Какие бывают трансформаторы напряжения

Трансформаторы напряжения. Всё, что о них нужно знать

Что необходимо о них знать? Расскажем об этом в предлагаемой статье.

Трансформаторы незаменимы в электроэнергетике, электронике и радиотехнике. Их востребованность объясняется многофункциональностью, простотой устройства, высоким качеством работы (КПД – 99%), долговечной эксплуатацией.

Трансформаторы напряжения – это разновидность трансформаторов, задача которых не преобразовывать, а гальваническая развязка.

От источника электроэнергии или станции ток с высоким напряжением не может использоваться потребителями. Чтобы понизить его на входе устанавливаются понижающие трансформаторы. Они дают возможность работать на расчетном напряжении для бытовой техники, электроприборов и электроники. Их использование позволяет осуществлять работу типовых измерительных приборов. Трансформатор изолирует их от высокого сетевого напряжения, что крайне необходимо для их безопасного обслуживания и эксплуатации.

По назначению они разделяются на два основных вида – повышающие и понижающие. Преобразование напряжения в домашних условиях крайне необходимо. Бытовые приборы, питающиеся от сети 380 или 220 вольт, нуждаются в напряжении в несколько раз меньше. Во избежание выхода из строя бытового оборудования нужны понижающие. При необходимости используют повышающие аналоги.

Кроме главной функции – преобразования напряжения и тока, ТН могут быть источниками питания для автоматики, релейной защиты электролиний от замыкания, сигнализаций и т.п. Также они используются в качестве измерителей напряжения и мощности.

По сути – трансформатор напряжения – это статический электромагнитный прибор, который преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. По конструктивным решениям и по принципу действия он сходен с силовым аналогом.

Устройство трансформатора напряжения

ТН состоят из двух главных элементов:

Обособленных друг от друга, изолированных обмоток (первичной и вторичной).

На первичную обмотку ТН подается ток, а со вторичной он идет к объекту потребления.

Принцип работы

В основе работы ТН лежит его конструкция и явление электромагнитной индукции, возникающей между элементами:

Трансформатор подсоединяется к сети. На его первичную обмотку поступает ток.

Ток переменного характера проходит по магнитопроводу, вызывает магнитный поток, который в свою очередь проходит через обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

К вторичной обмотке поступает ток, возникший под действием ЭДС.

Величина ЭДС тесно связана с числом витков в каждой обмотке. Меняя число витков можно увеличить или уменьшить напряжение, идущее на потребителя с вторичной обмотки.

Виды трансформаторов напряжения

Существует довольно много трансформаторов напряжения. Их функции соответствуют определенному назначению. Поэтому, прежде чем выбирать тот или иной вариант трансформатора, необходимо определиться, для чего он нужен. Все разнообразие этих приборов отличается друг от друга конструкцией, которая и определяет особенности их эксплуатации.

Все ТН условно делятся на виды по определенным критериям:

Число фаз: одно- и трехфазные.

Количество обмоток – две или три.

Класс точности – диапазон допустимых параметров погрешности.

Тип охлаждения – масляные и сухие (воздушное охлаждение).

Способ размещения – внутренние или внешние.

ТН делятся также на группы согласно сферам применения и особенностям эксплуатации:

Заземляемый. Этот вариант представляет собой однофазное или трехфазное устройство. Один из его концов должен быть заземлен – это нейтраль обмотки. В маркировках этих моделей присутствует буква «З», например, ЗНОЛ, ЗНОМ.

Наземляемый. Он не нуждается в заземлении. Обязательно изолируются все уровни, зажимы. В зависимости от уровня напряжения, трансформатор может монтироваться на определенной высоте.

Каскадный. Его основная часть первичная обмотка, состоящая из нескольких секций. Они расположены на разном расстоянии от земли в виде каскада. Все части трансформатора соединены между собой дополнительными обмотками. Особенностью каскадных трансформаторов является то, что с увеличением числа элементов, увеличивается количество погрешностей в работе всей системы.

Емкостный. У этого прибора в отличие от других есть емкостный делитель. Этот вид устройств является пассивным, так как не добавляет мощности. Но хорошо справляется с контролем проходящей энергии по сети и выдает высокий КПД.

Двухобмоточный. Имеет две обмотки. Он может преобразовывать одно напряжение U1 в другое U2.

Трехобмоточный. Имеет кроме первичной обмотки еще две вторичные. Отлично заменяет два двухобмоточных прибора, что выгодно с точки зрения экономии затрат на приобретение электрооборудования.

Что такое трансформатор напряжения и как он работает?

Для передачи электроэнергии на большие расстояния напряжения электрического тока с помощью силовых трансформаторов повышают до сотен тысяч вольт. Поскольку высокие напряжения очень опасны, то для работы электроприборов используют ток после силового понижающего трансформатора. Однако на всей протяженности ЛЭП установлено множество защитных устройств. Для отделения напряжений цепей этих приборов от потенциалов линий электропередач применяют трансформатор напряжения (ТН).

Приборы этого типа часто используются для безопасного способа подключения измерительных приборов. Задача ТН состоит в преобразовании высоковольтных токов линий (свыше 6 кВ) до безопасного уровня. Применение таких трансформаторов удешевляет эксплуатацию энергосистем за счет снижения затрат на изоляцию оборудования, работающего в низковольтных сетях.

Устройство и принцип действия

Конструктивно ТН особо не отличается от других типов преобразующих устройств. Его устройство:

• магнитный сердечник, шихтованный из пластин электротехнической стали;
• первичная катушка;
• одна или две вторичные обмотки;
• защитный кожух (для конструкций уличного типа).

Внешний вид и схематическое изображение изделия смотрите на рис.1. На картинке изображено устройство с одной (основной) вторичной обмоткой. На некоторых моделях есть дополнительная вторичная обмотка, которая может использоваться, например, для подключения приборов измерения.

Рис. 1. Трансформатор напряжения. Строение

Обратите внимание на то, что между выводами первичных обмоток и вторичными катушками отсутствует гальваническая связь. Это главное отличие измерительных трансформаторов от конструкции обычного понижающего трансформатора.

Защитные кожухи изготовляются из разных материалов. В моделях, используемых для обслуживания высоковольтных ЛЭП, применяют диэлектрики, изготовленные из фарфора (рис. 2),

Рис. 2. ТН на 110 кВ

Для охлаждения обмоток таких высоковольтных агрегатов применяют специальные трансформаторные масла.

В сетях средней мощности применяют модели с корпусами на основе эпоксидных смол (рис. 3).

Рис. 3. ТН наружного типа

Трехфазные ТН с нулевыми выводами выполняются на магнитопроводе с пятью стержнями. Такая конструкция защищает обмотки от перегрева, так как при однофазных замыканиях в цепях высоковольтных проводов цепь линий суммарного магнитного потока в самом трансформаторе замыкается по стали сердечника.

Принцип действия также мало отличается от работы силового понижающего трансформатора. Магнитный поток, возникающий в первичной катушке, распространяется по магнитопроводу, вызывая напряжение ЭДС во вторичной обмотке. Величина напряжения зависит от соотношения числа витков в катушках. Поскольку вторичные обмотки состоят из малого количества витков, то и выходное напряжение небольшое (обычно оно не превышает 100 В).

Принцип работы ТН объясняет схема на рисунке 4.

Рис. 4. Принцип работы трансформатора напряжения

Важной задачей при изготовлении трансформаторов данного типа является выполнение требований по достижению необходимых амплитудных и угловых параметров синусоиды, определяющих соответствующий класс точности: 0,5; 1; 3. В эталонных образцах применяется класс точности 0,2. Для измерительных приборов важно чтобы класс точности был максимально высоким. Чем он выше, тем меньшая погрешность измерения прибора.

Точность параметров преобразованных переменных токов зависит от нагрузки. Чем выше нагрузка вторичной цепи, тем больше погрешность трансформатора напряжения (снижается класс точности). Оптимальные параметры напряжения на выходе трансформатора достигаются при номинальных нагрузках. В этом режиме эффективность преобразования тока возрастает по мере приближения к номинальному коэффициенту трансформации.

Работа ТН эффективна при малых номинальных мощностях во вторичных цепях. Для этих устройств длительное состояние в режиме холостого хода является нормой. Поэтому они эффективно используются в системах защиты линий, которые большую часть времени находятся в режиме ожидания и потребляют мало тока.

Разновидности

По конструкции и способам подключения трансформаторы напряжения классифицируются следующим образом:

• двухобмоточный ТН (состоит из первичной катушки и основной вторичной обмотки);
• трехобмоточный (имеет две вторичные обмотки. Одна из них является основной, а другая – дополнительной);
• заземляемый (конструкция однофазных ТН у которых один вывод первичной обмотки уходит на землю.В моделях трехфазных ТН наглухо заземлены все нейтрали);
• незаземляемый;
• тип каскадных трансформаторов (первичную обмотку образуют каскады из секций);
• семейство емкостных трансформаторов, конструкция которых содержит элементы емкостных делителей;
• модели антирезонансных трансформаторов (см. рис. 5).

Можно отдельно выделить низковольтные конструкции, которые используются в некоторых электронных устройствах. Данный класс электронных трансформаторов применяют в тех случаях, когда в электронных схемах необходима развязка, отделяющая цепи высоких напряжений от низких.

Расшифровка маркировки

Для различения разновидностей моделей к ним применяют буквенную маркировку:

• Н – трансформатор напряжения;
• Т – трехфазная модель;
• О – однофазный ТН;
• С – сухой (воздушное охлаждение);
• М – масляный;
• А – антирезонансные модели;
• К – каскадные устройства;
• Ф – фарфоровый тип корпуса;
• И – пятистержневой трансформатор, содержащий обмотку для контроля изоляции;
• Л – конструкции в литом корпусе;
• ДЕ – емкостные;
• З – заземляемые (первичную катушку необходимо заземлять).

Технические параметры

Основные сведения указываются на шильдике трансформатора напряжения.

Рис. 6. Шильдик трансформатора

Технические параметры трансформаторов:

• величина напряжения на первичном фазном входе;
• напряжение на выводах вторичных фазных обмоток;
• коэффициенты мощности;
• максимальные напряжения короткого замыкания.

К важным сведениям относится параметры номинальной частоты и класс точности для номинального коэффициента трансформации. На некоторых моделях изготовители указывают угловые погрешности и допустимые погрешности напряжений.

Схемы подключения

Простейшая схема подключения применяется в пунктах обслуживания линий под напряжением 6 – 10 кВ. Подключенные по такой схеме трансформаторы используются для включения вольтметра и подачи напряжений на реле устройства АВР. Пример такой схемы показан на рис. 7.

Рис. 7. Простая схема подключения трансформатора напряжения

На рисунке 8 приведена схема, применяемая для включения однофазных трансформаторов с целью подачи безопасного напряжения на нагрузки, запитанные от вторичных обмоток. В данной схеме использовано группу однофазных трансформаторов, катушки которых соединены по принципу звезды. Обратите внимание, что первичные обмотки соединены с глухозаземленной нейтралью.

Рис. 8. Еще пример схемы подключения

Данная схема применяется в сетях 0,5 – 10 кВ для подключения измерительных приборов, счетчиков. По аналогичной схеме подключаются вольтметры, используемые для контроля изоляции.

Схема эффективна для приема сигналов, свидетельствующих об однофазных замыканиях на землю. Существуют и другие схемы подключений, в частности по типу соединения открытого треугольника. Особенность таких схем в том, что мощность группы из двух ТН меньше мощности трех устройств соединенных по схеме полного треугольника не в 1,5 раза, а в √3 раз.

В некоторых схемах применяется комбинированное соединение обмоток. Для этого подходит соединение «треугольник – звезда». В работе таких схем номинальное напряжение составляет 173 В. Указанный способ подключения применяется в системах регулирования возбуждения обмоток генераторов и компенсаторов.

Применение

Основное применение первичных преобразователей напряжений – подача питания на обмотки измерительных приборов и подключение реле защиты в сетях 380 В и выше. Трансформаторы позволяют расширить диапазоны измерений и изоляцию реле от высоких межфазных потенциалов. Включение выводов первичных обмоток между фазой и землей дает возможность градуировать шкалы приборов с учетом коэффициента трансформации, что позволяет контролировать первичные параметры линий ЛЭП.

Изменение параметров напряжений в первичных цепях влияет на поведение переменных магнитных потоков. Эти возмущения фиксируются вторичными обмотками, которые реагируют изменением амплитуды тока и частоты колебаний. Сигналы поступают на различные защитные устройства, которые автоматически отключают участки линий с КЗ и с другими критичными отклонениями.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока

Измерительный трансформатор — это трансформатор предназначенный для расширения диапазона измерений измерительных приборов (амперметров, вольтметров, ваттметров и т.д.).

Для измерения больших напряжений (выше 1000 Вольт) и токов (более 100 Ампер) нецелесообразно строить приборы на измерение таких больших величин. Это и экономически невыгодно, и приборы в этом случае будут слишком громоздкими. Не говоря про опасность непосредственной работы с такими большими значениями напряжения и тока.

Поэтому, как правило, при напряжениях свыше 1000Вольт и токах более 100 Ампер перед измерительными приборами ставят соответствующие трансформаторы, чтобы уменьшить контролируемые электрические параметры до величин удобных для измерения: измерительные трансформаторы напряжения (далее — ИТН) — для измерения напряжений, измерительные трансформаторы тока (далее — ИТТ) — для измерения токов.

При использовании измерительных трансформаторов (далее — ИТ) измерительный прибор подключается к сети не напрямую, а опосредованно (косвенно) через ИТ который снижает (как правило, в десятки раз) измеряемый параметр до значения допустимого для измерительного прибора.

Таким образом, что бы считать показания с прибора подключенного через ИТ необходимо знать во сколько раз ИТ снизил измеряемый параметр, а что бы это узнать необходимо знать так называемый коэффициент трансформации ИТ — отношение входного (первичного) тока или напряжения к выходному (вторичному), этот параметр для ИТ является основным и указывается на их корпусах и в паспортах

Зная коэффициент трансформации ИТ достаточно просто умножить на него показания измерительного прибора для точного определения измеряемого параметра сети. Для наглядности разберем следующий пример:

Имеется сеть в которой протекает ток до 80 Ампер и нам необходимо постоянно контролировать в ней величину тока, при этом имеющейся амперметр имеет номинальный ток 5 Ампер, соответственно подключить его в сеть с током 80 Ампер невозможно. Здесь нам и поможет ИТТ, его номинальный ток конечно должен быть больше либо равен максимальному току сети возьмем ИТТ 100/5, где 100 — номинальный ток первичной обмотки, а 5 — номинальный ток первичной обмотки, таким образом его коэффициент трансформации составит Кт=100/5=20.

Соответственно, чтобы в нашем случае определить какой ток протекает в сети необходимо показания амперметра умножить на коэффициент трансформации ИТТ через который он подключен (в нашем случае Кт=20), таким образом если амперметр показывает нам 4 Ампера, значит ток в сети составляет 80 Ампер (4х20), если показания 1,5Ампера — значит 30 Ампер (1,5х20) и т.д.

Аналогично может измеряться и напряжение с помощью измерительного трансформатора напряжения и вольтметра.

Некоторые приборы, такие как ваттметры и счётчики электрической энергии устанавливаемые в электроустановках напряжением выше 1000 Вольт подключаются к электрической сети через ИТТ совместно с ИТН.

Для примера ниже приведена схема включения ваттметра в сеть высокого напряжения через ИТТ и ИТН (схемы подключения счетчиков аналогичны схеме подключения ваттметров, подробнее читайте статью: Подключение счетчика через трансформаторы)

Что бы определить мощность в контролируемой сети необходимо показания ваттметра умножить на общий коэффициент трансформации который является произведением коэффициентов трансформации ИТН (Кн) и ИТТ (Кт), как видно из схемы в нашем случае общий коэффициент трансформации составляет 400.

Аналогичным образом определяется и расход электроэнергии по электросчетчикам подключенным через ИТ. При этом следует учитывать, что в некоторых случаях шкала измерительного прибора может быть отградуирована с учетом коэффициента трансформации ИТ, т.е. в них изначально заложен коэффициент трансформации ИТ через которые они должны подключаться, а в некоторых электронных измерительных приборах, например электронных счетчиках, коэффициент трансформации можно устанавливать в настройках, такие приборы показывают измеряемую величину уже с учетом коэффициента трансформации, соответственно никаких дополнительных действий по ее пересчету выполнять не требуется.

Типы (виды) измерительных трансформаторов и их маркировка

Как уже было сказано выше ИТ бывают двух видов измерительные трансформаторы тока и измерительные трансформаторы напряжения, которые в зависимости от места и способа установки и других особенностей могут иметь различные типы исполнения.

Измерительные трансформаторы напряжения

Трансформаторы напряжения подразделяются по следующим основным типам:

1. По конструктивному исполнению: О — однофазные, Т — трехфазные, 3 — защищенные, В — водозащищенные, А — антирезонансные, П — со встроенным предохранителем, Г — герметичные, 3 — заземляемые, ДЕ — с емкостным делителем;
2. По способу охлаждения: воздушного охлаждения, масляного охлаждения;
3. По виду изоляции: Л — литая, С — воздушно-бумажная, К — компаунд битумный, Ф — фарфоровая покрышка, М – масляная, Г — газовая, П — полимерная;
4. По количеству обмоток: двухобмоточные, трёхобмоточные;
5. По классу точности: по допустимым значениям погрешностей;
6. По числу ступеней трансформации: одноступенчатные, многоступенчатые (каскадные).

Маркировка ИТН выглядит следующим образом:

Буквы после чисел – климатическое исполнение: У — климат умеренный; цифра 3 — для работы в закрытых помещениях с естественной вентиляцией.

Для работы на открытом воздухе нужно использовать аппараты с цифрой 1 после букв У или ХП – холодное помещение, а в помещениях со свободным доступом наружного воздуха — с цифрой 2.

Примеры некоторых типов ИТН:

Измерительные трансформаторы тока

По конструктивному исполнению и применяемой изоляции трансформаторы тока бывают следующих типов:

1. По конструктивному исполнению: О — опорные, П — проходные, Ш — шинные, В — встроенные, Р — разъёмные, электроизмерительные клещи;
2. По виду изоляции: Л – литая изоляция, Ф — фарфоровая покрышка, М – маслонаполненные, Г – газонаполненные, Т — твердая изоляция (кроме фарфоровой и литой), П – в пластмассовом корпусе (полимерном), бескорпусные;
3. По количеству вторичных обмоток: с одной вторичной обмоткой, снесколькими вторичными обмотками;
4. По назначению вторичных обмоток: для измерения, для учёта, для защиты, для измерения и защиты;
5. По числу коэффициентов трансформации: с одним коэффициентом трансформации, с несколькими коэффициентами трансформации;
6. По числу ступеней трансформации: одноступенчатные, многоступенчатые (каскадные).

Маркировка ИТТ имеет следующий вид:

Зачастую в маркировке после класса точности можно увидеть букву «S», например: ТОП- 0,66-1-5-0,5S 300/5, как можно увидеть данный трансформатор имеет класс точности 0,5S, 0,5 обозначает, что погрешность данного трансформатора составляет всего пол процента, но это номинальная погрешность, фактически погрешность может быть больше в зависимости от нагрузки на ИТ, например если проходящий ток через ИТТ слишком мал, то его погрешность будет больше 0,5, что конечно же не очень хорошо, буква S в маркировке ИТТ обозначает, что он входит в свой номинальный класс точности при меньших нагрузках в сравнении с обычными ИТТ.

На рисунке ниже представлены некоторые типы трансформаторов тока:

Устройство и принцип действия измерительных трансформаторов

Принцип действия измерительных трансформаторов, как и других трансформаторов основан на законе электромагнитной индукции, с общим принципом работы трансформаторов вы можете ознакомиться в этой статье.

Устройство измерительных трансформаторов напряжения

ИТН по устройству принципу действия подобны обычным силовым трансформаторам. Они так же содержат две обмотки из медного изолированного провода, хотя их может быть и больше, расположенных на общем замкнутом магнитопроводе изготовленном из электротехнической листовой стали. Изоляция трансформатора напряжения представляет собой заливку эпоксидным компаундом, что создает монолитный блок с высокой степенью электрической прочности.

Устройство измерительного трансформатора тока

Самый простой распространенный трансформатор тока — двухобмоточный. Он имеет одну первичную обмотку с числом витков W1 и одну вторичную обмотку с числом витков W2. Обмотки находятся на общем магнитопроводе, благодаря которому между ними существует электромагнитная (индуктивная) связь. Вторичных обмоток может будет измерительная, другая — может использоваться в цепях защиты. Первичная обмотка в этом случае является общей для всех вторичных обмоток. Часто трансформаторы тока изготовляются с двумя и более сердечниками, на которых размещаются обмотки, их называют кернами.

Первичная обмотка W1 может быть выполнена в виде катушки, намотанной на сердечник и содержать 1-3 витка провода большого сечения, рассчитанного на высокие измеряемые токи I1. Так же она может быть в виде шины встроенной в магнитопровод. В других конструкциях вообще не предусмотрена встроенная первичная обмотка — в них роль первичной обмотки выполняет шина (токопровод) распределительного устройства поверх которой закрепляется ИТТ. Вторичная обмотка W2 может иметь до нескольких сотен витков, благодаря чему ток во вторичной цепи I2 во много раз меньше тока первичной цепи: I2 = I1*W1/W2

Основные характеристики и паспортные данные ИТ

К основным характеристикам измерительных трансформаторов напряжения относятся:

1) Номинальное первичное напряжение U1ном, кВ:

Напряжение, приложенное к первичной обмотке ТН и подлежащее трансформации. Значения напряжения указываются в документации на трансформаторы конкретных типов, а так же выбираются из таблиц.

2) Номинальное вторичное напряжение U2ном, В:

Напряжение, возникающее на зажимах вторичной обмотки ТН при приложении напряжения к его первичной обмотке.

Номинальные напряжения основных вторичных обмоток:

• для однофазных трансформаторов, включаемых на напряжение между фазами, а так же трёхфазных ТН-100В;
• для однофазных трансформаторов, включаемых на напряжение между фазой и землей -100/√3

Номинальные напряжения дополнительных вторичных обмоток:

• для однофазных трансформаторов, работающих в сетях с заземлённой нейтралью-100В;
• для однофазных трансформаторов, работающих в сетях с изолированной нейтралью — 100/3В.

3) Номинальный коэффициент трансформации Кн ном.:

Отношение действующего значения номинального первичного напряжения к действующему значению номинального вторичного напряжения: Кнном. = U1ном/U2ном.

4) Класс точности ТН:

Класс точности любого измерительного прибора представляет собой отклонение реальной величины от номинального значения. Класс точности для измерения, выбирается из ряда: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0, для защиты — 3P; 6P.

5) Номинальная мощностьS, В·А:

Значение полной мощности, указанное в паспорте ТН, которую он отдаёт во вторичную цепь при номинальном вторичном напряжении с обеспечением соответствующего класса точности.

6) Предельная мощностьS, В·А:

Кажущаяся мощность, которую трансформатор напряжения длительно отдаёт при номинальном первичном напряжении, вне класса точности, и при которой нагрев всех его частей не выходит за пределы, допустимые для класса нагревостойкости данного трансформатора.

7) Номинальная частота питающей сети ƒном, Гц:

Номинальная частота напряжения питающей сети должна быть 50 или 60Гц (в отечественных электрических сетях она составляет 50Гц).

Эти паспортные данные наносятся на специальную металлическую пластину, которая закрепляется на видном месте корпуса прибора и называется табличкой или шильдиком.

Измерительные трансформаторы напряжения по техническим характеристикам должны соответствовать ГОСТ 1983-2015.

1. товарный знак предприятия-изготовителя;
2. наименование «трансформатор напряжения»;
3. тип трансформатора;
4. порядковый номер по системе нумерации предприятия-изготовителя;
5. год выпуска;
6. количество фаз;
7. номинальная частота, Гц;
8. категория размещения (в данном случае для внутренней установки — УЗ);
9. классы точности;
10. соответствующие классам точности номинальные мощности, В·А;
11. номинальное напряжение первичной обмотки и номинальныенапряжения каждой из вторичных обмоток, В;
12. мощность дополнительной обмотки, В·А;
13. предельная мощность, В·А;
14. полная масса трансформатора, кг;
15. дополнительная информация в соответствии с документацией на трансформаторы конкретныхтипов.

К основным характеристикам измерительных трансформаторов тока относятся:

1) Номинальноенапряжение Uном, кВ:

Выбирается из стандартного ряда напряжений: 0,66;3;6;10; 15; 20;24; 27; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750. Кроме встроенных трансформаторов.

2) Номинальный первичный ток I1ном, А:

Ток, протекающий в первичной обмотке ТТ и подлежащий трансформации. Может находиться в пределах от 1А до 40кА.

3) Номинальный вторичный ток I2ном, А:

Ток, протекающий во вторичной обмотке трансформатора тока. Обычно это 5А, но может быть 2А и 1А. Причём ток 1А допускается только для трансформаторов тока с номинальным первичным током до 4000А. А так же при больших измерительных расстояниях, чтобы снизить номинальную нагрузку. По заказу допускается изготовление трансформаторов тока с номинальным вторичным током 2 или 2,5А.

4)Номинальный коэффициент трансформации Ктном.:

Отношение действующего значения номинального первичноготока к действующему значению номинального вторичного тока в режиме холостого хода.Определяется по формуле: Ктном. = I1ном/I2ном.

5) Номинальная вторичная нагрузка S2ном, В·А:

Значение вторичной нагрузки, указанноена паспортной табличке ТТ, при котором гарантируется классточности. Определяется характером нагрузки с коэффициентом мощности cosφ.

6) Класс точности:

Обобщённая характеристика ТТ, определяемая установленными пределами допускаемых погрешностей при заданных условиях работы.

Для трансформаторов токасуществуют следующие классы точности: 0,1; 0,2; 0,2S; 0,5; 0,5S; 1,0; 3,0; 5Р; 10Р.

7) Номинальная частота питающей сети ƒном, Гц:

Номинальноезначение частоты напряжения сети, для работы в которой предназначен ТТ, должна быть 50 или 60Гц.

Так же как и трансформаторы напряжения, каждый трансформатор тока должен иметь табличку (шильдик), на которой указаны технические характеристики ТТ.

Измерительные трансформаторы тока по техническим характеристикам должны соответствовать ГОСТ 7746-2015.

Рассмотрим условные обозначения на такой табличке:

1. товарный знак предприятия-изготовителя;
2. наименование «трансформатор тока»;
3. тип трансформатора и климатическое исполнение;
4. порядковый номер по системе нумерации предприятия-изготовителя;
5. номинальное напряжение, кВ (кроме встроенных трансформаторов);
6. номинальный коэффициент трансформации обмоток;
7. номинальная частота, Гц;
8. номера вторичных обмоток;
9. номинальная вторичная нагрузка, В·А;
10. класс точности для вторичных обмоток;
11. год выпуска;
12. масса трансформатора;
13. обозначение документа на трансформатор конкретного типа.

Особенности эксплуатации измерительных трансформаторов

Трансформаторы тока

Особенность эксплуатации ИТТ заключается в необходимости замыкания вторичной обмотки через измерительные приборы и реле или шунты (замыкания накоротко) — в случае если измерительные приборы отсутствуют. То есть ИТТ всегда должен работать в режиме короткого замыкания.

Большую опасность представляет обрыв вторичной обмотки. В этом случае в магнитопроводе создаётся очень большой магнитный поток, который не будет уравновешиваться размагничи­вающим действием вторичной обмотки. Это приводит к тому, что во вторичной, разомкнутой, обмотке может наводиться напряжение в десятки тысяч вольт, опасное для изоляции приборов и обслуживающего персонала. Поэтому, вторичная обмотка ИТТ всегда должна быть заземлена и замкнута накоротко через подключенный к ней измерительный прибор, а в случае необходимости его демонтажа (например с целью замены), должен устанавливаться шунт закорачивающий выводы вторичной обмотки ИТТ и снимается данный шунт только после установки и подключения измерительного прибора.

Трансформаторы напряжения

Трансформаторы напряжения, в отличие от трансформаторов тока, работают в режиме, близком к холостому ходу, так как сопротивление параллельных катушек приборов и реле большое, а ток, потребляемый ими, невелик.

Для обеспечения нормальной работы, ИТН должен быть защищен от токов короткого замыкания со стороны нагрузки, поскольку они вызывают перегрев и повреждение изоляции обмоток, а также приводят к возникновению короткого замыкания в самом трансформаторе. С этой целью во всех незаземлённых проводах устанавливаются автоматические выключатели или предохранители.Защита первичной обмотки от повреждений выполняется при помощи предохранителей.

Подключая измерительные приборы и устройства защиты к ИТН, следует учитывать тот факт, что включение большого количества электроприборов приводит к повышению значения тока во вторичной обмотке и увеличению погрешности измерения.

ВАЖНО! Для обеспечения безопасности работ, проводимых в цепях измерительных приборов и устройств релейной защиты, все вторичные обмотки измерительных трансформаторов тока и напряжения должны иметь постоянное заземление.

Схемы подключения измерительных трансформаторов

Трансформаторы напряжения

Трансформаторы напряжения выполняются в однофазном и трехфазном исполнении. В зависимости от требуемой информации они могут соединяться в различные схемы, как на рисунке ниже.

На рисунке «а» приведена схема включения одного трансформатора напряжения на междуфазное напряжение АВ. Эта схема применяется, когда для защиты или измерений нужно только одно междуфазное напряжение.

На рисунке «б» показана схема соединения двух ИТН в открытый треугольник или в неполную звезду. Эта схема применяется, когда для защиты или измерений нужно иметь два или три междуфазных напряжения.

На рисунке «в» приведена схема соединения трёх однофазных или одного трёхфазного ИТН в звезду. Эта схема используется, когда для защиты и измерений нужны фазные напряжения или же одновременно фазные и междуфазные напряжения.

а рисунке «г» схема соединения трёх ИТН в треугольник–звезда. В этом случае на вторичной стороне будет повышенное напряжение, равное U2 173В. Схема может использоваться для питания электромагнитных корректоров напряжения для устройств автоматического регулирования.

На рисунке «д» представлена схема соединения ИТН в схему разомкнутого треугольника – на сумму фазных напряжений. В этой схеме первичные обмотки соединяются в звезду, а вторичные соединяются последовательно, образуя разомкнутый треугольник. Такое соединение применяется для получения напряжения нулевой последовательности (3Uo), необходимого для включения реле напряжения и реле мощности защиты от замыканий на землю.

Трансформаторы тока

Трансформаторы тока являются однофазными аппаратами и могут быть установлены в одну, две или три фазы измеряемой сети.

В трехфазной сети для подключения измерительных приборов и реле, вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются в различные схемы. Наиболее распространенные из них приведены ниже.

На рисунке «а» схема соединения в полную звезду, которая применяется при необходимости контроля тока во всех трех фазах электрической сети и для включения защиты от всех видов однофазных и междуфазных коротких замыканий.

На рисунке «б» схема соединения в треугольник, применяется для получения большей силы тока во вторичной цепи или сдвига по фазе вторичного тока относительно первичного на 30 или 330 . Так же она используется для получения разности фазных токов, например, для включения дифференциальной защиты трансформатора.

На рисунке «в» схема соединения в неполную звезду, используемая для включения защиты от междуфазных коротких замыканий в сетях с изолированной нейтралью.

На рисунке «г» схема соединения в неполный треугольник “восьмёрка”, которая используется для включения защиты от междуфазных коротких замыканий. Ток равен разнице токов двух фаз, в которых установлены трансформаторы.

На рисунке «д» схема соединения на сумму токов трёх фаз (фильтр токов нулевой последовательности), используемая для включения защиты от коротких замыканий на землю.

На рисунке «е» схема последовательного соединения двух ИТТ, установленных на одной фазе. При таком соединении вторичных обмоток, с одинаковым коэффициентом трансформации, сила тока будет такая же, как при включении в цепь только одного из трансформаторов, при этом нагрузка распределяется поровну по двум. Эта схема применяется при использовании маломощных ИТТ.

На рисунке «ж» схема параллельного соединения вторичных обмоток ИТТ, установленных на одной фазе. Это позволяет уменьшить коэффициент трансформации, суммируя ток вторичных обмоток при данном токе в линии. Коэффициент трансформации этой схемы в два раза меньше коэффициента трансформации одного трансформатора тока. Так, для получения коэффициента трансформации 150/5, соединяют параллельно два стандартных трансформатора тока с коэффициентом трансформации 300/5.

ПРИМЕЧАНИЕ: такие измерительные приборы как электросчетчики и ваттметры могут подключаются одновременно и к ИТТ и к ИТН, ознакомиться со схемами подключения счетчиков через ИТ вы можете здесь: https://elektroshkola.ru/uchet-elektroenergii/podklyuchenie-schetchika-cherez-transformatory/

Выбор ИТ для подключения счётчиков и измерительных приборов

Данный вопрос рассмотрим на примере выбора измерительных трансформаторов для подключения электросчетчиков.

Трансформаторы напряжения

Трансформаторы напряжения необходимо применять при необходимости подключения приборов учёта электроэнергии, а так же других измерительных приборов и реле, в высоковольтных электроустановках (выше 1000 Вольт). Их выбирают по номинальному напряжению, классу точности, вторичной нагрузке, а так же по сечению и длине проводов и кабелей.

Номинальное напряжение первичной обмотки (U1ном.), должно быть равно номинальному напряжению сети (Uс.ном.): U1ном.=Uс.ном.

Класс точности ИТН для присоединения расчётных счётчиков электроэнергии не должен быть более 0,5, для технического учёта – не более 1,0 (ПУЭ п.1.5.16).

Вторичная нагрузка, это мощность приборов и реле подключенных к ИТН. Нагрузка вторичных обмоток измерительных трансформаторов (S2нагр.), к которым присоединяются счётчики, не должна превышать номинальных значений ИТН (S2ном.): S2ном.>S2нагр. Это обеспечивает работу ИТН в заданном классе точности.

Присоединение расчетных счётчиков к трёхфазным трансформаторам напряжения не рекомендуется, т.к. они имеют несимметричную магнитную систему и увеличенную погрешность.

Трансформаторы тока

В цепях распределительных устройств выше 1кВ, а так же 0,4кВ при токах нагрузки более 100А, измерительные устройства, как правило, подключаются через трансформаторы тока.

Рассмотрим пример выбора ИТТ для подключения расчётного счётчика электрической энергии офисного здания.

Напряжении сети — 0,4кВ

Максимальная потребляемая мощность (дневное время) — 75кВт (120 А)

Минимальная потребляемая мощность (ночное время) — 22,5кВт (36 А)

1. Номинальное напряжение трансформатора тока.

Номинальное напряжение ИТТ должно быть не меньше максимального напряжения электроустановки, где требуется установить ИТТ. Выбирается из стандартного ряда по ГОСТ 7746-2015, в кВ: 0,66, 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 750.

В нашем случае измерительный трансформатор должен быть на 0,66кВ.

1. Номинальный ток вторичной обмотки.

Выбирается исходя из номинального (базового) тока счетчика, как правило составляет 5А.

1. Класс точности.

Класс точности ИТТ определяется в зависимости от назначения электросчётчика. Для коммерческого учёта в сетях 0,4кВ класс точности должен быть 0,5S.

1. Номинальный ток первичной обмотки.

Это наиболее важный параметр ТТ. Величина номинального тока ТТ должна быть больше значения максимального тока электроустановки, где монтируется ТТ.Он выбирается из следующего ряда по ГОСТ 7746-2015, в А: 1, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 80, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 750, 800, 1000, 1200, 1500, 1600, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000, 10000, 12000, 14000, 16000, 18000, 20000, 25000, 28000, 30000, 32000, 35000, 40000.

Номинальный первичный ток ИТТ должен быть больше, чем максимальный рабочий ток линии (I1макс, в нашем случае 120Ампер).

Выбираем ближайший больший из стандартного ряда – 150А.

Этот ток определяет коэффициент трансформации (Кт) нашего измерительного трансформатора, который выражается отношением номинального тока первичной обмотки к номинальному току вторичной обмотки:

Кт = I1/I2 → Кт=150/5=30

Таким образом нам необходим трансформатор тока 0,66кВ, 150/5, Кт=30, 0,5S

Согласно пункту 1.5.17 ПЭУ, при максимальной нагрузке присоединения ток во вторичной обмотке трансформатора тока должен составлять не менее 40% номинального тока счётчика, а при минимальной рабочей нагрузке – не менее 5%.

• Проверим выбранный ИТТ на соответствие данному условию:

• Определим ток во вторичной обмотке при максимальной нагрузке:

I2макс. = I1макс./Кт = 120А/30 = 4А.

• Определим ток во вторичной обмотке при минимальной нагрузке:

I2мин. = I1мин./Кт = 36А/30 = 1,2А.

• Определим значение полученного максимального вторичного тока (I2макс.=4А) в процентах от номинального тока счётчика (5А):

I2макс. в % = (I2макс.×100)/Iном.сч. = (4А×100)/5А = 80%.

• Определим значение полученного минимального вторичного тока (I2мин.=1,2А) в процентах от номинального тока счётчика (5А):

I2мин. в % = (I2мин.×100)/Iном.сч. = (1,2А×100)/5А = 24%.

• Проверяем по условиям пункта 1.5.17 ПУЭ:

80% > 40% и 24% > 5% — условия выполняются.

Следовательно ИТТ выбран верно.

ПРИМЕЧАНИЕ: Расчёт измерительных трансформаторов тока и их проверку можно произвести с помощью нашего онлайн калькулятора.

Требования к вторичным цепям измерительных трансформаторов

Сечение и длина проводов и кабелей, согласно пункту 1.5.19 ПУЭ, в цепях напряжения расчётных счётчиков должны выбираться такими, чтобы потери напряжения в этих цепях составляли не более 0,25% номинального напряжения при питании от трансформаторов напряжения класса точности 0,5 и не более 0,5% при питании от трансформаторов напряжения класса точности 1,0. Потери напряжения от трансформаторов напряжения до счётчиков технического учёта должны составлять не более 1,5% номинального напряжения.

При этом, по условию механической прочности, сечение жил проводов и кабелей должно быть не менее 1,5 мм2 для медных жили не менее 2,5 мм2 для алюминиевых жил. Для токовых цепей — 2,5 мм2 для меди и 4 мм2 для алюминия (ПУЭ 3.4.4).

Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.

Трансформаторы

В энергетике и электротехнике постоянно требуется преобразование тока из одного состояния в другое. В этих процессах активно участвуют различные виды трансформаторов, представляющие собой электромагнитные статические устройства, без каких-либо подвижных частей. В основе их действия лежит электромагнитная индукция, посредством которой переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток другого напряжения. При этом частота остается неизменной, а потери мощности совсем незначительные.

Общее устройство и принцип работы

Каждый трансформатор оборудуется двумя или более обмотками, индуктивно связанными между собой. Они могут быть проволочными или ленточными, покрытыми изоляционным слоем. Обмотки наматываются на сердечник, он же магнитопровод, выполненный из мягких ферромагнитных материалов. При наличии одной обмотки, такое устройство называется автотрансформатором.

Принцип действия трансформатора довольно простой и понятный. На первичную обмотку устройства подается переменное напряжение, что приводит к течению в ней переменного тока. Этот переменный ток, в свою очередь, вызывает создание в магнитопроводе переменного магнитного потока. Под его воздействием в первичной и вторичной обмотках происходит наведение переменной электродвижущей силы (ЭДС). Когда вторичная обмотка замыкается на нагрузку, по ней также начинает течь переменный ток. Этот ток во вторичной системе отличается собственными параметрами. У него индивидуальные показатели тока и напряжения, количество фаз, частота и форма кривой напряжения.

В конструкцию простейшего силового трансформатора входит магнитопровод, изготавливаемый из ферромагнитных материалов, преимущественно из листовой электротехнической стали. На стержнях магнитопровода – сердечника располагаются первичная и вторичная обмотки. Первичная обмотка соединяется с источником переменного тока, а вторичная подключается к потребителю.

Типы трансформаторов

В соответствии со своими параметрами и характеристиками, все виды трансформаторов разделяются:

• По количеству фаз могут быть одно- или трехфазными
• В соответствии с числом обмоток, трансформаторы бывают двух- или трехобмоточными, а также двух- или трехобмоточными с расщепленной обмоткой
• По типу изоляции – сухие (С) и масляные (М) или с негорючим заполнением (Н)
• По видам охлаждения – с естественным масляным охлаждением (М), с масляным охлаждением и воздушным дутьем (Д), принудительная циркуляция масляного охлаждения (Ц), сухие трансформаторы с воздушным охлаждением (С). Кроме того, существуют устройства без расширителей, для защиты которых используется азотная подушка.

Виды трансформаторов

Среди многообразных трансформаторных устройств чаще всего встречаются трансформаторы:

• силовые
• измерительные
• специальные

Силовые трансформаторы

Термином «силовой» определяют назначение, связанное с преобразованием высоких мощностей. Вызвано это тем, что большинство бытовых и производственных потребителей электрических сетей нуждаются в питании напряжением 380/220 вольт. Однако доставка его на большие расстояния связана с огромными потерями энергии, которые снижаются за счет использования высоковольтных линий.

Воздушные ЛЭП высокого напряжения соединяют в единую сеть подстанции с силовыми трансформаторами соответствующего класса.

Силовой трансформатор 110 кВ

А по другим линиям напряжение 6 или 10 кВ подводится к силовым трансформаторам, обеспечивающих питанием 380/220 вольт жилые комплексы и производственные предприятия.

Силовой мачтовый трансформатор 10 на 0,4 кВ

Измерительные трансформаторы

В этом классе работают два вида устройств, обеспечивающих в целях измерения параметров сети преобразования:

1. тока
2. напряжения

Измерительные трансформаторы создаются с высоким классом точности. Во время эксплуатации их метрологические характеристики периодически подвергают поверке на правильность измерения как величин, так и углов отклонения векторов тока и напряжения.

Трансформаторы тока

Главная особенность их устройства заключается в том, что они постоянно эксплуатируются в режиме короткого замыкания. У них вторичная обмотка полностью закорочена на маленькое сопротивление, а остальная конструкция приспособлена для такой работы.

Чтобы исключить аварийный режим входная мощность ограничивается специальным устройством первичной обмотки: в ней создается всего один виток, который не может создать при протекании по нему тока большого падения напряжения на обмотке и, соответственно, передать в магнитопровод высокую мощность.

Этот виток врезается непосредственно в силовую цепь, обеспечивая его последовательное подключение. У отдельных конструкций просто создается сквозное отверстие в сердечнике, через которое пропускают провод с первичным током.

Нагрузку вторичных цепей трансформатора тока, находящегося под напряжением, нельзя разрывать. Все провода и соединительные клеммы по этой причине изготавливаются с повышенной механической прочностью. В противном случае на разорванных концах сразу возникает высоковольтное напряжение, способное повредить вторичные цепи.

Благодаря работе трансформаторов тока создается возможность обеспечения постоянного контроля и анализа нагрузок, протекающих в электрической системе. Особенно это актуально на высоковольтном оборудовании.

Измерительные трансформаторы тока 110 кВ

Номинальные значения вторичных токов измерительных трансформаторов энергетики принимают в 5 ампер для оборудования до 110 кВ включительно и 1 А — выше.

Широкое применение трансформаторы тока нашли в измерительных приборах. За счет использования конструкции раздвижного магнитопровода удается быстро выполнять различные замеры без разрыва электрической цепи, что необходимо делать при использовании обычных амперметров.

Токовые клещи с раздвижным магнитопроводом трансформатора тока позволяют обхватить любой проводник с напряжением и замерить величину и угол вектора тока.

Трансформаторы напряжения

Отличительная особенность этих конструкций заключается в том, что они работают в режиме, близком к состоянию холостого хода, когда величина их выходной нагрузки невысокая. Они подключается к той системе напряжений, величина которой будет измеряться.

Измерительный трансформатор напряжения 110 кВ

Измерительные трансформаторы напряжения обеспечивают гальваническую развязку оборудования первичных и вторичных цепей, работают в каждой фазе высоковольтного оборудования.

Из них создают целые комплексы систем измерения, позволяющие фильтровать и выделять различные составляющие векторов напряжения, учет которых необходим для точной работы защит, блокировок, систем сигнализации.

За счет работы трансформаторов тока и напряжения снимают вектора вторичных величин, пропорциональные первичным в реальном масштабе времени. Это позволяет не только создавать цепи измерения и защит по току и напряжению, но и за счет математических преобразований векторов анализировать состояние мощностей и сопротивлений в действующей электрической системе.

Специальные виды трансформаторов

К этой группе относят:

• разделительные
• согласующие
• высокочастотные
• сварочные и другого типа трансформаторные устройства, созданные для выполнения специальных электрических задач

Разделительные трансформаторы

Размещение двух обмоток совершенно одинаковой конструкции на общем магнитопроводе позволяет из 220 вольт 50 герц на входе получать такое же напряжение на выходе.

Напрашивается вопрос: зачем делать такое преобразование? Ответ прост: в целях обеспечения электрической безопасности.

Разделительный трансформатор с системой контроля изоляции, тока нагрузки, температуры трансформатора

При пробое изоляционного слоя провода первичной схемы, на корпусе прибора появляется опасный потенциал, который по случайно сформированной цепи через землю способен поразить человека электрическим током, нанести ему электротравму.

Гальваническое разделение схемы позволяет оптимально использовать питание электрооборудования и в то же время исключает получение травм при пробоях изоляции вторичной схемы на корпус.

Поэтому разделительные трансформаторы широко используются там, где проведение работ с электроинструментом требует принятия дополнительных мер безопасности. Также они широко используются в медицинском оборудовании, допускающем непосредственный контакт с телом человека.

Высокочастотные трансформаторы

Отличаются от обычных материалом магнитопровода, который способен, в отличие от обычного трансформаторного железа, хорошо, без искажений передавать высокочастотные сигналы.

Используется в электротермии, в частности при индукционном нагреве в электротермических установках для высокочастотной сварки металлов, плавки, пайки, закалки и т.д.

Согласующие трансформаторы

Основное назначение — согласование сопротивлений разных частей в электронных схемах. Согласующие трансформаторы нашли широкое применение в антенных устройствах и конструкциях усилителей на электронных лампах звуковых частот.

Сварочные трансформаторы

Первичная обмотка создается с большим число витков, позволяющих нормально обрабатывать электрическую энергию с входным напряжением 220 или 380 вольт. Во вторичной обмотке число витков значительно меньше, а ток протекающий по ним высокий. Он может достигать тысяч ампер.

Поэтому толщина провода этой цепи выбирается повышенного поперечного сечения. Для управления сварочным током существует много различных способов.

Сварочные трансформаторы массово работают в промышленных установках и пользуются популярностью у любителей изготавливать различные самоделки своими руками.

Рассмотренные виды трансформаторов являются наиболее распространёнными. В электрических схемах работают и другие подобные устройства, выполняющие специальные задачи технологических процессов.