Назначение и принцип действия трансформатора напряжения
Измерительный трансформатор напряжения служит для понижения высокого напряжения, подаваемого в установках переменного тока на измерительные приборы и реле защиты и автоматики.
Для непосредственного включения на высокое напряжение потребовались бы очень громоздкие приборы и реле вследствие необходимости их выполнения с высоковольтной изоляцией. Изготовление и применение такой аппаратуры практически неосуществимо, особенно при напряжении 35 кВ и выше.
Применение трансформаторов напряжения позволяет использовать для измерения на высоком напряжении стандартные измерительные приборы, расширяя их пределы измерения; обмотки реле, включаемых через трансформаторы напряжения, также могут иметь стандартные исполнения.
Кроме того, трансформатор напряжения изолирует (отделяет) измерительные приборы и реле от высокого напряжения, благодаря чему обеспечивается безопасность их обслуживания.
Трансформаторы напряжения широко применяются в электроустановках высокого напряжения, от их работы зависит точность электрических измерений и учета электроэнергии, а также надежность действия релейной защиты и противоаварийной автоматики.
Измерительный трансформатор напряжения по принципу выполнения ничем не отличается от силового понижающего трансформатора. Он состоит из стального сердечника, набранного из пластин листовой электротехнической стали, первичной обмотки и одной или двух вторичных обмоток.
На рис. 13,а показана схема трансформатора напряжения с одной вторичной обмоткой. На первичную обмотку подается высокое напряжение U1, а на напряжение вторичной обмотки U2 включен измерительный прибор. Начала первичной и вторичной обмоток обозначены буквами Айа, концы — X и х. Такие обозначения обычно наносятся на корпусе трансформатора напряжения рядом с зажимами его обмоток.
Отношение первичного номинального напряжения к вторичному номинальному напряжению называется номинальным коэффициентом трансформации трансформатора напряжения:
Кн = U1 ном / U2hom (2)
Рис. 13. Схема и векторная диаграмма трансформатора напряжения: а - схема, б -векторная диаграмма напряжений, в - векторная диаграмма напряжений
При работе трансформа тора напряжения без погрешностей его первичное и вторичное напряжение совпадают по фазе, как показано на рис. 13, б, и отношение их величин равно Кн. При коэффициенте трансформации Кн=1 напряжение U2=U1 (рис. 13, в).
2.4.1 Измерительные трансформаторы напряжения с двумя вторичными обмотками
Трансформаторы напряжения с двумя вторичными обмотками, кроме питания измерительных приборов и реле, предназначаются для работы на устройствах сигнализации замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью или на защиту от замыканий на землю в сети с заземленной нейтралью.
Схема трансформатора напряжения с двумя вторичными обмотками показана на рис. 14, а. Выводы второй (дополнительной) обмотки, используемой для сигнализации или защиты при замыканиях на землю, обозначены ад и хд.
На рис. 14, б приведена схема включения трех таких трансформаторов напряжения в трехфазной сети. Первичные и основные вторичные обмотки соединены в звезду. Нейтраль первичной обмотки заземлена. На измерительные приборы и реле от основных вторичных обмоток могут быть поданы три фазы и нуль. Дополнительные вторичные обмотки соединены по схеме разомкнутого треугольника. От них на устройства сигнализации или защиты подается сумма фазных напряжений всех трех фаз.
При нормальной работе сети, в которой включен трансформатор напряжения, эта векторная сумма равна нулю. Это видно из векторных диаграмм (рис. 14,в), где Ua, Vb и Uc — векторы фазных напряжений, приложенных к первичным обмоткам, а 1)ад, УЬд и Псд - векторы напряжений первичной и вторичной дополнительных обмоток напряжений на вторичных дополнительных обмотках, совпадающих по направлению с векторами на соответствующих первичных обмотках (так же, как нарис. 13,в).
Рис. 14. Трансформатор напряжения с двумя вторичными обмотками: а - схема; б - включение в трехфазную цепь; в - векторная диаграмма
Сумма векторов ІІад, ІІЬд и 11сд получена путем их совмещения соответственно схеме соединения дополнительных обмоток, при этом принималось, что стрелки векторов как первичных, так и вторичных напряжений соответствуют началам обмоток трансформатора.
Результирующее напряжение 3U0 между концом обмотки фазы С и началом обмотки фазы А па диаграмме равно нулю.
В действительных условиях обычно на выходе разомкнутого треугольника имеется ничтожно малое напряжение небаланса, не превышающее 2-3% номинального напряжения. Этот небаланс создается всегда имеющимися незначительной несимметрией вторичных фазных напряжений и небольшим отклонением формы их кривой от синусоиды.
Напряжение, обеспечивающее надежную работу реле, приключаемых к цепи разомкнутого треугольника, возникает только при замыканиях на землю со стороны первичной обмотки трансформатора напряжения. Так как замыкания на землю связаны с прохождением тока через нейтраль, появляющееся при этом напряжение на выходе разомкнутого треугольника согласно методу симметричных составляющих называют напряжением нулевой последовательности и обозначают 3U0. В этом обозначении цифра 3 указывает, что напряжение в данной цепи является суммарным для трех фаз. Обозначение 3U0 применяется также и для выходной цепи разомкнутого треугольника, подаваемой на реле сигнализации или защиты (рис. 2,6).
Рис. 15. Векторные диаграммы напряжений первичной и вторичной дополнительной обмоток при однофазном замыкании на землю: а - в сети с заземленной нейтралью, б - в сети с изолированной нейтралью
Наибольшее значение напряжение 3U0 имеет при однофазном замыкании на землю. При этом следует иметь в виду, что максимальная величина напряжения 3U0 в сети с изолированной нейтралью значительно больше, чем в сети с заземленной нейтралью.
2.4.2 Распространенные схемы включения измерительных трансформаторов напряжения
Простейшая схема с использованием одного однофазного трансформатора напряжения, показанная на рис. 13, а, применяется в пусковых шкафах двигателей и на переключательных пунктах 6-10 кВ для включения вольтметра и реле напряжения устройства АВР.
На рис. 16 приведены схемы включения однофазных трансформаторов напряжения с одной обмоткой для питания трехфазных вторичных цепей. Группа из трех соединенных по схеме звезда - звезда однофазных трансформаторов, показанная на рис. 16, а, применяется для питания измерительных приборов, счетчиков и вольтметров контроля изоляции в электроустановках 0,5 - 10 кВ с изолированной нейтралью и неразветвленной сетью, где не требуется сигнализация возникновения однофазных замыканий на землю.
Для обнаружения «земли» по этим вольтметрам они должны показывать величины первичных напряжений между фазами и землей (см. векторную диаграмму на рис. 15, б). Для этого нуль обмоток ВН заземляется и вольтметры включаются на вторичные фазные напряжения.
Так как при однофазных замыканиях на землю трансформаторы напряжения могут длительно находиться под линейным напряжением, их номинальное напряжение должно соответствовать первичному между фазному напряжению. Вследствие этого в нормальном режиме при работе под фазным напряжением мощность каждого трансформатора, а, следовательно, и всей группы понижается в л/З раз. Так как в схеме заземлен нуль вторичных обмоток, предохранители во вторичной цепи установлены во всех трех фазах.
АРв
Рис. 16. Схемы включения однофазных измерительных трансформаторов напряжения с одной вторичной обмоткой:
а - схема звезда - звезда для электроустановок 0,5 - 10 кВ с изолированной нейтралью; б - схема открытого треугольника для электроустановок 0,38 - 10 кВ;
в - то же для электроустановок 6 - 35 кВ; г - включение трансформаторов напряжения 6 -18 кВ по схеме треугольник - звезда для питания устройств АРВ синхронных машин
На рис. 16, б ив трансформаторы напряжения, предназначенные для питания измерительных приборов, счетчиков и реле, включаемых на междуфазные напряжения, включены по схеме открытого треугольника. Эта схема обеспечивает симметричные междуфазные напряжения Uab, Ubc, Uca при работе трансформаторов напряжения в любом классе точности.
Особенность схемы открытого треугольника это недоиспользование мощности трансформаторов, так как мощность такой группы из двух трансформаторов меньше мощности группы из трех соединенных в полный треугольник трансформаторов не в 1,5 раза, а в л/з раз.
Схема рис. 16, б применяется для питания неразветвленных цепей напряжения электроустановок 0,38 - 10 кВ, что позволяет устанавливать заземление вторичных цепей непосредственно у трансформатора напряжения.
Во вторичных цепях схемы, показанной на рис. 16, в, вместо предохранителей установлен двухполюсный автомат, при срабатывании которого блок-контакт замыкает цепь сигнала «обрыв напряжения». Заземление вторичных обмоток выполнено на щите в фазе В, которая дополнительно заземлена непосредственно у трансформатора напряжения через пробивной предохранитель. Рубильник обеспечивает отключение вторичных цепей от трансформатора напряжения с видимым разрывом. Эта схема применяется в электроустановках 6 -35 кВ при питании разветвленных вторичных цепей от двух и более трансформаторов напряжения.
На рис. 16, г трансформаторы напряжения включены по схеме треугольник -звезда, обеспечивающей вторичное линейное напряжение U = 173 В, что необходимо для питания устройств автоматического регулирования возбуждения (АРВ) синхронных генераторов и компенсаторов. С целью повышения надежности работы АРВ предохранители во вторичных цепях не устанавливаются, что допускается ПУЭ для неразветвленных цепей напряжения.
