Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

При высоких напряжениях трудно проводить измерения, поскольку высоковольтные приборы дороги и обычно громоздки; их точность подвержена воздействию статического электричества, к тому же они небезопасны. Когда ток превышает 60 А, нелегко обеспечить высокую точность измерительных приборов и средств автоматики из-за больших проводов и значительных ошибок, обусловленных паразитным полем концевых выводов. Кроме того, амперметры и катушки тока в высоковольтных цепях опасны для оператора. В измерительных трансформаторах тока и напряжения используются катушки напряжения на 100 В и катушки тока на 5 А. Вторичные обмотки должны быть заземлены. Если шкалы приборов не откалиброваны в коэффициентах трансформации, то показания надо умножать на соответствующий коэффициент трансформации.

Измерительные трансформаторы напряжения применяются в цепях переменного тока электроустановок при высоких напряжениях и больших токах, когда непосредственное включение контрольно-измерительных приборов, реле и приборов автоматики в первичные цепи технически невозможно, нерационально или недопустимо по условиям безопасности.

Трансформаторы напряжения являются особо важными и необходимыми аппаратами высокого напряжения они предназначены для понижения высокого напряжения (свыше 250 В) до значения, равного 100 В, 100/ В, 100/3 В - необходимого для питания измерительных приборов, цепей автоматики, сигнализации и защитных устройств. Они так же, как и трансформаторы тока, изолируют (отделяют) измерительные приборы и реле от высокого напряжения, обеспечивая безопасность их обслуживания. Для питания защитных устройств применяются трехобмоточные трансформаторы с дополнительной вторичной обмоткой.

Трансформаторы применяются в наружных или внутренних электроустановках переменного тока напряжением 0,38-500, кВ и номинальной частотой 50 Гц.

Измерительные трансформаторы состоят из магнитопровода, собранного из листовой или ленточной стали, и двух обмоток на нем, первичной и вторичной, с соответствующей изоляцией и несущим или опорными конструкциями в зависимости от вида установки.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

трансформатор напряжение ток электроустановка

Для безопасного измерения напряжения, включения счетчиков, катушек напряжения реле и синхронизации при напряжении выше 1000, В применяются понижающие измерительные трансформаторы напряжения. Они выполняются аналогично силовым трансформаторам. Номинальное вторичное напряжение трансформатора равно 100, В. Это позволяет независимо от величины номинального напряжения первичной цепи использовать стандартные измерительные приборы. С применением реле защиты их обмотки изготавливаются на стандартное напряжение вторичной обмотки трансформаторов напряжения. Первичную обмотку трансформатора напряжения (рис. 1) подключают параллельно к сети. К вторичной обмотке присоединяют катушки напряжения реле и измерительных приборов. Для обеспечения безопасности обслуживания один конец вторичной обмотки обязательно заземляется. Трансформаторы напряжения изолируют измерительные приборы и реле от цепей высокого напряжения и делают безопасным их обслуживание.

Рис.1. Схема устройства однофазного трансформатора напряжения и векторная диаграмма

Основными параметрами измерительных трансформаторов напряжения являются:

- номинальное напряжение трансформатора равно номинальному напряжению первичной обмотки. Номинальное напряжение первичной и вторичной обмоток указывается на щитке трансформатора;

- номинальный коэффициент трансформации определяется отношением номинального первичного напряжения к номинальному вторичному напряжению:

где W₁, W₂ - число витков первичной и вторичной обмоток.

Погрешность по напряжению выражается зависимостью:

где U₂ - напряжение, измеряемое на зажимах вторичной обмотки;

U₁ - напряжение первичной обмотки.

Когда , то погрешность равна нулю.

Угловая погрешность определяется в минутах между вектором первичного напряжения и повернутым на 180⁰ вектором вторичного напряжения. Если вектор вторичного напряжения, повернутый на 180⁰, опережает вектор первичного напряжения, то погрешность по углу считается положительной. Погрешность трансформатора напряжения по напряжению в процентах при номинальных условиях численно равна классу точности. Отечественной промышленностью выпускаются трансформаторы напряжения, работающие в следующих классах точности: 0.2; 0.5; 1; 3;

- номинальная вторичная нагрузка:

 ,

где I_2Н - номинальный ток вторичной обмотки трансформатора;

Z_2Н - номинальное сопротивление, на которое работает трансформатор;

- номинальная мощность - это наибольшая мощность (при номинальном коэффициенте мощности, равном 0.8), которая может быть снята с трансформатора при условии, что его погрешность не выйдет за пределы, определенные классом точности. Каждому классу точности соответствует определенная номинальная мощность трансформатора напряжения. Причем один и тот же трансформатор напряжения может работать в различных классах точности в зависимости от величины его вторичной нагрузки. Так, для трансформатора напряжения типа НОМ-10 (трансформатор напряжения однофазный с масляной изоляцией на первичное напряжение 10 кВ) установлены номинальные мощности:

- в классе точности 0.5 - 50 ВА;

- в классе точности 1 - 80 ВА;

- в классе точности 3 - 200 ВА.

Если для этого трансформатора вторичная нагрузки S₂50ВА, то он работает с погрешностями, не превышающими значений, установленных для класса точности 0.5. Характеризуется трансформатор напряжения тем наивысшим классом точности, в котором он может работать. Этот класс точности указывается в паспортной табличке или в каталоге. Трансформаторы напряжения класса 0.2 применяются только для точных лабораторных исследований. Для включения щитовых электроизмерительных приборов применяются трансформаторы напряжения класса точности 3. Расчетные и контрольные счетчики должны подключаться к трансформаторам напряжения класса точности 0.5. Для каждого трансформатора напряжения установлена величина максимальной мощности.

Максимальная мощность определяется длительно допустимой по условию нагрева предельной мощностью. Использование трансформаторов напряжения на максимальную мощность возможно только для питания сигнальных ламп, отключающих катушки автоматов и других приборов и реле, для работы которых не имеет значение величина погрешности. По числу фаз различают однофазные и трехфазные трансформаторы напряжения. Использование одного трансформатора напряжения осуществляется в однофазных установках. Один трансформатор может быть использован и в трехфазных установках, когда достаточно иметь напряжение между двумя какими-либо фазами. Это нужно для включения вольтметров, частотомеров, катушек нулевого напряжения ручных приводов выключателей, реле напряжения и др.

Включение трех однофазных трансформаторов напряжения. Схема может быть использована для включения любых измерительных приборов и реле, а также для контроля изоляции. Схема применяется в сетях с большими токами замыкания на землю.

Соединение трехфазного трехстержневого трансформатора. Данная схема используется для измерения межфазных напряжений. Для измерения напряжений фаз по отношению к земле эти трансформаторы использовать нельзя, так как их первичные обмотки не имеют выведенных нейтралей.

В сетях с малыми токами замыкания на землю применяют трехфазные трехобмоточные трансформаторы напряжения с магнитной системой, имеющей пять стержней - пятистержневые трансформаторы. У этих трансформаторов напряжения первичные обмотки соединены в звезду и заземляются. Основные вторичные обмотки также соединяются в звезду. Приборы включаются на межфазные или фазные напряжения. Дополнительные вторичные обмотки соединяются в разомкнутый треугольник и используются для контроля изоляции. Перед трансформаторами напряжения устанавливаются предохранители с кварцевым заполнением типа ПКТ. Предохранители быстродействующие, токоограничивающие, способные отключать большие мощности К.З.

2. КОНСТРУКЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

2.1 Общие положения

Промышленность России изготавливает трансформаторы напряжения на все напряжения. Конструкции трансформаторов напряжения до 35, кВ аналогичны конструкциям силовых трансформаторов. При напряжении выше 35, кВ для уменьшения габаритов и стоимости изготавливаются каскадные трансформаторы напряжения. Эти трансформаторы монтируются в фарфоровых кожухах и не имеют проходных изоляторов. В обычных трансформаторах напряжения первичную обмотку изолируют от сердечника и вторичной обмотки. В каскадном трансформаторе изоляция распределяется равномерно на все ступени. Каждая из ступеней находится под некоторой частью напряжения сети. Это позволяет снизить уровень изоляции. В зависимости от типа изоляции различают трансформаторы напряжения с сухой и масляной изоляцией.

2.2 Сухие трансформаторы напряжения

Сухие трансформаторы напряжения применяются только в сухих закрытых распределительных устройствах. Основными достоинствами таких трансформаторов служат: малый вес и габариты, пожаро- и взрывобезопасность. Промышленностью изготавливаются сухие трансформаторы напряжения до 6 кВ включительно: однофазные типа НОС-0.5 и типа НОСК-3, НОСК-6, а также трехфазные трехстержневые трансформаторы НТС-0.5(Рис.2).

Рис.2 Трансформатор напряжения типа НТС-0,5

2.3 Масляные трансформаторы напряжения

Масляные трансформаторы напряжения нормальной конструкции изготавливаются на напряжение 3...35, кВ.

Трансформаторы типа ЗНОМ-15, ЗНОМ-20(Рис.4), ЗНОМ-35 - однофазные трехобмоточные при глухом заземлении нейтрали первичных обмоток (см. рис.3б).

Трансформаторы типа НОМ-6, НОМ-10, НОМ-15, НОМ-35 - это двухобмоточные однофазные масляные трансформаторы (см. рис. 3а).

Трехфазные трансформаторы напряжения - это трехстержневые трансформаторы типа НТМК-6 и пятистержневые типа НТМИ-6, НТМИ-10 и НТМИ-18.

Магнитная система таких трансформаторов помещается в сварном стальном баке, залитом трансформаторным маслом. У них выводы обмоток осуществляются через фарфоровые проходные изоляторы, укрепленные в стальной крышке. Все трансформаторы напряжения, за исключением ЗНОМ, предназначены для внутренней установки. Они не имеют расширителей. Бак трансформатора ЗНОМ-35 (см. рис.3) снабжен расширителем, что позволяет использовать его для наружных установок.

Рис.3. Трансформаторы напряжения однофазные масляные: а- НОМ-35; б- ЗНОМ-35; 1- ввод ВН; 2- коробка вводов НН; 3- бак.

Рис. 4. Установка трансформатора напряжения ЗНОМ-20 в комплектном токопроводе.

Широко применяются трансформаторы напряжения серии ЗНОЛ-6(рис.5) Они имеют пять исполнений по номинальному напряжению: 6; 10; 15; 20 и 24 кВ. Класс точности этих трансформаторов 0.2, небольшая масса, устанавливаются в любом положении. Обычно используются в комплектных распределительных устройствах и комплектных токопроводах вместо масляных трансформаторов.

Рис. 5 Трансформатор напряжения ЗНОЛ-6

2.4 Каскадные трансформаторы напряжения

Каскадные трансформаторы напряжения выпускаются типа НКФ на напряжение 110...500, кВ. Это однофазные каскадные трансформаторы в фарфоровом кожухе.

Каскадный трансформатор напряжения состоит из последовательно соединенных дроссельных катушек, включенных между фазой и землей. При глухозаземленных нейтралях сети через все дроссельные катушки протекает одинаковый ток, пропорциональный току сети. Последний дроссель, соединенный с землей, имеет вторичную обмотку. Для ограничения размагничивающего действия тока, протекающего по вторичной обмотке, на сердечники всех элементов наматываются дополнительные обмотки с одинаковым числом витков. Соединяются они встречно. В результате всякое изменение магнитного потока одного из элементов вызывает протекание уравнительных токов, размагничивающих сердечники элементов с большим магнитным потоком и намагничивающих с меньшим. Магнитные потоки в сердечниках станут примерно равными. Напряжение по элементам распределится равномерно. Поскольку при номинальном напряжении 110, кВ фазное напряжение составляет =64, кВ, то при двух элементах внутренняя изоляция выполняется на напряжение не более 32, кВ.

Трансформаторы напряжения НКФ-110 имеют вес 1360, кг. Трансформаторы же типа НИОМ-110 весили 3895, кг, что в 2.9 раза больше современных трансформаторов напряжения каскадного типа.

Трансформаторы напряжения на 220, кВ состоят из двух блоков, установленных один над другим. Они имеют два магнитопровода и четыре ступени каскадной обмотки. Трансформаторы напряжения НКФ-330 (см. рис.6) и НКФ-500 соответственно имеют три и четыре блока, т.е. шесть и восемь ступеней обмотки высшего напряжения. Чем больше каскадов обмотки, тем больше их активное и реактивное сопротивления, что приводит к возрастанию погрешности. Поэтому трансформаторы типа НКФ-330 и НКФ-500 выпускаются только в классах точности 1 и 3.

Следует отметить, что для контроля состояния изоляции нельзя применять трехфазные трехстержневые трансформаторы напряжения.

В нормальных условиях работы обмотки трансформатора находятся под фазным напряжением. По обмоткам протекают фазные токи. Они создают магнитные потоки, замыкающиеся в магнитопроводе. Ввиду незначительного сопротивления магнитопровода намагничивающие токи в фазах малы. Если возникают однофазные замыкания на землю, допустим, фазы А, обмотка этой фазы оказывается под напряжением, близким к нулю, а обмотки двух других фаз под напряжением в раз большем фазных. Чтобы осуществить контроль изоляции, нейтраль первичной обмотки трансформатора заземляют. Поэтому замыкание на землю фазы А сети вызовет закорачивание первичной обмотки фазы А трансформатора. Создается несимметричный режим работы, и, как следствие, в электромагнитной системе трансформатора начинают действовать токи нулевой последовательности I_АО, I_ВО, I_СО равные по величине и совпадающие по фазе. Токи вызывают в сердечниках магнитопровода магнитные потоки нулевой последовательности Ф_АО, Ф_ВО, Ф_СО. Так как токи равны по величине и совпадают по фазе, то они не могут замыкаться через стержни соседних фаз магнитопровода и вынуждены замыкаться через воздух и частично через стальной кожух магнитопровода. Магнитное сопротивление воздуха во много раз больше магнитного сопротивления стального магнитопровода. Для проведения магнитного потока через воздух необходима значительная намагничивающая сила. Поэтому токи I_АО, I_ВО, I_СО значительны по величине, а следовательно, и полные токи, протекающие по обмоткам трансформатора, будут относительно большими. Обычно эти токи превышают номинальные в несколько раз. Хотя таки и большие, но они не вызывают перегорания стоящих перед трансформатором напряжения плавких вставок предохранителей. Длительное протекание этих токов неизбежно приведет к перегреву обмоток и повреждению трансформатора. Поэтому трехфазные трехстержневые трансформаторы напряжения нельзя использовать для контроля изоляции. Во избежание ошибочного заземления нейтрали эти трансформаторы изготавливаются без выведенных наружу нейтралей обмоток высшего напряжения.

В трехфазных пятистержневых трансформаторах подобного перегрева обмоток и кожуха не происходит. Магнитные потоки, если они возникают, замыкаются через дополнительные крайние стержни магнитопровода. Аналогичное явление наблюдается и в однофазных трансформаторах напряжения, имеющих раздельные магнитные системы для каждой фазы.

Рис. 6. Трансформатор напряжения НКФ-330

2.5 Емкостные трансформаторы напряжения

Чем выше напряжение, тем сложнее конструкция трансформатора напряжения. В установках 500, кВ и выше применяются трансформаторные устройства с емкостным отбором мощности. Делитель практически представляет два конденсатора С₁ и С₂. Напряжение на конденсаторах делится обратно пропорционально величинам их емкостей. Емкость конденсатора С₂ примерно на порядок больше емкости конденсатора С₁. Поэтому ток текущий по цепочке, будет определяться величиной емкости конденсатора С₁. Напряжение снимается с С₂. Величина напряжения 10...15, кВ. Оно подается на трансформатор, имеющий две вторичные обмотки. Обмотки соединяются по такой же схеме, как и у трансформаторов НКФ или ЗНОМ. Для увеличения точности измерения в цепь первичной обмотки трансформатора включается дроссель. Если трансформатор включить на конденсатор С₂ без дросселя, то с увеличением нагрузки уменьшится входное сопротивление трансформатора. Напряжение начнет уменьшаться. Следовательно, напряжение на нагрузке зависит от ее величины. Поэтому дроссель настраивается на резонанс с емкостью С₁ + С₂ при частоте f=50 Гц. В результате выходное напряжение будет мало зависеть от величины нагрузки. Такое устройство получило название емкостного трансформатора напряжения НДЕ. При соответствующем выборе всех элементов настройки схемы устройства НДЕ могут быть выполнены на класс точности 0.5 и выше.

НДЕ фазное напряжение между конденсаторами последовательной цепи распределяется пропорционально их емкостным сопротивлениям. К последнему конденсатору со стороны заземления параллельно части фазного напряжения подключается ИТН.

В конструкциях баковых выключателей в качестве НДЕ используется конденсаторный ввод ВН, к обкладкам которого со стороны заземления подключается навешиваемый снаружи на аппарат ПИН (прибор измерения напряжения).

Емкостные трансформаторы типа TEVF 345 состоят из двух основных частей: секций высоковольтного конденсатора и основания, в котором расположены электромагнитные части (Рис.7).

Соединенные последовательно элементы конденсатора, каждый из которых герметичен, заключенные в фарфоровые оболочки, называются секциями конденсатора. Части конденсатора изолированы высококачественным диэлектриком из полипропиленовой пленки и бумаги и залиты переработанной синтетической жидкостью. Каждая секция конденсатора оборудована расширительным бачком из н/ж стали, позволяющим жидкости расширяться и сжиматься в зависимости от температуры окружающего воздуха. В случае, если в секции конденсатора образуется избыточное давление, расширительный бачок следует проколоть пробойником, что приведет к отводу давления и визуальной индикации проблемы.

Именно в этих конденсаторных секциях (1-4 секции на каждый емкостный трансформатор напряжения) будет в основном гаситься высокое напряжение.

Напряжение ответвления (приблизительно 5-12 кВ в зависимости от типа) отводится от нижней секции конденсатора и подается на электромагнитную цепь в основании, выполненном из литейного алюминия. Основание содержит промежуточный трансформатор, который обеспечит конечное напряжение через ряд вторичных обмоток с отводами, реактор последовательной компенсации и схему контроля феррорезонанса. Основание заполнено обезвоженным минеральным маслом, защищающим составные части системы от вредного воздействия окружающей среды.

Рис.7 Емкостной трансформатор напряжения типа TEVF 345 1. Фарфоровая оболочка 2. Заполненный маслом расширительный бачок 3. Секции конденсатора 4. Основание, заполненное маслом 5. Промежуточный трансформатор 6. Токоограничивающий реактор 7. Стабилизирующая вторичная нагрузка 8. Низковольтная распределительная коробка 9. Окошко для контроля уровня масла

2.6 Комбинированные измерительные трансформаторы

Комбинированные измерительные трансформаторы должны преобразовывать высокое напряжение и силу тока (уровня высоковольтных ЛЭП) в стандартные низкие напряжение и силу тока, которые легко поддаются измерению и используются для учета, защиты и контроля высоковольтной энергосистемы. В данном случае крайне важно обеспечить точное и надежное преобразование напряжения и силы тока. В данном разделе подробно описаны возможности и характеристики измерительных трансформаторов напряжения типа IVOKT и ТМС (Рис.8).

Комбинированные измерительные трансформаторы типов IVOKT и TMC проектируются и производятся с применением хорошо себя зарекомендовавшей и надежной маслобумажной изоляции. Каждый комбинированный измерительный трансформатор заключен в фарфоровый защитный кожух и герметичен. Также оснащен сильфонами из нержавеющей стали, калиброванными по объему содержания масла и экстремальным температурам окружающего воздуха.

Секция трансформатора тока основана на конструкции головочного типа трансформаторов тока типа IOSK, а трансформатор напряжения - стандартной конструкции, установлен на основание и применяется также в индуктивных трансформаторах напряжения типа VEOT. Втулка мелкоступенчатой конструкции, что даёт низкую нагрузку на диэлектрик и равномерный градиент потенциала.

Рис.8 Измерительные трансформаторов напряжения типа IVOKT и ТМС1. первичный терминал 2. металлический сильфон 3. винт для заливки масла 4. фарфоровый изолятор 5. вторичная распределительная коробка 6. вторичные терминалы 7. вентиль для слива масла 8. вывод заземления 9. Сальник 10. подъемные кольца 11. индикатор положения сильфона 12. Втулка 13. вторичная обмотка 14. первичная обмотка 15. головочная часть трансформатора (алюминий) 16. бак (алюминий) 17. железный сердечник 18. первичная обмотка трансформатора тока 19. вторичная обмотка и сердечники трансформатора тока

3. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Трансформаторы напряжения выбираются по номинальным параметрам (напряжению и току), классу точности и нагрузке, которая определяется мощностью электроизмерительных приборов и реле, подключенных к трансформатору. При этом необходимо учитывать конструктивные особенности и схемы соединения обмоток трансформатора. Номинальное напряжение трансформатора U_Н должно быть больше или равно напряжению установки, т.е. S_УU_Н. Номинальная мощность должна быть больше или равна активной и реактивной мощности, потребляемой приборами и реле:

,

гдеP=S_ПРcos - суммарная активная мощность, потребляемая приборами и реле;

Q=P_ПРtg - реактивная суммарная мощность.

Обычно значения мощности, потребляемой приборами и реле, и их cos даются в справочниках.

Для однофазных трансформаторов, соединенных в звезду, S_Н равна суммарной мощности всех трех фаз. Кода обмотки трансформаторов соединены по схеме открытого треугольника S_Н принимают равной двойной мощности одного трансформатора. Если вторичная нагрузки S₂ превышает номинальную мощность в выбранном классе точности, то устанавливают второй трансформатор напряжения и часть приборов присоединяют к нему. Сечения проводов в цепях трансформаторов напряжения выбирают по допустимой потере напряжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Трансформаторы напряжения применяются в цепях переменного тока электроустановок при высоких напряжениях и больших токах, когда непосредственное включение контрольно-измерительных приборов, реле и приборов автоматики в первичные цепи технически невозможно, нерационально или недопустимо по условиям безопасности.

Класс точности трансформаторов напряжения характеризуется максимально допустимыми погрешностью напряжения и угловой погрешностью при определенном режиме работы трансформатора.

Трансформаторы напряжения сохраняют класс точности при изменении первичного напряжения от 80 до 120% номинального.

Сухие трансформаторы напряжения применяются только в сухих закрытых распределительных устройствах. Основными достоинствами таких трансформаторов служат: малый вес и габариты, пожаро- и взрывобезопасность.

Трехобмоточные трансформаторы серий ЗНОМ, ЗНОЛТ и НТМИ предназначены для сетей с изолированной нейтралью, серии НКФ (кроме НКФ-110-58) - с заземленной нейтралью. Широко применяются трансформаторы напряжения серии ЗНОЛ-6. Класс точности этих трансформаторов 0.2, небольшая масса, устанавливаются в любом положении. Обычно используются в комплектных распределительных устройствах и комплектных токопроводах вместо масляных трансформаторов.

Каскадные трансформаторы напряжения выпускаются типа НКФ на напряжение 110...500, кВ. Это однофазные каскадные трансформаторы в фарфоровом кожухе. Трансформаторы напряжения НКФ-110 имеют вес 1360, кг. Трансформаторы же типа НИОМ-110 весили 3895, кг, что в 2.9 раза больше современных трансформаторов напряжения каскадного типа.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Александров А.Н. Электрические аппараты высокого напряжения. Л.: Энергоатомиздат, 1989.

2.Чунихин А.А., Жаворонков М.А. Аппараты высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1985.

3.Шпиганович А.Н., Огарков Н.М., Шпиганович А.А. Высоковольтное электрооборудование распределительных устройств. ЛГТУ. Липецк, 1998.

4.Правила устройства электроустановок, издание шестое, исправленное. М.:

Госэнергонадзор, 2000.

5.Мастепанов А.М., Коган Ю.М. Повышение эффективности использования энергии, М.: Феникс, 2009 г.

Размещено на Allbest.ru