Вимірювальні трансформатори напруги (ТН)

Основні поняття і визначення

Вимірювальним ТН називають трансформатор, призначений для перетворення первинної напруги мережі до значення, зручного для вимірювання, а також для електричного розділення первинних і вторинних кіл.

Застосування ТН забезпечує безпеку людей, що працюють з вимірювальними приладами і реле. Первинна і вторинна напруги ТН відрізняються на величину коефіцієнта трансформації. Номінальний коефіцієнт трансформації рівний:

К_ном =U_1ном/U_2ном.

Номінальні первинні напруги ТН стандартизовані відповідно до шкали номінальних лінійних напруг. Виключення складають однофазні ТН, призначені для включення в зірку із заземленою нейтраллю, первинної обмотки. Для цих ТН прийняті як номінальні первинні напруги фазні напруги мереж 35000/Ö3; 10000/Ö3 і т.п.

Номінальні вторинні напруги основних вторинних обмоток рівні: 100 або 100/Ö3 В. Вторинна напруга трансформатора, збільшена в К_ном раз, дещо відрізняється від первинного як за модулем, так і за фазою внаслідок втрат потужності в самому трансформаторі.

Різниця цих напруг, віднесена до первинної напруги, є погрішністю по напрузі:

¦ = [ (U₂×К_ном - U₁)/U₁]×100% (або в відносних одиницях)

Кут між векторами первинної і вторинної напруг d є кутовою погрішністю.

Вторинним навантаженням ТН прийнято вважати повну потужність зовнішнього вторинного кола при напрузі на вторинних затисках, рівній номінальній:

S₂=U_2ном ² /Z,

де Z = - повний опір зовнішнього кола, приєднаного до вторинних затисків, Ом.

Під номінальним вторинним навантаженням ТН розуміють найбільше навантаження, при якому погрішності не виходять за межі, встановлені для трансформаторів даного класу.

Відповідно до значення допустимої погрішності за певних умов роботи ТН діляться на 4-и класи точності: 0.2; 0.5; 1.0; 3.0. ТН класу 0.2 застосовують як зразкові і лабораторні, ТН класу 0.5 призначені для живлення приладів обліку (лічильників). Для приєднання щитових вимірювальних приладів використовують ТН класу 0.1 і 3.0.

Для живлення кіл РЗ використовується ТН класу 0.5; 1.0; 3.0 – залежно від виду захисту.

Погрішності ТН залежать від розмірів магнітопроводу, властивостей сталі, конструкції обмоток, перерізу дротів, приєднаного навантаження і первинної напруги. Для зменшення погрішності приймають меншу, ніж для силових трансформаторів густину струму в обмотці і меншу індукцію в сердечнику.

Розглянемо схему заміщення ТН.

Схема заміщення ТН

Вторинні величини слід привести до первинних через коефіцієнт трансформації n = w₁/w₂;

X¢₂ = X₂×n²; R¢₂ = R₂×n²; X¢ = X×n²; R¢ = R×n²;

I¢₂ = I₂/n; U¢₂ = U₂/n

Погрішності ТН можуть бути визначені за значеннями падіння напруги від струму I¢₂ в опорі Z¢₂ =R¢₂ + JX¢₂ і від струму I₁ = I₀ + I¢₂ в опорі Z₁ = R₁+JX₁, тобто U₁ – U¢₂ = I¢₂ × Z¢₂ + I₁ ×Z₁ = I₀ × Z₁ + I¢₂ ×(Z¢₂ + Z₁),

де I₀ – струм намагнічування, що відповідає первинній напрузі U₁.

Після підстановки комплексних значень опорів і струмів:

I¢₂ = I¢_2a - JI¢_2p; I₀ = I_0а - JI_0p

Маємо:

U1 - U¢₂ = [ I_0a×R₁ + I_0p×X₁+ I¢_2a(R₁+R¢₂) + I¢_2p(X₁+X¢₂)] + J[I_0a×X₁ – I_0p×R₁ + +I¢_2a(X₁ + X¢₂) - I¢_2p(R₁ + R¢₂)]

Дійсна частина цього комплексу, узята із зворотним знаком і віднесена до U₁, дорівнює погрішності за напругою, відповідно уявна частина – погрішності за кутом:

;

З виразів виходить, що погрішності ТН складаються з двох частин. Перші два члени відповідають погрішності ненавантаженого трансформатора. Друга складова визначається струмом навантаження. Із збільшенням навантаження погрішність ТН збільшується. Зменшення напруги нижче за номінальну мало відбивається на погрішності, оскільки складова погрішності, від струму намагнічування значно менша складової від струму навантаження.

При збільшенні напруги вище за номінальну погрішність може зростати сильно.