Трансформаторы напряжения

5.2.1. Общие сведения Как и трансформаторы тока, трансформаторы напряжения выполняют две функции: служат для разделения (изоляции) первичных и вторичных цепей, а так же, для приведения величи­ны напряжения к уровню удобному для измерения (стандартное номинальное напряжение вторичной обмотки: 100/57 В). ТН работают в режиме близком к холостому ходу. Трансформатор напряжения (ТН) по принципу действия и конструктивному выполнению ана­логичен силовому трансформатору.

Как показано на рис. 4.8, трансформатор напряжения TV состоит из стального сердечника (магнитопровода) С, собранного из тонких пластин транс­форматорной стали, и двух обмоток - первичной и вторичной, изолированных друг от друга и от сердечника.

Первичная обмотка w₁, имеющая большое число витков (несколько тысяч) тонкого провода, включается непосредственно в сеть высокого напряжения, а к вторичной обмотке w₂ имею­щей меньшее количество витков (несколько сотен), подключаются параллельно реле и изме­рительные приборы. Под воздействием напряжения сети по первичной обмотке проходит ток, создающий в сердечнике переменный магнитный поток Ф, который, пересекая витки вторич­ной обмотки, индуктирует в ней ЭДС Е, которая при разомкнутой вторичной обмотке (холо­стой ход ТН) равна напряжению на ее зажимах U_2x

Напряжение U_2x во столько раз меньше первичного напряжения U₁, во сколько раз число витков вторичной обмотки w₂ меньше числа витков первичной обмотки w₁,

Отношение чисел витков обмоток называется коэффициентом трансформации и обозначается

K_U = w₁/w₂ (4.24)

Если ко вторичной обмотке ТН подключена нагрузка в виде реле и приборов, то напряжение на ее зажимах U₂ будет меньше ЭДС на величину падения напряжения в сопротивлении вторичной обмотки. Однако поскольку это падение напряжения невелико, оно не учитывается и пересчет первичного напряжения на вторичное производится по формулам:

U₁=U₂·K_U

Для правильного соединения между собой вторичных обмоток ТН и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счетчиков заводы-изготовители обозначают (маркируют) выводные зажимы обмоток определенным образом: начало первичной обмотки - А, конец - X; начало основной вторичной обмотки - а, конец - х, начало дополнительной вто­ричной обмотки – a_д, конец - х_д.

На рис. 4.10 и 4.11 приведены основные схемы соединения обмоток однофазных ТН.

На рис. 4.10, а дана схема включения одного ТН на междуфазное напряжение. Эта схема применяется, когда для защиты или измерений достаточно одного междуфазного напряже­ния.

На рис. 4.10, б приведена схема соединения двух ТН в открытый треугольник, или в неполную звезду. Эта схема, получившая широкое распространение, применяется, когда для защиты или измерений нужно иметь два или три междуфазных напряжения.

На рис. 4.10, е приведена схема соединения трех ТН в звезду. Эта схема также получила ши­рокое распространение и применяется, когда для защиты или измерений нужны фазные на­пряжения, или же фазные и междуфазные напряжения одновременно.

На рис. 4.10, г приведена схема соединения трех ТН треугольник- звезда. Эта схема обеспе­чивает повышенное напряжение на вторичной стороне, равное - 173 В. Такая схема, в част­ности, используется для питания электромагнитных корректоров напряжения устройств авто­матического регулирования возбуждения генераторов.

На рис. 4.11 представлена схема соединения трансформаторов напряжения, имеющих две вторичные обмотки.

Рис.4.11 Схема соединения обмоток ТН с двумя вторичными обмотками

Первичные и вторичные основные обмотки соединены в звезду, т.е. так же как в рассмотренной выше схеме на рис. 4.10, в Дополнительные вторичные обмотки со­единены в схему разомкнутого треугольника (на сумму фазных напряжений). Такое соедине­ние применяется для получения напряжения нулевой последовательности, необходимого для включения реле напряжения и реле направления мощности защиты от однофазных КЗ в сети с заземленными нулевыми точками трансформаторов, и для сигнализации при однофазных замыканиях на землю в сети с изолированными нулевыми точками трансформаторов. Как из­вестно, сумма трех фазных напряжении в нормальном режиме, а также при двух-трехфазных КЗ равна нулю. Поэтому, в указанных условиях напряжение между точками О₁—0₂ на рис. 4.11 равно нулю (практически между этими точками имеется небольшое напряжение: 0,5-2 В, которое называется напряжением небаланса). При однофазном КЗ в сети с заземленными нулевыми точками трансформаторов (сети 110 кВ и выше) фазное напряжение поврежденной фазы становится равным нулю, а геометрическая сумма фазных напряжений двух неповреж­денных фаз оказывается равной фазному напряжению.

В сети с изолированными нулевыми точками трансформаторов (сети 35 кВ и ниже) при одно­фазных замыканиях на землю напряжения неповрежденных фаз относительно земли стано­вятся равными междуфазному напряжению, а их геометрическая сумма оказывается равной утроенному фазному напряжению. Для того чтобы в последнем случае напряжение на реле не превосходило номинального значения, равного 100 В, у ТН, предназначенных для сетей, работающих с изолированными нулевыми точками трансформаторов, вторичные дополни­тельные обмотки, соединяемые в схему разомкнутого треугольника, имеют увеличенные в 3 раза коэффициент трансформации, например 6000/100/3 В.

Это заземление является защитным, обеспечивающим безопасность персонала при попадании высокого напряжения во вторичные цепи. Обычно заземляется нулевая точка звезды (рис. 4.10, в и г) или один из фазных проводов - как правило, фазы «В» - для удобства проверки правильности включения электросчетчиков (рис. 4.10, а и б, 4.11). В проводах, соединяющих точку заземления с обмотками ТН, не должно быть коммутационных и защитных аппаратов (рубильников) переключателей, автоматических выключателей, предохранителей и т. д.). Сечение заземляющего провода должно быть не менее 4 мм² (по меди).

Для защиты трансформаторов напряжения со стороны ВН обычно используются высоковольтные предохранители (например, ПКТ-10, ПКТ-35). Для защиты вторичных обмоток трансформаторов напряжения от перегрузок и КЗ применяются автоматические выключатели. В схемах указаны меры, которые предпринимаются для защиты сети от самопроизвольного смещения нейтрали при феррорезонансе трансформатора напряжения. Феррорезонанс возникает в случае, когда емкость, какой либо фазы в сети компенсируется индуктивностью трансформатора напряжения, в этой фазе напряжение меняет знак и напряжение нейтрали приобретает величину ЗU_ф. Такое явление может произойти при малой емкости сети - подаче напряжения на холостые шины, или в случае, если общая длина подключенных кабелей меньше 3 км, а воздушных линий меньше 60 км.

Трансформаторы напряжения типа НАМИ-10, благодаря антирезонансным свойствам, обу­словленным особенностью конструкции, имеют повышенную (по сравнению с НТМИ-10) на­дежность и устойчивость к перемежающимся дуговым замыканиям на землю.

Недавно начат выпуск принципиально новых, не имеющих аналогов трехфазных трансформаторов напряжения HTM(i), предназначенных для использования в сети 6-35кВ с изолированной нейтралью (на смену НТМИ, ЗНОМ, НАМИ). В трансформаторе HTM(i) обметки соединены по схеме «открытый треуголь­ник/треугольник», чем устраняется основная причина повреждений ТН при любых видах замыканий на землю. Для контроля изоляции сети в HTM(i) использован блок с трехфазным резистивным делителем, включенным между фазами сети и землей, HTM(i) обеспечивают повышение достоверности учета электроэнергии как в нормальном режиме, так и при длительных однофазных замыканиях на землю. Контроль замыкания на землю имеет чувствительность на уровне 10% от U_ф. АО «Самарский трансформатор» разработан специальный антирезонансный трансформатор НАМИТ-6(10)-2. В этом трансформаторе на общем магнитопроводе намотаны дополнитель­ные первичная и вторичная обметки нулевой последовательности (ТНП). Первичная обмотка включается между нейтралью ТН и землей. Вторичная дополнительная обмотка выводится отдельно. При замыкании выводов вторичной дополнительной обмотки, первичная работает в короткозамкнутом режиме, и не влияет на процессы в сети.