Трансформаторы напряжения (ТН) — источник сигналов для коммерческого учёта, релейной защиты и контроля изоляции. От правильной схемы их подключения зависит не только точность измерений, но и безопасность персонала, а также корректная работа устройств РЗА при аварийных режимах. В статье разбираем две основные схемы соединения ТН — звезду и разомкнутый треугольник — и даём практические рекомендации по их монтажу и эксплуатации.

Что вы узнаете из статьи:

  • чем схема подключения трансформатора напряжения отличается от схемы трансформатора тока;
  • как соединяются обмотки в звезду и зачем заземлять нейтраль первичной обмотки;
  • зачем нужен разомкнутый треугольник и почему на его выводах появляется напряжение 3U₀;
  • как правильно прокладывать, защищать и заземлять вторичные цепи ТН;
  • какие ТН выбрать: заземляемые, незаземляемые или антирезонансную группу.

Чем схемы ТН отличаются от схем ТТ

Коротко, чтобы не путаться в терминах.

Трансформатор тока включается последовательно в цепь и работает в режиме, близком к короткому замыканию. Его вторичная обмотка всегда должна быть замкнута на нагрузку — обрыв цепи опасен перенапряжением. Подробно схемы ТТ разобраны в статье про схемы подключения трансформаторов тока.

Трансформатор напряжения включается параллельно, на полное напряжение сети, и работает в режиме, близком к холостому ходу. Его вторичные обмотки питают параллельно включённые нагрузки: реле, счётчики, вольтметры. Разомкнутый треугольник — схема соединения именно обмоток трансформатора напряжения, к трансформаторам тока она отношения не имеет.

Примечание.

Ошибки в схемах ТН и ТТ приводят к разным последствиям. Обрыв вторичной цепи ТТ опасен перенапряжением и дугой. Короткое замыкание вторичной цепи ТН (например, в разомкнутом треугольнике) — это, по сути, КЗ на обмотку, которое может вывести ТН из строя. Поэтому цепи разомкнутого треугольника никогда не защищают предохранителями, а цепи звезды — защищают.

Схема звезда: как соединяются обмотки ТН

Базовая схема включения трансформатора напряжения — звезда. Три однофазных ТН первичными обмотками включаются на фазные напряжения:

Uф = Uн / √3

То есть для сети 10 кВ — на 10/√3 кВ, для сети 35 кВ — на 35/√3 кВ. Нейтраль первичных обмоток заземляется: для этого у заземляемых ТН (ЗНОЛ-ЭК, ЗНОЛП-ЭК) выведена отдельная клемма.

Вторичные обмотки тоже соединяются в звезду. Номинальное напряжение каждой — 100/√3 В: между фазным выводом и нейтралью 100/√3 В, между фазами — 100 В. От такой звезды питаются:

  • счётчики коммерческого учёта электроэнергии;
  • релейная защита и автоматика;
  • вольтметры и приборы контроля фазных напряжений.

Подключение электросчётчика по схеме «звезда–звезда». Это стандартная схема для трёхфазного коммерческого учёта в сетях 6–35 кВ. Фазные выводы вторичной звезды (a, b, c) и нейтраль (N) подаются на соответствующие клеммы счётчика. Между фазными выводами получается линейное напряжение 100 В, между фазой и нейтралью — 100/√3 В. Счётчик измеряет фазные токи (от трансформаторов тока) и фазные напряжения (от трансформаторов напряжения).

Главные правила при подключении:

  • Соблюдать фазировку: напряжение фазы A должно соответствовать току фазы A. Ошибка фазировки приводит к искажению показаний, которое не всегда выявляется при обычной проверке.
  • Нейтраль вторичной звезды заземлять в одной точке — обычно на щите учёта или на клеммнике ТН.
  • Перед вводом в работу обязательно снимать векторную диаграмму. Это единственный надёжный способ убедиться, что токи и напряжения совпадают по фазам.

Схема «звезда — звезда с разомкнутым треугольником» — стандарт для сетей 6–35 кВ. Вместо трёх однофазных ТН можно установить один трёхфазный — антирезонансную группу НАЛИ-ЭК. При этом трёхфазный ТН (группа НАЛИ-ЭК) подключается на линейные напряжения (между фазами), а не на «фаза — земля». Это делает его менее чувствительным к феррорезонансу, но исключает возможность контроля изоляции через разомкнутый треугольник — третья обмотка в таких группах может отсутствовать или использоваться для других целей. Разница между типами — в габаритах, цене и поведении при феррорезонансе, об этом ниже.

Разомкнутый треугольник: зачем нужна третья обмотка

У каждого ТН, предназначенного для контроля изоляции, кроме основной вторичной обмотки есть дополнительная — с номинальным напряжением 100/3 В. Обмотки трёх ТН соединяются последовательно: конец первой с началом второй, конец второй с началом третьей. Свободные концы a и x выводятся на клеммы. Получается разомкнутый треугольник: контур не замкнут, между выводами измеряется напряжение.

В симметричном режиме три ЭДС обмоток сдвинуты на 120° и в сумме дают ноль. Напряжение в разомкнутом треугольнике близко к нулю — остаётся лишь небольшой небаланс в несколько вольт.

Всё меняется при однофазном замыкании на землю (ОЗЗ) — самом частом повреждении в сетях 6–35 кВ с изолированной нейтралью. В сети появляется напряжение нулевой последовательности 3U₀, и на выводах разомкнутого треугольника оно проявляется в полном виде:

  • при металлическом ОЗЗ — до 100 В (3 × 100/3 В);
  • при дуговом замыкании или через переходное сопротивление — меньше, но достаточно для уверенного срабатывания реле.

На это напряжение реагирует реле контроля изоляции или терминал РЗА: выдаётся сигнал «земля в сети» / «повреждение изоляции». Так разомкнутый треугольник становится основным инструментом контроля ОЗЗ в сетях с изолированной и заземлённой через дугогасящий реактор нейтралью.

Важно.

В цепях разомкнутого треугольника возможно появление напряжения небаланса даже в нормальном режиме (несколько вольт). Для фильтрации высших гармоник и исключения ложных срабатываний часто используют RC-фильтры или настройку реле контроля изоляции по амплитуде и частоте сигнала.

Почему обмотки не замыкают в полный треугольник? В замкнутом контуре при несимметрии по обмоткам потекли бы уравнительные токи — по сути короткое замыкание на обмотки, они перегрелись бы и вышли из строя. Разомкнутая схема безопасна: ток в цепи практически отсутствует, а напряжение снимается с выводов.

Сравнение схем подключения ТН

Схема Что даёт Где применяется Обмотки
Звезда (основные обмотки) Фазные и линейные напряжения: 100/√3 В и 100 В Питание учёта, РЗА, измерительных приборов Основные обмотки ТН
Звезда + разомкнутый треугольник Контроль изоляции, сигнал 3U₀ при ОЗЗ Сети 6–35 кВ с изолированной нейтралью Основные + дополнительная обмотка 100/3 В
Междуфазное включение (незаземляемые ТН) Только линейные напряжения, без контроля изоляции Учёт и РЗА там, где сигнал замыкания на землю не нужен Основные обмотки (без дополнительной)

Прокладка вторичных цепей: практические рекомендации

Сечение жил. Ток вторичной цепи ТН невелик, но сечение выбирают с запасом по допустимому падению напряжения. По ПУЭ сечение медных жил в цепях от измерительных трансформаторов — не менее 1,5 мм², в цепях коммерческого учёта — не менее 2,5 мм². На практике в цепях учёта и РЗА закладывают 2,5 мм² — это стандарт для большинства проектов.

Отдельный кабель для разомкнутого треугольника. Цепи разомкнутого треугольника (контроль изоляции) ведут отдельным кабелем от остальных вторичных цепей ТН. Так сигнал 3U₀ не смешивается с измерительными цепями, а поиск повреждения упрощается.

Экранированный кабель для 3U₀. Для цепей разомкнутого треугольника рекомендуется применять экранированный кабель. Это снижает влияние электромагнитных помех от соседних силовых кабелей и шин, особенно на подстанциях с большим количеством присоединений. Экран заземляют со стороны щита РЗА.

Заземление в одной точке. Заземление вторичной обмотки трансформатора напряжения выполняется в одной точке — как правило, на нейтрали звезды (клемма N). Вторичные цепи трансформатора напряжения, заземлённые в двух местах, образуют контур, по которому текут паразитные токи: появляются ложные сигналы и погрешности учёта. Это одно из самых частых нарушений, из-за которых «фонят» цепи контроля изоляции.

Без защиты в цепи разомкнутого треугольника. На цепях звезды ставят автоматические выключатели или предохранители. В цепь разомкнутого треугольника защиту не устанавливают: при ОЗЗ разрыв цепи означает потерю контроля изоляции в самый нужный момент. Реле контроля изоляции имеет высокое входное сопротивление, ток в цепи мал — защита там не нужна.

Маркировка. Цепи разомкнутого треугольника маркируют отдельно от измерительных. Это требование удобства эксплуатации: при поиске «земли» в цепях ТН оперативно находится нужный кабель от ТН до щита РЗА или учёта.

Заземляемые и незаземляемые ТН: в чём разница

Выбор схемы упирается в тип трансформатора. Заземляемые ТН (буква З в обозначении: ЗНОЛ, ЗНОЛП) рассчитаны на работу при ОЗЗ: их изоляция выдерживает повышение напряжения на здоровых фазах до линейного. Именно они включаются на «фаза — земля» и дают сигнал 3U₀.

Незаземляемые ТН (НОЛ-ЭК, НАЛИ-ЭК) включаются только на междуфазные напряжения. Если такой трансформатор подключить на фазу и землю, при ОЗЗ напряжение на его обмотке вырастет в √3 раз — пробой изоляции и выход из строя.

Важно.

Ошибка при выборе типа ТН — одна из самых дорогих. Установка незаземляемого ТН в схему с контролем изоляции приведёт к пробою изоляции при первом же замыкании на землю. Перед заказом обязательно проверьте, требуется ли сигнал 3U₀.

Тип Схема включения Контроль изоляции Примеры
Заземляемый Фаза — земля, нейтраль заземлена Даёт 3U₀, работает при ОЗЗ ЗНОЛ-ЭК, ЗНОЛП-ЭК, VTS, VTO
Незаземляемый Фаза — фаза Нет НОЛ-ЭК МН10
Трёхфазная антирезонансная группа Фаза — фаза (линейные напряжения) Нет НАЛИ-ЭК

Какие ТН подойдут для звезды с разомкнутым треугольником

Для схемы «звезда + разомкнутый треугольник» нужны три однофазных заземляемых ТН. В каталоге СПБ-Интры это:

  • ЗНОЛ-ЭК М10 — заземляемый однофазный ТН на 10/√3 кВ, база большинства схем контроля изоляции;
  • ЗНОЛП-ЭК М6 — заземляемый ТН со встроенной плавкой вставкой в первичной цепи;
  • серии VTS (VTS 12P.Z1, VTS 38) и VTO 15 — заземляемые однофазные ТН для КРУ  6–35 кВ.

Если контроль изоляции не нужен (например, питание только цепей учёта по междуфазным напряжениям), берут незаземляемые ТН — НОЛ-ЭК МН10. Полный ряд типов — в разделе Трансформаторы напряжения.

Для сетей, где есть риск феррорезонанса (а это большинство сетей 6–35 кВ с изолированной нейтралью), предпочтительны трёхфазные антирезонансные группы НАЛИ-ЭК МН40 и НАЛИ-ЭК-24 М7П: они включаются на линейные напряжения и не образуют резонансного контура с ёмкостью сети. О том, чем опасен феррорезонанс для ТН и обмотки разомкнутого треугольника, читайте в статье про феррорезонанс в сетях 6–35 кВ, а для защиты уже установленных ТН применяется устройство AFR 31.

Классы точности обмоток ТН (0,2 / 0,5 / 3P) подбираются по тем же принципам, что и у трансформаторов тока, — детали в статье о классах точности.

Типовые ошибки

Ошибка Последствие Как правильно
Заземление вторичных цепей в двух точках Паразитные токи, ложные срабатывания, погрешности учёта Одно заземление — на нейтрали звезды
Предохранитель в цепи разомкнутого треугольника При ОЗЗ — потеря сигнала контроля изоляции Цепь 3U₀ подключается напрямую к реле
Незаземляемый ТН на «фаза — земля» Пробой изоляции при ОЗЗ Незаземляемые ТН — только на междуфазные напряжения
Перепутаны выводы при сборке разомкнутого треугольника Ложное напряжение в нормальном режиме, искажённый сигнал 3U₀ при ОЗЗ Собирать по схеме a1–x1 + a2–x2 + a3–x3, проверить полярность
Обмотка разомкнутого треугольника нагружена посторонними приборами Перегрузка обмотки, искажение сигнала Нагружать только реле с высоким входным сопротивлением
Ошибка фазировки при подключении ТН к счётчику Искажение показаний учёта, невыявляемое без векторной диаграммы Проверять соответствие фаз на первичной и вторичной стороне

 

Вывод

Схема «звезда + разомкнутый треугольник» — стандарт для сетей 6–35 кВ с изолированной нейтралью. При проектировании важно:

  • выбрать заземляемые ТН (ЗНОЛ, VTS) для контроля изоляции;
  • заземлить вторичные цепи в одной точке (на нейтрали звезды);
  • не ставить защиту в цепь разомкнутого треугольника;
  • использовать экранированный кабель для сигналов 3U₀.

При отсутствии требований к контролю изоляции можно применять незаземляемые ТН (НОЛ, НАЛИ-ЭК) или междуфазное включение.