Измерительные трансформаторы напряжения

Измерительным трансформатором напряжения (ТН) называют трансформатор, предназначенный для преобразования напряжения и выполненный так, что вторичное напряжение трансформатора (U _2ном), увеличенное в K _ном раз, соответствует первичному напряжению (U _1ном), как по модулю, так и по фазе:

, (3.1)

K _ном - коэффициент трансформации трансформатора напряжения при номинальном первичном и вторичном напряжении. В отличие от силовых трансформаторов в измерительных трансформаторах напряжения, как и в испытательных трансформаторах, коэффициент трансформации не равен отношению числа витков первичной (w₁) и вторичной (w₂) обмоток. Это связано с потерями мощности в магнитопроводе, а вторичное напряжение приуменьшено по отношению к ожидаемому напряжению, получаемому из отношения числа витков. Для коррекции возникающего расхождения уменьшают число витков первичной обмотки w₁ так, чтобы выполнялось равенство (3.1). Такое изменение числа витков называется витковой коррекцией.

Применение трансформаторов напряжения обеспечивает безопасность для людей, соприкасающихся с измерительными приборами и реле, поскольку цепи высшего и низшего напряжения разделены. Номинальное вторичное напряжение унифицировано U _2ном = 100 В (U _2ном = В). Такая унификация упрощает производство и снижает стоимость изготовления измерительных устройств во вторичных цепях. Улучшаются условия для ремонта, поскольку в значительной степени сокращается номенклатура запасных частей.

ТН выпускаются в однофазном и трёхфазном исполнении с двумя или тремя обмотками: обмотка высокого напряжения (ВН) и одна (U _2ном = 100 В) или две (U _2ном = 100 В и U _2ном = В) обмотки низкого напряжения. Различают технические измерения напряжения и коммерческие измерения при учёте количества произведённой (потреблённой) электрической энергии.

Конструктивно трансформаторы напряжения делятся на группы:

1. Сухие трансформаторы типа НОС-0, 5, НОС-3, НТС-0, 5 и НТСН-0, 5.

2. Масляные трансформаторы типа НОМ-10; НОМ-35; НТМК-6; НТМК-10; НТМИ-6 и НТМИ-10.

3. Каскадные масляные трансформаторы типа НКФ-110, НКФ-220.

4. Антирезонансные: а) масляные типа НАМИ-10-95 и НАМИ-35, НАМИТ-10; б) литые ЗНОЛ.

Буквенные обозначения, применяемые для наименования трансформаторов напряжения: НОС - напряжения однофазный сухой; НТС - напряжения трехфазный сухой; НТСИ - напряжения трехфазный трехобмоточный пятистержневой сухой для контроля изоляции; НОМ - напряжения однофазный масляный; НТМК - напряжения трехфазный масляный с компенсирующей обмоткой; НТМИ - напряжения трехфазный трехобмоточный масляный пятистержневой для контроля изоляции; НКФ - напряжения однофазный каскадный в фарфоровом кожухе; ЗНОЛ - заземляемый напряжения однофазный литой. Цифра, следующая после буквенного обозначения, показывает высшее номинальное напряжение данного типа трансформатора в киловольтах.

3.1.1. Схемы подключения ТН [15]

Для технического учёта электроэнергии используются трёхфазные пятистержневые трансформаторы напряжения. Такие трансформаторы обычно изготавливаются с пятью стержнями. Схема обмоток такого трансформатора показана на рис. 3.1. Обмотки фаз располагаются на центральных стержнях, а крайние стержни служат для замыкания магнитного потока.

Рис. 3.1. Пятистержневой трансформатор напряжения

Первичные обмотки имеют выводы A, B, C и 0 (соединение «звезда»). Вторичные обмотки имеют выводы a, b, c и 0 (соединение «звезда») и предназначены для измерения фазных и линейных напряжений. Номинальное вторичное напряжение этих обмоток равно 100 В. Дополнительные обмотки включены в схему соединения «разомкнутый треугольник». Напряжение на выводах этих обмоток a ₁ и х ₁ возникает только при замыкании на землю. Погрешности трёхфазных трансформаторов напряжения выше по сравнению с группой однофазных трансформаторов вследствие несимметричности магнитной системы. Обычно трёхфазные трансформаторы используются в системах технического учёта электроэнергии и релейной защиты. В системах коммерческого учета электроэнергии используются группы однофазных трансформаторов. На рис. 3.2 представлена схема измерения напряжений из группы однофазных трансформаторов соединённых в «звезду».

Рис. 3.2. Схемы включения группы однофазных трансформаторов ТН:

а) звезда; б) неполный треугольник [15, 16]

В трёхфазных цепях измерению подлежат: междуфазные напряжения, фазные напряжения и напряжения нулевой последовательности, возникающие при замыкании на землю. В установках 35 кВ и выше наибольшее распространение получила схема измерения напряжения группой однофазных трансформаторов напряжения, соединённых в звезду рис. 3.2а. Высоковольтные выводы ТН подключаются к фазным проводам, а вторые концы обмоток высокого напряжения, которые имеют слабую изоляцию относительно корпуса трансформатора, соединяются между собой и заземляются. ТН, применяемые по этой схеме имеют две обмотки низкого напряжения. Одни обмотки низкого напряжения, рассчитанные на номинальное вторичное напряжение 100 В соединяются в звезду и общий вывод обмоток заземляется. К вторым выводам обмоток НН подключаются измерительные приборы. Вторые (дополнительные) обмотки НН соединяются последовательно по схеме разомкнутого треугольника (рис. 3.2а).

В случаях, когда основной нагрузкой ТН являются счётчики и ваттметры применяется схема неполного треугольника (рис. 3.2б).

3.1.2. По грешности трансформаторов напряжения

Точность измерений напряжения ТН характеризуется погрешностью в величине измеряемого напряжения и угле сдвига фаз между векторами первичного и вторичного напряжений. Вторичное напряжение трансформатора, увеличенное в К _ном раз (), несколько отличается от первичного напряжения, как по модулю, так и по фазе вследствие потерь мощности в трансформаторе. Разность этих напряжений, отнесенная к первичному напряжению, представляет собой погрешность в напряжении:

(3.2)

Погрешность в напряжении положительна, если . Погрешность трансформатора может быть выражена в процентах. Эта погрешность зависит как от величины первичного напряжения, так и величины нагрузки вторичных цепей.

Угол δ между векторами первичного и вторичного напряжений, выраженный в минутах или в радианах (1 рад»3440¢), называется угловой погрешностью трансформатора напряжения.

Погрешности ТН зависят от размеров магнитопровода, магнитной проницаемости стали, конструкции обмотки, сечения провода, а также от нагрузки и первичного напряжения. Чтобы уменьшить погрешности ТН, выбирают меньшую плотность тока в обмотках и меньшую магнитную индукцию по сравнению с соответствующими значениями для силовых трансформаторов.

В конструкции ТН предусматривается компенсация погрешности по напряжению путем некоторого уменьшения числа витков первичной обмотки, а также компенсация угловой погрешности за счет специальных компенсирующих обмоток. Предельные погрешности отнесены к следующим условиям: частоты 50±5 Гц, первичное напряжение от 0, 8 до 1, 2 номинального, нагрузка от 0, 25 номинальной до номинальной при коэффициенте мощности .

Суммарное потребление обмоток измерительных приборов и реле, подключенных к вторичной обмотке ТН, не должно превышать номинальную мощность ТН, т.к. в противном случае это приведет к увеличению погрешностей.

В зависимости от угловых и токовых погрешностей трансформаторы напряжения подразделяются на 7 классов точности, с допустимыми параметрами, приведёнными в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Классы точности трансформаторов напряжения [17]

Примечание. В таблице указаны погрешности трансформаторов для защиты в диапазоне первичных напряжений от 0, 2 до 1, 2 номинального. При значении первичного напряжения, подведенного к трансформатору для защиты, равном 0, 02 номинального, предельные значения допускаемых погрешностей должны быть увеличены в два раза. При значении первичного напряжения, подведенного к трансформатору для защиты, равном 0, 05; 1, 5 или 1, 9 номинального, предельные значения допускаемых погрешностей по согласованию между разработчиком и заказчиком могут быть увеличены в два раза. В стандартах на трансформаторы конкретных типов должны быть указаны расчетные значения погрешностей при значениях напряжений 0, 02; 0, 05; 1, 5 и 1, 9 номинального.

В соответствии с методикой поверки [18] трансформаторы напряжения регулярно проходят поверочные испытания. Схема поверки приведена на рис. 3.3

Рис.3.3. Схема поверки трансформатора напряжения

Высокое регулируемое по амплитуде напряжение от источника высокого напряжения (G) подаётся одновременно на эталонный трансформатор (TVo) и поверяемый трансформатор (TVx). К выводам вторичных цепей соответствующих трансформаторов подключаются нагрузочное устройство эталонного трансформатора (R1) и нагрузочное устройство поверяемого трансформатора (R2). Нагрузочные устройства предназначены для проведения сравнений показаний эталонного и поверяемого трансформаторов напряжения при различных величинах нагрузки вторичных цепей. Типичными величинами нагрузки вторичных цепей являются нагрузки, составляющие 25%, 50% и 100% от номинальной нагрузки трансформатора. Различие показаний эталонного и поверяемого трансформатора (ошибка измерений) определяется по прибор сравнения (PVΔ). КНТ-03.

На рис. 3.3 и 3.4 представлены результаты поверки трансформатора напряжения НАМИ-10 [19].

Рис. 3.3 Зависимость погрешности напряжения ТН НАМИ-10 от первичного напряжения для а) фазы АВ и б) фазы ВС при разных значениях мощности вторичной нагрузки

Рис. 3.4. Зависимость угловой погрешности ТН НАМИ-10 а) фазы АВ и б) фазы ВС от первичного напряжения, при разных значениях мощности вторичной нагрузки

По графикам (рис. 3.3 и 3.4) видно, что зависимость погрешностей от первичного напряжения носит линейный характер. При изменении первичного напряжения погрешность напряжения и угловая погрешность ТН меняется крайне незначительно. При увеличении мощности нагрузки во вторичной цепи погрешность напряжения ТН смещается в сторону отрицательных значений. Угловая погрешность при увеличении мощности нагрузки, наоборот, смещается в область положительных значений. При мощности нагрузки равной 0, 5 S _ном значения погрешностей ТН находятся в диапазоне между значениями погрешностей ТН при мощности нагрузки 0, 25 S _ном и S _ном. Зависимость погрешности напряжения ТН от мощности нагрузки вторичных цепей является линейной, по крайней мере, в диапазоне нагрузок 0, 25 ¸ 1 S _ном. Замена приборов учёта во вторичных цепях с индукционных на электронные и внедрение микропроцессорных систем защит приводит к резкому снижению загруженности трансформаторов напряжения, а значит к появлению систематической положительной погрешности в измерениях напряжения. Такая погрешность может быть компенсирована погрешностью трансформаторов тока или установкой дополнительных нагрузочных сопротивлений во вторичных цепях ТН. Каждый из ТН имеет свою индивидуальную зависимость погрешности напряжения от величины первичного тока. Из графиков рис. 3.3 следует, что возможен учет этой индивидуальной погрешности. Обычно, в результате метрологической поверки ТН даётся заключение о принадлежности поверяемого ТН к требуемому классу точности. Фактические данные поверки могут быть использованы при учете их индивидуальной погрешности. Внешний вид ряда трансформаторов ТН показан на рис. 3.5.

ЗНОЛ-35	НОМ-10	НОМ-35	НКФ-110	НАМИ-10

Рис. 3.5. Внешний вид некоторых трансформаторов напряжения