Трансформатор напряжения (ТН) — это измерительный аппарат, предназначенный для преобразования высокого напряжения электрической сети в стандартное вторичное напряжение, например 100 В или 100/√3 В, в зависимости от номинальных параметров и схемы включения. Вторичные цепи ТН используются для подключения вольтметров, счётчиков, измерительных приборов, устройств релейной защиты и автоматики. В этой статье разберём, из чего состоит ТН, как работает его магнитная система и обмотки, чем литая изоляция отличается от масляной, какие бывают ТН по конструкции и заземлению и на что обращать внимание при выборе. Материал опирается на серии, которые мы поставляем, — ЗНОЛ-ЭК, НОЛ-ЭК, НАЛИ-ЭК.
Назначение трансформатора напряжения
Измерительный трансформатор напряжения выполняет несколько основных задач.
Измерение и учёт
Вольтметры, счётчики электроэнергии и другие измерительные приборы подключаются к вторичным цепям ТН, где напряжение имеет стандартное для конкретной схемы значение. Например, вторичная обмотка может иметь номинальное напряжение 100 В или 100/√3 В. По измеренному вторичному напряжению и известному коэффициенту трансформации определяют напряжение первичной сети.
Питание релейной защиты и автоматики
Вторичные обмотки ТН используются для передачи информации о напряжении в устройства релейной защиты (РЗА), автоматики, сигнализации и управления. По напряжению вторичной цепи устройства могут контролировать состояние сети, определять снижение или исчезновение напряжения и формировать необходимые команды автоматики.
Контроль изоляции
У заземляемых ТН соответствующего исполнения может быть предусмотрена дополнительная вторичная обмотка, предназначенная для работы в схеме разомкнутого треугольника. В нормальном симметричном режиме векторная сумма фазных напряжений близка к нулю. При однофазном замыкании на землю появляется составляющая нулевой последовательности, вследствие чего на выводах разомкнутого треугольника возникает напряжение, пропорциональное 3U₀. Этот сигнал используется устройствами контроля изоляции и релейной защиты.
Важно: ТН не только преобразует напряжение до значения, удобного для измерительных и защитных цепей, но и обеспечивает электрическое разделение первичной высоковольтной цепи и вторичных цепей измерения, учёта и защиты.
ТН часто путают с силовым трансформатором, однако это разные аппараты. Силовой трансформатор предназначен для передачи электрической мощности от одной электрической цепи к другой и работает с существенно большей нагрузкой. ТН предназначен прежде всего для передачи измерительной информации о напряжении и работает с относительно небольшой вторичной нагрузкой, то есть в режиме, близком к холостому ходу. Конструктивно оба аппарата используют электромагнитную индукцию, но отличаются назначением, параметрами обмоток и режимом работы.
Устройство трансформатора напряжения
Конструкция электромагнитного ТН основана на принципе обычного трансформатора, однако его магнитная система, обмотки и изоляция рассчитаны прежде всего на получение нормируемой точности преобразования напряжения. Основные элементы конструкции:
Магнитопровод
Магнитопровод выполняется из электротехнической стали с изолированными друг от друга листами. Шихтованная конструкция позволяет уменьшить потери от вихревых токов. Магнитные характеристики материала, площадь сечения магнитопровода и конструктивное исполнение влияют на рабочий режим и погрешность трансформации.
Первичная обмотка (ВН)
Первичная обмотка подключается к первичной электрической сети и рассчитана на соответствующее номинальное напряжение ТН. Количество витков, конструкция обмотки и её изоляция определяются номинальными параметрами и конкретным исполнением аппарата.
У заземляемых ТН соответствующего исполнения один из выводов первичной обмотки обозначается X и подключается к заземлению согласно схеме и документации на конкретный трансформатор. Наличие вывода X и возможность его заземления являются характеристиками конкретного исполнения ТН, а не универсальным признаком всех трансформаторов напряжения.
Вторичные обмотки (НН)
В зависимости от исполнения ТН может иметь одну или несколько вторичных обмоток:
- Основная — предназначена для измерения, учёта, защиты или других вторичных цепей. Номинальное напряжение может составлять, например, 100 В или 100/√3 В в зависимости от схемы.
- Дополнительная — в соответствующих исполнениях используется в схеме разомкнутого треугольника для получения сигнала нулевой последовательности и контроля изоляции. Типовое номинальное напряжение такой обмотки может составлять 100/3 В.
Схема соединения обмоток, обозначения выводов, номинальные напряжения, классы точности и номинальные нагрузки указываются в технической документации на конкретный ТН.
Изоляция
Для ТН 6–35 кВ внутренней установки широко применяются конструкции с литой эпоксидной изоляцией. В такой конструкции изоляционная система формируется вокруг обмоток в виде монолитного литого блока. Это позволяет получить компактную конструкцию и исключить необходимость обслуживания жидкой изоляционной среды.
Масляные ТН используют трансформаторное масло в качестве одной из основных частей внутренней изоляционной системы. Конкретная область применения зависит от конструкции аппарата, класса напряжения, категории размещения и условий эксплуатации.
Сравнение литой и масляной изоляции
| Параметр | Литая (эпоксидная) изоляция | Масляная изоляция |
|---|---|---|
| Типичное применение | Многие ТН внутренней установки, в том числе 6–35 кВ | Ряд конструкций внутренней и наружной установки |
| Конструкция | Обмотки и изоляционные элементы формируют литой монолитный блок | Внутренняя изоляционная система использует трансформаторное масло |
| Влагозащита | Определяется конструкцией литого блока и оболочки аппарата | Зависит от конструкции бака, герметичности и состояния масла |
| Обслуживание | Как правило, не требует контроля состояния масла | В зависимости от конструкции может требовать контроля состояния масла и герметичности |
Таким образом, выбор между литой и масляной конструкцией определяется не только классом напряжения, но и назначением ТН, местом установки, климатическими условиями, требованиями распределительного устройства и конкретным техническим исполнением.
Принцип работы трансформатора напряжения
Работа электромагнитного ТН основана на явлении электромагнитной индукции. На первичную обмотку подаётся напряжение сети U₁. Создаваемый переменный магнитный поток Ф пронизывает вторичную обмотку и наводит в ней электродвижущую силу. При подключении вторичной нагрузки по ней протекает ток I₂, а на выводах вторичной обмотки формируется напряжение U₂.
Для идеализированного трансформатора коэффициент трансформации можно представить через отношение напряжений и числа витков:
Для идеализированного трансформатора коэффициент трансформации можно представить через отношение напряжений и числа витков:
Например, для ТН с номинальным первичным напряжением 10 кВ и вторичным напряжением 100 В номинальный коэффициент трансформации по отношению номинальных напряжений составляет 100. Для 6 кВ и 100 В — 60. Если используется фазная схема с номинальными напряжениями 10/√3 кВ и 100/√3 В, отношение также составляет 100.
ТН работает в режиме, близком к холостому ходу. Вторичная нагрузка состоит преимущественно из измерительных приборов, счётчиков, входных цепей устройств РЗА и другой аппаратуры, потребляющей относительно небольшой ток. Поэтому ток первичной обмотки в значительной степени определяется намагничиванием магнитопровода, а вторичное напряжение при работе в пределах номинальной нагрузки изменяется относительно мало.
Однако вторичная нагрузка влияет на погрешность ТН. Поэтому при выборе трансформатора необходимо учитывать суммарную мощность подключаемых приборов, сопротивление соединительных проводов и требования к классу точности конкретной вторичной обмотки.
Важно: вторичную обмотку ТН нельзя эксплуатировать в режиме короткого замыкания. Короткое замыкание вторичной цепи может привести к значительному увеличению тока, перегреву обмотки и повреждению трансформатора. Защита вторичных цепей выполняется в соответствии с проектной схемой и документацией на конкретный ТН.
Отличие ТН от трансформатора тока принципиальное. Трансформатор тока включается последовательно в первичную цепь и предназначен для преобразования первичного тока в стандартный вторичный ток. Его вторичная цепь в рабочем режиме должна быть замкнута на предусмотренную нагрузку. ТН подключается параллельно измеряемой цепи и преобразует первичное напряжение в нормированное вторичное напряжение. Поэтому схемы подключения и требования безопасности для ТН и ТТ различаются.
Виды трансформаторов напряжения
ТН классифицируют по конструкции, типу изоляции, назначению, схеме включения, способу заземления и другим параметрам.
По конструкции
- Однофазные — трансформаторы с одной магнитной системой и одной или несколькими обмотками, предназначенные для работы в соответствующей однофазной схеме.
- Трёхфазные группы — три однофазных ТН, соединённых по необходимой схеме. Такой вариант широко используется в распределительных устройствах среднего напряжения.
- Трёхфазные ТН в общем корпусе — конструкция, в которой элементы трёх фаз объединены в одном аппарате. Конкретное применение зависит от типа трансформатора и требований установки.
По изоляции
- Литые (эпоксидные) — применяются, в частности, в ТН внутренней установки среднего напряжения.
- Масляные — применяются в различных конструкциях ТН внутренней и наружной установки в зависимости от класса напряжения и условий эксплуатации.
По исполнению первичной цепи и заземлению
Для практического выбора большое значение имеет схема подключения первичной обмотки и возможность заземления одного из её выводов.
- Заземляемые (ЗНОЛ-ЭК, ЗНОЛП-ЭК) — ТН соответствующего исполнения имеют вывод первичной обмотки X, предназначенный для подключения к земле. Такие трансформаторы применяются в схемах, где требуется измерение соответствующих фазных напряжений и, при наличии дополнительной обмотки, получение сигнала нулевой последовательности для контроля изоляции.
- Незаземляемые (НОЛ-ЭК) — ТН без предусмотренного заземляемого вывода первичной обмотки. Они применяются в схемах, соответствующих их номинальным напряжениям и изоляции. Такой ТН нельзя произвольно подключать по схеме «фаза — земля», если это не предусмотрено его техническими характеристиками.
- Антирезонансные (НАЛИ-ЭК, соответствующие группы ТН) — исполнения, конструкция которых направлена на снижение риска возникновения феррорезонансных процессов и связанных с ними перенапряжений. Конкретная область применения и схема включения определяются документацией на трансформатор.
Сравнение типов ТН
| Тип | Буквенное обозначение | Типовая область применения | Контроль изоляции (3U₀) |
|---|---|---|---|
| Заземляемый | ЗНОЛ-ЭК, ЗНОЛП-ЭК | Схемы с подключением соответствующего вывода первичной обмотки к земле | Возможен при наличии дополнительной обмотки и соответствующей схемы |
| Незаземляемый | НОЛ-ЭК | Схемы измерения, соответствующие номинальным параметрам ТН | Как правило, не предназначен для формирования 3U₀ через заземляемую первичную обмотку |
| Антирезонансное исполнение | НАЛИ-ЭК, соответствующие группы ТН | Сети, в которых необходимо снизить риск феррорезонанса | Зависит от конкретного исполнения и схемы |
В каталоге СПБ-Интра доступны, например, заземляемые ЗНОЛ-ЭК, незаземляемые НОЛ-ЭК, антирезонансная группа НАЛИ-ЭК . Полный ряд типов и технические характеристики представлены в разделе «Трансформаторы напряжения».
Схема включения и вторичные цепи
Первичная обмотка ТН подключается параллельно электрической цепи, напряжение которой необходимо измерять. Конкретная схема — «фаза — земля», «фаза — фаза» или другая предусмотренная конструкцией — определяется номинальными параметрами ТН и схемой электрической сети.
Во вторичной цепи основная обмотка может питать параллельно подключённые нагрузки:
- счётчики коммерческого и технического учёта;
- реле и терминалы защиты и автоматики;
- вольтметры и другие измерительные приборы;
- цепи сигнализации и контроля.
Дополнительные обмотки трёх ТН соответствующего исполнения могут соединяться по схеме разомкнутого треугольника. В симметричном режиме сумма соответствующих вторичных напряжений близка к нулю. При возникновении замыкания на землю появляется составляющая нулевой последовательности, в результате чего на разомкнутом треугольнике формируется напряжение нулевой последовательности, пропорциональное 3U₀. Это напряжение используется для работы устройств контроля изоляции и релейной защиты.
Номинальное напряжение дополнительной обмотки, например 100/3 В, выбирается производителем для соответствующей схемы и номинального коэффициента напряжения. Фактическое напряжение на разомкнутом треугольнике зависит от режима сети, характера повреждения и параметров ТН.
Ключевые правила заземления:
- вывод X первичной обмотки заземляемого ТН подключается к земле в соответствии со схемой и документацией на конкретный аппарат;
- вторичные цепи заземляются в предусмотренной проектом точке. Дополнительные, не предусмотренные проектом соединения с землёй могут привести к появлению паразитных токов и ошибкам измерения;
- защита вторичных цепей выполняется в соответствии с проектной схемой и документацией на ТН. При этом нельзя допускать, чтобы защитное устройство нарушало работу цепи контроля 3U₀ в режиме, для которого она предназначена.
Детальный разбор схем «звезда» и «разомкнутый треугольник» — в статье про схемы подключения трансформаторов напряжения.
Как выбрать трансформатор напряжения
Подбор ТН выполняют по совокупности электрических, конструктивных и эксплуатационных параметров.
- Номинальное напряжение сети. Первичное номинальное напряжение ТН должно соответствовать электрической сети и выбранной схеме подключения. Для сетей среднего напряжения применяются, в частности, ТН на 6, 10, 15, 20 и 35 кВ, а для фазных схем используются соответствующие значения, например 10/√3 кВ.
- Схема включения и исполнение первичной обмотки. Необходимо определить, требуется ли подключение по схеме «фаза — земля», «фаза — фаза» или иной схеме, предусмотренной проектом. Нельзя выбирать ТН только по величине напряжения сети — необходимо учитывать номинальные напряжения его обмоток и допустимую схему включения.
- Класс точности. Для измерительных обмоток ТН применяются классы точности 0,1; 0,2; 0,5; 1,0 и 3,0 в соответствии с назначением и требованиями к погрешности. Для защитных обмоток применяются классы 3P и 6P. Чем меньше нормируемая погрешность соответствующего класса, тем выше требования к точности измерения. У ТН может быть несколько вторичных обмоток с разными классами точности и назначением, поэтому класс необходимо выбирать отдельно для каждой обмотки.
- Вторичная нагрузка. Необходимо определить суммарную нагрузку вторичной обмотки с учётом подключённых приборов и соединительных проводов. Она должна соответствовать диапазону нагрузки, при котором конкретная обмотка сохраняет нормируемый класс точности. Номинальная нагрузка указывается в В·А и определяется для конкретного класса и исполнения ТН.
- Номинальный коэффициент напряжения. Для ТН, работающих в сетях с возможными длительными или кратковременными повышениями напряжения относительно номинального, необходимо учитывать номинальный коэффициент напряжения, установленный для конкретного исполнения. Этот параметр особенно важен при выборе ТН для сетей с определённым режимом заземления нейтрали.
- Устойчивость к феррорезонансу. В сетях, где существует риск возникновения феррорезонансных процессов, следует выбирать соответствующее антирезонансное исполнение ТН либо предусматривать специальные меры защиты согласно проектной документации. В зависимости от конкретной системы это может быть антирезонансный ТН или отдельное устройство защиты, например AFR 31. Чем опасен феррорезонанс и как от него защититься, разобрано в статье про феррорезонанс в сетях 6–35 кВ.
- Условия установки. Необходимо учитывать внутреннюю или наружную установку, климатическое исполнение, категорию размещения, высоту установки, габариты, способ крепления и совместимость с конкретным КРУ, КСО или другим распределительным устройством.
Типовые ошибки при выборе и монтаже
Совет: Перед первым включением необходимо проверить правильность монтажа, фазировку, полярность вторичных цепей, заземление и соответствие фактической схемы проектной документации. Для ответственных измерительных цепей следует выполнять предусмотренные проектом проверки и испытания специализированными приборами.
Вывод
Трансформатор напряжения — измерительный аппарат, который преобразует высокое напряжение электрической сети в нормированное вторичное напряжение для измерения, учёта, защиты, автоматики и сигнализации. При выборе ТН необходимо учитывать номинальное напряжение и схему сети, номинальные параметры первичной и вторичных обмоток, исполнение по заземлению, класс точности, вторичную нагрузку, номинальный коэффициент напряжения, условия установки и требования к устойчивости к феррорезонансу.
Заземляемые ТН соответствующего исполнения могут использоваться в схемах контроля изоляции с дополнительной обмоткой, соединённой в разомкнутый треугольник. Незаземляемые ТН применяются в схемах, соответствующих их номинальным характеристикам и изоляции. Для сетей с повышенным риском феррорезонанса применяются специальные антирезонансные исполнения или предусмотренные проектом средства защиты.
Если нужно подобрать трансформатор напряжения под конкретную сеть — пришлите напряжение сети, схему подключения, требования к классу точности, вторичную нагрузку, условия установки и требуемое исполнение. Специалисты СПБ-Интра помогут подобрать подходящую серию и конкретное типоисполнение из каталога.
