Трансформаторы напряжения в сущности ничем не отличаются от силовых трансформаторов небольшой мощности. Их применяют в сетях напряжением 380 в и выше. Первичная обмотка трансформатора напряжения подключается к сети параллельно, а ко вторичной обмотке подключают параллельные катушки измерительных приборов и реле. Для обеспечения высокой точности работы трансформаторов напряжения их нагружают значительно меньше, чем это возможно по условиям нагрева, при этом ток нагрузки соизмерим с током намагничивания.
Каждый трансформатор напряжения характеризуется его номинальным коэффициентом трансформации kном (обозначается в паспорте трансформатора), под которым понимают отношение номинальных напряжений U1ном и U2ном первичных и вторичных обмоток.
Коэффициент трансформации вместе с тем приблизительно равен отношению числа витков первичной обмотки w1 к числу витков вторичной w2, т. е.
На рис. 5.33 представлена векторная диаграмма, построенная несколько отлично от известной диаграммы силового трансформатора, однако полностью соответствующая равенству (5.12). Такой вид диаграммы удобен для анализа погрешностей трансформатора напряжения. Для анализа удобно также принять, что напряжение U% неизменно. Найдем зависимость U1 от нагрузки и ее коэффициента мощности, полагая, что I0 неизменно.
Допустим, что нагрузка при неизменном коэффициенте мощности возрастает. Тогда, что следует из диаграммы, с ростом I2 треугольник падений напряжений от тока I3 в первичной и вторичной обмотках
Рис. 5.33. Векторная диаграмма трансформатора напряжения
Возрастет, следовательно, и погрешность в напряжении, которая определится как
увеличится и возрастет.
Можно показать, что этот вывод справедлив для любого коэффициента мощности нагрузки.
Из диаграммы следует, что погрешность в напряжении возрастет и при увеличении /0, что имеет место при повышении напряжения сети вверх от номинального. Однако зависимость ∆U от I0 у трансформатора напряжения меньше, чем у трансформатора тока.
Зависит погрешность ΔU и от коэффициента мощности нагрузки: с уменьшением его треугольник падений напряжений от тока I2 поворачивается по направлению вращения часовой стрелки вокруг точки В, вектор U1 растет, следовательно, растет и AU.
Заметим, что, назначив трансформатору напряжение /гпом несколько большим, чем отношение витков, можно искусственно улучшить характеристику трансформатора. Так, можно погрешность ΔU при I2 = 0 сделать положительной, тогда при некотором значении I2 ΔU уменьшится до нуля и при дальнейшем росте I2 станет отрицательной. Аналогичного результата добиваются путем искусственного подбора w2 (подгонки витков) после выбора стандартной величины kном. Стремятся к тому, чтобы обеспечить ΔU=0 при I2 ≈ 0,5 I2ном.
Угловой погрешностью трансформатора напряжения называется угол между вектором первичного напряжения и повернутым на 180° вектором вторичного напряжения.
Из векторной диаграммы видно, что с ростом I2 при cos φ2 ≈ 1,0 угловая погрешность некоторое время остается положительной, затем проходит через нулевое значение и возрастает, сменив свой знак. При cos φ2 = 0,5 с ростом I2 значение δ все время возрастает. Очевидно, что δ растет и с ростом I0, однако эта зависимость сравнительно небольшая.
Для уменьшения угловой погрешности можно к основной части обмотки каждой из фаз добавить некоторое число витков обмотки соседней фазы, т. е. соединить первичную обмотку в зигзаг, что искусственно привносит угловой сдвиг, компенсирующий угловую погрешность при индуктивной нагрузке трансформатора напряжения.
В связи с тем что зависимость ΔU и δ от I0 сравнительно невелика, в трансформаторе напряжения оказывается возможным принять за рабочую примерно в 10 раз большую индукцию, чем в трансформаторе
Рис. 5.34. Схемы включения трансформаторов напряжения: а — одного однофазного; б — двух однофазных; в — пятистержневого трехфазного трехобмоточного
тока, рассчитываемом так, чтобы рабочая индукция соответствовала максимуму магнитной проницаемости. Вместе с тем для уменьшения I0 выбирают стали с высоким значением μ.
Трансформаторы напряжения подразделяют на четыре класса: 0,2; 0,5; 1 и 3, каждый из которых характеризуется наибольшими погрешностями, приводимыми в табл. 5.2 в соответствии с ГОСТ 1983—67. В табл. 5.2 приведены также обычные области применения трансформаторов напряжения каждого класса точности.
Трансформатор напряжения имеет несколько номинальных мощностей, каждой из которых соответствует определенный класс точности трансформатора. В зависимости от нагрузки трансформатор напряжения работает в том или другом классе точности. На паспортном щитке трансформатора напряжения указывают наивысший класс точности, в котором он может работать.
Трансформатор напряжения характеризуется также предельной мощностью, определяемой условиями его нагрева. Эта мощность используется при применении трансформатора в качестве силового для питания сигнальных ламп, отключающих или удерживающих катушек АВВ и т. д.
Трансформаторы напряжения по числу фаз подразделяют на одно- и трехфазные, по числу обмоток — на двух- и трехобмоточные. Из схем включения трансформаторов напряжения, получивших наибольшее распространение, на рис. 5.34 представлены три схемы.
Таблица 5.2
Погрешности трансформаторов напряжения в зависимости от классов точности
Схема рис. 5.34, а предполагает включение лишь одного однофазного трансформатора напряжения. Схема проста, применяется в однофазных установках. В трехфазных установках применяется тогда, когда достаточно иметь одно из трех междуфазных напряжений.
Схема рис. 5.34, б удобна тем, что в ней всего два однофазных трансформатора, включенных в открытый треугольник. Вместе с тем она позволяет получить на вторичной стороне три междуфазных напряжения. Схема нашла большое применение в трехфазных сетях, работающих с малым током замыкания на землю, в частности ее широко применяют в судовых электрических установках трехфазного тока.
В сетях с малым током напряжения на землю (от 380 в до 18 кв) широкое применение нашла схема рис. 5.34, в с пятистержневым трехфазным трехобмоточным трансформатором. В этой схеме основные вторичные обмотки, соединенные звездой, позволяют включать приборы на междуфазные и фазные напряжения. Дополнительные вторичные обмотки используются для контроля состояния изоляции и питания некоторых схем релейной защиты.
Трансформаторы напряжения защищают с первичной и вторичной сторон предохранителями. Предохранители с первичной стороны защищают питающую сеть при к. з. в самом трансформаторе, тогда как предохранители со вторичной стороны защищают трансформатор при больших перегрузках и к. з. во вторичной цепи.
