Первичные измерительные преобразователи напряжения

К измерительным органам воздействующая величина — напря­жение — обычно подводится от первичных измерительных преобра­зователей напряжения. Они, как и первичные измерительные пре­образователи тока, обеспечивают изоляцию цепей напряжения измерительных органов от высокого напряжения и позволяют неза­висимо от номинального первичного напряжения получить стан­дартное значение номинального вторичного напряжения U_2ном =100 В. Распростра­ненной разновидностью первичного измеритель­ного преобразователя напряжения является измерительный транс­форматор напряжения.

Особенностью изме­рительного трансфор­матора напряжения яв­ляется режим холосто­го хода (близкий к хо­лостому ходу) его вто­ричной цепи (рис. 1.3, а). Первичная об­мотка трансформатора TV с числом витков ω₁ включается на напряжение сети Ů₁. Под действием напряжения по обмотке ω₁ проходит ток намагничива­ния İ_нам, который создает в магнитопроводе магнитный поток Ф. Магнитный поток, в свою очередь, наводит в первичной ω₁ и вто­ричной ω₂ обмотках ЭДС с действующими значениями соответст­венно E₁ =4,44f ω₁Ф; Е2= 4,44f ω₂Ф. Отсюда

E₁/E₂ = ω₁/ω₂                                                                  (1.6)

 Отношение ω₁/ω₂ называется коэффициентом трансформации и обозначается К_U. В режиме холостого хода ток I₂=0, а ток в первичной обмотке İ₁=İ_нам. При этом Ů₂= Ė₂  и напряжение U₁ незначительно отличается от ЭДС E₁. Поэтому

K_U= ω₁/ω₂ =U₁/U₂                                                         (1.7)

На рис. 1.3,б показана схема замещения, а на рис. 1.3, в — векторная диа­грамма трансформатора напряжения. Работа трансформатора с нагрузкой Z _н (в виде, например, реле напряжения KV) сопровождается прохождением тока İ₂ и увеличением (по сравнению с холостым ходом) тока İ'₁ Эти токи создают па­дение напряжения ΔŮ в первичной и вторичной обмотках, вследствие чего Ů₂ = Ů'₁ — ΔŮ. Из векторной диаграммы (рис. 1.3, в) следует, что вторичное на­пряжение Ů₂ отличается от приведенного первичного Ů'₁ как по значению на ΔU, так и по фазе на угол δ. Поэтому трансформатор имеет две погрешности: по­грешность напряжения f _U=(ΔU/U'₁)100, или вследствие незначительности угла δ

f_U =[(K_UU₂-U₁)/U₁]100                                             (1.8)

угловую погрешность, которая определяется углом δ между векторами напря­жений Ů₁ и Ů₂.

Значения погрешностей трансформатора напряжения определяются падени­ем напряжения ΔŮ, которое увеличивается с ростом вторичной нагрузки (тока İ₂). Вместе с ним возрастают и погрешности. Поэтому нормальным режимом работы трансформатора напряжения является режим, близкий к холостому ходу.

В условиях эксплуатации трансформатор напряжения может работать с различными погрешностями. В зависимости от погреш­ностей по ГОСТ 1983—77Е установлены четыре класса точности: 0,2; 0,5; 1 и 3 соответственно погрешностям напряжения f _U в про­центах. Номинальная мощность трансформатора отнесена к опре­деленному классу точности. Однако по условию нагрева он может допускать перегрузки в несколько раз, выходя при этом из задан­ного класса точности. Начала и концы обмоток трансформатора напряжения TV маркируются в соответствии с правилом, которое изложено при рассмотрении трансформаторов тока (см. § 1.1). Принято обозначать: A — начало первичной обмотки, а — начало вторичной обмотки; Х — конец первичной обмотки, х — конец вто­ричной обмотки. Для трансформаторов напряжения, как и для трансформаторов тока, в зависимости от принятого положитель­ного направления тока и напряжения можно построить векторные диаграммы с совпадающими или противоположно направленными векторами вторичного Ů₂, и приведенного первичного Ů'₁ напряже­ний. При этом погрешности не учитываются. Для анализа дейст­вий релейной защиты и автоматики более удобной является век­торная диаграмма с совпадающими векторами Ů₂ и Ů'₁.

Рассмотренные соотношения и векторная диаграмма характер­ны и для вторичных измерительных трансформаторов напряжения, которые, как правило, входят в измерительную часть устройств за­щиты, автоматики и телемеханики.

Измерительные органы, в частности измерительные реле напря­жения, включаются на фазные и междуфазные напряжения, а так­же на напряжения нулевой и обратной последовательностей. Для получения этих напряжений используются однофазные или трех­фазные трансформаторы напряжения и фильтры напряжения об­ратной последовательности. Трансформаторы в этом случае имеют различные схемы соединения обмоток, при выполнении которых придерживаются следующих правил: в случае включения первич­ных обмоток на фазные напряжения их начала присоединяются к соответствующим фазам, а концы объединяются и соединяются с землей; при включении первичных обмоток на междуфазные на­пряжения их начала присоединяются к предыдущим, а концы — к последующим фазам в порядке их электрического чередования.

Включение однофазного трансформатора напряжения (рис. 1.4, а). Первич­ная обмотка трансформатора включается на напряжение двух любых фаз. Та­кая схема применяется в тех случаях, когда достаточно иметь одно междуфазное напряжение, например напряжение U_BC.

Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в открытый тре­угольник (рис. 1.4, б). Первичные обмотки двух однофазных трансформаторов напряжения включаются на два любых междуфазных напряжения. Вторичные обмотки соединяются последовательно. Такая схема дает возможность включать реле на все междуфазные напряжения (реле KV1—KV3} и на напряжения фаз по отношению к нулевой точке системы междуфазных напряжений. В последнем случае включение можно выполнить тремя реле, обмотки которых имеют равные сопротивления и соединены в звезду (реле K.V4—KV6). Схема соединения двух однофазных трансформаторов в открытый треугольник является наиболее рас­пространенной. Она не может применяться в тех случаях, когда необходимо иметь фазные напряжения относительно земли.

Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в звезду (рис. 1.4, в). Эта схема, как и рассмотренная схема соединения обмоток в открытый треугольник, дает возможность включать реле на любые междуфазные напряже­ния (реле KVI—KV3) и на напряжения фаз относительно нулевой точки системы (реле KV4—KV6), а также по отношению к земле, т. е. на любые фазные напря­жения (реле KV7—KV9).

Рассматриваемую схему можно выполнить посредством трех однофазных трансформаторов напряжения или одного трехфазного пятистержневого. Приме­нение трехфазных трехстержневых трансформаторов напряжения в данном слу­чае не допускается в связи с тем, что при замыкании на землю в сети по пер­вичным обмоткам трансформатора через его заземленную нейтраль проходят большие токи намагничивания нулевой последовательности и трансформатор силь­но перегревается.

Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в фильтр напряжения нулевой последовательности (рис. 1.4, г). Напряжения отдельных последова­тельностей можно выделить из полных фазных напряжений посредством фильт­ров напряжений симметричных составляющих. Так, для получения напряжения нулевой последовательности U₀ первичные обмотки трансформаторов должны соединяться в звезду с заземленной нейтралью. Полученные при этом вторичные фазные напряжения суммируются путем соединения вторичных обмоток в разомкнутый треугольник, к которому подключается реле (рис. 1.4, г). Напряжение на обмотке реле Ů_P = (Ů_a + Ů_в + Ů_c)/K_U = 3U₀/ K_U.

При отсутствии в полных фазных напряжениях составляющих нулевой по­следовательности напряжение на выходе разомкнутого треугольника близко к ну­лю. В связи с погрешностью трансформаторов напряжения, наличием в первич­ных напряжениях гармонических, кратных трем, и по другим причинам на за­жимах разомкнутого треугольника в нормальном режиме возникает напряжение небаланса, которое обычно не превышает U_нб= 3÷4 В (при замыкании на зем­лю максимальное напряжение на зажимах фильтра 3 U_0мах =100В).

Обычно трансформаторы напряжения изготовляют с двумя вторичными об­мотками, одну из которых можно использовать в схеме соединения звезды, а другую — разомкнутого треугольника (рис. 1.4, д). В системах с заземленной нейтралью напряжение на зажимах разомкнутого треугольника при замыкании на землю не превышает фазного U_Ф, а в системах с изолированной нейтралью оно может достигать 3U_Ф. Поэтому номинальное вторичное фазное напряжение обмоток, соединяемых в треугольник, принимается равным U_2ном =100В, если трансформатор устанавливается в системе с заземленной нейтралью, и равным U_2ном =100/3 В, если трансформатор устанавливается в системе с изолирован­ной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью.

Выполнение вторичных цепей трансформаторов напряжения и контроль за их состоянием. Исходя из требований техники безопасности вторичные обмотки трансформаторов напряжения в установках напряжением 500 В и выше должны обязательно заземляться. Предохранители с первичной стороны трансформаторов напряжения не защищают их от перегрузок и коротких замыканий в их вторич­ных цепях. Поэтому все незаземленные провода, подключаемые к вторичным обмоткам трансформаторов напряжения, соединяются с ними через низковольт­ные плавкие предохранители или малогабаритные автоматы, которые являются более быстродействующими; они надежнее и удобнее предохранителей. Перего­рание предохранителей или срабатывание автоматов и возможные обрывы в це­пях напряжения могут повлечь за собой неправильное действие некоторых уст­ройств защиты и автоматики. Поэтому они должны снабжаться специальными устройствами, автоматически выводящими их из действия при нарушениях цепей напряжения. В тех случаях, когда указанные нарушения непосредственно не при­водят к неправильной работе устройств защиты и автоматики, достаточна сиг­нализация об исчезновении напряжения [8].