Трансформаторы напряжения

Основные сведения. Информацию о контролируемом напряжении измерительные органы РЗ получают от измерительных трансформаторов напряжения (ТН, TV). Основными параметрами ТН (рис. 5.1) являются: номинальное первичное напряжение U_1ном (равное номинальному напряжению контролируемой электрической сети), вторичное номинальное напряжение U_{2 ном}, значение которого обычно принимается равным 100 или 100/ В.

Первичная обмотка 1 включена на напряжение сети U₁, а ко вторичной обмотке (напряжение U₂) присоединены параллельно катушки измерительных приборов и реле. Обе обмотки размещены на замкнутом магнитопроводе (сердечнике).

Номинальный коэффициент трансформации определяют соотношением номинальных напряжений первичной и вторичной обмоток, он приблизительно равен отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток, т.е.

K_Uном = U_{1 ном} / U_{2 ном} ≈ w₁ / w₂.

По устройству, принципу действия и схемам включения измерительные ТН аналогичны силовым трансформаторам малой мощности (не более 1000 … 1200 ВА).

Начала и концы первичных и вторичных обмоток ТН Н (н) и К (к) обозначаются изготовителями так же, как и у силовых трансформаторов: у первичной обмотки буквами А и Х, у вторичной соответственно а и х. Для питания устройств РЗ используются в большинстве случаев ТН, установленные на сборных шинах подстанций, к вторичным обмоткам которых подключаются РЗ всех присоединений (рис. 5.2, а), или на каждом присоединении, питающие РЗ только этого присоединения (рис. 5.2, б).

Погрешности трансформатора напряжения. Трансформатор напряжения работает с погрешностью, искажающей вторичное напряжение как по величине, так и по фазе. В «идеальном» ТН, работающем без погрешностей, вторичное напряжение

U₂ = U₁ / K_U, (5.1)

где U₁ – напряжение, подведенное к зажимам первичной обмотки; K_U – коэффициент трансформации «идеального» ТН, равный отношению количества витков первичной и вторичной обмоток.

Однако за счет падения напряжения ΔU (рис. 5.3 а, б) в первичной и вторичной обмотках действительное значение вторичного напряжения будет равно:

, (5.2)

что вытекает из эквивалентной схемы замещения ТН и векторной диаграммы (рис. 5.3).

Из этой же схемы следует

.

Падение напряжения в обмотках ТН обусловливает появление погрешности, искажающей значение и фазу (рис. 5.3, б) по сравнению с расчетным напряжением U₂ = U₁ / K_U = по выражению (5.1).

Поскольку значения и , а также ток намагничивания I_нам определены конструкцией ТН, в условиях эксплуатации уменьшить его погрешность можно только уменьшением тока нагрузки I₂. Допустимые погрешности нормируются при номинальном напряжении, соответственно чему ТН подразделяются на классы: 0.2; 0.5; 1 и 3. Один и тот же ТН может работать в разных классах точности в зависимости от значения нагрузки. Заводы обычно указывают номинальную мощность, подразумевая под ней максимальную нагрузку, которую может питать ТН в гарантированном классе точности. Кроме того, для ТН указывается максимальная мощность по условиям нагрева, которая значительно превосходит его номинальную мощность. Погрешность по значению вторичного напряжения принято оценивать в процентах:

.

Погрешность по фазе оценивается углом сдвига δ между векторами первичного и вторичного напряжений (рис. 5.3, б).

Схемы соединения трансформаторов напряжения.

Схема соединения ТН в звезду, приведенная на рис. 5.4, а, предназначена для получения напряжений фаз относительно земли и междуфазных (линейных) напряжений. Три первичные обмотки TV1 соединяются в звезду. Начала каждой обмотки (А, В, С) присоединяются к соответствующим фазам ЛЭП, а концы X, Y, Z объединяются в общую точку (нейтраль N1) и заземляются. При таком включении к каждой первичной обмотке TV1 подводится напряжение фазы ЛЭП относительно земли. Концы вторичных обмоток TV1 (x, y, z на рис. 5.4, а) также соединяются в звезду, нейтраль которой N2 связывается с нулевой точкой нагрузки N3 (сопротивления 1, 2, 3).

В приведенной схеме нейтраль первичной обмотки (точка N1) жестко связана с землей и имеет потенциал, равный нулю. Такой же потенциал будет иметь нейтраль N2 и связанная с ней нейтраль нагрузки N3. При такой схеме фазные напряжения на вторичной стороне соответствуют фазным напряжениям относительно земли первичной стороны. Заземление нейтрали первичной обмотки ТН и наличие нулевого провода во вторичной цепи являются обязательным условием для получения фазных напряжений относительно земли.

Соединение обмоток ТН по схеме Υ/ Υ обычно выполняется по 12-й группе. Эта схема может быть выполнена посредством трех однофазных ТН или одного трехфазного пятистержневого ТН. Трехфазные трехстержневые ТН для данной схемы применяться не могут, так как в их магнитопроводе отсутствуют пути для замыкания магнитных потоков нулевой последовательности (НП) Ф₀, создаваемых током I₀ в первичных обмотках при замыканиях на землю в сети. В этом случае поток Ф₀ замыкается через воздух по пути с большим магнитным сопротивлением. Это приводит к уменьшению сопротивления нулевой последовательности трансформатора и резкому увеличению I_нам. Повышенный ток I_нам вызывает недопустимый нагрев трансформатора, в связи с чем применение трехстержневых недопустимо. В пятистержневых трансформаторах для замыкания потоков служат четвертый и пятый стержни магнитопровода (рис. 5.5).

Схема соединения обмоток ТН в открытый треугольник изображена на рис. 5.6. Она выполняется при помощи двух однофазных ТН, включенных на два междуфазных напряжения, например, U_AB и U_BC. Напряжение на зажимах вторичных обмоток ТН всегда пропорционально междуфазным напряжениям, подведенным с первичной стороны. Между проводами вторичной цепи включаются реле. Схема позволяет получать все три междуфазных напряжения U_AB, U_BC и U_СА.

Схема соединений обмоток однофазных ТН в фильтр напряжения нулевой последовательности выполняется посредством трех однофазных ТН, как показано на рис. 5.7.

Первичные обмотки соединены в звезду с заземленной нейтралью, а вторичные - последовательно, образуя незамкнутый треугольник. К зажимам разомкнутых вершин треугольника подсоединяются реле. Напряжение U_р на зажимах разомкнутого треугольника равно геометрической сумме напряжений вторичных обмоток:

.

Так как сумма трех фазных напряжений равна утроенному напряжению НП, выражая вторичные напряжения через первичные, получаем

.

В нормальных условиях напряжения фаз симметричны, U_р = 0. При КЗ без земли также U_р = 3U₀ = 0. При КЗ на землю (одно- и двухфазных) на зажимах разомкнутого треугольника ТН появляется напряжение U_р = 3U₀ / K_U.

Напряжения прямой и обратной последовательностей образуют симметричные звезды и поэтому при суммировании в цепи разомкнутого треугольника всегда дают нуль на его зажимах.

Рассмотренная схема является фильтром нулевой последовательности. необходимым условием работы схемы в качестве фильтра НП является заземление нейтрали первичной обмотки ТН. Применяя однофазные ТН с двумя вторичными обмотками, можно соединить одну из них по схеме звезды, а вторую – по схеме разомкнутого треугольника (рис. 5.8). Номинальное вторичное напряжение у обмотки, предназначенной для соединения в разомкнутый треугольник, принимается равным для сетей с заземленной нейтралью 100 В, а для сетей с изолированной нейтралью 100 / В.

Схема соединения обмоток трехфазных ТН в фильтр напряжения нулевой последовательности. Для получения 3U₀ от трехфазного пятистержневого ТН (рис. 5.5) на каждом из его основных стержней 1, 2 и 3 выполняется дополнительная (третья) обмотка, соединяемая по схеме разомкнутого треугольника. Напряжение на выводах этой обмотки появляется только при КЗ на землю, когда возникают магнитные потоки НП, замыкающиеся по четвертому и пятому стержням магнитопровода. Схемы с пятистержневым ТН позволяют получать одновременно с напряжением НП фазные и междуфазные напряжения.