Электромагнитный трансформатор напряжения.

Измерительный трансформатор напряжения представляет собой трансформатор, работающий практически в режиме холостого хода (XX). При этом используется его свойство снижать высокое напряжение до значе­ния, при котором могут работать измерительные устройства. Одновременно обеспечивается гальваническое разделение цепей первичных величин и цепей вторичных измерительных преобразо­вателей (нагрузка ); принципиальная схема первичного изме­рительного трансформатора напряжения показана на рис. 2.1.

Магнитопровод измерительного трансформатора напряжения выполняется как броневой сердечник, а при среднем и низком напряжении - как стержневой.

В зависимости от назначения (измерительного преобразования фазных или междуфазных напряжений) применяют одно - и двух - полюсно изолированные исполнения (соответственно заземляе­мый и незаземляемый трансформатор). В последнем случае расположенная снаружи первичная обмотка изолируется от сер­дечника с вторичной обмоткой на полное испытательное напря­жение. Однополюсно изолированные трансформаторы напряжения имеют то преимущество, что напряжение первичной обмотки снижается от ее ввода (начала) до вывода, поэтому вывод обмотки высокого напряжения находится на потенциале Земли (наглу­хо заземляется). Благодаря этому нет необходимости выполнять изоляцию между первичной и вторичной обмотками трансформа­тора на полное испытательное напряжение. К измерительным трансформаторам низкого напряжения (до 1000В)

Рис 2.1. Первичный измерительный трансформатор напряжения

не предъявляется высоких требований по изоляции. Измерительные трансформаторы средних напряжений до 35, 60 кВ открытых распределительных устройств выполняются как малообъемные маслонаполненные, а для закрытых распредустройств - залитые компаундом (смолой). Измерительные трансформаторы напряжений выше 35, 60 кВ выполняются исключительно маслянистой изоляцией. Активная часть трансформатора с проходными изоляторами находится на дне масляного бака (трансформаторы горшкового типа), или активная часть трансформатора располагается внутри фарфорового изолятора (трансформаторы опорного типа).

Схема замещения и векторная диаграмма. Для рассмотрения величин, существенно влияющих на точность передачи измерительным трансформатором абсолютного значения и фазы напряжения, целесообразна и удобна схема его замещения (рис. 2.2, а) и соответствующая ей векторная диаграмма (рис. 2,2, б). На векторной диаграмме в целях наглядности внутренние падения напряжения и токи, обусловливающие погрешности измерительного преобра­зования, представлены в преувеличенном масштабе. Из диаграммы видно, что различия по абсолютному значению и по фазе между первичным и приведенным к первичной стороне вторичным напряжениями обусловливаются принципом действия и поэтому неизбежны.

Погрешности напряжения и угловые погрешности зависят от абсолютных значений и фаз падений напряжения на сопротивлениях первичной и вторичной w₂ обмоток, от реактивных сопротивлений , обусловленных магнитными потоками рассеивания (величин, зависящих от конструкции трансформатора), от комплексного сопротивления нагрузки трансформатора полной ее проводимости Y_н . Снижение погрешностей достигается соответствующим выбором сопротивления нагрузки с учетом номинальной мощности измерительного трансформатора напряжения.

Показатели и погрешности преобразования. В соответствии с существующими стандартами установлены следующие характеризующие измерительный трансформатор напряжения величины: номинальный коэффициент трансформации

=

 

Рис 2.2. схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) первичного измерительного трансформатора напряжения

Определяется как отношение первичных и вторичных величин по полным (не уменьшенным для снижения погрешности напря­жения первичным виткам w₁;

вторичное номинальное напряжение (стандартизованное)

100; 100/ ; 100/3 В

значения с относятся к заземляемому трансформатору, а зна­чение 100/ В – к трансформатору с вторичными обмотками, сое­диненными по схеме разомкнутого треугольника);

нагрузка – представляется полной проводимостью в сименсах и коэффициентах мощности:

; (2.2)

номинальная мощность - рассчитывается по вторичным величинам в вольт-амперах и ограничивается классом точности трансформатора как измерительного преобразователя:

(2.3)

погрешность напряжения - определяется как относительная разность вторичного напряжения, умноженного на , и пер­вичного напряжения:

(2.4)

Угловая погрешность - равна углу сдвига фаз между вторичным и первичным напряжениями и считается положительной, если вторичное напряжение опережает по фазе первичное:

(2.5)

В зависимости от допустимых погрешностей различаются несколько классов точности измерительных трансформаторов напряжения. Они указаны в табл. 2.1 при номинальных промышленной частоте, нагрузке S_н = 0,25 ÷1,0 5 и характерных относительных значениях напряжений. Высокая точность требуется при лабораторных и контрольных измерениях и при учете электроэнергии. Для автоматических устройств используются трансформаторы напряжения класса 1.

Влияние нагрузки на погрешность напряжения иллюстрируются графиками на рис .2,3,а: кривые 1 и 2 соответствуют и измерительного трансформатора с полным числом ков первичной обмотки, а кривые 3 и 4 - с уменьшенными витками первичной обмотки для снижения погрешности . Как видно, за счет выравнивания витков удается сохранить класс точности измерительного трансформатора при S_H 0,25 . Угловая погрешность зависит только от проводимости и коэффициента мощности нагрузки и уменьшается только при снижении

Соотношения при особых условиях работы. Одним из таких условий является изменение промышленной частоты f. Влияние изменений частоты можно рассмотреть на основе равенства, следующего из общих соотношений величин для трансформатора, U= где В - магнитная индукция, S - площадь попереч­ного сечения магнитопровода. Магнитная индукция обратно про-

 

Рис 2.3. Графики погрешностей напряжения (а) и диаграмма напряжения заземляемого трансформатора.

Класс точности	Напряжения
0,05 0,8-1,2 1,5-1,9
Допустимые погрешности
0,1 0,2 0,5 3Р	1,6 0,015 0,1 0,002 2,0 0,05 1,0 0,015 0,2 0,004 2,0 0,03 1,0 0,015 0,5 0,015 2,0 0,03 2,0 0,03 1,0 0,015 3,0 0,045 6,0 0,09 3,0 0,045 6,0 0,09 - - 3,0 0,045 6,0 0,09

 

порциональна частоте, а ток намагничивания (см. рис. 2.2),который определяет погрешности преобразования при XX транс­форматора, зависит от индукции. Поэтому при повышении час­тоты погрешности XX уменьшаются, а при ее снижении, напротив, сильно увеличиваются за счет нелинейного возрастания тока на­магничивания. Однако, поскольку при снижении частоты пропор­ционально ей снижается действующее значение напряжения, по­грешности XX остаются практически неизменными. Кроме того, изменение частоты влияет на погрешности, обусловленные на­грузкой, поскольку в связи с зависимостью от частоты индуктив­ного сопротивления и коэффициента мощности нагрузки изменяет­ся как погрешность напряжения, так и угловая погрешность. В общем существенно и то, что при работе измерительного транс­форматора в условиях снижения Частоты за счет указанного снижения напряжения квадратично уменьшается и его нагрузка. Повышение частоты не нарушает соотношений измерительного преобразования напряжения.

В особых условиях оказываются заземляемые однофазные трансформаторы напряжения, которые применяются в сетях с изолированной и компенсированной (соединенной с землей через дугогасящий реактор) нейтралью. В связи с характерными для таких сетей однофазными замыканиями на землю они имеют, как указывалось, вспомогательные обмотки, соединяемые по схеме разомкнутого треугольника. Первичная и вторичная изме­рительные обмотки трех однофазных измерительных трансформаторов соединяются по схеме звезды, один из выводов которой заземляется (рис.2.3,б). При замыкании на землю одно из преобразуемых напряжений оказывается равным нулю. Однако при этом, напряжения на двух других трансформаторах возрастают в аз. Соответственно увеличивается и магнитная индукция, вследствие чего сильно возрастают погрешности преобразования ХХ, значения которых сильно зависят от конструкции трансформатора. Как правило, погрешность напряжения находится в пределах 2-5 %, а угловая погрешность = 0,02÷0,06 рад.

Пр именение в электрических сетях. В зависимости от техническихзадач выбор измерительного трансформатора напряжения производится по соответствующим классу точности и исполнений (заземляемый или незаземляемый). Необходимый коэффициент трансформации и допустимые погрешности определяются напряжением сети, заданными вторичным напряжением, мощностью, потребляемой присоединенными измерительными устройствами, и, наконец, потерями мощности в соединительных проводах, на рис. 2.4 а-в приведены типовые схемы как заземляемых,

Так и незаземляемых первичных измерительных трансформато­ров напряжения. В сетях напряжением выше 110 кВ применяются исключительно заземляемые трансформаторы напряжения.

 

 

Рис 2.4. схемы включения трехфазного (а) и однофазных первичных измерительных трансформаторов напряжения

 

 

Рис 2.5. Принципиальная схема (а) и схемы с компенсирующим реактором и гальваническим разделением цепей (б, в) емкостного двигателя напряжения

Емкостные делители напряжения. С повышением номинально­го напряжения электроэнергетических установок стоимостьрас­смотренных электромагнитных первичных измерительныхтран с­ форматоров напряженияэкспоненциально растет.Связанное с возрастанием напряжения повышение уровня изоляции приводит к значительному увеличениюих размеров, превышающих размеры коммутационных аппаратов, в частности выключателей высокого напряжения. Поэтому альтернативойв установках напряжением выше 110 кВ являются емкостные делители напряжения.

Принцип действия и выполнение. Типовые схемыемкостногоделителя напряжения, обеспечивающего снижение первичного напряжения до напряжения соответствующего измерительным устройствам, приведены на рис. 2.5 а-в. Деление напряжения достигается последовательным соединением конденсаторов высокогоС1и низкого С 2 напряжений (рис. 2.5, а) в соответствии соотношением Погрешность делителя на­пряжения зависит от мощности, потребляемой нагрузкой рис. 2.5, б). На нее влияют также внешние условия, прежде всего температура окружающей среды. При оптимальных соотношениях возможна достаточно высокая точность деления напряжения, особенно путем использования электронного (активного) вторичного преобразователя напряжения практически не потребляющего мощности.

В схеме на рис. 2.5,б благодаря промежуточному трансформатору TLV достигается гальваническое отделение цепей вторичного напряжения. Схема представляет собой резонансное включение емкостного делителя напряжения. Падение напряжения на кон­денсаторе С2 компенсируется реактором, индуктивность L_k которого определяется условием резонанса с емкостью С = С₁ + С₂ кон­денсаторов.

 

Схема на рис. 2.5 в, иллюстрирует важное: достоинство емкостного делителя напряжения - возможность одновременного использования для высокочастотной телефонной связи на несущей частоте выделяемой реактором L.

Из схемы замещения (рис. 2. 6, а), полученной преобразованием при равном нулю первичном напряжении (закороченном входе) индуктивности ветви намагничивания и емкости обмотки промежуточного трансформатора TLV, и соответствующей векторной диаграммы (рис 2.6 б), построенной без учета малых проводимостей 1/ (см. рис 2.2, а) и сопротивлений , R₂ обмоток трансформатора TLV, в случае резонанса

(при нормальной промышленной частоте) погрешность напряжения и угловая погрешность емкостного измерительного преобразователя практически отсутствуют. Однако при изменениях частоты, например ее повышении (рис.2,6, в), вследствие нарушения резонанса погрешности преобразования появляются и возрастают в функции частоты.

Особенности передачи напряжения. В связи с наличием запасающих энергию элементов (конденсаторов и реакторов) при скачкообразных изменениях первичного напряжения вследствие их в перезаряда в емкостном измерительном преобразователе

 

 

Рис 2.6. Схема замещения (а) и векторные диаграммы (б, в) емкостного делителя напряжения

 

возникают колебательные переходные процессы, обусловленные следующимихарактерными физическими явлениями.

При внезапном скачкообразном снижении первичного напряже­ния нуля в момент его перехода через амплитудное значение происходит передача энергии, запасенной емкостью С_об обмотки трансформатора, в компенсирующий реактор L_K. В результате возникают колебания с относительно высокой (по сравнению с промышленной ) частотой > 200 Гц и достаточно большой начальной амплитудой, затухающие с постоянной времени т₁ «20 мс. Нагрузка R_H усиливает затухание (демпфирует их). При этом ин­дуктивность намагничивания трансформатора и емкость С делителя напряжения влияния на процесс практически не ока­зывают, поскольку обычно (1/w )» w и (1/w С)« При возможном возникновении короткого замыкания в первичной цепи в момент перехода напряжения через нуль происходит передача энергии, запасенной в цепи намагничивания транс­форматора с индуктивностью L₀, в конденсаторы делителя на­пряжения емкостью С = + Возникают колебания с относи­тельно низкими частотой < 25 Гц и амплитудой (около 10 % но­минальной амплитуды первичного напряжения), затухающие медленно с постоянной времени т₂ > 200 мс. Нагрузка демпфирует и эти колебания. При этом индуктивность L_K компенсирующего реактора и емкость на процесс практически влияния не ока­зывают.

При скачкообразном снижении напряжения в промежуточный между указанными двумя характерными момент времени воз­никают оба вида колебаний. Их наличие должно учитываться при дальнейшей обработке вторичного напряжения, в частности долж­ны применяться соответствующие резонансные частотные фильтры.