Для чего устанавливают трансформаторы напряжения
Что такое трансформатор напряжения и как он работает?
Для передачи электроэнергии на большие расстояния напряжения электрического тока с помощью силовых трансформаторов повышают до сотен тысяч вольт. Поскольку высокие напряжения очень опасны, то для работы электроприборов используют ток после силового понижающего трансформатора. Однако на всей протяженности ЛЭП установлено множество защитных устройств. Для отделения напряжений цепей этих приборов от потенциалов линий электропередач применяют трансформатор напряжения (ТН).
Приборы этого типа часто используются для безопасного способа подключения измерительных приборов. Задача ТН состоит в преобразовании высоковольтных токов линий (свыше 6 кВ) до безопасного уровня. Применение таких трансформаторов удешевляет эксплуатацию энергосистем за счет снижения затрат на изоляцию оборудования, работающего в низковольтных сетях.
Устройство и принцип действия
Конструктивно ТН особо не отличается от других типов преобразующих устройств. Его устройство:
Внешний вид и схематическое изображение изделия смотрите на рис.1. На картинке изображено устройство с одной (основной) вторичной обмоткой. На некоторых моделях есть дополнительная вторичная обмотка, которая может использоваться, например, для подключения приборов измерения.
Рис. 1. Трансформатор напряжения. Строение
Обратите внимание на то, что между выводами первичных обмоток и вторичными катушками отсутствует гальваническая связь. Это главное отличие измерительных трансформаторов от конструкции обычного понижающего трансформатора.
Защитные кожухи изготовляются из разных материалов. В моделях, используемых для обслуживания высоковольтных ЛЭП, применяют диэлектрики, изготовленные из фарфора (рис. 2),
Для охлаждения обмоток таких высоковольтных агрегатов применяют специальные трансформаторные масла.
В сетях средней мощности применяют модели с корпусами на основе эпоксидных смол (рис. 3).
Рис. 3. ТН наружного типа
Трехфазные ТН с нулевыми выводами выполняются на магнитопроводе с пятью стержнями. Такая конструкция защищает обмотки от перегрева, так как при однофазных замыканиях в цепях высоковольтных проводов цепь линий суммарного магнитного потока в самом трансформаторе замыкается по стали сердечника.
Принцип действия также мало отличается от работы силового понижающего трансформатора. Магнитный поток, возникающий в первичной катушке, распространяется по магнитопроводу, вызывая напряжение ЭДС во вторичной обмотке. Величина напряжения зависит от соотношения числа витков в катушках. Поскольку вторичные обмотки состоят из малого количества витков, то и выходное напряжение небольшое (обычно оно не превышает 100 В).
Принцип работы ТН объясняет схема на рисунке 4.
Рис. 4. Принцип работы трансформатора напряжения
Важной задачей при изготовлении трансформаторов данного типа является выполнение требований по достижению необходимых амплитудных и угловых параметров синусоиды, определяющих соответствующий класс точности: 0,5; 1; 3. В эталонных образцах применяется класс точности 0,2. Для измерительных приборов важно чтобы класс точности был максимально высоким. Чем он выше, тем меньшая погрешность измерения прибора.
Точность параметров преобразованных переменных токов зависит от нагрузки. Чем выше нагрузка вторичной цепи, тем больше погрешность трансформатора напряжения (снижается класс точности). Оптимальные параметры напряжения на выходе трансформатора достигаются при номинальных нагрузках. В этом режиме эффективность преобразования тока возрастает по мере приближения к номинальному коэффициенту трансформации.
Работа ТН эффективна при малых номинальных мощностях во вторичных цепях. Для этих устройств длительное состояние в режиме холостого хода является нормой. Поэтому они эффективно используются в системах защиты линий, которые большую часть времени находятся в режиме ожидания и потребляют мало тока.
Разновидности
По конструкции и способам подключения трансформаторы напряжения классифицируются следующим образом:
Можно отдельно выделить низковольтные конструкции, которые используются в некоторых электронных устройствах. Данный класс электронных трансформаторов применяют в тех случаях, когда в электронных схемах необходима развязка, отделяющая цепи высоких напряжений от низких.
Расшифровка маркировки
Для различения разновидностей моделей к ним применяют буквенную маркировку:
Технические параметры
Основные сведения указываются на шильдике трансформатора напряжения.
Технические параметры трансформаторов:
К важным сведениям относится параметры номинальной частоты и класс точности для номинального коэффициента трансформации. На некоторых моделях изготовители указывают угловые погрешности и допустимые погрешности напряжений.
Схемы подключения
Простейшая схема подключения применяется в пунктах обслуживания линий под напряжением 6 – 10 кВ. Подключенные по такой схеме трансформаторы используются для включения вольтметра и подачи напряжений на реле устройства АВР. Пример такой схемы показан на рис. 7.
Рис. 7. Простая схема подключения трансформатора напряжения
На рисунке 8 приведена схема, применяемая для включения однофазных трансформаторов с целью подачи безопасного напряжения на нагрузки, запитанные от вторичных обмоток. В данной схеме использовано группу однофазных трансформаторов, катушки которых соединены по принципу звезды. Обратите внимание, что первичные обмотки соединены с глухозаземленной нейтралью.
Рис. 8. Еще пример схемы подключения
Данная схема применяется в сетях 0,5 – 10 кВ для подключения измерительных приборов, счетчиков. По аналогичной схеме подключаются вольтметры, используемые для контроля изоляции.
Схема эффективна для приема сигналов, свидетельствующих об однофазных замыканиях на землю. Существуют и другие схемы подключений, в частности по типу соединения открытого треугольника. Особенность таких схем в том, что мощность группы из двух ТН меньше мощности трех устройств соединенных по схеме полного треугольника не в 1,5 раза, а в √3 раз.
В некоторых схемах применяется комбинированное соединение обмоток. Для этого подходит соединение «треугольник – звезда». В работе таких схем номинальное напряжение составляет 173 В. Указанный способ подключения применяется в системах регулирования возбуждения обмоток генераторов и компенсаторов.
Применение
Основное применение первичных преобразователей напряжений – подача питания на обмотки измерительных приборов и подключение реле защиты в сетях 380 В и выше. Трансформаторы позволяют расширить диапазоны измерений и изоляцию реле от высоких межфазных потенциалов. Включение выводов первичных обмоток между фазой и землей дает возможность градуировать шкалы приборов с учетом коэффициента трансформации, что позволяет контролировать первичные параметры линий ЛЭП.
Изменение параметров напряжений в первичных цепях влияет на поведение переменных магнитных потоков. Эти возмущения фиксируются вторичными обмотками, которые реагируют изменением амплитуды тока и частоты колебаний. Сигналы поступают на различные защитные устройства, которые автоматически отключают участки линий с КЗ и с другими критичными отклонениями.
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.
Для чего нужен трансформатор напряжения – советы электрика
Трансформаторы напряжения – назначение и принцип действия
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.
Прежде, чем двигаться дальше, нарисую однофазный ТН, чтобы было наглядно и более понятнее далее в изложении материала.
Значит на рисунке сверху у нас приходит напряжение на выводы А, Х трансформатора напряжения на первичную обмотку(1). Это напряжение номинальное напряжение, первичное напряжение.
Далее оно трансформируется до величины вторичного напряжения, которое находится на вторичной обмотке (3). Выводы вторичной обмотки – а, х. Вывод вторичной обмотки заземляются.
В – это вольтметр, но это может быть и другое устройство. (2) – это магнитопровод ТНа.
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.
Цикл работы элегазовых выключателей
Принцип действия ОПН
Трансформаторы тока и напряжения: назначение, как выбрать, подключение
Для нормализации электрической энергии, поступающей к дому или квартире, используются различные устройства. Предлагаем рассмотреть, как работают измерительные трансформаторы тока постоянного и переменного, их назначение, схема подключения, принцип работы и советы по выбору.
Общие понятия
Трансформатор тока (ТТ) маркировка ГОСТ 7746-2001 – это устройство является одним из видов «измерительного трансформатора», который предназначен для получения переменного тока в его вторичной обмотке, где величина преобразованного напряжения пропорциональна текущей измеряемой величине. Номинальная мощность трансформаторов может быть 25, 40, 63, 100, 160 кВА.
Трансформаторы тока, у которых класс точности 0,2; 0,5; 1; 3; 10 могут снизить высокие проходные токи напряжения на более низкие, этим они обеспечивают удобный способ безопасного контроля электроэнергии в переменной линии передачи с использованием стандартного амперметра. Принцип действия трансформатора тока ничем не отличается от обычного.
Существуют разные трансформаторы, типы приборов с различными пропускными способностями (суммирующий СЭЩ, ТТИ-200 5, 5 5, 300 5, 0 66, 1 1, 400 5, 150 5, ТК 20, опорный ТОЛ 10, ТВЛМ, ABB, ИЭК, ТЗЛМ, ТЛК, ТСН, ТФЗМ, ТЛМ, ТЛО, ТОП, ТПЛ, ТПОЛ).
Фото – Трансформатор тока
Видео: устройство трансформатора тока ТФРМ 750
Как работает устройство и конструкция трансформаторов
Первичная обмотка включения может быть либо плоской, либо представлять собой ролик из толстого провода, обернутого вокруг сердечника, проводника или шины через центральное отверстие.
Благодаря такой конструкции, трехфазный трансформатор переменного тока имеет первичную обмотку с минимальным количеством витков, что положительно влияет на эффективность работы, в частности, коэффициент трансформации.
Вторичная обмотка может иметь большее число витков катушки. Они намотаны на ламинированную основу магнитного материала с низкими потерями, который имеет большую площадь поперечного сечения.
Плотность магнитного потока является низкой, при этом используя гораздо меньшую площадь поперечного сечения проволоки, номинальный ток практически не теряет своего напряжения.
Эти вторичные обмотки обычно рассчитаны на стандартный показатель 1 Ампер или 5 Ампер. Это хорошо демонстрирует векторная диаграмма:
Фото – Векторная диаграмма
Виды трансформаторов
Всего есть три основных типа трансформаторов тока:
Трансформаторы тока и напряжения могут уменьшать или увеличивать текущие уровни от тысячи ампер к стандартному выходу, в зависимости от марки (Circutor, ASK, Schneider Electric, АВВ, Армавир) и типа, они могут быть рассчитаны на 6 кв, 630 кв, 10 кв.
Таким образом, малые и точные приборы и устройства управления могут использоваться с КТ, потому что они изолированы от любых линий электропередач высокого напряжения.
Есть множество приборов учета, которые используются для трансформаторов тока, начиная с амперметра и ваттметром, и заканчивая специальными выключателями нагрузки, УЗО-автоматами и т.д.
Фото – Трансформаторы тока тор
Для чего нужны трансформаторы тока
Трансформатор тока нулевой последовательности широко используется в организации работы производства, в быту (с его помощью проводят сварочные работы, он нормализуют входящее в дом напряжение, бросок тока, он нормализует работу электросчётчика с целью увеличения безопасности).
Трансформатор является важным инструментом в области электротехники. Текущие уровни электрического тока должны контролироваться в целях безопасности и эффективности работы прочих бытовых и промышленных приборов.
Измерительные устройства, подключенные к трансформаторам, позволяют совершать мониторинг в различных местах по всей системе.
Они также могут быть использованы для измерения электрического использования здания и выставления счетов или целей проверки.
Трансформатор тока – схема
Как сделать свой трансформатор
Трансформаторы состоят из двух цепей, связанных с намагничивающимся материалом, которые называют «сердечником». Оба контура имеют определенную длину, она должна быть такой, чтобы катушки вокруг сердечника могли передавать энергию от одного контура к другому.
В трансформаторе тока первичные цепи (энергия-передача) петли проходят через сердечник только один раз. Вторичная цепь петли проходит несколько раз вокруг ядра. Сердечник может быть стационарным, т.е.
находиться на месте постоянно, или быть шарнирным, чтобы соответствовать направлению тока, что лучше защищает приборы от короткого замыкания.
Для того чтобы собрать мини-трансформатор нам понадобится:
Как сделать малогабаритный трансформатор своими руками:
Фото – Одновитковый трансформатор
Таким образом, шинный и импульсный трансформатор может быть добавлен к линии уже на месте, съемный сердечник может быть сделан путем присоединения четырех стержней из мягкого железа к линии питания, чем ближе – тем лучше. Три стержня должны быть намотаны заранее. Четвертый при необходимости можно не обматывать, просто прикрепить при помощи изоляционной ленты.
Расчет трансформатора
Расчет силовых трансформаторов холостого хода, у которых начальное напряжение 1 и вторичное 160, с внутренним сопротивлением 0.2Ω производится по такой формуле. В нашем примере первичный ток 800 Ампер, такая методика может подстроиться под любой ток:
Is= Ip (Np/Ns) = 800 (1/160) = 5 A
Мы видим выше, что с вторичной обмотки трансформатор был подключен через амперметр, который имеет очень малое сопротивление, падение напряжения на вторичной обмотке составляет всего 1,0 вольта при полной величине первичного тока на обмотках.
Если амперметр удаляют, вторичная обмотка становится открытой и трансформатор действует как повышающий, в результате очень высокого напряжения равном соотношении: Vp (Ns / NP), ток регулируется на вторичной обмотке. Формула может изменяться, если у Вас несколько обмоток или более слабый прибор, кроме того, здесь не учтен ток холостого хода трансформатора.
Нужно помнить, что подключение счетчика через трансформаторы тока формула может иметь немного другой вид, т.к. будет учитываться еще и пропускная способность учетного прибора.
Чтобы подобрать нужную мощность трансформатора, нужно просчитать потребное напряжение всех электрических устройств в доме, а после суммировать полученную сумму и вольтамперные характеристики трансформатора (ВАХ). Если эти значения не учтены, то возможна перегрузка и защита не будет достигать нужного уровня при высокой нагрузке сети.
Перед тем, как подключить готовый трансформатор, нужно проконсультироваться со специалистом, он поможет определить недочеты, которые Вы могли упустить из виду.
Как выбрать трансформатор
Поверка трансформаторов тока на месте, ремонт и испытание осуществляется в обязательном порядке, многие предприятия (Самарский и Екатеринбургский завод, Калужский холдинг, Свердловский завод трансформаторов тока и прочие) предоставляют такие услуги. Замена некоторых деталей также должна производиться либо официальным дилером, либо представителем конкретной компании-производителя.
Также нужно знать, что означают условные обозначения:
Фото – Условные обозначения
Установка соединения производится при полном отключении питания сети, кроме того, желательно, чтобы работу выполнял специалист. Его можно монтировать на дин-рейку, в специальные трансформаторные шкафы, на пусковой панели, открытую местность, непосредственно на электрический щит.
Средняя стоимость на такой прибор в зависимости от его назначения варьируется от 30 000 рублей до 100 000 и выше, возможны номиналы до 10 штук.
Цена во многом обусловлена мощностью и пропускной способностью, чем ниже допустимая мощность – тем дешевле будет регулятор, подбор осуществляется индивидуально. Очень важно прямо на месте проверить трансформатор на его соответствие заданным характеристикам.
Сроки работы устройства – до 10 лет в зависимости от того, какой мощности купить трансформатор тока, межповерочный интервал прибора 220 220 – 2 года.
Для чего нужны трансформаторы тока
Трансформаторы известны уже больше 100 лет и являются неотъемлемым элементом линий электропередач, широко используются в радиоэлектронной аппаратуре и различной бытовой технике. Именно благодаря эффекту трансформации удается получать электрический ток с необходимыми параметрами.
Содержание статьи
Существует два основных вида тока – постоянный и переменный. Обычная электрическая батарейка, например, дает постоянный ток напряжением 1,5 вольта, а в электросети действует переменный электрический ток с напряжением 220 В. Трансформаторы используются исключительно для преобразования переменного электрического тока.
Постоянный ток трансформации не поддается.
В простейшем варианте трансформатор состоит из металлического сердечника – например, из Ш-образных пластин, и двух обмоток, первичной и вторичной. Обмотки электрически между собой не связаны, передача электрической энергии осуществляется за счет электромагнитной индукции.
Зачем вообще нужен трансформатор? Он позволяет в необходимых пределах изменять напряжение и силу тока. Например, у вас есть электрическая лампочка на 2,5 В. Ее нельзя напрямую подключить к электросети 220 В, она тут же сгорит. Чтобы она нормально работала, необходимо понизить напряжение с 220 В до 2,5 В – то есть снизить его почти в 100 раз.
Эту задачу и позволяет решить трансформатор. Его первичная обмотка имеет достаточно большое количество витков – например, 1000. Благодаря этому она легко выдерживает напряжение 220 В, включение обмотки в сеть не вызывает короткого замыкания. Поверх первичной обмотки наматывается вторичная, но число ее витков значительно меньше.
Если в нашем примере 1000 витков рассчитаны на 220 В, то на 1 виток тогда приходится 0,22 В. Нам нужно 2,5 В. Нетрудно подсчитать, что для нормальной работы лампочки напряжением 2,5 В необходимо намотать вторичную обмотку из 11-12 витков. Чтобы передавать электроэнергию на большие расстояния, используются высоковольтные линии электропередач.
Передается именно переменный ток, так как при передаче постоянного потери электроэнергии оказываются слишком велики. Потери уменьшаются и с увеличением напряжения, поэтому на магистральных направлениях используется напряжение в сотни тысяч вольт.
Чтобы получить высокое напряжение для передачи на расстояние, а затем вновь преобразовать его в нужное потребителям, и используются трансформаторы. Как правило, это мощные масляные трансформаторы, рассчитанные на высокое напряжение.
Небольшие трансформаторы используются и в радиоэлектронной аппаратуре и бытовой технике, они позволяют понижать напряжение 220 В до более низкого, необходимого для питания электронных компонентов. Иногда трансформаторы используют для гальванической развязки – в этом случае количество витков в первичной и вторичной обмотке одинаково.
С вторичной обмотки снимают то же напряжение, которое действует на первичной обмотке, но это уже другая цепь, не имеющая прямой электрической связи с первичной обмоткой.
На сегодняшний день во многих случаях не представляется возможным заменить трансформаторы переменного тока какими-то другими устройствами. Поэтому можно не сомневаться в том, что они будут использоваться еще очень долгое время.
Для чего нужны трансформаторы тока
Трансформаторы тока и напряжения
Перед тем, как рассказать об измерительных трансформаторах – немного теории. Трансформатор – элемент электрической цепи, преобразующий величину переменного напряжения. Трансформаторы могут быть:
Повышающие и понижающие трансформаторы обратимы: если подать номинальное выходное напряжение трансформатора на его вторичную обмотку, на первичной мы получим номинальное входное напряжение.
С токами в обмотках происходит обратная картина. Первичная обмотка рассчитывается на ток, соответствующий номинальной мощности трансформатора. Под мощность выбирается и сечение магнитопровода, и диаметр обмоточного провода первичной обмотки.
Ток вторичной обмотки понижающего трансформатора может быть больше тока в первичной во столько раз, во сколько меньше ее напряжение. Это отношение называется коэффициентом трансформации. Поэтому сечение обмоточного провода вторичной обмотки у понижающего трансформатора больше. У понижающего – все наоборот. У разделительного – все одинаково.
Зачем нужны измерительные трансформаторы напряжения
В электроустановках до 1000 В измерение напряжения производят, подключая вольтметры непосредственно к шинам или другим контролируемым участкам сети. Но в сетях 6 кВ и выше это невозможно, потому что:
Трансформатор напряжения НОЛ
Поэтому для измерений величину напряжения понижают, и для этого нужен трансформатор напряжения
Трансформаторы напряжения и их конструкция
На какое бы напряжение не была рассчитана первичная обмотка трансформатора напряжения, напряжение на вторичной его обмотке стандартно – 100 В.
Это сделано для унификации: счетчику электроэнергии без разницы, в какой электроустановке работать – 6 кВ, 10 кВ или более.
Если он предназначен для эксплуатации с трансформаторами напряжения, в его технических характеристиках в графе «номинальное напряжение» указано: «3х100 В». Цифра «3» означает, что для измерений к нему подключаются три фазы.
Конструктивно трансформаторы напряжения выполняются:
Трехфазный трансформатор напряжения НАМИ
Первичные обмотки трехфазных трансформаторов соединяются в звезду.
Вторичных обмоток у трансформаторов напряжения несколько:
Класс точности имеет значение при учете и измерениях. Но есть еще один нюанс: измерительная обмотка трансформатора работает в заявленном классе точности, если не превышена допустимая нагрузка на нее. Поэтому, вместе с классом, на бирке трансформатора указывается допустимая мощность, превышать которую нельзя.
Трансформатор напряжения НОМ-10
Еще один фактор, изменяющий класс точности – сопротивление соединительных проводников. Если прибор учета или амперметр находится вдали от трансформатора напряжения и подключен контрольным кабелем с жилами недостаточного сечения, то значение напряжения на нем будет меньше, чем на трансформаторе.
Выводы вторичной обмотки трансформатора напряжения, используемого для коммерческого учета, закрывают крышкой и пломбируют.
Первичные обмотки трансформаторов напряжения защищают предохранителями. Для защиты вторичных обмоток раньше тоже применяли предохранители, но теперь их заменили автоматические выключатели.
Три однофазных трансформатора ЗНОЛ, собранные вместе
А теперь – вспомним теорию в начале статьи. Основная опасность при работе на трансформаторах напряжения состоит в явлении обратной трансформации.
Если по каким-то причинам на вторичную обмотку попадет напряжение 100 В, то первичная окажется под номинальным напряжением электроустановки. Работающие в ячейке люди окажутся под напряжением.
Поэтому при выводе в ремонт трансформатора напряжения принимают меры. Исключающие обратную трансформацию.
Зачем нужны трансформаторы тока
Одна из причин, из-за которых в электроустановках выше 1000 В устанавливают трансформаторы тока – та же, что и для трансформаторов напряжения. Невозможно обеспечить изоляцию цепей для подключения приборов.
Но есть дополнительные факторы, вынуждающие использовать их и в электроустановках выше 1000 В:
Принцип действия и конструкция трансформаторов тока
Трансформатор тока тоже имеет первичную и вторичную обмотку. Но особенность его в том, что первичная обмотка имеет один или несколько витков, а в большинстве изделий представляет собой шину, проходящую через корпус трансформатора. Вариант – трансформаторы, не имеющие собственной первичной обмотки. Они надеваются на шину с измеряемым током или через них пропускается провод, жила кабеля.
Варианты конструктивного исполнения трансформаторов тока до 1000 В
Вторичная обмотка у трансформатора тока на напряжение до 1000 В одна, но у высоковольтных их – минимум две, но бывает и больше. Работает он аналогично повышающему трансформатору, поэтому – все, что сказано в начале статьи о соотношении токов в них для него справедливо.
Номинальный ток вторичной обмотки трансформатора тока всегда равен 5 А, на какой бы ток не была рассчитана первичная. Классы точности обмоток для подключения аппаратуры различаются так же, как и у трансформаторов напряжения.
Но вот подключить к трансформатору тока, используемому для учета электроэнергии, ничего больше не получится. По правилам, кроме счетчика, там не должно быть ничего.
И если для аппаратов выше 1000 В это требование легко выполнить (один трансформатор имеет несколько обмоток), то для электроустановок до 1000 В при необходимости устанавливают по два трансформатора на одну фазу: один – для учета, другой – для всего остального (амперметры, ваттметры, устройства защиты, компенсация реактивной мощности). Выводы вторичной обмотки для коммерческого учета у всех трансформаторов закрываются крышкой и пломбируются.
Установка трансформаторов тока в ячейке выше 1000 В
Трансформатор тока должен работать в замкнутой на нагрузку или накоротко вторичной обмоткой.
А электронные схемы на входе приборов выйдут из строя под действием высокого напряжения.
Поэтому для замены амперметров и электросчетчиков в токовых цепях устанавливают специальные клеммы, на которых перед демонтажем прибора обмотку трансформатора закорачивают. Для приборов учета рядом устанавливают клеммы для отключения цепей напряжения.
Это функции совмещены в специальном устройстве, называющимся «колодка клеммная измерительная». Для коммерческих цепей учета эти коробки пломбируются, для чего винт, крепящий ее крышку, имеет прорезь в головке (как у винтов крепления крышки корпуса электросчетчика).
Видео про трансформаторы тока
Почему нельзя размыкать вторичную обмотку трансформатора тока и зачем ее обязательно заземлять? Попутно вы узнаете о технических характеристиках и конструкции трансформаторов тока, особенностях их применения.
Что такое трансформатор тока и как он работает?
Для моделирования процессов, протекающих в электрических установках, а также безопасного измерения требуется проведение преобразований одних электрических величин в другие, аналогичные, имеющие измененные пропорционально значения.
Трансформаторы тока (ТТ) работают на основе электромагнитной индукции, закон которой действует в магнитном и электрическом поле.
Он проводит преобразование вектора тока первичного значения с соблюдением пропорции в его пониженное значение с точной передачей угла и величины по модулю.
Трансформатор, в котором вторичное значение протекающего тока пропорционально первичной величине тока, имеющего сдвиг, равный нулю, когда он правильно включен, — это трансформатор тока.
У ТТ первичная обмотка включается последовательно в цепь на токопровод, а вторичная обмотка имеет нагрузку в виде измерительных приборов для создания условия протекания электротока по ней, который по величине пропорционален величине тока в первичной обмотке.
Необходимо отметить, что в ТТ (высокого напряжения) первичная обмотка имеет изоляцию от вторичной обмотки, так как она одним концом заземляется, и потенциал во вторичной обмотке приравнивается к потенциалу земли.
Существует разделение токовых трансформаторов на измерительные и защитные, бывают случаи, когда эти функции в ТТ совмещаются. Трансформатор тока предназначен для передачи измеряемых величин измерительным приборам.
Место установки ТТ такого вида на высокой стороне, когда нет возможности провести измерения величин непосредственно приборами измерения, когда высокий ток или напряжение.
Приборы измерений (обмотки ваттметров, амперметр, счетчик учета, другие приборы) подключаются к вторичной обмотке ТТ. Назначение трансформатора тока заключается в следующем:
Защитные трансформаторы тока назначение имеют для передачи информации измерений в приборы и устройства управления и защиты, они обеспечивают:
Как работает устройство?
Принцип работы трансформатора тока
Через первичную обмотку токового трансформатора с количеством витков w1 и сопротивлением z1 протекает ток трансформатора I1, этот процесс формирует магнитный поток Ф1, который улавливает сердечник трансформатора (магнитопровода), расположенный под 90 градусов к вектору тока I1. Такое положение сердечника не допускает потерь электроэнергии, когда происходит ее преобразование в магнитную энергию.
Когда поток Ф1 пересекает обмотку с витками w2, он наводит в ней ЭДС (Е2), которая воздействует на обмотку, и в ней возникает ток I2, который протекает по вторичной катушке с сопротивлением z2, и сопротивление подключенной нагрузки (z нагрузки). Во вторичной цепи происходит падение напряжения на зажимах U2.
В данной схеме принципа действия трансформатора тока показано, как находится коэффициент трансформации — это значение К1, которое задается при разработке устройства и тестируется на заводе.
Класс точности определяется метрологической инстанцией и показывает реальные значения трансформации.
На практике этот коэффициент определяют по номинальным параметрам, так, 1000/5 говорит о том, что при токе в 1000 ампер первичной обмотки вторичная обмотка будет иметь 5 ампер нагрузки.
Как классифицируются токовые трансформаторы?
Специалисты классифицируют токовые трансформаторы, предназначенные для защиты и измерений, по выраженным признакам:
Схема токового трансформатора
Одновитковые трансформаторы тока имеют стержневую первичную обмотку (3 трансформатор), а также могут иметь U-образную форму (4 трансформатор).
Назначение и применение
Промышленное производство выпускает токовые трансформаторы для решения задач учета электроэнергии, с целью защиты силовых трансформаторов и линии передачи электрической энергии.
Выносные токовые трансформаторыНа оборудовании применяются конструкции встроенных токовых трансформаторов, для размещения непосредственно на силовом объекте, устройства со стороны 110 кВ
Высоковольтные токовые трансформаторы вместо изолятора применяют специальное трансформаторное масло.
Конструкция трансформатора тока марки ТФЗМ для работы на линии 35 кВ
Трансформаторы тока на линии до 10 кВ в качестве изоляционного материала между обмотками применяют твердые изоляционные материалы.
Возможные неисправности
Наиболее частые неисправности в токовых трансформаторах, по мнению специалистов, следующие:
Для улучшения эффективной работы рекомендуется делать поверку работы ТТ при помощи тепловизора, когда проявляются некачественные контакты и достигается понижение температурного режима работы оборудования. Проверку ТТ на КЗ должны периодически делать работники лабораторий. Эти действия включают:
Требования к конструкции
Когда проектируются токовые трансформаторы, должны соблюдаться следующие требования:
Как выбрать токовый трансформатор для прибора учета электроэнергии
Для выбора нужного вам ТТ необходимо руководствоваться следующей информацией:
Когда определяются параметры напряжения, надо принимать максимально возможное значение напряжения. Для счетчика 0,4 кВ рекомендуется токовый трансформатор 0,66 кВ.
Как подключить счетчик через токовый трансформатор
Величина тока на вторичной обмотке — около 5 ампер, а ток первичной обмотки можно рассчитать по коэффициенту трансформации. Необходимо учитывать всю нагрузку, выбирая коэффициент трансформации, допускается подключение ТТ с завышенным коэффициентом трансформации.
Выбор ТТ по классу точности зависит от цели, в которых используется изделие, коммерческий учет рекомендует класс точности не ниже 0,5S, а для условий технического учета достаточная точность — 1S.
Вывод
Схема замещения ТТ позволяет определить его точность, кроме того, используя схему замещения токового трансформатора можно описать все процессы, протекающие в нем, можно построить векторную диаграмму, но необходимо учесть разницу на намагничивание сердечника вторичной обмотки. Чем больше отклонения в замещенной схеме, тем меньше класс точности ТТ.
Для чего нужны трансформаторы: устройство, принцип работы, назначение и применение
Люди, незнакомые с электрикой, могут и не знать, для чего нужен трансформатор и как он выглядит.
Роль этого устройства для технического прогресса можно считать одной из самых недооценённых, хотя благодаря его изобретению человечество получило широкий доступ к электроэнергии.
За более чем 100 лет эволюции трансформаторы стали ключевыми компонентами не только энергетических систем, но и самых разнообразных радиоэлектронных устройств.
Трансформатором называют электрическое устройство, предназначенное для переноса электроэнергии переменного тока от одной цепи к другой с сохранением первоначальной частоты. Основа его конструкции — ферромагнитный сердечник с несколькими обмотками провода. Входное напряжение подключается к так называемой первичной обмотке, а выходное снимается со вторичных.
Различные виды трансформаторов классифицируются в зависимости от конструкции, типа питания, охлаждения и так далее. Подробнее:
Транспортировка электроэнергии
Генераторы электростанций вырабатывают электроэнергию до десятков киловольт. Теоретически её в неизменном виде можно передать потребителям. Но с ростом мощности источника и расстояния транспортировки растут и проблемы потерь на нагрев проводов. При определённых значениях сама передача энергии может терять всякий смысл. Уменьшить потери можно только двумя способами:
Первый способ реализуется увеличением площади поперечного сечения проводов. Это крайне дорого и сложно технически, так как влечёт за собой не только удорожание и утяжеление самих линий, но и усиление конструкций, их удерживающих. На больших расстояниях это просто невыгодно экономически, а то и нереально.
Во втором случае, согласно закону Ома, при уменьшении силы тока потери снижаются пропорционально квадрату силы тока. Это очень привлекательно с позиции снижения капитальных затрат на строительство и содержание системы энергопередачи. Поднять напряжение и одновременно снизить ток при неизменной мощности — вот зачем нужны трансформаторы в этом случае.
Поскольку электроэнергия высокого напряжения не может быть распределена между потребителями непосредственно, её приводят к желаемым параметрам с помощью понижающих трансформаторов.
Таким образом, транспортировка энергии не обходится без предварительного и последующего преобразования, поэтому без силовых трансформаторов передача электроэнергии на большие расстояния в современном мире невозможна.
Преобразователи напряжения в схемах питания
Бытовые электрические сети стандартизированы по напряжению и частоте переменного тока, а вот приборы, которые подключаются к ней, могут нуждаться в совсем иных параметрах питания.
Например, процессоры и компоненты электроники работают только в низковольтных цепях постоянного тока.
Для того чтобы универсальность источника не была преградой для работы техники, подключаемые устройства комплектуют встроенными или наружными преобразователями напряжения на основе трансформаторов.
В линейных или традиционных источниках питания используются силовые трансформаторы. Они великолепно справляются с большой нагрузкой, но обладают некоторыми недостатками:
Из-за перечисленных недостатков они были вытеснены импульсными преобразователями в зарядных устройствах и компьютерной технике.
В подобных блоках питания электроэнергия попадает на трансформатор через фильтр и электронную схему в виде тока с очень высокой частотой. Благодаря этому КПД передачи мощности резко возрастает.
Таким образом, блоки питания, работающие на этом принципе, значительно меньше и легче традиционных аналогичной мощности.
Преобразование электроэнергии для передачи её от производителя до потребляющих приборов — очень ёмкая, но далеко не единственная область применения трансформаторов.
Огромное разнообразие этих устройств можно встретить в самых непохожих местах — от звукоснимателя и микрофона до сварочного аппарата и мощных измерительных приборов.
А в качестве преобразователя напряжения сети трансформаторы окружают человека повсюду.
Как работает трансформатор
Трансформатор относится к категории статических электромагнитных устройств, способных преобразовывать переменный ток с одним значением напряжения в переменный ток с другим напряжением, сохраняя при этом одну и ту же частоту.
Эти приборы успешно используются в электрических сетях для передачи и распределения энергии, а также являются неотъемлемой частью многих электроустановок.
В связи с этим, особенно актуальным становится вопрос, как работает трансформатор, в зависимости от количества обмоток, фаз, способов охлаждения и других конструктивных особенностей, от которых напрямую зависит применение данных устройств.
Действие понижающего трансформатора
Существуют различные типы понижающих трансформаторов. Они могут быть одно-, двух- или трехфазными, что позволяет использовать их в различных областях энергетики.
Конструкция этих устройств включает в себя две обмотки и шихтованный сердечник, для изготовления которого используется электротехническая сталь. Отличительной особенностью понижающего трансформатора является различное число витков в первичной и вторичной обмотке.
Для того, чтобы правильно использовать устройство, нужно хорошо представлять себе, как работает понижающий трансформатор.
Напряжение, подаваемое на вход трансформатора, вызывает появление в обмотке электродвижущей силы, которая, в свою очередь приводит к возникновению магнитного поля.
В результате пересечения этим полем витков второй катушки, в ней появляется собственная электродвижущая сила самоиндукции.
Под ее воздействием во второй катушке появляется напряжение, отличающееся от первичного на разницу количества витков в обеих обмотках.
Для определения точных параметров, необходимо выполнить расчеты понижающего трансформатора. Следует учитывать, что возникновение электродвижущей силы самоиндукции возможно лишь под действием переменного напряжения. Поэтому все бытовые электрические сети работают только на переменном токе.
В современных условиях все чаще возникает необходимость в преобразовании высокого напряжения в низкое. Это связано с тем, что электростанции вырабатывают ток высокого напряжения, обеспечивающий потребности какого-то участка.
Поэтому на каждом таком участке начальное напряжение преобразуется до значения, допустимого к применению в бытовых условиях. Кроме того, понижающие трансформатора довольно часто используются в бытовых условиях, чтобы адаптировать низковольтные устройства к сетевому току 220В.
Они являются конструктивными элементами различных блоков питания, адаптеров, стабилизаторов и других аналогичных устройств.
Приобретая понижающий трансформатор, следует обратить внимание на такие параметры, как мощность и количество витков в обеих обмотках. Необходимо учитывать важный показатель – коэффициент трансформации напряжения. Этот параметр зависит от соотношения количества витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Таким образом, определяется соотношение напряжений на обеих обмотках.
В понижающем трансформаторе число витков первичной обмотки превышает количество витков во вторичной обмотке, выдающей пониженное выходное напряжение.
В некоторых устройствах имеется несколько выводов, означающих наличие сразу нескольких групп соединений. Формирование нужной схемы в них осуществляется в зависимости от величины входного и выходного тока.
Такие трансформаторы являются универсальными и многофункциональными, пользующиеся широкой популярностью у потребителей.
Принцип работы трансформатора напряжения
Основная функция трансформаторов напряжения заключается в преобразовании энергии источника в нужное значение напряжение. Данные устройства могут работать лишь при переменном напряжении с неизменной частотой.
В соответствии с коэффициентом трансформации существует три типа трансформаторов напряжения:
Для того чтобы правильно использовать ту или иную конструкцию, необходимо точно знать, как работает трансформатор тока. Известно, что основой работы этих устройств является электромагнитная индукция.
Для снижения потерь в процессе трансформации и максимальной передачи энергии в трансформаторах используются магнитопроводы.
В конструкции имеется одна первичная катушка, в то время как вторичных катушек бывает несколько, в зависимости от назначения каждого прибора.
После возникновения в первичной обмотке переменного тока, в магнитопроводе появляется магнитный поток, возбуждающий напряжение во вторичной обмотке. Основным параметром считается коэффициент трансформации, равный отношению напряжения в первичной обмотке, к напряжению во вторичной обмотке. Таким же образом соотносится число витков, имеющихся в первой и второй катушках.
С помощью этого коэффициента выполняется расчет параметров для конкретного трансформатора.
Например, если в первичной обмотке имеется 2000 витков, а во вторичной – 100, коэффициент трансформации будет равен 20. Следовательно, при входном сетевом напряжении 240 В, выходное напряжение составит 12 В.
Таким же способом определяется необходимое количество витков при заданных значениях входного и выходного напряжения.
Одним из типов таких устройств, широко применяемых на практике, являются измерительные трансформаторы напряжения. Они используются в оборудовании, потребляющем большие токи и высокие рабочие напряжения с целью проведения контрольных измерений. С помощью этих устройств, измеряемые величины снижаются до уровня, позволяющего выполнить необходимые замеры.