Трансформаторы тока и напряжения

Назначение трансформаторов напряжения

Подобное оборудование относится к однофазным устройствам, через которые присоединяют киловольтметры, фазометры для обозначения правильности чередования фаз, ваттметры для определения мощности и для подключения защитных реле в цепях напряжения 3, 6, 10 кВ промышленной частоты.

Обмотки первичного и вторичного напряжения трансформатора ТН отличаются сопротивлением большой величины и малой мощностью. Работа происходит в режиме холостого хода. Стандартное номинальное напряжение вторичной обмотки не бывает более 100 В и имеет рабочий ток от 1 до 5 А.

Рис. №1. Трансформатор напряжения масляный 6 кВ. НТМИ

Рассмотрим какие бывают трансформаторы напряжения.

Классификация трансформаторов напряжения

Типы измерительных трансформаторов напряжения включают в линейку изделия, классифицируемых следующим образом:

• однофазные трансформаторы с одним заземленным концом первичной обмотки. К заземляемым относятся и трехфазные тр-ры с заземленной нейтралью катушки первичного напряжения;
• незаземляемые тр-ры напряжения с полностью изолированными от «земли» участками, зажимами «первички»;
• каскадный тип с обмоткой первичного напряжения, разделенной на несколько последовательных секций. В конструкции предусмотрены обмотки, выравнивающие напряжение. В наличии есть связующая катушка, которая служит для передачи мощности к обмотке вторичного напряжения;
• емкостный ТН с делителем;
• двухобмоточный ТН с одной обмоткой вторичного напряжения;
• трехобмоточный ТН с двумя обмотками: основного напряжения и дополнительной.

Рис. №2. Трансформатор напряжения, литого типа, опорный с заземленным выводом первичной обмотки, 3НОЛ-СВЭЛ-6. Используется для КРУН, КРУ, КСО

Рис. №3. Трехфазный антирезонансный масляный трансформатор для сетей с изолированной нейтралью

Чтобы понять для каких задач нужны измерительные трансформаторы рассмотрим назначение и разберем принцип действия оборудования.

Классификация трансформаторов тока

Трансформаторы тока классифицируются по различным признакам:

1. По назначению:

• измерительные;
• защитные;
• промежуточные (для включения измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты, для выравнивания токов в схемах дифференциальных защит и т. д.);
• лабораторные (высокой точности, а также со многими коэффициентами трансформации).

2. По роду установки:

• для наружной установки (в открытых распределительных устройствах);
• для внутренней установки;
• встроенные в электрические аппараты и машины: выключатели, трансформаторы, генераторы и т. д.;
• накладные — надевающиеся сверху на проходной изолятор (например, на высоковольтный ввод силового трансформатора);
• переносные (для контрольных измерений и лабораторных испытаний).

3. По конструкции первичной обмотки:

• многовитковые (катушечные, с петлевой обмоткой и с т. н. «восьмёрочной обмоткой»);
• одновитковые (стержневые);
• шинные.

4. По способу установки:

• проходные;
• опорные.

5. По выполнению изоляции:

• с сухой изоляцией (фарфор, бакелит, литая эпоксидная изоляция и т. д.);
• с бумажно-масляной изоляцией и с конденсаторной бумажно-масляной изоляцией;
• газонаполненные (элегаз);
• с заливкой компаундом.

6. По числу ступеней трансформации:

• одноступенчатые;
• двухступенчатые (каскадные).

7. По рабочему напряжению:

• на номинальное напряжение свыше 1000 В;
• на номинальное напряжение до 1000 В.

8. Специальные трансформаторы тока:

• нулевой последовательности;
• пояс Роговского.

Распространенные схемы включения измерительного трансформатора напряжения

Простейшую схему с одним однофазным трансформатором напряжения применяют для пусковых шкафов двигателей и для переключательных пунктов 6 — 10 кВ с целью включения вольтметров и реле напряжений устройств АВР. Они также представлены на выставке.

Три однофазных трансформатора напряжения с одной обмоткой, соединенных вместе согласно схеме «звезда-звезда», применяют при питании трехфазной вторичной цепи: измерительный прибор, счетчик и вольтметр, контролирующий изоляцию электроустановок 0,5 — 10 кВ, в которых используется изолированная нейтраль и неразветвленная сеть и где не требуется сигнализировать о возникновении однофазных замыканий на землю.

Для того чтобы эти вольтметры обнаруживали «землю», их включают на вторичные фазные напряжения, а нуль обмоток ВН заземляют. При этом вольтметры показывают величину первичного напряжения между фазами и землей.

Если же необходимо использовать трансформатор напряжения для питания измерительного прибора, счетчика и реле, которые включаются на междуфазное напряжение, то в этом случае включение осуществляют по схеме открытого треугольника. Такая схема обеспечит симметричное междуфазное напряжение при работе трансформатора напряжения для любого класса точности.

Следует отметить, что особенностью схем открытого треугольника является недоиспользованная мощность трансформатора. Ведь мощность группы, в которую входит два трансформатора, меньше мощности группы, включающей три трансформатора, которые соединены в полный треугольник, не в полтора раза, а в 3 раз.

В электроустановке 6–35 кВ для питания разветвленных вторичных цепей двумя и более трансформаторами напряжения используют другую схему.

Во вторичной цепи вместо предохранителя устанавливают двухполюсный автомат, во время срабатывания которого блок-контактом замыкается цепь сигнала «обрыв напряжения».

При этом вторичные обмотки заземляются на щите в фазе B и непосредственно у трансформаторов напряжения с помощью пробивного предохранителя.

При необходимости обеспечения питания устройства типа автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) синхронного генератора и компенсатора трансформатор напряжения включают согласно схеме «треугольник-звезда». При этом повышение надежности работы АРВ обеспечивается отсутствием предохранителей во вторичных цепях (что допустимо ПУЭ для неразветвленной цепи напряжения).

Параметры трансформаторов тока

Важными параметрами трансформаторов тока являются коэффициент трансформации и класс точности.

Коэффициент трансформации

Коэффициент трансформации ТТ определяет номинал измерения тока и означает, при каком первичном токе во вторичной цепи будет протекать определённый стандартный ток (чаще всего это 5 А, редко 1 А). Первичные токи трансформаторов тока определяются из ряда стандартизированных номинальных токов. Коэффициент трансформации трансформатора тока обычно записывается в виде отношения номинального первичного тока к номинальному вторичному в виде дроби, например: 75/5 (при протекании в первичной обмотке тока 75 А — 5А во вторичной обмотке, замкнутой на измерительные элементы) или 1000/1 (при протекании в первичной цепи 1000 А, во вторичных цепях будет протекать ток 1 А. Иногда ТТ могут иметь переменный коэффициент трансформации, что возможно пересоединением первичных обмоток из параллельного в последовательное соединение (например, такое решение применяется в трансформаторах тока ТФЗМ-110) либо наличием отводов на первичной или вторичной обмотках (последнее применяется в лабораторных трансформаторах тока типа УТТ) или же изменением количества витков первичного провода, пропускаемого в окно трансформаторов тока без собственной первичной обмотки (трансформаторы тока УТТ).

Класс точности

Для определения класса точности ТТ вводятся понятия:

• погрешности по току ΔI=I2−I1′{\displaystyle \Delta I=I_{2}-I_{1}^{‘}}, где I2{\displaystyle I_{2}} — действительный вторичный ток, I1′=I1n{\displaystyle I_{1}^{‘}=I_{1}/n} — приведённый первичный ток, I1{\displaystyle I_{1}} — первичный ток, n{\displaystyle n} — коэффициент трансформатора тока;
• погрешности по углу δ=α1−α2{\displaystyle \delta =\alpha _{1}-\alpha _{2}}, где α1{\displaystyle \alpha _{1}} — теоретический угол сдвига фаз между первичным и вторичным токами α1{\displaystyle \alpha _{1}} = 180°, α2{\displaystyle \alpha _{2}} — действительный угол между первичным и вторичным током;
• относительной полной погрешности ε%=(|I1′−I2|)|I1′|{\displaystyle \varepsilon \%=(|I_{1}^{‘}-I_{2}|)/|I_{1}^{‘}|}, где |I1′|{\displaystyle |I_{1}^{‘}|} — модуль комплексного приведённого тока.

Погрешности по току и углу объясняются действием тока намагничивания.
Для промышленных трансформаторов тока устанавливаются следующие классы точности: 0,1; 0,5; 1; 3, 10Р.
Согласно ГОСТ 7746-2001 класс точности соответствует погрешности по току ΔI, погрешность по углу равна: ±40′ (класс 0,5); ±80′ (класс 1), для классов 3 и 10Р угол не нормируется.
При этом трансформатор тока может быть в классе точности только при сопротивлении во вторичной цепи не более установленного и тока в первичной цепи от 0,05 до 1,2 номинального тока трансформатора. Добавление после обозначения класса точности трансформаторов тока литеры S (например 0,5 S) означает, что трансформатор будет находиться в классе точности от 0,01 до 1,2 номинального тока.
Класс 10Р (по старому ГОСТ Д) предназначен для питания цепей защиты и нормируется по относительной полной погрешности, которая не должна превышать 10 % при максимальном токе КЗ и заданном сопротивлении вторичной цепи.
Согласно международному стандарту МЭК (IEС 60044-01) трансформаторы тока должны находится в классе точности при протекании по первичной обмотке тока 0,2—200 % номинального, что обычно достигается изготовлением сердечника из нанокристаллических сплавов.

Особенности и виды измерительных трансформаторов

Эти агрегаты предназначаются для использования в оборудовании с переменным током. Нужно это для того, чтобы выполнить изоляцию цепи, в которую подключены измерительные устройства, а также реле от сети с высоким напряжением. В противном варианте прикосновение к ним было бы опасным для жизни либо такие приборы имели бы очень сложную конструкцию.

Также, измерительные трансформаторы способны расширить предел измерения данных устройств измерения.

Измерительные трансформаторы бывают:

• Трансформатор тока. Данные агрегаты выполняются двухобмоточного типа и представляют собой повышающий трансформатор. Исходная обмотка тут является проводом, который проходит сквозь магнитопровод. В электрическом оборудовании «ТТ» используют для осуществления питания токовых катушек устройств измерения. Обе обмотки намотаны на один сердечник. Первичная катушка подсоединяется последовательно, а вот к вторичной подключаются сами приборы. Если «ТТ» работает, то его вторичная обмотка обязательно должна быть с нагрузкой.
• Трансформатор напряжения. Конструкция данных агрегатов схожа с силовыми трансформаторами. Первичная и вторичная обмотка тут объединена магнитной цепью, изготовленной из специального ферромагнитного материала. Оптимальный режим работы трансформаторов напряжения считается «режим холостого хода». Обусловлено это отсутствием возможности передавать мощность. Также, отличительной особенностью таких устройств является отсутствие фазового сигнала между напряжениями вторичной и первичной обмотки.

При использовании этих двух устройств можно примерять одно и то же измерительное оборудование, с помощью которого осуществляется контроль параметров тока и напряжения. Вторичная катушка «ТТ» и «ТН» необходимо заземлить. Это позволит уберечь измерительные приборы от случайного появления завышенного напряжения, способного возникнуть при аварийных ситуациях, таких как пробой изоляции и т.д.

Данные устройства классифицируются на конвертор тока в ток, тока в неэлектрическую величину (к примеру, световой поток) и тока в напряжение. К последнему типу относятся трансреакторы либо магнитные трансформаторы.

Вся измеренная данными агрегатами информация способна отображаться в аналоговом или дискретном виде.

Кроме всего этого, измерительные трансформаторы подразделяются согласно:

• Способу монтажа. Сюда относятся проходные, встраиваемые и опорные агрегаты.
• Виду установки. Работа на открытом воздухе, в помещении, встроенные в электрическое оборудование, установленные в специальные установки.
• Согласно числу коэффициента трансформации (один или несколько).
• Количеству ступеней трансформации. Измерительные трансформаторы могут быть каскадные либо одноступенчатые.
• Виду первичной обмотки (один или много витков).

Сегодня в электрическом оборудовании напряжение способно достигать отметки в 750 кВ и даже больше. Ну а токи могут доходить до десяток кило Ампер. Для того чтобы их измерять, используют данные устройства, которые предназначаются для изоляции приборов и реле от цепей с высоким током или напряжением.

Также, эти агрегаты уменьшают напряжение и ток до тех величин, которые удобно измерить.

Благодаря измерительным трансформаторам тока и напряжения удаётся подсоединить амперметр, вольтметр, различные приборы релейной защиты, ваттметр, счётчики энергии.

Включение измерительных трансформаторов тока и напряжения

Измерительные трансформаторы напряжения

Измерительные трансформаторы напряжения предназначены для возможности измерения высокого напряжения электроустановок переменного тока путем снижения этого напряжения для подачи на защитные реле, приборы измерения и системы автоматики.

При отсутствии измерительных трансформаторов понадобилось бы применять приборы и реле с большими габаритными размерами, так как необходима надежная изоляция от высокого напряжения, которая увеличивает размеры устройств. Изготовить такое оборудование практически невозможно, так как напряжения линий могут достигать величины 110 киловольт.

Измерительные трансформаторы для замера напряжения дают возможность применять стандартные обычные приборы для измерений электрических параметров, при этом увеличивая их диапазон измерения. Защитные реле, подключаемые через эти трансформаторы, могут применяться обычного исполнения.

Трансформатор напряже­ния  выполняют в виде двухобмоточного понижа­ющего трансформатора (рис. 3.33,а). Для обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала вторичную обмотку тщательно изолируют от первичной и заземляют.

Рис. 3.33. Схема включения (а) и век­торная диаграмма измерительного трансформатора напряжения (б)

Так как сопротивления обмоток вольтметров и других приборов, подключаемых к трансформатору на­пряжения, велики, то он практически работает в режиме холостого хода. В этом режиме можно с достаточной степенью точности считать, чтоUl = U’2=U2k.

В действительности ток холостого хода I0 (а также не­большой ток нагрузки) создает в трансформаторе падение напряжения, поэтому, как видно из векторной диаграммы (рис. 3.33, б), и между векторами этих напряжений имеется некоторый сдвиг по фазе δu. В результате при изме­рениях образуются некоторые погрешности.

Трансформаторы тока или измерительные трансформаторы преобразуют высокий первичный ток нагрузки в безопасное значение, удобное для проведения измерений.

Трансформаторы тока для электросчетчиков

трансформатор тока в электросчетчиках

Трансформаторы тока для электросчетчиков нормально функционируют при рабочей частоте в 50 Гц и вторичном номинальном токе в 5 ампер. Поэтому, если коэффициент трансформации составляет 100/5, это означает максимальную нагрузку в 100 ампер, а значение измерительного тока – 5 ампер.

Следовательно, в этом случае показания трехфазного счетчика умножаются в 20 раз (100/5). Благодаря такому конструктивному решению, отпала необходимость в изготовлении более мощных приборов учета. Кроме того, обеспечивается надежная защита счетчика от коротких замыканий и перегрузок, поскольку сгоревший трансформатор меняется значительно легче по сравнению с установкой нового счетчика.

Существуют определенные недостатки при таком подключении. Прежде всего, измерительный ток в случае малого потребления, может быть меньше стартового тока счетчика. Следовательно, счетчик не будет работать и выдавать показания. В первую очередь это касается счетчиков индукционного типа с очень большим собственным потреблением. Современные электросчетчики такого недостатка практически не имеют.

Особое внимание при подключение нужно обращать на соблюдение полярности. Первичная катушка имеет входные клеммы

Одна из них предназначена для подключения фазы и обозначается Л1. Другой выход – Л2 необходим, чтобы подключиться к нагрузке. Измерительная обмотка также имеет клеммы, обозначаемые соответственно, как И1 и И2. Кабель, подключаемый к выходам Л1 и Л2, рассчитывается на необходимую нагрузку.

Для вторичных цепей используется проводник, поперечное сечение которого должно быть не ниже 2,5 мм2.

Рекомендуется применять разноцветные промаркированные провода с обозначенными выводами. Нередко подключение вторичной обмотки к счетчику осуществляется с помощью опломбированного промежуточного клеммника.

Использование клеммника позволяет проводить замену и обслуживание счетчика без отключения электроэнергии, поступающей к потребителям.

Назначение и принцип действия трансформатора

Назначение и принцип действия трансформатора — это  передача электрической энергии на значительные расстояния от электростанций к различным потребителям: промышленным предприятиям, населению и т.п, с помощью электродвижущей силы и магнитной индукции.

Трансформаторы позволяют значительно экономить на стоимости проводов, а также снижают потери электроэнергии в линиях электропередач. Так как от силы тока зависит сечение проводов то, увеличивая напряжение и снижая силу тока (не снижая при этом передаваемую мощность) можно эффективно предавать напряжение на значительные расстояния.

передача электроэнергии трансформаторами

Это позволяет экономить  на линиях электропередач:

1. Используя провода с меньшим поперечным сечение, снижается расход  цветных металлов;
2. Уменьшаются потери мощности при передаче электроэнергии на большие расстояния.

На электростанциях вырабатывается электрическая энергия посредством синхронных генераторов и составляет от 11 кВ до 20кВ, в некоторых случаях может применяться напряжение 30-35 кВ.  Эти величины не подходят как в быту, так и на промышленном производстве из-за слишком высокого напряжения. Но эти напряжения также недостаточны для экономичной передачи электроэнергии на расстояния. Поэтому на выходе из электростанций ставятся повышающие трансформаторы, которые повышают напряжение до 750 кВ, U=750kV напряжение которое непосредственно передается по линиям электропередач.

Приемники электрической энергии: различные бытовые приборы, электродвигатели, станки на производстве из-за соображения безопасности и конструктивными сложностями изготовления (требования к усиленной изоляции), также не могут работать с такими высокими напряжениями.  Они рассчитываются на более низкое напряжения, как правило, это 220V в быту и 380V на производстве.

Повышающие трансформаторы используют для передачи электроэнергии на большие расстояния, понижающие для распределения электроэнергии в точке разветвления потребителей.

Электрическая энергия по пути движения от электростанции до потребителя может трансформироваться 3 или 4 раза. Преобразование электроэнергии происходит с помощью магнитопровода трансформатора и переменного магнитного поля.

Варианты маркировки

На шильде изделия можно встретить различную информацию, которая поможет подобрать правильное устройство исходя из заданных параметров основных характеристик. Маркировка измерительных трансформаторов различается в зависимости от типа устройства.

Так, для трансформаторов тока характерны следующие символы и обозначения:

• «Т» (первая буква) – трансформатор тока;
• вторая буква в обозначении отвечает за тип конструкции. Может быть четыре варианта: «О», «П», «Ф», «Ш», что означает опорный, проходной, фарфор, шинный;
• третьей буквой маркируется материал изоляции – литая (Л), масляная (М) или газовая (Г).

После буквенной маркировке указываются числовые значения, которые характеризуют класс изоляции, климат и коэффициент трансформации. Для примера: маркировка ТОМ-3У2 100/3 читается как «трансформатор тока опорный с масляной изоляцией, 3кВ, для умеренного климата второго класса с коэффициентом 100:3».

У трансформаторов напряжения маркировка отличается большим количеством букв, которые обозначают количество фаз, тип изоляции, класс прибора и его назначение, тип конструкции.

Более подробно это выглядит следующим образом:

• класс трансформатора – Н (напряжение);
• по количеству фаз – одна (О) или три (Т);
• принадлежность – измерительный (И);
• особенности конструкции – заземляемая первичная обмотка (З);
• разновидность – каскадный (К), антирезонансный (А), цельнолитой корпус из полимера (Л), наличие емкостного делителя (ДЕ), фарфоровая покрышка (Ф);
• тип исполнения – масляный (М), сухой (С).

Знание маркировки существенно облегчает выбор измерительных трансформаторов.