Трансформатор напряжения что это – назначение и принцип действия

Трансформаторы — устройства, используемые для преобразования одного из параметров электроэнергии – напряжения или силы тока.

Они относятся к пассивным электрическим устройствам, то есть не генерируют, а потребляют энергию, поэтому мощность тока в трансформаторах не может увеличиваться.

Таким образом, все трансформаторы в зависимости от преобразуемого параметра электрической энергии делятся на 2 вида:

трансформаторы электрического тока;
трансформаторы электрического напряжения.

Работа любого электрического трансформатора основана на принципе электромагнитной взаимоиндукции – способности проводника с током наводить эдс в соседнем проводнике. Проводниками в трансформаторе являются первичная (входная) и вторичная (выходная) обмотки, намотанные на магнитопровод для усиления магнитной связи между ними. Магнитопровод представляет собой замкнутый или разомкнутый сердечник из железа или композитного сплава с высокой магнитной проницаемостью.

Основными показателями трансформатора являются коэффициенты трансформации по напряжению и току:

КU=U2/U1 и KI=I2/I1

где U1,2 – напряжения в первичной и вторичной обмотке, I1,2 – силы тока в первичной и вторичной обмотке. Они показывают, во сколько раз изменяется входной ток или напряжение на выходе трансформатора. В зависимости от величины коэффициента трансформации различают повышающие (К˃1) и понижающие (К<1) трансформаторы. Если магнитная связь между обмотками не изменяется, то коэффициент трансформации будет равен соотношению количества витков во вторичной и первичной обмотке

K=w2/w1.

Расшифровка аббревиатур устройств

Различаются и по способу изоляции, сухая, она же литая и масляной. У каждого свое, буквенное обозначение трансформатора. Есть на разные классы напряжения, такие как, нтми-10, ном-10, зном-35, ном-35, нкф-110, нами-10. В предыдущем предложении, цифры означают номинальное напряжение. Начнём с самой важной буквы, которая находится в самом начале практически всех аббревиатур, это буква Н. Она как раз и означает трансформатор напряжения. Кстати говоря, его сокращённо называют просто ТН.

Следующие по списку и по важности буква это, Т и О, которые означаю количество фаз. Трехфазный и однофазный соответственно. У буквы Т есть ещё одно значение, она означает что, трансформатор трёх обмоточный. Следующие буквы, относятся к изоляции и способам охлаждения. Она может быть, литой (Л), С сухой, Естественное мысленно охлаждение, маркируется буквой М.

Следующие значения, можно отнести к дополнительным функциям. Для подключения измерительных приборов, наносится (И). Если видим (К), следует понимать, что в трансформаторе напряжения есть дополнительная обмотка, которая уменьшает угловую погрешность или каскад. «З» – наличие заземляющего вывода. Активную часть, часто помещают в фарфоровую покрышку, поэтому присутствует символ «Ф». (У) — относится к установки в умеренно климате. Д, Е – делитель, имеет определённую ёмкость.

Расшифровка аббревиатур.

Виды и их особенности

Кроме рассмотренных выше понижающих и повышавших приборов выпускаются и другие модели:

тяговые;
лабораторные, в которых возможно регулировать напряжение;
для выпрямительных установок;
источники питания для радиоаппаратуры.

Все они относятся к одной большой группе трансформаторов – силовым. Есть еще одна разновидность такого оборудования. Это устройства, используемые для подключения к цепям высокого напряжения различных электроизмерительных приборов. Они получили название измерительных трансформаторов напряжения. Также эти приборы находят широкое применение при электросварке. Имеют отличия и в конструктивном исполнении. В зависимости от этого различают двух и многообмоточные измерительные трансформаторы тока и напряжения. Такие приборы используются для проведения измерений и питания цепей автоматики, релейной защиты. Они могут быть одно- или трехфазные с масляным или воздушным охлаждением.

Будет интересно➡ Что такое трансформатор?

Влияет на классификацию, и форма магнитопровода. Он может быть:

стержневой;
броневой;
тороидальный.

При этом различают два вида конструкции обмоток:

Концентрический;
Дисковый.

По классу точности устройства подразделяются на 4 категории:

0,2;
0,5;
1,0;

Еще одним параметром, влияющим на специфику применения измерительных трансформаторов тока и напряжения, является способ установки. В зависимости от него изделия бывают следующих типов:

внутренние;
наружные;
для КРУ.

Виды трансформаторов.

Разнообразие

Существует много типов трансформаторов тока, но в самом общем виде при выборе трансформаторов тока принимается во внимание то, что изделия делятся на измерительные (TTI) и защитные

Фактор разделения	Просмотры
Деловое свидание, встреча	лаборатория. промежуточные – для измерений, уравнивания токов в АВДТ; защита или контроль (измерение);
Дизайн	В обмотке первичная обмотка включается последовательно с измеряемым проводником. В тороидальных на его месте находится сетка (в отверстии ТА), а в стержневых, по своей роли это цепной трос, что эквивалентно 1 витку.
Сборка	для транспорта (для лабораторий, тестов). накладные; встроенные (в электростанциях, счетчиках, коммутационных устройствах); для размещения снаружи (во внешней панели) или внутри (во внутренней панели);
Количество кругов	один оборот. с множеством витков (кольцевая, восьмерка);
Изоляция	составлен. промасленное покрытие; сухая: (фарфор, эпоксидная смола, бэкелит);
Шаги	Один или несколько (каскадный)
Под каким наименованием	До 1 кВ и выше (например, для тока 10 кВ)

Трансформатор тока может быть выполнен с возможностью его открытия, установки и запирания, без отключения, в онлайн-режиме.

ТТ защитный

Трансформаторы защиты обычно бывают релейными, они «выглядят» так, чтобы манипулятор, входящий в электрическую сеть электростанции, не получил смертельного удара. Внутри электрических систем, которые создают, транспортируют и распределяют энергию, есть опасные значения для правильной работы. Но любое оборудование необходимо проверять, отремонтировать, отремонтировать, чтобы оставалось «окно» безопасности в виде ТТ для специалистов по ремонту.

Измерение КТ

Задача измерительного трансформатора тока TTI – преобразовывать значения, позволяя подключить вольтметр, амперметр, еще один измеритель, не опасаясь, что он сгорит от чрезмерной нагрузки. При этом получаются наиболее точные и надежные данные измерений. Другими словами, TT изолирует подключенное устройство не только для измерений, но и любое другое устройство, если это необходимо, от высокой мощности.

Критерии выбора оборудования

Трансформатор напряжения состоит из двух обмоток и сердечника. Обмотки также подразделяются на первичную и вторичную. Вот тут и начинаются различия, если сравнивать трансформатор напряжения с трансформатором тока. Первичная обмотка трансформатора напряжения содержит значительно больше витков, чем вторичная.

На первичную обмотку подается напряжение, которое нам нужно измерить а к вторичной обмотке подсоединяется вольтметр. Обычно приобретая оборудование ориентируются не его основные параметры. Для трансформатора таковыми являются:

напряжения обмоток, которые указываются на щитке;
коэффициент трансформации;
угловой погрешности.

Интересный материал для ознакомления: что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Необходимо также ориентироваться на условия эксплуатации. Поэтому самыми важными параметрами при выборе оказываются нагрузка, сфера применения и напряжение короткого замыкания трансформатора. На первом этапе необходимо убедиться в том, что мощности модели будет достаточно для того чтобы справиться не только с поставленной задачей, но и возможными перегрузками. Неплохо иметь прибор, параметры которого могут быть изменены в процессе эксплуатации.

Но ориентироваться только на эти характеристики недопустимо. Так как для эффективной работы трансформатора напряжения 110 кВ важны и его технические характеристики:

частота тока;
фазность;
способ установки;
место расположения;
нагрузка.

Кроме этого нужно определить подходит ли вам цена устройства, а также стоимость его дальнейшего обслуживания. Параметры выбора трансформаторов тока приведены в таблице ниже.

Таблица выбора трансформаторов тока.

Разновидности конструкций

Измерительные токовые трансформаторы выпускаются различных типов. Все они имеют одно и то же назначение, но отличаются составными элементами и принципом действия. Каждая разновидность применяется для достижения определённых целей, что позволяет выбирать оптимальный вариант для каждого случая.

Катушечного типа

Этот вид измерительных трансформаторов считается наиболее простым по конструкции. Свою популярность он приобрёл ещё в советские времена, когда не было более качественных и эффективных устройств. Состоит катушечный прибор из следующих элементов:

защитный корпус;
вторичная и первичная обмотка;
клеммная колодка;
контакты;
восьмёрочная или петлевая обмотка.

К ним относят:

низкое разрядное напряжение, которое становится следствием слабой катушечной изоляции;
возможность использования только при небольших номинальных напряжениях (не более 3 кВ);
способность работать только при пониженных требованиях к электрической прочности.

Проходной трансформатор

Эти устройства считаются наиболее часто используемыми. Они нашли широкое применение в различных распределительных приборах, рассчитанных на напряжение от 6 до 35 кВ. Их устройство не отличается особой сложностью.

Конструкция состоит из таких частей:

литой эпоксидный корпус;
магнитопровод;
первичная обмотка;
вторичная обмотка.

Трансформаторы этого типа ценятся за то, что дают возможность в закрытых распределительных устройствах сэкономить проходной изолятор. Среди других преимуществ прибора выделяют такие:

малые габариты;
высокая электродинамическая стойкость.

Стержневое устройство

Стержневые трансформаторы часто называют одновитковыми. Главная их особенность — увеличение точности при повышении силы тока и уменьшение — при понижении. Она обусловлена тем, что первичная обмотка только один раз проходит через отверстие сердечника, что приводит к численному равенству количества ампер-витков и номинального тока.

Устройство состоит из следующих деталей:

железный магнитопровод (сердечник);
стержень проходного изолятора;
вторичная и первичная обмотка.

Шинный прибор

Шинные трансформаторы представляют собой изделия, в конструкцию которых входят сердечники со вторичной обмоткой, а первичная — отсутствует. В главной изоляции прибора предусмотрено специальное отверстие, через которое пропускается шина распределительного устройства, выполняющая роль первичной обмотки.

Эта разновидность трансформатора очень похожа на стержневую. Лишь при малых показаниях напряжения через отверстие в сердечнике прокладывают несколько витков проводника, что даёт возможность получить многовитковую конструкцию прибора.

Основными преимуществами шинного трансформатора считаются:

простота конструкции;
лёгкость проведения монтажных, ремонтных и профилактических работ;
возможность использовать устройство не только при малых номинальных токах, но и при высоких (более 2 тыс. ампер);
высокая электродинамическая стойкость, обусловленная устойчивостью шинной конструкции.

Как работает

После того, как в первичной обмотке появится переменное напряжение U1, в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток Ф, который возбуждает напряжение во вторичной обмотке U2. Это наиболее простое и краткое описание принципа работы трансформатора напряжения. Самым главным параметром трансформаторов является «коэффициент трансформации» и обозначается латинской «n». Он вычисляется делением напряжение в первичной обмотке на напряжение во вторичной обмотке или количества витков в первой катушки на количество витков во второй катушке.

Этот коэффициент позволяет рассчитать необходимые параметры вашего трансформатора для выбранного устройства. Например, если первичная обмотка имеет 2000 витков, а вторичная -100 витков, то n=20. При напряжении сети 240 вольт, на выходе устройства должно быть 12 вольт. Так же, можно определить количество витков при заданных, входном и выходном, напряжениях.

Трансформаторы напряжения: назначение и принцип действия

Трансформатор – электрическое устройство. Преобразует переменный ток одного напряжения в электрический ток другого напряжения. Частота, согласно явлению электромагнитной индукции, остается неизменной.

Состоит статический трансформатор из:

первичной и вторичной обмотки;
сердечника.

Применяется устройство в разных схемах питания и электроприборах. Передает электроэнергию на большие расстояния и:

снижает потери энергии;
уменьшает площадь сечения проводов ЛЭП.

Разновидности прибора:

повышающий;
понижающий;
силовой;
вращающийся;
импульсный;
разделительный;
согласующий.

Понижающий трансформатор применяется в быту. Именно через него проходит и поступает ток в домашние розетки с мощностью 220 Вт.

Силовой агрегат в составе из сердечника и нескольких обмоток преобразует напряжение в электроцепи по принципу электромагнитной индукции. Также значение напряжения переменного тока без изменений его частоты. Применяется для распределения и передачи электрической энергии. Напряжение в обмотках – свыше 300 кВ. Мощность – от 4 кВ до 200000 кВА.

Справка! Трансформатор служит для понижения либо повышения переменного напряжения. Основой является ферромагнитный сердечник. В дополнение для бесперебойной работы – обмотки, изоляция, магнитопровод, система охлаждения.

Обмотки выполнены из изолированных медных проводов прямоугольного сечения. Между их слоями находятся пустоты для циркуляции охлаждающего масла. Роль которого – отбирать тепло у обмоток, передавать через радиаторные трубки в окружающую среду.

Принцип действия устройства основан на:

изменении магнитного потока;
создании электромагнитной индукции при прохождении через обмотку;
подаче напряжения на первичную обмотку;
воспроизведении магнетизма электрическим током, изменяющимся во времени.

Переменный ток, протекая по первичной обмотке, начинает создавать в магнитопроводе магнитный ток. Постепенно приводит к потоку во всех обмотках, преобразуя гальваническую развязку (переменное напряжение), но без видоизменения частоты.

Стоит знать! Действие прибора основано на электромагнитной индукции. За счет переменного тока образуется магнитное переменное поле вокруг проводника, видоизменяется в электродвижущую силу. Напряжение на выходе полностью зависит от используемого (понижающего, повышающего) трансформатора. Коэффициент ЭДС в обмотках прямо пропорционален количеству витков.

Чем отличаются

По определению эти устройства предназначены для работы с разными электрическими величинами, как основными и соответственно, схемы включения будут различными. Например, трансформатор тока питается от источника тока и не работает, даже может выйти из строя, если его обмотки не нагружены и через них не идет электрический ток. Трансформатор напряжения питаются от источников напряжения и, наоборот, не может долго работать в режиме с большими токовыми нагрузками.

Будет интересно➡ Что такое разделительные трансформаторы

Выбор токового трансформатора для приборов учета

Назначение измерительного трансформатора для коммерции – вести учёт электроэнергии. При выборе подобных моделей обращают внимание на следующее:

Uном тт – 0,66 кВ;
класс точности – 0,5 S при рыночном варианте, при техническом контроле – 1,0;
I1н – номинальный первичный ток.

От номинального первичного тока зависит коэффициент трансформации.

Без трансформаторов тока не обходится ни одна подстанция электросетей. Эти устройства работают для того, чтобы знать и учитывать токовую нагрузку. Они обеспечивают защиту силовых цепей и своевременно подают сигналы обо всех изменениях силы тока в первичной цепи. Правильно подобранный ТТ прослужит без нареканий долгий срок.

Измерительные трансформаторы

При эксплуатации оборудования с высокими рабочими напряжениями и большими токами потребления встает вопрос их измерения и контроля. Здесь на помощь приходят измерительные трансформаторы. Они обеспечивают гальваническую развязку измерительного оборудования от цепей с повышенной опасностью и снижение измеряемой величины до уровня, необходимого для замеров.

Прежде чем покупать трансформатор напряжение, нужно проанализировать все требования, выдвигаемые к устройству. Необходимо учитывать не только рабочие напряжения, но и токи нагрузки при использовании трансформатора в различных приборах.

Трансформаторы напряжения можно изготовить самому, но если вам нужен простой бытовой трансформатор с напряжением на 220 вольт и понижением до 12 вольт, то лучше его приобрести. Сколько стоят трансформаторы напряжения можно узнать на любом интернет-сайте, как правило, на бытовые понижающие трансформаторы напряжения цены не очень высоки.

Материал в тему: как устроен тороидальный трансформатор и в чем его преимущества.

Феррорезонанс и способы защиты от него

Феррорезонансный контур в сети с изолированной нейтралью — это контур нулевой последовательности с нелинейной характеристикой намагничивания. Трехфазный заземляемый трансформатор напряжения, по конструктиву, это три однофазных трансформатора, соединенные по схеме звезда/звезда, с обособленной магнитной системой. При перенапряжениях в сети индукция в магнитопроводе увеличивается, как минимум в 1,73 раза.

В таких режимах возможно насыщение магнитопровода и, как следствие, возникновение феррорезонанса в сети. По данным служб энергоснабжения, ежегодно в эксплуатации повреждается 7–9% трансформаторов напряжения по причине феррорезонанса.

Существует множество способов защиты ТН от резонансных явлений в сети:

изготовление ТН с максимально уменьшенной рабочей индукцией;
включение в цепь ВН и НН дополнительных демпфирующих сопротивлений;
изготовление трехфазных трансформаторов напряжения с единой магнитной системой в пятистержневом исполнении;
применение специальных устройств, включаемых в цепь разомкнутого треугольника;
заземление нейтрали трехфазного трансформатора напряжения через токоограничивающий реактор;
применение специальных компенсационных обмоток и т.д.;
применение специальных релейных схем, для защиты обмотки ВН от сверхтоков.

Все эти меры в той или иной степени защищают измерительный трансформатор напряжения, но не решают проблему в корне.

Обслуживание

Необходимо обратить внимание, что при соблюдении режима и условий эксплуатации, правильно подобранных номиналах и регулярном обслуживании ТТ будет служить 30 лет и более. Для этого необходимо:

Обращать внимание на различные виды неисправностей, заметим, что большинство из них можно обнаружить при визуальном осмотре. Производить контроль нагрузки в первичных цепях и не допускать перегрузку выше установленной нормы. Необходимо отслеживать состояние контактов первичной цепи (если таковые имеются), на них должны отсутствовать внешние признаки повреждений. Не менее важен контроль состояния внешней изоляции, почти в половине случаев ее стойкость нарушается из-за скопления грязи или влаги, которые закорачивают контакты на землю. У масляных ТТ осуществляют проверку уровня масла, его чистоту, наличие подтеков и т.д. Обслуживание таких установок практически не сильно отличается от других силовых установок, например, емкостных трансформаторов НДЕ, разница заключается в небольших технических деталях. Поверка ТТ должна проводиться согласно действующих нормативов (ГОСТ 8.217 2003). При обнаружении неисправности производится замена прибора

Поврежденный ТТ отправляют в ремонт, который производится специализированными службами.

Заземляемые устройства

Заземляемые трансформаторы напряжения применяются в сетях с изолированной нейтралью. Заземление нейтрали ТН позволяет осуществлять контроль изоляции сети с помощью дополнительных вторичных обмоток, соединенных по схеме звезда/треугольник. На наш взгляд, это основная функция заземляемых трансформаторов, функция измерения и учета — дополнительная.

Зачастую, в электрических сетях эксплуатируются заземляемые трансформаторы напряжения, у которых защитные обмотки не используются. Применение заземляемых трансформаторов без использования функции контроля изоляции сети — неоправданный риск. Это связано с тем, что:

заземляемые трансформаторы напряжения подвержены влиянию феррорезонансных явлений;
изоляцию обмотки ВН невозможно испытать в условиях эксплуатации приложенным одноминутным напряжением промышленной частоты.

Будет интересно➡ Устройство и схема трехфазного трансформатора

Незаземляемые приборы

Для решения всех вопросов, связанных с эксплуатацией заземляемых трансформаторов напряжения в сетях с изолированной нейтралью, на нашем предприятии разработана новая трехфазная группа. Трехфазная 3хНОЛ.08-6(10)М группа, состоящая из трех незаземляемых трансформаторов, соединенных по схеме треугольник/треугольник. Основное преимущество 3хНОЛ.08-6(10)М — отсутствие заземляемого вывода с ослабленной изоляцией.

Это значит, что трансформатор не подвержен влиянию феррорезонанса и не требует дополнительных защит от его воздействия. Также изоляцию этого трансформатора возможно испытать приложенным одноминутным напряжением промышленной частоты в условиях эксплуатации, так как в этом случае нет необходимости в источнике повышенной частоты.

Интересный материал для ознакомления: полезная информация о трансформаторах тока.

У незаземляемых трансформаторов нет высоковольтных выводов с ослабленной изоляцией, что так-же позволит избежать нарушений, которые зачастую случаются в эксплуатации, при определении сопротивления изоляции вывода «Х», так как есть разночтения в нормативной документации. На сегодняшний день большое количество пунктов коммерческого учета (ПКУ) имеют в своем составе заземляемые трансформаторы напряжения со встроенными предохранителями (ЗНОЛП). При однофазных замыканиях на землю, а они как указывалось выше, случаются достаточно часто в воздушных распределительных сетях, срабатывает встроенное защитное предохранительное устройство (ЗПУ). Встраиваемое ЗПУ, прежде всего, предназначено для защиты трансформатора напряжения от коротких замыканий во вторичных цепях.

Так как ток срабатывания предохранителя достаточно мал, то при различных перенапряжениях, вызванных, в том числе, и однофазными замыканиями на землю, — происходит отключение ТН. ЗПУ защищает обмотку ВН от сверхтоков, которые возможны при различных технологических нарушениях в электрических сетях. При срабатывании предохранителя учет электроэнергии будет отсутствовать. Для восстановления учета, необходимо заменить плавкую вставку ЗПУ.

Закон Фарадея

По закону электромагнитной индукции во вторичной обмотке создается ЭДС напряжение. Вычисляется по формуле – U2 = −N2*dΦ/dt.

Справка! Фарадея – основной закон электродинамики. Гласит о том, что генерируемая электродвижущая сила равняется скорости изменения магнитного потока, но взятой со знаком минус. Именно Майкл Фарадей сделал открытие, когда в ходе экспериментов объявил, что электродвижущая сила начинает появляться в проводнике только при изменении магнитного поля. Величина этой силы прямо пропорциональна скорости изменения магнитного поля.

Все факты содержатся в одном уравнении. Однако, знак минус в законе – правило Ленца, указывающее на возникновение индукционного электрического тока при изменении магнитного поля в проводнике. Действие тока направлено на магнитное поле, начинающего противодействовать изменению магнитного потока.

Правило Ленца не подчиняется законам электродинамики, ведь индукционный ток появляется как в обмотках, так и в сплошных металлических блоках.

Ремонт оборудования

Что касается ремонтных работ, то для их проведения прибор должен быть отключен от сети. Запрещено эксплуатировать трансформатор с незаземленным цоколем, а все неисправности должны устраняться специалистами. Исправное оборудование в процессе работы издает равномерный звук без треска и резких шумов. Кроме того, в сетях до 10 кВ случаются резонансные повышения напряжения. Причиной их появления считается многократные разряды емкости, получающиеся в результате дугового замыкания. Это в свою очередь приводит к образованию феррорезонанса в трансформаторе напряжения и выходу его из строя. Избежать этого можно при заземлении нейтрали через резистор.