Применение трансформаторов напряжения

Измерительные трансформаторы напряжения применяют в установках переменного тока напряжением 380 В и выше для питания обмоток напряжения измерительных приборов и реле защиты, расширения пределов измерения приборов, изоляции их и реле от высокого первичного напряжения.
Трансформаторы понижают напряжение, приложенное к первичной обмотке, до величины 100 В или 100ν3 В при включении обмотки ВН между фазой и землей, что позволяет унифицировать конструкции измерительных приборов и реле, а шкалы приборов градуировать с учетом коэффициента трансформации в соответствии с измеряемым первичным напряжением. Такие приборы и реле имеют простую конструкцию, дешевы, надежны и могут обладать высокой точностью измерения.
Включение приборов и реле через трансформаторы напряжения обеспечивает безопасность их обслуживания и позволяют устанавливать их на значительном расстоянии от цепей высокого напряжения. По принципу выполнения, схемам включения и особенностям работы трансформаторы напряжения ничем не отличаются от силовых понижающих трансформаторов. Они состоят из стального сердечника, набранного из пластин листовой электротехнической стали, первичной обмотки и одной или двух вторичных обмоток. На рис. показан однофазный трансформатор напряжения TV, подключенный первичной обмоткой W, к сети напряжением, ко вторичной обмотке W2 подключены параллельно вольтметр Р V, реле напряжения KV и счетчик активной энергии PI на напряжение Uv.

Схема подключения приборов и реле к сети через однофазный трансформатор напряжения.
Важным параметром, характеризующим преобразование напряжения трансформатором напряжения, является его номинальный коэффициент трансформации

где
U 1ном и U 2ном — номинальные первичное и вторичное напряжения, В;
W1и W2 — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора напряжения.
Важнейшим требованием, предъявляемым к трансформаторам напряжения является требование точности измерения, т.е. необходимость возможно меньшей погрешности, вносимой в измерения. Погрешность, которую вносит трансформатор при измерении напряжения, возникающая вследствие того, что действительный коэффициент трансформации, отличается от номинального Кмакс, выражается в процентах

где
U1, и U2 — действительные значения первичного и вторичного напряжения, В.
Кроме погрешности в величине напряжения U трансформатор напряжения вносит и угловую погрешность 8, которая представляет собой угол между вектором первичного напряжения U1 и повернутым на 180° вектором вторичного напряжения U2.
Погрешность трансформатора напряжения в величине напряжения вносит ошибку в показания всех измерительных приборов. По ее величине в процентах трансформаторы напряжения делятся на четыре класса точности (табл. 3.3). Класс точности — погрешность, выраженная в процентах.
Трансформаторы напряжения класса точности 0,2 применяют в качестве образцовых, а также для точных измерений в лабораториях: Для подключения счетчиков денежного расчета используются трансформаторы класса точности 0,5. Для присоединения щитовых измерительных приборов используют трансформаторы классов 1 и 3. Требования, предъявляемые к трансформаторам для релейной защиты, зависят от вида защиты. Здесь могут быть использованы трансформаторы классов 0,5; 1 и 3.

Таблица 3.3.

Для каждого класса точности устанавливается номинальная мощность вторичной обмотки трансформатора, при которой его погрешность при номинальном первичном напряжении не превышает значений, указанных в табл. С увеличением вторичной нагрузки трансформатора погрешность возрастает и класс точности снижается. Наивысший класс точности является номинальным.
Кроме номинальной мощности каждый трансформатор напряжения характеризуется максимальной мощностью, которую, он может обеспечить, длительно работая вне классов точности в качестве понижающего силового трансформатора без недопустимого перегрева обмоток.
По конструкции и области применения трансформаторы напряжения классифицируются:
по роду установки — для внутренней и наружной установки;
по способу изоляции — с сухой (литой) изоляцией (от 380 В до 6 кВ) и масляной (от 3 кВ и выше);
по числу фаз — однофазные и трехфазные (трехстержневые и пятистержневые);
по числу вторичных обмоток — с одной и двумя обмотками;
по количеству высоковольтных вводов однофазных трансформаторов — с одним вводом для подключения на фазное напряжение и двумя вводами для подключения на линейное напряжение;
Предельно допустимые погрешности трансформаторов напряжения
Каждому типу трансформатора напряжения присваиваются буквенно-цифровые условные обозначения:
Н — трансформатор напряжения; Т — трехфазный; О —однофазный;
3 — с заземленным выводом первичной обмоткой (с одним вводом обмотки ВН);
С — сухой (сухая изоляция обмоток ВН и НН); М — масляный (с бумажной изоляцией, погруженной в масло); Л — литой (с литой смоляной изоляцией); К — каскадный (однофазный на 110 кВ и выше); К — с компенсирующей обмоткой для уменьшения угловой погрешности (трехфазный);
И— пятистержневой, с обмоткой для контроля изоляции фаз сети; Ф — в фарфором корпусе;
— первая группа цифр
— класс напряжения обмотки ВН в киловольтах;
вторая группа цифр — год разработки конструкции. На рис. показан внешний вид и выемная часть трансформатора НОМ-10 (трансформатор напряжения однофазный масляный 10 кВ). Он состоит из бака 4, заполненного трансформаторным маслом и закрытого крышкой, на которой закреплены выводы обмоток НН, и ВН, расположена пробка 8 для долива масла, закреплен болт 2 для заземления трансформатора. На магнитопроводе 7 расположены обмотки 6. Магнитопровод. однофазный, броневого типа. Обмотки слоевые, намотанные на цилиндр из электрокартона одна поверх другой (сверху — обмотка ВН, внутри обмотка НН). Такой трансформатор имеет значительные размеры и массу (высота 495 мм, масса — 36 кг). По мере повышения напряжения размеры, масса и стоимость трансформаторов такой конструкции быстро увеличивается.

Трансформатор напряжения НОМ—10:
а — внешний вид; б — внешняя часть
В более новых конструкциях трансформаторов напряжения применяют однородную изоляцию из бумаги, пропитанной маслом, которая является продолжением изоляции обмоток и входит в фарфор высоковольтных вводов. Масло в изоляторах сообщается с маслом в кожухе, поэтому воздушное пространство под крышкой отсутствует, что ведет к резкому уменьшению изоляционных расстояний, размеров кожуха и количества масла.

На рис. 2, а показан внешний вид однофазного трансформатора типа НОМ-35-66 (напряжения однофазный масляный, 35 кВ, 1966 года разработки), предназначенного для измерения линейного напряжения. На рис. 2, б показан внешний вид трансформатора типа 3HOM-35-65 (напряжения однофазный масляный 35 кВ, 1965 года разработки), разработанного для измерения фазного напряжения. Трансформатор имеет один ввод В Я,, изолированный на полное напряжение фазы, конец обмотки присоединен к заземленному кожуху (буква 3 в типе трансформатора). Вводы вторичных обмоток трансформаторов НОМ-35 и 3HOM-35 расположены в коробке 2. Заземление кожухов осуществляется путем соединения болта 3 с контуром заземления электроустановки. Уровень масла в высоковольтных вводах контролируется с помощью маслоуказателя 4.

Рис. 2. Однофазные трансформаторы напряжения: а — типа НОМ-35-66; б — типа 3HOM-35-65

Для напряжений 110 кВ и выше выпускают каскадные трансформаторы с фарфоровым корпусом типа НКФ. На рис. 3 представлены общий вид и схема трансформатора напряжения на 100 кВ типа НКФ-110. Трансформатор состоит из фарфорового цилиндрического корпуса 4, смонтированного на транспортной тележке с катками 5. В верхней части расположен расширитель 2 d маслоуказателем 3 и вводом, к которому присоединяется начало обмотки ВН, а ее конец — к транспортной тележке. Вводы вторичной обмотки 1 располагаются в коробке 6. По углам тележки располагаются четыре подъемных рым-болта 7. Обмотка ВН трансформатора (рис. 3, 6) состоит из двух секций 1 и 2, каждая из которых располагается на своем сердечнике 3 и 4. Средние точки секций первичной обмотки соединены с сердечниками.

а — каскадный трансформатор напряжения НКФ-110; 6 — его электрическая схема

На каждую секцию обмотки при разомкнутой цепи вторичной обмотки 5 (холостой ход трансформатора) приходится половина напряжения фазы. Сердечники изолируют друг от друга на напряжение U2, а крайние витки секций от сердечников — только на UJ4. Такое облегчение условий работы изоляции между секциями и их сердечниками способствует снижению габаритов и массы трансформатора и снижению его стоимости. Вторичная обмотка 5распола-
Неравенство токов по величине во вторичных обмотках трансформаторов тока приводит к появлению в реле КА тока небаланса рабочего режима, который значительно возрастает при возникновении внешнего КЗ. При вычислении тока небаланса учитывают три его составляющие. Первая из них обусловлена различием характеристик намагничивания трансформаторов тока, питающих защиту. Вторая связана с изменением коэффициента трансформации силового трансформатора при регулировании напряжения, поскольку при этом изменяется соотношение между токами 12х и 122. Третья составляющая учитывает неполное равенство токов в реле от неточного их выравнивания в плечах циркуляции.
Компенсация неравенства тока осуществляется установкой автотрансформаторов со стороны более мощных и менее нагруженных трансформаторов тока. За счет отпаек осуществляют регулирование тока /А2, протекающего через реле К А от автотрансформатора. Несмотря на установку автотрансформаторов в реле все-таки протекает некоторый ток небаланса, от которого защита должна быть отстроена по условию

где
К3 и К '3 — коэффициенты запаса;
Iнб макс — максимальный ток небаланса при внешнем КЗ.
Броски токов намагничивания, возникающие в первичной обмотке трансформатора при его включении или восстановлении на нем напряжения, могут в 6-8 раз превышать амплитуду нормального тока. Для дифференциальной защиты такие броски токов намагничивания соответствуют КЗ в защищаемой зоне, так как ток в реле поступает только от одного трансформатора тока. Затухание броска тока происходит в течение 1...2 с. Однако уже по истечении 0,3...0,5 с его максимальное мгновенное значение становится меньше амплитуды номинального тока трансформатора. Отстройка защиты от бросков токов намагничивания может осуществляться загрублением защиты по току срабатывания (завышением /сз и снижением ее чувствительности), выдержкой времени защиты на время до затухания броска тока (защита теряет свое быстродействие).
Насыщающиеся трансформаторы тока (НТТ) обеспечивают отстройку защиты от бросков токов намагничивания с сохранением необходимой чувствительности и быстродействия. Для выполнения защиты применяется реле типа РНТ-565.

Трансформаторы напряжения типа НКФ на напряжения выше 110 кВ собираются из одинаковых элементов, соединяемых последовательно и размещаемых по два в одном фарфоровом корпусе.
В электроустановках напряжением выше 1000 В трехфазные трансформаторы напряжения применяются на напряжение до 20 кВ включительно типов НТМК или НТМИ. Трансформаторы типа НТМК (напряжения трехфазный масляный компенсированный) имеют трехстержневой сердечник. На каждом стержне размещены обмотки ВН и НН одной фазы (рис. 4, а). Основные витки каждой фазы обмотки ВН соединены с небольшим числом витков другой фазы, чем достигается поворот вектора первичного напряжения на угол, соответствующий угловой погрешности. Трансформаторы типа НТМК могут быть использованы только для измерения линейный напряжений электроустановки.
На рис. 4, б схема подключения трансформатора типа НТМИ (напряжения трехфазный масляный для контроля изоляции) к шинам электроустановки и приборов к нему. Трансформатор выполняется с пятистержневым сердечником, крайние стержни которого обеспечивают замыкание в них магнитных потоков нулевой последовательности, соответствующих напряжениям и токам нулевой последовательности при замыканиях на землю.
Первичные и основные вторичные обмотки трансформаторов типа НТМИ соединяют в звезду с заземленной нейтралью, что позволяет включать измерительные приборы и реле на линейные и фазные напряжения.

Рис. 4. Схемы соединения трехфазных трансформаторов напряжения: а — типа НТМК; б — типа НТМИ; в — типа НАМИ

Дополнительные вторичные обмотки соединяют в разомкнутый треугольник. В нормальном режиме работы сумма напряжений трех фаз треугольника равна нулю и напряжение на разомкнутых выводах треугольника отсутствует. При замыкании на землю одной из фаз сети шунтируется обмотка ВН этой фазы трансформатора, ток в ней отсутствует, не наводится напряжение в обмотке этой фазы разомкнутого треугольника. Суммарно напряжение двух других неповрежденных фаз появляется на реле контроля изоляции К V, которое своими контактами замыкает цепь звуковой сигнализации.
Первичные обмотки трансформатора напряжения оказываются под линейным напряжением, т.к. нейтраль трансформатора связана с фазой, на которой произошел пробой изоляции. Вольтметры фаз А и В, включенные на фазное напряжение, покажут линейное напряжение, а фазы С — нуль. По нулевому показателю вольтметра определяют фазу, в которой произошел пробой изоляции на землю.
Работа сети напряжением 6-35 кВ с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю допускается, но персонал должен немедленно приступить к отысканию места повреждения и устранить его в кратчайший срок. При замыкании на землю в обмотке статора электродвигателя напряжением выше 1000 В, последний должен немедленно отключаться, если ток замыкания на землю превышает 5 А. Если ток замыкания не превышает 5 А, допускается работа не более 2 ч, по истечении которых машина должна быть отключена.
На рисунке 4, в изображена схема подключения трансформатора типа НАМИ (напряжения, антирезонансный, масляный, для контроля изоляции) к шинам 6 или 10 кВ. Трансформатор обеспечивает измерение трех линейных, трехфазных напряжений на вводах a, b,c,N и напряжения нулевой последовательности на вводах ад и хд дополнительной обмотки. В отличии от трансформаторов напряжения НТМИ-10 и ЗНОЛ-10 трансформатор НАМИ-10, благодаря антирезонансным свойствам имеет повышенную надежность и устойчивость к перемежающимся дуговым замыканиям сети на землю. Для обеспечения устойчивости он не требует принятия каких-либо дополнительных мер, при этом выдерживает однофазные металлические замыкания сети на землю без ограничения длительности, а дуговые замыкания — в течении 8 ч.
Трансформатор представляет соединение конструктивно в единое целое двух трехобмоточных трансформаторов, первичные обмотки одного из которых предназначены для включения на линейные напряжения UAB и UBC, а первичная обмотка другого трансформатора (заземляемого) включена на фазное напряжение UB. Магнитопровод трансформатора, включаемого на линейные напряжения, двухстержневого типа из пластин электротехнической стали. Магнитопровод заземляемого трансформатора собран из пластин конструкционной стали. Магнитопроводы двух трансформаторов с насаженными на них обмотками, соединенные с помощью ряда конструктивных деталей в единую конструкцию, представляют активную часть трансформатора, которая помещается в бак, заполненный трансформаторным маслом.
На рис. 5 приведены схемы соединения однофазных трансформаторов напряжения и присоединения к ним приборов. Один трансформатор типа НОС или НОМ подключается на линейное напряжение (рис. 5, а) при необходимости измерять напряжение между двумя фазами. Если нужно подключать обмотки приборов и реле на любые линейные напряжения, применяют схему соединения трансформаторов в неполный (открытый) треугольник (рис. 5, б). Эта схема позволяет измерять непосредственно два линейных напряжения С/дв и UBQ. Она целесообразна во всех случаях, когда основную нагрузку составляют счетчики и ваттметры. Рассматриваемая схема позволяет получить и третье линейное напряжение UCA.
Три однофазных трансформатора типа ЗНОМ и НКФ, включенные по схеме звезда с заземленной нейтралью высшего напряжения, представлены на рис. 5, в. Основные вторичные обмотки соединяются в звезду с заземленной нейтралью, что позволяет измерять напряжение трех фаз относительно земли вольтметрами Р VA, PVv PVC, а также три линейных напряжения вольтметрами Р VAB, Р VAС, Р Fac. Дополнительные вторичные обмотки соединяются по схеме разомкнутого треугольника для подключения к нему реле контроля изоляции фаз сети ЛГ У как у трансформатора НТМИ (рис. 4). При пробое изоляции одной из фаз на зажимах разомкнутом треугольнике появляется напряжение 100 В, реле контроля изоляции срабатывает и замыкает цепь звонка, сигнализирующего о пробое.

Рис. 5. Схемы соединения однофазных трансформаторов напряжения:
а — одного типа НОС или НОМ; б — двух в неполный (открытый) "треугольник"; в —трех типа ЗНОМ или НФКв "звезду" с заземленной нейтралью

Выбор трансформаторов напряжения

Тип выбираемого трансформатора определяется назначением его в электроустановке. При необходимости контролировать изоляцию электроустановки в РУ-6 (10) кВ применяют трансформаторы типа НТМИ-10 и ЗНОЛ.06-10, в РУ-35кВ-ЗНОМ-35, в других случаях можно использовать трансформаторы типа НОМ. В РУ 110 (220) кВ применяют трансформаторы типа НКФ.

Активная и реактивная мощность приборов и реле определяется по известной полной мощности и коэффициенту мощности прибора cos ф (дается в справочнике для каждого прибора или обмотки, если у прибора их несколько). В табл. приведены данные некоторых измерительных приборов и реле.

Данные измерительных приборов и реле