Трансформатор напряжения что это и для чего нужен
Они встречаются везде, где присутствует необходимость преобразовать высокое напряжение сети в пропорционально более низкое значение. В этом и есть их назначение: преобразование величины напряжения. ТН-ы используют для:
Если бы не существовало трансформаторов напряжения, то, например, чтобы измерить напряжение на шине 10кВ, пришлось бы сооружать супермощный вольтметр с изоляцией, выдерживающей 10кВ. А это уже габариты ого-го. А ещё плюс к этому необходимо соблюсти точность измерений. Проблемка, но и это не всё. Если в таком приборе что-то коротнет, то электрик ошибается однажды…. при выборе профессии. 10кВ, а ведь есть и 750кВ, как там померить? Загвоздочка. Поэтому отдаем почести изобретателям трансформаторов, и в частности трансформаторов напряжения. Отвлеклись, продолжаем.
Прежде, чем двигаться дальше, нарисую однофазный ТН, чтобы было наглядно и более понятнее далее в изложении материала.
Принцип работы ТН
Принцип действия трансформатора напряжения аналогичен принципу работы трансформатора тока. Обозначим это еще раз. По первичной обмотке проходит переменный ток, этот ток образует магнитный поток. Магнитный поток пронизывает магнитопровод и обмотки ВН и НН. Если ко вторичной обмотке подключена нагрузка, то по ней начинает течь ток, который возникает из-за действия ЭДС. ЭДС наводится из-за действия магнитного потока. Подбирая разное количество витков первичной и вторичной обмоток можно получить нужное напряжение на выходе. Более подробно это показано в статье про векторную диаграмму трансформатора напряжения.
Если на ТН подавать постоянное напряжение, то ЭДС не создается постоянным магнитным потоком. Поэтому ТНы выпускают на переменное напряжение. Коэффициентом трансформации трансформатора напряжения называют естественно отношение напряжения первичной обмотки к напряжению вторичной и записывают через дробь. Например, 6000/100. Когда приходят молодые студенты, они иногда на вопрос какой коэффициент отвечают 60. Не стоит так делать.
Классификация трансформаторов напряжения
ТНы классифицируются по следующим параметрам:
На напряжение 6, 10кВ используют литые ТНы, залитые эпоксидной смолой. Эти аппараты устанавливают в распредустройствах. Они занимают меньшие габариты, по сравнению с масляными. Также к их плюсам стоит отнести меньшее количество ухода за ними.
электромагнитные и емкостные
Если открыть объемы и нормы испытаний электрооборудования на странице ТНов, то можно увидеть, что трансформаторы напряжения там разделяются на электромагнитные и емкостные. В чем же состоит различие этих типов оборудования.
Электромагнитными считаем все ТНы в которых преобразование происходит по принципу, описанному выше (магнитные потоки, ЭДС и так далее). Индукционный ток, в брошюрах западных производителей их называют индуктивными, в противоположность емкостным. По моему всё именно так.
А вот емкостные трансформаторы напряжения, или же всё таки емкостные делители напряжения… Тут история умалчивает. Принцип работы такого оборудования можно понять, если нарисовать схему.
Вот, например схема ТН марки НДЕ-М. Они выпускаются на напряжение выше 110кВ. Состоит из емкостного делителя и электромагнитного устройства. Емкостной делитель состоит из конденсаторов С1 и С2. Принцип емкостного делителя в следующем. Напряжение линии Л делится обратно пропорционально величинам емкостей С1 и С2. То есть мы подключаем к С2 наш ТН и напряжение на нем пропорционально входному, которое идет по Л, но гораздо меньше его. Раз рассматриваем НДЕ, то вот табличка величин напряжения для разных классов оборудования.
Электромагнитное устройство состоит из понижающего трансформатора, реактора и демпфера.
Реактор предназначен для компенсации емкостного сопротивления и следовательно уменьшения погрешности.
Электромагнитный демпфер предназначен для устранения субгармонических колебаний, которые могут возникать при включениях и коротких замыканиях в обмотках ТНа.
Чем выше класс напряжения, тем емкостные трансформаторы напряжения выгоднее своих собратьев. За счет снижения размеров изоляции и материалов.
Трансформатор простыми словами
Мы привыкли к тому, что напряжение в розетке всегда 220 В. Возможно не все читатели подозревают, что прежде чем поступить к потребителю, выполнялись преобразования электрической энергии. Перед поступлением на провода ЛЭП, напряжение переменного тока увеличивали до десятков, а то и сотен киловольт, а на выходе – понижали, до привычных нам 220 В. Эти преобразования выполнили силовые трансформаторы. В данной статье я расскажу вам, что такое трансформатор простыми словами.
Потребность в преобразования переменного напряжения возникает практически на каждом шагу. Чаще всего мы испытываем необходимость в понижении напряжения, так как большинство узлов современных электронных устройств работает при низких напряжениях. Однако для некоторых цепей высоковольтных узлов требуются значительные напряжения, порядка нескольких тысяч вольт.
Рис. 1. Промышленный трансформатор
Что такое трансформатор?
Если коротко, то это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения с сохранением частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.
Немного исторических фактов
В основу действия трансформатора легло явление магнитной индукции, открытое М. Фарадеем в 1831 г. Физик, работая с постоянным электрическим током, заметил отклонение стрелки гальванометра, подключенного к одной из двух катушек, намотанных на сердечник. Причем гальванометр реагировал только в моменты коммутации первой катушки.
Поскольку опыты проводились от источника постоянного тока, Фарадей не смог объяснить открытое явление.
Прообраз трансформатора появился лишь в 1848 году. Его изобрел немецкий механик Г. Румкорф, называя устройство индукционной катушкой особой конструкции. Однако Румкорф не заметил трансформации выходных напряжений.Датой рождения первого трансформатора считается день выдачи патента П. Н. Яблочкову на изобретение устройства с разомкнутым сердечником. Это случилось 30.11.1876 года.
Типы аппаратов с замкнутыми сердечниками появились в 1884 году. Их создали англичане Джон и Эдуард Гопкнинсоны.
По большому счету, технический интерес у электромехаников к переменному току возник только благодаря изобретению трансформатора. Идеи российского электротехника М. О. Доливо-Добровольского и всемирно известного Николы Тесла победили в спорах о преимуществах переменных напряжений именно благодаря возможности трансформации тока.
С победой идей этих великих электротехников потребности в трансформаторах резко выросла, что привело к их усовершенствованию и созданию новых типов приборов.
Общее устройство и принцип работы
Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод (см. Рис. 2). Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.
Рисунок 2. Устройство трансформатора
Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.
Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:
В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать, а в некоторых изделиях применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.
В связи с тем, что для характеристик ферромагнетиков характерна нелинейность намагничивания, сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения которого применяют метод шихтования магнитопроводов.
Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.
Рисунок 3. Внешний вид трансформатора
Базовые принципы действия
Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует наведение ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1 / W2, где символами W1 и W2 обозначено количество витков в катушках.
Если k > 1, то трансформатор повышающий, а при 0 
Виды магнитопроводов
Более широкий спектр охватывает классификация по назначению.
Силовые
Назначения силового трансформатора понятно из названия. Термин силовые применяется к семейству моделей, как правило, большой мощности, используемых для преобразования электрической энергии в сетях ЛЭП и в различных обслуживающих установках.
При трансформации сохраняются частоты переменного тока, поэтому возможно подключение силовых трансформаторов в группы для работы в высоковольтных трехфазных сетях.
Силовые аппараты могут соединяться в группы с различными схемами подключения обмоток: по принципу звездочки, треугольником или зигзагом. Схема звездочка оправдана, если в трехфазных сетях нагрузка симметрическая. В противном случае предпочтения отдают треугольнику. При таком способе подключения токи первичной обмотки подмагничивают по отдельности каждый стержневой магнитопровод.
Тогда однофазное сопротивление приблизится к расчетному, а перекос напряжений будет устранен.
Автотрансформаторы
Группа устройств, в которых первичная и вторичная обмотки за счет их прямого соединения между собой образуют электрическую связь, называется автотрансформаторами. Характерным признаком этой группы является несколько пар выводов, к которым можно подключить нагрузку.
Обмотки автотрансформаторов имеют не только магнитную, но и электрическую связь. Они нашли применение в соединениях заземленных сетей, работающих под напряжением, превышающим 110 кВ, но при низких коэффициентах трансформации – не более 3 – 4.
Можно первичную обмотку подключить последовательно в электрическую цепь с другими устройствами и получить гальваническую развязку. Такие приборы получили названия трансформаторов тока. Первичную цепь таких устройств контролируют путём изменения однофазной нагрузки, а вторичную катушку используют в цепях измерительных приборов или сигнализации. Второе название приборов – измерительные трансформаторы.
Особенностью работы измерительных трансформаторов является особый режим выходной обмотки. Она функционирует в критическом режиме короткого замыкания. При разрыве вторичной цепи возникает резкое повышение напряжения в ней, что может вызвать пробои или повреждение изоляции.
Трансформатор тока
Напряжения
Типичное применение – изоляция логических цепей защиты измерительных приборов от высокого напряжения. Трансформатор напряжения – это понижающий прибор, преобразующий высокое напряжение в более низкое.
Импульсные
В работе современной электронике применяются высокочастотные сигналы, которые часто необходимо отделить от других сигналов.
Задача импульсных трансформаторов – преобразования импульсных сигналов с сохранением формы импульса.
Для высокочастотных импульсных аппаратов выдвигаются требования о максимальном сохранении формы импульса на выходе. Имеет значение именно форма, а не амплитуда и даже не знак.
Сварочные
В работе сварочного аппарата важен большой сварочный ток. При этом, сетевое напряжение понижают до безопасного уровня. Благодаря мощному электрическому току дуговой разряд сварочного аппарата плавит металл.
В сварочном трансформаторе имеется возможность ступенчатого регулирования величины тока во вторичных цепях способом изменения индуктивного сопротивления, либо путем секционирования одной из обмоток.
Фото устройства представлено на рисунке 6. Обратите внимание на наличие коммутирующего переключателя.
Рис. 6. Трансформатор для сварочного полуавтомата на броневом магнитопроводе
В сварочных аппаратах применяют конструкции на основе однофазных трансформаторов, а также с применением трехфазных трансформаторов. Для сварки некоторых металлов, например, нержавейки, сварочный ток выпрямляют.
Разделительные
Устройства, в которых нет электрической связи между обмотками, называют резделительными трансформаторами. Силовые разделительные аппараты применяются для повышения безопасности электросетей. Другая область применения разделительных трансформаторов – обеспечение гальванической развязки между отдельными узлами электрических цепей.
Согласующие
Данные типы аппаратов применяют для согласования сопротивления каскадов электронных схем. Они обеспечивают минимальное искажение формы сигналов, создают гальванические развязки между узлами электронных устройств.
Пик-трансформаторы
Аппараты, преобразующие синусоидальные токи в импульсные напряжения. Полярность выходных напряжений меняется через каждых полпериода.
Воздушные и масляные
Силовые трансформаторы бывают сухими (с воздушным охлаждением) (см. рис. 7) и масляными (см. рис. 8).
Модели сухих силовых трансформаторов чаще всего используют для преобразований сетевых напряжений, в том числе и в схемах трехфазных сетей.
Рисунок 7. Сухой трехфазный трансформатор
При подключении нагрузки происходит нагревание обмоток, что грозит разрушением электрической изоляции. Поэтому в сетях с напряжениями свыше 6 кВ работают приборы с масляным охлаждением. Специальное трансформаторное масло повышает надежность изоляции, что очень важно при больших выходных мощностях.
Рис. 8. Строение промышленного трансформатора с масляным охлаждением
Сдвоенный дроссель
Конструктивно такой аппарат является трансформатором с одинаковыми катушками. Катушки одинаковой мощности образуют встречный индуктивный фильтр. Эффективность аппарата выше, чем у дросселя (при одинаковых размерах).
Вращающиеся
Применяются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами происходит при больших скоростях вращения.
Обозначение на схемах
Трансформаторы наглядно изображаются на электрических схемах. Символически изображаются обмотки, которые разделены магнитопроводом в виде жирной или тонкой линии (см. рис. 9).
Пример обозначения
На схемах трехфазных трансформаторов обмотки начинаются со стороны сердечника.
Области применения
Кроме преобразования напряжений в электрических сетях, трансформаторы часто применяются в блоках питания радиоэлектронных устройств. Преимущественно это автотрансформаторы, которые одновременно выдают несколько напряжений для различных узлов.
Сегодня все чаще используют бестрансформаторные блоки питания. Однако там где требуется питание мощным переменным током, без электромагнитных устройств не обойтись.
Что такое трансформатор напряжения
Трансформатор напряжения — это одна из разновидностей трансформаторов, который нужен для:
Измерительный трансформатор напряжения служит для понижения высокого напряжения, подаваемого в установках переменного тока на измерительные приборы и реле защиты и автоматики.
Трансформатор напряжения принцип работы
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 чего он обеспечивает безопасность их обслуживания на подстанции.
Основное принципиальное отличие измерительных трансформаторов напряжения (ТН) от трансформаторов тока (ТТ) состоит в том, что они, как и все силовые модели, рассчитаны на обычную работу без закороченной вторичной обмотки.
В то же время, если силовые трансформаторы предназначены для передачи транспортируемой мощности с минимальными потерями, то измерительные трансформаторы напряжения конструируются с целью высокоточного повторения в масштабе векторов первичного напряжения.
измерительный трансформатор напряжения
Принципы работы трансформатора напряжения
Конструкцию трансформатора напряжения, как и трансформатора тока, можно представить магнитопроводом с намотанными вокруг него двумя обмотками:
Специальные сорта стали для магнитопровода, а также металл их обмоток и слой изоляции подбираются для максимально точного преобразования напряжения с наименьшими потерями. Число витков первичной и вторичной катушек рассчитывается таким образом, чтобы номинальное значение высоковольтного линейного напряжения сети, подаваемое на первичную обмотку, всегда воспроизводилось вторичной величиной 100 вольт с тем же направлением вектора для систем, собранных с заземленной нейтралью.
Если же первичная схема передачи энергии создана с изолированной нейтралью, то на выходе измерительной обмотки будет присутствовать 100/√3 вольт.
Для создания разных способов моделирования первичных напряжений на магнитопроводе может располагаться не одна, а несколько вторичных обмоток.
Устройство однофазного трансформатора напряжения
Устройство однофазного трансформатора напряжения:
Однофазные трансформаторы напряжения получили наибольшее распространение. Они выпускаются на рабочие напряжения от 380 В до 500 кВ.
Конструктивные размеры и масса ТН определяются не мощностью, как у силовых трансформаторов, а в основном объемом изоляции первичной обмотки и размерами её выводов высокого напряжения.
Трансформаторы напряжения с номинальным напряжением от 380 В до 6 кВ имеют исполнение с сухой изоляцией (обмотки выполняются проводом марки ПЭЛ и пропитываются асфальтовым лаком).
Свердловский завод трансформаторов тока выпускает трансформаторы напряжения на 6, 10, 35 кВ с литой изоляцией.
У трансформаторов напряжением 10 — 500 кВ изоляция масляная (магнитопровод погружен в трансформаторное масло).
Пример назначение и область применение трансформаторов напряжения ЗНОЛ-НТЗ
Трансформаторы предназначены для наружной установки в открытых распределительных устройствах (ОРУ). Трансформаторы обеспечивают передачу сигнала измерительной информации измерительным приборам и устройствам защиты и управления, предназначены для использования в цепях коммерческого учета электроэнергии в электрических установках переменного тока на класс напряжения 35 кВ. Трансформаторы выполнены в виде опорной конструкции.
Корпус трансформаторов выполнен из компаунда на основе гидрофобной циклоалифатической смолы «Huntsman», который одновременно является основной изоляцией и обеспечивает защиту обмоток от механических и климатических воздействий. Рабочее положение трансформаторов в пространстве — вертикальное, высоковольтными выводами вверх.
Схемы включения трансформаторов напряжения
Измерительные трансформаторы применяются для замера линейных и/или фазных первичных величин. Для этого силовые обмотки включают между:
Важным элементом безопасности измерительных трансформаторов напряжения является заземление их корпуса и вторичной обмотки.
На заземление трансформаторов напряжения обращается повышенное внимание, ведь при пробое изоляции первичной обмотки на корпус или во вторичные цепи в них появится высоковольтный потенциал, способный травмировать людей и сжечь оборудование.
Преднамеренное заземление корпуса и одной вторичной обмотки отводит этот опасный потенциал на землю, чем предотвращает дальнейшее развитие аварии.
Трансформатор напряжения при напряжении до 35 кВ
Трансформатор напряжения при напряжении до 35 кВ по принципу выполнения ничем не отличается от силового понижающего трансформатора. Он состоит из магнитопровода, набранного из пластин листовой электротехнической стали, первичной обмотки и одной или двух вторичных обмоток. На рис. 2.1. показана схема трансформатора напряжения с одной вторичной обмоткой. На первичную обмотку подается высокое напряжение Ub a напряжение вторичной обмотки U2 подведено к измерительному прибору.
рис. 2.1 Схема включения однофазного трансформатора напряжения
Трансформаторы применяются в наружных (типа НОМ-35, серий ЗНОМ и НКФ) или внутренних установках переменного тока напряжением 0,38-500 кВ и номинальной частотой 50 Гц. Трехобмоточные трансформаторы НТМИ предназначены для сетей с изолированной нейтралью, серии НКФ (кроме НКФ-110-5 8) — с заземленной нейтралью.
В электроустановках используются однофазные, трехфазные (пятистержневые) и каскадные трансформаторы напряжения (ТН). Выбор того или иного типа трансформатора напряжения зависит от напряжения сети, значения и характера нагрузки вторичных цепей и назначения трансформатора напряжения (для целей изменения, для контроля однофазных замыканий на землю, для питания устройств релейной защиты и автоматики).
Ввиду относительно высокой стоимости ТН для сетей 110-750 кВ они в ряде случаев, там, где это возможно по условиям работы систем измерения, защиты и автоматики электроустановок, заменяются емкостными делителями напряжения.
По изоляции различают трансформаторы напряжения с сухой и масляной изоляцией.
Обозначение трансформатора напряжения на схеме
Предохранители трансформаторов осуществляют защиту трансформаторов напряжения от повреждения в случае их работы в ненормальном режиме — при однофазном замыкании на землю, при возникновении в сети феррорезонансных явлений или в случае наличия короткого замыкания в первичной обмотке трансформатора напряжения.
Трёхфазный трансформатор
Среди электромагнитных устройств данного типа выделяется трёхфазный трансформатор. Он имеет магнитную и гальваническую связи фаз. Наличие схемы первого типа обусловлено соединением магнитопроводов в одну систему. При этом потоки магнитного воздействия расположены относительно друг друга под углом 120 °. Стержень в данной системе не нужен, так как при объединении центров трёх фаз сумма электромагнитных русел равняется нулю вне зависимости от времени. Благодаря этому схема с шестью стержнями преобразуется в трёхстержневую.
В соединении обмоток устройства можно использовать схемы трёх типов:
Применение трёхфазного трансформатора является более экономичным, чем использование соединённых однофазных конструкций.
Нагрузка трансформаторов напряжения
Вторичная нагрузка трансформатора напряжения—это мощность внешней вторичной цепи. Под номинальной вторичной нагрузкой понимают наибольшую нагрузку, при которой погрешность не выходит за допустимые пределы, установленные для трансформаторов данного класса точности.
Конструкции трансформаторов напряжения
В установках напряжением до 18 кВ применяются трехфазные и однофазные трансформаторы, при более высоких напряжениях — только однофазные.
Измерительные трансформаторы напряжения
Измерительные трансформаторы напряжения предназначены для уменьшения первичных напряжений до значений, наиболее удобных для подключения измерительных приборов, реле защиты, устройств автоматики. Применение измерительных трансформаторов обеспечивает безопасность работающих, так как цепи высшего и низшего напряжения разделены, а также позволяет унифицировать конструкцию приборов и реле.
Видео: Трансформаторы напряжения
Технические характеристики трансформаторов напряжения, схемы включения. Факторы, влияющие на класс точности. Виды трансформаторов напряжения, расшифровка маркировки.