Назначение и основные параметры ТН

Трансформаторы напряжения (ТН) предназначены для понижения высокого напряжения (свыше 250 В) до какого-то стандартного (принято 100 В), применяемого для питания измерительных приборов, цепей автоматики, сигнализации и за­щитных устройств. Они одновременно изолируют перечисленные цепи от высокого напряжения. ТН выполняются как для внутренней, так и для наружной установки на всю шкалу напряжений (начиная от 380 В).

Основными параметрами ТН являются следующие.

Номинальное напряжение обмоток — рабочее напряжение, на которое рассчи­таны обмотки (указывается на щитке). При этом номинальным напряжением транс­форматора считается напряжение первичной обмотки.

Номинальный коэффициент трансформации — отношение номинальных первич­ного и вторичного напряжений: К_Цном= l/_lHOM/t/_2HOM.

Класс точности, определяемый погрешностью по напряжению и по углу в процентах (аналогично рассматриваемому выше для ТТ):

дт-т **~Uhom ^2ном ^1ном -«л

Номинальная мощность — мощность, которой трансформатор может быть на­гружен в пределах класса точности.

Трансформатор напряжения имеет одну обмотку высокого напряжения (ВН) и одну или две (основную и дополнительную) рбмотки низкого напряжения (НН) и включается по схеме на рис. 12-1.

Трансформаторы могут выполняться сухими (на напряжение до 10 кВ и для внутренней установки) или масляными (на более высокие напряжения и для наруж­ной установки).

Общий вид сухого трехфазного ТН приведен на рис. 12-4. На трехстержневом шихтованном магнитопроводе расположены три первичные и три вторичные об­мотки. Обмотки слоевые, намотаны на соответствующие изоляционные каркасы. Присоединительные концы выведены на соответствующие изолированные зажимы. Однофазные трансформаторы выполняются тоже на трехстержневых магнитопро-водах, крайние стержни половинного сечения. Катушки (одна ВН и одна НН) рас­полагаются на среднем стержне.

У масляных ТН магнитопроводы с обмотками располагаются либо в

стальных баках при напряжениях до 35 кВ, либо в фарфоровых покрышках, заполненных маслом.

Принцип действия ТН, физические явления в электрическом

Аппарате

а) Принцип действия. Трансформаторы напряжения (ТН) служат для преобразования высокого напряжения в низкое стандартное напряжение, удобное для измерения. Обычно за номинальное вторичное напряжение принимается напряжение 100 В или 100/ В. Это позволяет для измерения любого высокого напряжения применять одни и те же измерительные приборы. Реле защиты также выпускаются на те же стандартные напряжения независимо от номинального напряжения защищаемой установки.

б) Погрешности ТН. Погрешность ТН обусловлена наличием активных и реактивных сопротивлений обмоток и тока холостого хода. Схема замещения ТН дана на рис.8.2.1, а векторная диаграмма — на рис. 8.2.2. Все величины приведены к первичной обмотке. Поток Ф создает вторичную ЭДС Е'₂, отстающую от него на 90°. Под действием этой ЭДС во вторичной цепи возникают напряжение U'₂ и ток I₂, проходящий по сопротивлению нагрузки R₂, Х₂. Тот же ток создает падения напряжения на сопротивлениях вторичной обмотки r'₂ и х'₂. При выбранных положительных направлениях ток — I'₂ отстает от ЭДС Е'₂.

Сумма этих напряжений равна ЭДС Е'₂, Намагничивающий ток I₀ (ток холостого хода) на угол потерь опережает поток Ф. В первичной обмотке создается падение напряжения I₁(r₁+jx₁). Но

I₀ w₁ = I₁ w₁ - I₂w₂.

I₁ w₁ = I₀ — I'₂ (8.2.1)

Тогда

I₁(r₁+jx₁) = I₀(r₁+jx₁) + I'₂(r₁+jx₁).

Согласно рис. 8.2.1 можно написать

U₁ = I₁(r₁+jx₁) + I'₂(r'₂ +j х'₂) + U'₂.

Используя (8.2.1), получаем

U₁ = I₁(r₁+jx₁) + I'₂ (r₁ + r'₂ ) + I'₂ j (x₁ +х'₂) + U'₂.

Рис. 8.2.1. Схема замещения ТН

Катеты треугольника ABC пропорциональны падениям напряжения от тока холостого хода I₀ , катеты треугольника CDE — падениям напряжения от тока нагрузки I'₂.

При отсутствии погрешности U'₂ и = U₂ = = U₁ или U₁ / U₂ = w₁ /w₂ и точки А, Е должны совпасть.

Погрешность ТН по напряжению

U =

Поскольку угол между U₁ и U'₂ мал, то вместо арифметической разности модулей этих векторов можно взять проекцию вектора АЕ на ось U'_{2 .}Таким образом, погрешность определяется отрезком AF.

В реальных ТН углы _К1 и _К2, определяемые активным и реактивным сопротивлением обмоток, примерно одинаковы. В связи с этим введем угол

_К= _К1 = _К2, необходимый для построения треугольника падений напряжений CDE.

Угол между напряжением на нагрузке —U'₂ и ЭДС Е'₂ составляет несколько минут, и им можно пренебречь. Найдем проекции векторов I₀r₁, I₀x₁, I'₂ (r₁ + r'₂ ),

I'₂ (x₁ +х'₂) на направление вектора U'₂ (ось OF). Уравнение для погрешности по напряжению имеет вид

Рис. 8.2.2. Векторная диаграмма ТН

Рис. 8.2.3. Зависимость погрещности от вторичной мощности

U _% = — 100% = —

— 100%. (8.2.2)

Уравнение (8.2.2) показывает, что погрешность состоит из двух частей. Первая определяется током холостого хода, вторая — током нагрузки. Для того чтобы уменьшить погрешность по напряжению, снижают активное и реактивное сопротивление обмоток. Уменьшение активного сопротивления достигается малой плотностью токов в обмотках (около 0,3 А/мм²), что облегчает тепловой режим ТН.

Для снижения индуктивного сопротивления обмоток х₁ и х'₂ уменьшают расстояние между. первичной и вторичной обмотками.

При заданном первичном напряжении U₁ намагничивающий ток I₀ практически постоянен. В этом случае согласно (8.2.2) погрешность линейно растет с увеличением тока нагрузки I'₂. Поскольку в номинальном режиме напряжение U'₂ мало меняется с током нагрузки I'₂, то вторичная (выходная) мощность Р₂ пропорциональна этому току. Зависимость погрешности по напряжению от вторичной мощности для одного из исполнений ТН показана на рйс. 8.2.4, а.

На погрешность влияет коэффициент мощности нагрузки cos . С уменьшением cos погрешность увеличивается.

Погрешность зависит и от первичного напряжения.

Рассмотрим холостой ход (I'₂ = 0). Если принять, что при изменении I₀ угол потерь не изменяется, то согласно (8.2.2) погрешность по напряжению будет определяться отношением намагничивающего тока I₀ к первичному напряжению U₁ . Индукция В пропорциональна первичному напряжению, а намагничивающий ток пропорционален напряженности поля:

I₀ = Hl/ w₁

Тогда погрешность пропорциональна отношению H/В или обратно пропорциональна магнитной проницаемости . Обычно рабочая индукция в номинальном режиме составляет 1,1 Тл.

При изменении первичного напряжения в пределах (0.5 - 1,1) U_НОМ магнитная проницаемость увеличивается и погрешность уменьшается.

Следует отметить, что погрешность от тока холостого хода мала по сравнению с погрешностью от тока нагрузки. Поэтому изменение первичного напряжения в указанных пределах мало влияет на значение погрешности.

Угловая погрешность определяется углом между вторичным напряжением U'₂ и первичным напряжением U₁. Ввиду малости угла можно считать, что OE=OF (см. рис. 8.2.2). Тогда tg = = ЕF/OF или (в угловых минутах)

= 3440 100%. (8.2.3)

Погрешность по углу состоит также из двух частей: первой, определяемой током холостого хода, и второй, зависящей от тока нагрузки. Из (8.2.3) следует, что индуктивное сопротивление обмоток вносит отрицательную угловую погрешность, а активное — положительную. Зависимость угловой погрешности от вторичной мощности Р при раз­ичных значениях cos ₂ приведена на рис. 8.2.3, б. В режиме холостого хода угловая погрешность положительная. При чисто активной нагрузке (сos ₂ = l) с ростом мощности угловая погрешность изменяет знак и становится

отрицательной. При сos ₂ = 0,5 угловая погрешность линено растет с мощностью и остается все время положительной. Следует отметить, что характер нагрузки (сos ₂) оказывает большее влияние на угловую погрешность, чем на погрешность по напряжению (см. рис. 8.2.3, а и б).

Погрешность по напряжению можно компенсировать путем уменьшения числа витков первичной обмотки.: При этом коэффициент трансформации становится меньше номинального, вторичное напряжение возрастает, вводится положительная погрешность, которая компенсирует отрицательную. Обычно вводится такая коррекция, что при холостом ходе трансформатор имеет максимально допустимую для данного класса точности положительную погрешность.

Результирующая погрешность по напряжению при отмотке первичных витков выражается уравнением

U _% = —

= — х

100% + (8.2.4)

На угловую погрешность витковая коррекция не влияет.

В трехфазных ТН угловую погрешность можно компенсировать с помощью специальных компенсирующих обмоток. При активной нагрузке вносится положительная коррекция. При индуктивной нагрузке применяется схема соединений, создающая отрицательную коррекцию.