Классический трансформатор напряжения (ТН) – это устройство, преобразующее одно его значение в другое. Процесс сопровождается частичной потерей мощности, но оправдан в ситуациях, когда необходимо изменить параметры входного сигнала. В конструкции такого трансформатора предусмотрены намоточные элементы, при правильном расчете которых удается получить требуемое выходное напряжение.
Назначение и принцип действия
Основное назначение трансформаторов напряжения – преобразование входного сигнала до уровня, предусмотренного стоящими перед пользователем задачами – когда рабочий потенциал требуется понизить или повысить. Добиться этого удается за счет принципа электромагнитной индукции, сформулированного в качестве закона учеными Фарадеем и Максвеллом. Согласно ему, в любой петле, расположенной близко к другому такому же витку провода, с током наводится ЭДС, пропорциональная потоку магнитной индукции, пронизывающей их. Величина этой индукции во вторичной обмотке трансформатора (состоящей из множества таких витков) зависит от силы тока в первичном контуре и от количества витков в той и другой катушке.
Ток во вторичной отмотке трансформатора и напряжение на подключенной к нему нагрузке определяются только соотношением количества витков в обеих катушках. Закон электромагнитной индукции позволяет правильно рассчитать параметры прибора, передающего мощность с входа на выход с нужным соотношением действующих токов и напряжений.
Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения
Основное отличие трансформаторов тока (ТТ) от преобразователя напряжения состоит в их различном функциональном назначении. Первые используются только в измерительных цепях, позволяя снизить уровень контролируемого параметра до приемлемого значения. Вторые устанавливаются в электрических линиях переменного тока и выдают на выходе напряжения, используемые для работы подключенной бытовой аппаратуры.
Их отличия по конструкции состоят в следующем:
- в качестве первичной обмотки в трансформаторах тока используется шина силовой подводки, на которой он монтируется;
- параметры вторичной обмотки рассчитаны на подключение к измерительному прибору (электросчетчику в доме, например);
- в сравнении с ТН трансформатор тока более компактен и имеет упрощенную схему включения.
Трансформаторы тока и напряжения отвечают различным требованиям в части точности преобразуемых величин. Если для измерительного прибора этот показатель очень важен, то для трансформатора напряжения он имеет второстепенное значение.
Классификация трансформаторов напряжения
- трансформаторы силовые с заземлением и без него;
- измерительные устройства;
- автотрансформаторы;
- специальные согласующие приборы;
- разделительные и пиковые трансформаторы.
Первые из этих разновидностей используются для доставки бесперебойного питания потребителю в приемлемом для него виде (с нужной амплитудой). Суть их действия – в преобразовании одного уровня потенциала в другой с целью последующей передачи в нагрузку. Установленные на трансформаторной подстанции трехфазные устройства, например, позволяют снизить высокие напряжения с 6,3 и 10 кВ до бытового значения 0,4 кВ.
Автотрансформаторы представляют собой простейшие индуктивные конструкции, имеющие одну обмотку с ответвлениями для регулировки величины выходного напряжения. Согласующие изделия устанавливаются в слаботочных цепях, обеспечивая передачу мощности от одного каскада к другому с минимальными потерями (с максимальным КПД). С помощью так называемых «разделительных» трансформаторов удается организовать электрическую развязку цепей с высоким и низким напряжением. Тем самым гарантируется защита владельца дома или дачи от поражения током высокого потенциала. Кроме того, эта разновидность преобразователей позволяет:
- передавать электроэнергию от источника до потребителя в нужном и безопасном виде;
- защищать нагрузочные цепи с включенными в них чувствительными приборами от электромагнитных помех;
- блокировать попадание постоянной составляющей тока в рабочие цепи.
Пиковые трансформаторы – еще одна разновидность преобразующих электрическую энергию устройств. Они служат для определения полярности импульсных сигналов и согласования ее с выходными параметрами. Этот тип преобразователей устанавливается в сигнальных цепях компьютерных систем и каналах радиосвязи.
Измерительные трансформаторы напряжения и тока
Специальные измерительные трансформаторы – это особый тип преобразователей, позволяющих включать контрольные устройства в силовые цепи. Их основное назначение – преобразование тока или напряжения в величину, удобную для измерения параметров сети. Необходимость в этом возникает в следующих ситуациях:
- при снятии показаний электрическими счетчиками;
- в случае установки в силовых питающих цепях реле защиты по напряжению и току;
- при наличии в ней других устройств автоматики.
Измерительные приборы классифицируются по конструкции, типу установки, коэффициенту трансформации и числу ступеней. Согласно первому признаку они бывают встроенными, проходными и опорными, а по месту размещения – наружными или предназначенными для монтажа в ячейках КРУ закрытого типа. По числу ступеней преобразования они делятся на одноступенчатые и каскадные, а по коэффициенту трансформации – на изделия, имеющие одно или несколько значений.
Особенности работы ТН в сетях с изолированной и заземленной нулевой точкой
Электрические высоковольтные сети имеют два исполнения: с изолированной нулевой шиной, либо с компенсированной и заземленной нейтралью. Первый режим подсоединения нулевой точки позволяет не отключать сеть при однофазных (ОЗ) или дуговых замыканиях (ДЗ). ПУЭ допускают работу линий с изолированной нейтралью до восьми часов при однофазном замыкании, но с оговоркой, что в это время ведутся работы по устранению неисправности.
Повреждение электрооборудования возможно из-за повышения фазного напряжения до линейного и последующего за этим появления дуги, носящей переменный характер. Независимо от причины возникновения и режима работы это наиболее опасный вид замыканий с большим коэффициентом перенапряжения. Именно в этом случае велика вероятность появления феррорезонанса в сети.
Феррорезонансный контур в силовых сетях с изолированной нейтралью представляет собой цепочку нулевой последовательности с нелинейным намагничиванием. Трехфазный не заземляемый ТН по сути – это три однофазных трансформатора, соединенные по схеме звезда-звезда. При перенапряжениях в зонах, где он установлен, индукция в его сердечнике увеличивается примерно в 1,73 раза, являясь причиной появления феррорезонанса.
Для защиты от этого явления разработаны особые методы:
- изготовление ТН и ТТ с низкой собственной индукцией;
- включение в их цепь дополнительных демпферных элементов;
- изготовление 3-хфазных трансформаторов с единой магнитной системой в 5-тистержневом исполнении;
- заземление нейтрального провода через токоограничивающий реактор;
- использование компенсационных обмоток и т.п.;
- применение релейных схем, защищающих обмотки ТН от сверхтоков.
Эти меры защищают измерительные ТН, но полностью не решают проблему безопасности. Помочь в этом могут заземляемые приборы, устанавливаемые в сетях с изолированной нейтральной шиной.
Характер работы трансформаторов пониженного напряжения в режимах с заземленной нейтралью отличается повышенной безопасностью и существенным снижением феррорезонансных явлений. Кроме того, их использование повышает чувствительность и селективность защиты при однофазном замыкании. Такой подъем становится возможным благодаря тому, что индуктивная обмотка трансформатора включается в цепь заземления и кратковременно увеличивает ток через установленное в ней устройство защиты.
В ПУЭ приводится обоснование допустимости кратковременного заземления нейтрали небольшой индуктивностью обмотки ТН. Для этого в сети используется автоматика, которая силовыми контактами при возникновении ОЗ через 0,5 секунды ненадолго подключает трансформатор к сборным шинам. Благодаря эффекту глухозаземленной нейтрали при однофазном замыкании на землю в защитной цепи начинает течь ток, ограниченный индуктивностью ТН. Вместе с тем его величина достаточна для того, чтобы сработала аппаратура защиты от ОЗ и создала условия для гашения опасного дугового разряда.
