнях магнитопровода располагаются три первичные и три вторичные обмотки. Первичные обмотки присоединяются к трехфазной цепи, к выводам вторичных обмоток присоединяются измерительные приборы

 

По виду охлаждения трансформаторы напряжения делятся на сухие (для напряжений до 3 кВ) и трансформаторы с заливкой маслом или изолирующей массой (для напряжений 3 кВ и выше).

 

 

Измерительные трансформаторы напряжения: схема замещения, принципы работы, векторная диаграмма, погрешности.

Схема замещения трансформатора напряжения.

Принцип дейстивия.

Переменное напряжение U1 от источника тока подается на одну из обмоток (первичную), преобразованное напряжение U2 с выводов вторичной обмотки поступает на нагрузку (потребитель Zн).

В основе принципа преобразования напряжения в трансформаторе лежит явление электромагнитной индукции. При подаче напряжения на первичную обмотку протекающий в ее витках переменный ток i1 создает в сердечнике магнитный поток Ф.

Замыкаясь по сердечнику, этот поток индуцирует в первичной и вторичной обмотках переменные ЭДС (w1,w2), величины которых зависят от количества витков первичной (w1) и вторичной (w2) обмоток и скорости изменения этого магнитного потока (dФ/dt).

 

 

Векторная диаграмма.

 

Последовательность построения векторной диаграммы трансформатора напряжения от тока I ₂ во вторичной цепи до тока I ₁ в первичной цепи трансформатора такая же, как и в трансформаторе тока.

 

Векторы напряжений U₂ на вторичной обмотке трансформатора и ЭДС Е₂ находят на основании следующих уравнений:

 

 

где R и X - эквивалентные активное и реактивное сопротивления приборов во вторичной цепи; R ₂ и Х ₂ - активное сопротивление вторичной обмотки и его реактивное сопротивление, обусловленное потоком рассеяния.

 

Вектор первичного напряжения U₁ получен путем сложения повернутого на 180° вектора ЭДС Е₂ с напряжениями на активном сопротивлении R₁ первичной обмотки трансформатора и его реактивном сопротивлении X₁, обусловленном потоком рассеяния

 

Так как I ₁= I ₀ – I ₂, получаем:

14.3

Из 14.3 следует, что вектор первичного напряжения U₁ не равен вектору вторичного напряжения U₂, несмотря на то что было принято ω ₁= ω ₂. Отличие напряжений U₁ и U₂, а следовательно, погрешности напряжения γ_U и угловая δ _U зависят от токов I ₂ и I ₀ и сопротивлений обмоток трансформатора.

 

Наибольшее влияние на погрешности оказывает нагрузка во вторичной цепи трансформатора.

На рис. 14.14 приведены типичные графики погрешностей трансформатора напряжения с номинальной мощностью 50 В-А в зависимости от мощности во вторичной цепи при разных cos φ ₂, т. е. при разном характере нагрузки вторичной цепи. Начиная с некоторого значения мощности, погрешности непрерывно увеличиваются. Во вторичную цепь нужно включать такое количество приборов, чтобы потребляемая ими мощность не превышала номинальной мощности трансформатора, обычно указываемой на его щитке.

 

Рис. 14. 14. Зависимость погрешностей трансформатора напряжения от нагрузки при разных cos φ ₂.

 

5. Измерительные трансформаторы напряжения: особенности эксплуатации, примеры схем и расчётов.

Особенности работы трансформаторов напряжения регламентируются главой 1.5 Правил устройства электроустановок. Так, нагрузка вторичных обмоток измерительных трансформаторов, к которым присоединяются счетчики, не должна превышать номинальных значений. Сечение и длина проводов и кабелей в цепях напряжения расчетных счетчиков должны выбираться такими, чтобы потери напряжения в этих цепях составляли не более 0,25 % номинального напряжения при питании от трансформаторов напряжения класса точности 0,5 и не более 0,5 % при питании от трансформаторов напряжения класса точности 1,0. Для обеспечения этого требования допускается применение отдельных кабелей от трансформаторов напряжения до счетчиков. Потери напряжения от трансформаторов напряжения до счетчиков технического учета должны составлять не более 1,5 % номинального напряжения.

Особенности работы ТН в сетях с изолированной и заземлённой нейтралями

В сетях с заземлённой нейтралью при замыкании на землю напряжение повреждённой фазы около места замыкания уменьшается до нуля, вектор получается сложением векторов фазных напряжений (сложение фазных векторов, расположенных 120° относительно друг от друга) и следовательно напряжение возрастает до фазного напряжения.

В сетях с изолированной нейтралью при замыкании на землю все фазные напряжения (относительно нулевой точки) остаются без изменения, но относительно земли фазные напряжения увеличиваются до линейного, при этом трансформируясь во вторичную обмотку (при обязательном заземлении нулевой точки первичной обмотки ТН) они геометрически суммируются, при этом вектора этих напряжений расположены друг относительно друга на 60°, то , где , — напряжения неповреждённых фаз относительно земли. Поскольку напряжения неповреждённых фаз относительно земли увеличились до , то , то есть возрастает до утроенного значения фазного напряжения относительно нуля.

Исходя из вышеуказанных особенностей у ТН для работы в сетях с заземлённой нейтралью дополнительная обмотка выполняются на 100 В, а для сетей с изолированной нейтралью 100/3 В.

а) Схема включения измерительного трансформатора напряжения.

Рис. 2. Схема соединения двух однофазных трансформаторов напряжения в открытый треугольник

Рис. 3. Схема соединение трех однофазных трансформаторов напряжения в звезду