Лекция 7. Трансформаторы напряжения

Как и трансформаторы тока, трансформаторы напряжения выполняют две функции: служат для разделения (изоляции) первичных и вторичных цепей, а так же для приведения величины напряжения к уровню удобному для измерения (стандартное номинальное напряжение вторичной обмотки: 100/57В). Трансформатор напряжения (ТН) работают в режиме близком к холостому ходу. ТН по принципу действия и конструктивному выполнению аналогичен силовому трансформатору. Как показано на рисунке 7.1, трансформатор напряжения TV состоит из стального сердечника (магнитопровода) С, собранного из тонких пластин трансформаторной стали и двух обмоток – первичной и вторичной, изолированных друг от друга и от сердечника. Первичная обмотка w₁ имеющая большое число витков (несколько тысяч) тонкого провода, включается непосредственно в сеть высокого напряжения, а к вторичной обмотке w₂ имеющей меньшее количество витков (несколько сотен), подключаются параллельно реле и измерительные приборы. Под воздействием напряжения сети по первичной обмотке проходит ток, создающий в сердечнике переменный магнитный поток Ф, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней ЭДС Е, которая при разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход ТН) равна напряжению на ее зажимах U_2x. Напряжение U_2x во столько раз меньше первичного напряжения U₁, во сколько раз число витков вторичной обмотки w₂ меньше числа витков первичной обмотки w₁.

Отношение чисел витков обмоток называется коэффициентом трансформации и обозначается

Введя такое обозначение, можно написать:

Если к вторичной обмотке ТН подключена нагрузка в виде реле и приборов, то напряжение на ее зажимах U₂ будет меньше ЭДС на величину падения напряжения в сопротивлении вторичной обмотки. Однако поскольку это падение напряжения невелико, оно не учитывается и пересчет первичного напряжения на вторичное производится по формулам:

Для правильного соединения между собой вторичных обмоток ТН и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счетчиков заводы-изготовители обозначают (маркируют) выводные зажимы обмоток определенным образом: начало первичной обмотки – А, конец – Х; начало основной вторичной обмотки – а, конец – х; начало дополнительной вторичной обмотки – а_д, конец – х_д(см. рисунок 7.2). На рисунках 7.3 и 7.4 приведены основные схемы соединения обмоток однофазных ТН. На рисунке 7.3,а дана схема включения одного ТН на междуфазное напряжение. Эта схема применяется, когда для защиты или измерений достаточно одного междуфазного напряжения. На рисунке 7.3,б приведена схема соединения двух ТН в открытый треугольник или в неполную звезду.

Рисунок 7.3 - Схемы соединения обмоток однофазных трансформаторов напряжения с одной вторичной обмоткой

Эта схема, получившая широкое распространение, применяется, когда для защиты или измерений нужно иметь два или три междуфазных напряжения. На рисунке 7.3, в приведена схема соединения трех ТН в звезду. Этa схема также получила широкое распространение и применяется, когда для защиты или измерений нужны фазные напряжения, или же фазные и междуфазные напряжения одновременно. На рисунке 7.3,г приведена схема соединения трех ТН треугольник – звезда. Эта схема обеспечивает повышенное напряжение на вторичной стороне, равное ~ 173 В. Такая схема, в частности, используется для питания электромагнитных корректоров напряжения устройств автоматического регулирования возбуждения генераторов. Напряжение нулевой последовательности может быть также получено от специальных обмоток трехфазных ТН. В конструкции, показанной на рисунке 7.4, специальные обмотки расположены на крайних стержнях пятистержневого сердечника и соединены между собой последовательно. В нормальном режиме, а также при двух- и трех фазных КЗ, когда сумма фазных напряжений равна нулю, магнитный поток в крайних стержнях отсутствует, и поэтому напряжения на специальных обмотках нет. При однофазных КЗ или замыканиях на землю сумма фазных напряжений не равна нулю. Поэтому магнитный поток замыкается по крайним стержням и индуктирует напряжение на специальных обмотках. В другой конструкции, показанной на рисунке 7.5, имеются дополнительные вторичные обмотки, расположенные на основных стержнях и соединенные в схему разомкнутого треугольника. Иногда в трансформаторах напряжения возникает такое явление как феррорезонанс, который приводит к самопроизвольному смещению нейтрали при феррорезонансе трансформатора напряжения.

Рисунок 7.4-Схема соединений обмоток трехфазного трансформа-тора напряжения с дополнительной обмоткой, расположенной на край-них стержнях

Разработан специальный антирезонансный трансформатор (см. рисунок 7.6). В этом трансформаторе на общем магнитопроводе намотаны дополнительные первичная и вторичная обмотки нулевой последовательности. Первичная обмотка включается между нейтралью ТН и землей. Вторичная обмотка выводится отдельно. При замыкании выводов вторичной обмотки, первичная работает в короткозамкнутом режиме, и не влияет на процессы в сети. При появлении феррорезонанса вторичная обмотка должна быть раскорочена, и ее дополнительная индуктивность выводит сеть из состояния феррорезонанса. Операция раскорачивания производится либо с помощью ключа, либо специальной схемой автоматики (см. рисунок 7.7). Время работы в таком режиме не ограничено. В сетях, где опасность феррорезонанса отсутствует, вторичная антирезонансная обмотка закорачивается ключом SA. К выводам К2-61 и К2-64 может быть подключена схема автоматического включения антирезонансной обмотки.

Рисунок 7.6 - Схема включения трехфазного антирезонансного трансформатора напряжения

Рисунок 7.7 - Схема автоматического раскорачивания антирезонансной обмотки ТН

Балластная схема фильтра 3U₀^.Фильтр напряжения нулевой последовательности может быть выполнен двумя способами: по напряжению - при наличии трансформатора напряжения с отдельной обмоткой разомкнутого треугольника или по схеме фильтра напряжения нулевой последовательности, встроенного в реле, и предназначенного для подключения к звезде напряжений, при отсутствии такой обмотки. Схема балластного фильтра показана на рисунке 7.8. Три резистора одинаковой величины подключаются соответственно к фазам а, в, с напряжения обмотки ТН соединенной в звезду, ко вторым концам резисторов, соединенным вместе и выводу нейтрали ТН подключается реле напряжения.

Рисунок 7.8- Схема фильтра напряжения нулевой последовательности

На реле появляется напряжение U₀. Для сигнализации замыкания на землю выполняются уставки:

Погрешности трансформаторов напряжения. Точность работы трансформаторов напряжения оценивается погрешностями: -погрешность в напряжении (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 предельно допустимых погрешностей ТН подразделяются на классы точности. Один и тот же ТН в зависимости от нагрузки, подключенной к его вторичной обмотке, может работать с различным классом точности. Поэтому в каталогах и паспортах на ТН указываются два значения мощности: номинальная мощность в вольт-амперах, при которой ТН может работать в гарантированном классе точности, и предельная мощность, с которой ТН может работать с допустимым нагревом обмоток. Предельная мощность ТН в несколько раз превышает номинальную. Так, у ТН типа НОМ-6 с коэффициентом трансформации 6000/100 для класса точности 1 номинальная мощность составляет 50 ВА, а предельная – 300 ВА. Кроме рассмотренных выше основных погрешностей, возникающих при трансформации первичного напряжения на вторичную сторону, на работу релейной защиты и точность измерений влияют так же дополнительные погрешности от падения напряжения в кабелях от ТН до места установки панелей защиты или измерений. Поэтому, согласно требованиям ПУЭ, сечение жил кабелей должно выбираться так, чтобы падение напряжения в указанных цепях не превышало: 3 % – для релейной защиты; 2 % -для фиксирующих измерительных приборов; 1,5 % –для щитовых измерительных приборов; 0,25–0,5 % – для счетчиков. Следует заметить, что заземленные точки обмоток ТН, соединенных в звезду и разомкнутый треугольник, должны выводиться разными жилами. Потери напряжения определяются по известным сопротивлениям жил контрольных кабелей и значениям проходящих по ним токов нагрузки:

,

где – коэффициенты для пересчета фазного падения напряжения на междуфазное (при питании нагрузки по трем фазам k= , а при питании по двум жилам нагрузки, включенной на междуфазное напряжение, k= 2 ).

Литература1 осн[162-174], 2 осн [44 -50].

Контрольные вопросы:

1. Принцип работы трансформатора напряжения.

2. Объясните основные схемы соединения трансформаторов напряжения.

3. Погрешности трансформаторов напряжения.