Измерительные трансформаторы напряжения

ТН предназначены для передачи сигналов «измерительной информации приборам измерения, защиты, автоматики, сигнализации и управления». ТН понижают высокое напряжение до стандартного значения 100 или 100/ В, а так же отделяют цепи измерения и релей-ной защиты от первичных цепей высокого напряжения, создавая тем самым безопасные условия для обслуживающего персонала.

ТН изготовляются на все номинальные напряжения и выпускаются в трехфазном и в однофазном исполнении. Для трёхфазных трансформаторов вторичное напряжение принимается равным 100 В, для однофазных, в зависимости от схемы соединения вторичной обмотки 100 В (при соединении обмоток в треугольник), или 100/ (при соединении обмоток в звезду), или 100/3 (при соединении обмоток в разомкнутый треугольник).

ТН выполняют две основные задачи:
используются в системах технического и коммерческого учета электроэнергии;
передают сигнал устройствам релейной защиты о возникновении аварийных режимов, в частности для контроля изоляции в сетях 3–35 кВ.
ТН могут быть предназначены как для решения одной из этих задач, так и для решения обеих задач.
В электроустановках применяются ТН в основном трех типов:
однофазные незаземляемые трансформаторы;
однофазные заземляемые трансформаторы;
трехфазные трансформаторы.

Незаземляемые ТН включаются на линейное напряжение и поэтому применяются только для учета электроэнергии.
Заземляемые однофазные ТН, как правило, имеют дополнительную вторичную обмотку, применяемую для контроля изоляции сети.
Трехфазные ТН также могут иметь дополнительную вторичную обмотку для контроля изоляции сети.

Точность измерений зависит от величины погрешностей ТН, которые определяются рассеянием магнитного потока и потерями в сердечнике. Вектор вторичного напряжения сдвинут относительно вектора первичного напряжения не точно на угол 1800, что определяет угловую погрешность.
Таким образом, погрешность зависит от конструкции магнитопровода, магнитной проницаемости стали и от cos ϕ вторичной нагрузки. В конструкции ТН предусматривается компенсация погрешности по напряжению путем некоторого уменьшения числа витков первичной обмотки, а угловой погрешности - за счет специальных компенсирующих обмоток. Следовательно, источником погрешностей ТН являются падения напряжения в сопротивлениях первичной и вторичной обмоток, определяющиеся их потоками рассеяния и активными потерями. Падение напряжения тем больше, чем больше вторичная нагрузка (количество параллельно включенных приборов).

Трансформаторы напряжения имеют два вида погрешностей:
а) по напряжению
ΔU%= kном=
б) угловую, измеряемую углом δ между векторами напряжений U1 и повернутого на 1800 U2

Установлены четыре класса точности ТН - 0,2; 0,5; 1, 3. Область применения различных классов точности та же, что и для трансформаторов тока.
Наименование класса соответствует наибольшей допустимой погрешности по напряжению, выраженной в %. Пределы погрешностей по напряжению и углу (для первых двух классов) отнесены к частоте 50 Гц, нагрузке в пределах от 0,25 до 1,0 номинальной и cos ϕ=0,8. Отклонения первичного напряжения не должны превышать ±10%.

ИТН характеризуется номинальной нагрузкой, под которой понимается наибольшая нагрузка, при которой погрешности не выходят за допустимые пределы, установленные для трансформаторов рассматриваемого класса точности.
Нагрузка (мощность) однофазного ТН вторичной цепи (ВА), найденная в предположении, что напряжение вторичных зажимов равно номинальному, определяется выражением
S2 =
где Z2 = - полное сопротивление внешней цепи.

Нагружать ИТН в принципе можно вплоть до его максимальной мощности, т.е. наибольшей мощности, предельно допустимой по условиям нагрева, но при этом увеличивается погрешность измерения, т.е. ТН переходит в более грубый класс точности. Нагрузка ИТН до максимальной мощности допускается, например, для подключения катушек реле и автоматов, сигнальных ламп, осветительных приборов и т.п., в которых точность измерений не имеет значения.

Классификация и конструктивные особенности ИТН
ИТН классифицируется по:
1. конструкции – трехфазные и однофазные. Трехфазные ТН применяются на напряжение до 20 кВ, однофазные – на любые напряжения.
2. типу изоляции – сухая, масляная, с литой изоляцией.
Масляные ТН применяются на напряжение 6-1150 кВ, как в закрытых, так и в открытых РУ. В этих трансформаторах об-мотки и магнитопровод залиты маслом, которое служит для изоляции и охлаждения.
Отечественные заводы изготовляют масляные ТН в стальных кожухах, как однофазными типа НОМ или ЗНОМ, так и трехфазными типов НТМК, НАМИ и другие. Буквы в обозначениях означает: Н – трансформатор напряжения; О – однофазный; М – масляный; З – с заземленным выводом первичной обмотки; К – компенсированный; И – для контроля изоляции.

ТН на напряжение 6-10 кВ предназначены для закрытых РУ, а на напря-жения 35 кВ и выше для ОРУ и только в однофазном исполнении.
Следует отличать однофазные двухобмоточные ТН: НОМ–6; НОМ-10; НОМ-35 от однофазных трехобмоточных ЗНОМ-6; ЗНОМ-10; ЗНОМ-35 и ЗНОЛ-35. Схема обмоток первых показана на рис 1а.
Они имеют два вывода ВН и два НН, их можно соединять по схемам открытого треугольника, звезды, треугольника. Обмотка ВН включается на междуфазное напря-жение.

У трансформаторов второго типа (рис. 1б) одни конец обмотки ВН заземлен, единственный ввод ВН расположен на крышке, а выводы НН – на боковой стенке бака. Обмотка ВН рассчитана на фазное напряжение, основная обмотка НН - на 100 В, дополнительная об-мотка - на 100/3 В. Такие ТН называются заземляемыми и предназначены для измерения напряжения проводов по отношению к земле, линейных напряжений, а также напряжений нулевой после-довательности в сетях, работающих с незаземленной или компенсированной нейтралями.

В настоящее время все более широкое применение находят ТН с литой изоляцией серий ЗНОЛ.06 и НОЛ.08. Заземляемые трансформаторы ЗНОЛ.06 имеют пять исполнений по напряжению: 6, 10, 15, 20, 24 кВ. Класс точности их доведен до 0,2. Они имеют небольшую массу, могут устанавливаться в любом положении, пожаробезопасны, предназначены для установки в КРУ и комплектных токопроводах, взамен ТН - НТМИ и ЗНОМ. Трансформаторы НОЛ.08 предназначены для замены НОМ-6 и НОМ-10.

ТН на 110 кВ и выше изготовляют каскадного типа. Они состоят из нескольких ступеней (трансформаторов), изолированных друг от друга. В таком трансформаторе число ступе-ней определяется номинальным напряжени-ем и при U=110 кВ имеет 2 каскада; при U=220 кВ – 4 каскады; U=330 кВ – 6 каскадов и т.д. В этих трансформаторах первичная обмотка ВН равномерно распределена по нескольким магнитопроводам (каскадам), благодаря чему облегчается ее изоляция.

Начало первичной обмотки верхнего каскада (ступени) присоединяют к проводу, напряжение которого должно быть измерено. Конец первичной обмотки нижнего каскада (ступени) присоединяют к заземленному основанию. Они имеют меньшую массу и стоимость по сравнению с обычными ТН, но их погрешность больше, чем у обычных. Каскадные ТН НКФ-330, НКФ- 500 соответствуют классам точности 1 и 3. Заводы выпускают эти трансформаторы для напряжений 110÷500 кВ. Трансформаторы ступеней помещают по два в фарфоровый кожух, наполненный маслом.

С увеличением напряжения усложня-ется конструкция каскадных ТН, поэтому в электроустановках 500 кВ и выше применяются трансформаторные устройства с емкостным отбором мощности, присоединяемые к конденсаторам высокочастотной связи с помощью конденсатора отбора мощности (см. рис. 2).

Емкость конденсатора С1 < С2, откуда UC2 ≤ UC1. Напряжение нижней ступени UC2 обычно составляет 10 кВ. Поэтому напряжение на нагрузке U2 подается через трансформатор напряжения. Величина U2=100/ В. Для того чтобы выходное напряжение U2 не зависело от величины нагрузки, реактор Р настроен в резонанс с ем-костью С1+С2. При надлежа-щем выборе элементов, ЕТН может быть выполнен на высокий класс точности (0,2).

Емкостной делитель С1- С2 используется также для питания высокочастотной защиты ВЧ. Заградительный дроссель 3 препятствует токам высокой частоты проходить в реактор Р и ТН. ТН этой серии обозначаются как НДЕ.
В настоящее время в электрических сетях 110 кВ и выше используются индуктивные антирезонансные ТН серии НАМИ 110 – 220 – 330 -500 кВ, которые отличаются от емкостных ТН лучшей стбильностью в наивысших классах точности, меньшими погрешностями в переходных процессах, большей нагрузочной способностью и более выгодным соотношением стоимость/качество.

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТН.
В трехфазной системе измерению подлежат:
линейные напряжения;
фазные напряжения (напряжения относительно земли);
напряжение нулевой последовательности, появляющееся при замыкании на землю.
Напряжение нулевой последовательности использу-ют для релейной защиты, а в сетях с незаземленной или компенсированной нейтралями - для сигнализа-ции однофазных замыканий.
В зависимости от назначения могут применяться ТН с различными схемами соединения обмоток.

Один однофазный ТН (рис.3) применяется в однофазных и трехфазных установках, ког-да достаточно иметь между-фазное напряжение между какими – либо фазами ( для включения вольтметров, час-тотомеров, катушек нулевого напряжения ручных приводов выключателей, реле напря-жения и т.д.).

В тех случаях, когда основную нагрузку ТН состав-ляют счетчики и ваттметры целесообразна схема из двух однофазных ТН, включенных в неполный (открытый) треугольник (рис.4). Эта схема приме-няется при необходимости
Рис.4
включения измерительных приборов и реле только на междуфазные напряжения (фазные напряжения в этом случае измерить нельзя).

Эта схема дешевле, чем схема из трех однофазных ТН. Токовые обмотки этих приборов присоединяют к ИТТ, включенным в фазы А и С. Тогда, обмотки напряжения должны быть присоединены к зажимам ИТН «ав» и «вс». Такое единообразие в подклю-чении измерительных приборов облегчает монтаж и проверку вторичных цепей и явля-ется общепринятым. Эта схема позволяет также измерить два линейных напряжения - UАВ и UВС. (НОМ; НОС; НОЛ).

Для измерения трех линейных напряжений, предпочтительна схема, изображенная на рис. 5 (НТМК) или схема из трех однофазных ТН соединенных по схеме Y-Y0. Эта схема используется и тогда, когда мощность двух однофазных ТН недостаточна в выбранном классе точности.