Трансформаторы напряжения

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Измерительные  трансформаторы напряжения применяются в цепях переменного  тока электроустановок при высоких напряжениях и больших токах,  когда непосредственное включение контрольно-измерительных приборов, реле и приборов автоматики в первичные цепи  технически невозможно, нерационально или недопустимо по  условиям  безопасности.

Трансформаторы напряжения являются особо важными и необходимыми аппаратами высокого напряжения они предназначены для понижения высокого напряжения (свыше 250 В) до значения, равного 100 В, 100/ В, 100/3 В -  необходимого для питания измерительных приборов, цепей автоматики, сигнализации и защитных устройств. Они так же, как и трансформаторы тока, изолируют (отделяют) измерительные приборы и реле от высокого напряжения, обеспечивая безопасность их обслуживания. Для питания защитных устройств применяются трехобмоточные трансформаторы с дополнительной вторичной обмоткой.

Трансформаторы применяются в наружных или внутренних электроустановках переменного тока напряжением 0,38-500, кВ и номинальной частотой 50  Гц.

Измерительные трансформаторы состоят  из магнитопровода, собранного из листовой или ленточной стали, и двух обмоток на нем, первичной и вторичной, с соответствующей изоляцией и несущим или опорными конструкциями в зависимости от вида установки.

 

Для безопасного измерения напряжения, включения счетчиков, катушек напряжения реле и синхронизации при напряжении выше 1000, В применяются понижающие измерительные трансформаторы напряжения. Они выполняются аналогично силовым трансформаторам. Номинальное вторичное напряжение трансформатора равно 100, В. Это позволяет независимо от величины номинального напряжения первичной цепи использовать стандартные измерительные приборы. С применением реле защиты их обмотки изготавливаются на стандартное напряжение вторичной обмотки трансформаторов напряжения. Первичную обмотку трансформатора напряжения (рис. 1) подключают параллельно к сети. К вторичной обмотке присоединяют катушки напряжения реле и измерительных приборов. Для обеспечения безопасности обслуживания один конец вторичной обмотки обязательно заземляется. Трансформаторы напряжения изолируют измерительные приборы и реле от цепей высокого напряжения и делают безопасным их обслуживание. Основными параметрами измерительных трансформаторов напряжения являются:

- номинальное напряжение трансформатора  равно номинальному напряжению первичной обмотки. Номинальное напряжение первичной и вторичной обмоток указывается на щитке трансформатора;

- номинальный коэффициент трансформации  определяется отношением номинального первичного напряжения к номинальному вторичному напряжению:

 

 

где  W₁, W₂ – число витков первичной и вторичной обмоток.

Погрешность по напряжению выражается зависимостью:

 

 

где  U₂ – напряжение, измеряемое на зажимах вторичной обмотки;

U₁ – напряжение первичной обмотки.

Когда , то погрешность равна нулю.

Угловая погрешность определяется в минутах между вектором первичного напряжения и повернутым на 180⁰ вектором вторичного напряжения. Если вектор вторичного напряжения, повернутый на 180⁰, опережает вектор первичного напряжения, то погрешность по углу считается положительной. Погрешность трансформатора напряжения по напряжению в процентах при номинальных условиях численно равна классу точности. Отечественной промышленностью выпускаются трансформаторы напряжения, работающие в следующих классах точности: 0.2; 0.5; 1; 3;

- номинальная вторичная нагрузка:

 

,

 

где  I_2Н – номинальный ток вторичной обмотки трансформатора;

Z_2Н – номинальное сопротивление, на которое работает трансформатор;

- номинальная мощность – это наибольшая мощность (при номинальном коэффициенте мощности, равном 0.8), которая может быть снята с трансформатора при условии, что его погрешность не выйдет за пределы, определенные классом точности. Каждому классу точности соответствует определенная номинальная мощность трансформатора напряжения. Причем один и тот же трансформатор напряжения может работать в различных классах точности в зависимости от величины его вторичной нагрузки. Так, для трансформатора напряжения типа НОМ-10 (трансформатор напряжения однофазный с масляной

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схема устройства однофазного трансформатора напряжения и векторная диаграмма

 

изоляцией на первичное напряжение 10 кВ) установлены номинальные мощности:

       - в классе точности 0.5 – 50 В×А;

       - в классе точности 1 – 80 В×А;

       - в классе точности 3 – 200 В×А.

Если для  этого трансформатора вторичная  нагрузки S₂£50В×А, то он работает с погрешностями, не превышающими значений, установленных для класса точности 0.5. Характеризуется трансформатор напряжения тем наивысшим классом точности, в котором он может работать. Этот класс точности указывается в паспортной табличке или в каталоге. Трансформаторы напряжения класса 0.2 применяются только для точных лабораторных исследований. Для включения щитовых электроизмерительных приборов применяются трансформаторы напряжения класса точности 3. Расчетные и контрольные счетчики должны подключаться к трансформаторам напряжения класса точности 0.5. Для каждого трансформатора напряжения установлена величина максимальной мощности.

Максимальная  мощность определяется длительно допустимой по условию нагрева предельной мощностью. Использование трансформаторов напряжения на максимальную мощность возможно только для питания сигнальных ламп, отключающих катушки автоматов и других приборов и реле, для работы которых не имеет значение величина погрешности. По числу фаз различают однофазные и трехфазные трансформаторы напряжения. Использование одного трансформатора напряжения осуществляется в однофазных установках. Один трансформатор может быть использован и в трехфазных установках, когда достаточно иметь напряжение между двумя какими-либо фазами. Это нужно для включения вольтметров, частотомеров, катушек нулевого напряжения ручных приводов выключателей, реле напряжения и др.

Включение трех однофазных трансформаторов  напряжения. Схема может быть использована для включения любых измерительных приборов и реле, а также для контроля изоляции. Схема применяется в сетях с большими токами замыкания на землю.

Соединение  трехфазного трехстержневого трансформатора. Данная схема используется для измерения межфазных напряжений. Для измерения напряжений фаз по отношению к земле эти трансформаторы использовать нельзя, так как их первичные обмотки не имеют выведенных нейтралей.

В сетях с малыми токами замыкания на землю применяют трехфазные трехобмоточные трансформаторы напряжения с магнитной системой, имеющей пять стержней – пятистержневые трансформаторы. У этих трансформаторов напряжения первичные обмотки соединены в звезду и заземляются. Основные вторичные обмотки также соединяются в звезду. Приборы включаются на межфазные или фазные напряжения. Дополнительные вторичные обмотки соединяются в разомкнутый треугольник и используются для контроля изоляции. Перед трансформаторами напряжения устанавливаются предохранители с кварцевым заполнением типа ПКТ. Предохранители быстродействующие, токоограничивающие, способные отключать большие мощности К.З.

 

2. КОНСТРУКЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

 

2.1. Общие положения

 

Промышленность  России изготавливает трансформаторы напряжения на все напряжения. Конструкции  трансформаторов напряжения до 35, кВ  аналогичны  конструкциям силовых трансформаторов. При напряжении выше 35,  кВ для уменьшения габаритов и стоимости изготавливаются каскадные трансформаторы напряжения. Эти  трансформаторы монтируются в фарфоровых кожухах и не имеют проходных изоляторов. В обычных трансформаторах  напряжения первичную обмотку изолируют от сердечника и  вторичной обмотки. В каскадном трансформаторе изоляция распределяется равномерно на все ступени. Каждая из ступеней  находится  под некоторой частью напряжения сети. Это  позволяет снизить уровень изоляции. В зависимости от типа изоляции различают трансформаторы напряжения с сухой и масляной изоляцией.

 

 

2.2. Сухие трансформаторы напряжения

 

Сухие трансформаторы напряжения применяются только в сухих закрытых распределительных устройствах. Основными достоинствами таких трансформаторов служат: малый вес и габариты, пожаро- и взрывобезопасность. Промышленностью изготавливаются сухие трансформаторы напряжения до 6 кВ включительно: однофазные типа НОС-0.5 и типа НОСК-3, НОСК-6, а также трехфазные трехстержневые трансформаторы НТС-0.5.

 

2.3. Масляные трансформаторы  напряжения

 

Масляные  трансформаторы напряжения нормальной конструкции изготавливаются на напряжение 3...35, кВ.

Трансформаторы типа ЗНОМ-15, ЗНОМ-20, ЗНОМ-35 – однофазные трехобмоточные при глухом заземлении нейтрали первичных обмоток (см. рис.2).

Трансформаторы  типа НОМ-6, НОМ-10, НОМ-15, НОМ-35 – это  двухобмоточные однофазные масляные трансформаторы (см. рис. 3).

 Трехфазные трансформаторы напряжения – это трехстержневые трансформаторы типа НТМК-6 и пятистержневые типа НТМИ-6, НТМИ-10 и НТМИ-18.

Магнитная система таких трансформаторов  помещается в сварном стальном баке, залитом трансформаторным маслом. У  них выводы обмоток осуществляются через фарфоровые проходные изоляторы, укрепленные в стальной крышке. Все трансформаторы напряжения, за исключением ЗНОМ, предназначены для внутренней установки. Они не имеют расширителей. Бак трансформатора ЗНОМ-35 (см. рис.2)  снабжен расширителем, что позволяет использовать его для наружных установок.

Широко применяются трансформаторы  напряжения серии ЗНОЛ-6. Они имеют пять исполнений по номинальному напряжению: 6; 10; 15; 20 и 24 кВ. Класс точности этих трансформаторов 0.2, небольшая масса, устанавливаются в  любом положении. Обычно  используются в комплектных распределительных устройствах  и  комплектных  токопроводах  вместо масляных трансформаторов.

 

 

 

Рис. 2. Трансформатор напряжения типа ЗНОМ-35

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Трансформатор напряжения НОМ-6

 

2.4. Каскадные трансформаторы  напряжения

 

Каскадные трансформаторы напряжения выпускаются типа НКФ на напряжение 110...500, кВ. Это однофазные каскадные трансформаторы в фарфоровом кожухе.

Каскадный трансформатор напряжения состоит из последовательно соединенных дроссельных катушек, включенных между фазой и землей. При глухозаземленных нейтралях сети через все дроссельные катушки протекает одинаковый ток, пропорциональный току сети. Последний дроссель, соединенный с землей, имеет вторичную обмотку. Для ограничения размагничивающего действия тока, протекающего по вторичной обмотке, на сердечники всех элементов наматываются дополнительные обмотки с одинаковым числом витков. Соединяются они встречно. В результате всякое изменение магнитного потока одного из элементов вызывает протекание уравнительных токов, размагничивающих сердечники элементов с большим магнитным потоком и намагничивающих с меньшим. Магнитные потоки в сердечниках станут примерно равными. Напряжение по элементам распределится равномерно. Поскольку при номинальном напряжении 110, кВ фазное напряжение составляет =64, кВ, то при двух элементах внутренняя изоляция выполняется на напряжение не более 32, кВ.

Трансформаторы напряжения НКФ-110 имеют вес 1360, кг. Трансформаторы же типа НИОМ-110 весили 3895, кг, что в 2.9 раза больше современных трансформаторов напряжения каскадного типа.

Трансформаторы напряжения на 220, кВ состоят из двух блоков, установленных один над другим. Они имеют два магнитопровода и четыре ступени каскадной обмотки. Трансформаторы напряжения НКФ-330 (см. рис.4) и НКФ-500 соответственно имеют три и четыре блока, т.е. шесть и восемь ступеней обмотки высшего напряжения. Чем больше каскадов обмотки, тем больше их активное и реактивное сопротивления, что приводит к возрастанию погрешности. Поэтому трансформаторы типа НКФ-330 и НКФ-500 выпускаются только в классах точности 1 и 3.

Следует отметить, что для контроля состояния изоляции нельзя применять трехфазные трехстержневые трансформаторы напряжения.

В нормальных условиях работы обмотки  трансформатора находятся под фазным напряжением. По обмоткам протекают фазные токи. Они создают магнитные потоки, замыкающиеся в магнитопроводе. Ввиду незначительного сопротивления магнитопровода намагничивающие токи в фазах малы. Если возникают однофазные замыкания на землю, допустим, фазы А, обмотка этой фазы оказывается под напряжением, близким к нулю, а обмотки двух других фаз под напряжением в раз большем фазных. Чтобы осуществить контроль изоляции, нейтраль первичной обмотки трансформатора заземляют. Поэтому замыкание на землю фазы А сети вызовет закорачивание первичной обмотки фазы А трансформатора. Создается несимметричный режим работы, и, как следствие, в электромагнитной системе трансформатора начинают действовать токи нулевой последовательности I_АО, I_ВО, I_СО равные по величине и совпадающие по фазе. Токи вызывают в сердечниках магнитопровода магнитные потоки нулевой последовательности Ф_АО, Ф_ВО, Ф_СО. Так как токи равны по величине и совпадают по фазе, то они не могут замыкаться через стержни соседних фаз магнитопровода и вынуждены замыкаться через воздух и частично через стальной кожух магнитопровода. Магнитное сопротивление воздуха во много раз больше магнитного сопротивления стального магнитопровода. Для проведения магнитного потока через воздух необходима значительная намагничивающая сила. Поэтому токи I_АО, I_ВО, I_СО значительны по величине, а следовательно, и полные токи, протекающие по обмоткам трансформатора, будут относительно большими. Обычно эти токи превышают номинальные в несколько раз. Хотя таки и большие, но они не вызывают перегорания стоящих перед трансформатором напряжения плавких вставок предохранителей. Длительное протекание этих токов неизбежно приведет к перегреву обмоток и повреждению трансформатора. Поэтому трехфазные трехстержневые трансформаторы напряжения нельзя использовать для контроля изоляции. Во избежание ошибочного заземления