Принцип работы трансформаторов тока емкостного типа

Обновлено: 22.04.2024

Принцип действия ТТ и их назначение

В сегодняшнем материале, я решил начать рассматривать вопросы, касающиеся основ теории трансформаторов тока. Сами эти аппараты распространены повсеместно в электроустановках, и я думаю, всем будет интересно и полезно обновить в памяти принцип их работы.

Назначение трансформаторов тока: преобразование тока и разделение цепей

Начнем с ответа на вопрос – для чего нужен трансформатор тока? Здесь существует несколько основных вопросов, которые решает установка трансформаторов тока.

Во-первых, это измерение больших токов, когда измерение непосредственно реальной величины первичного тока не представляется возможным. Измеряют преобразованную в меньшую сторону после трансформатора тока величину. Обычно это 1, 5 или 10 ампер.
Во-вторых, это разделение первичных и вторичных цепей. Таким образом, происходит защита изоляции релейного оборудования, приборов учета электроэнергии, измерительных приборов.

Из чего состоит ТТ, принцип его работы

Трансформатор тока имеет замкнутый сердечник (магнитопровод), который собирают из листов электротехнической стали. На сердечнике расположено две обмотки: первичная и вторичная.

Первичная обмотка включается последовательно (в рассечку) цепи, по которой течет измеряемый (первичный) ток. К вторичной обмотке присоединяются последовательно соединенные реле, приборы, которые образуют вторичную нагрузку трансформатора тока. Такое описание состава трансформатора тока достаточно для описания принципа его работы, более подробное описание реального состава трансформатора тока приведено в другой статье.

Для рассмотрения принципа действия трансформатора тока рассмотрим схему, расположенную на рисунке.

В первичной обмотке протекает ток I₁, создавая магнитный поток Ф₁. Переменный магнитный поток Ф₁ пересекает обе обмотки W₁ и W₂. При пересечении вторичной обмотки поток Ф₁ индуцирует электродвижущую силу Е₂, которая создает вторичный ток I₂. Ток I₂, согласно закону Ленца имеет направление противоположное направлению I₁. Вторичный ток создает магнитный поток Ф₂, который направлен встречно Ф₁. В результате сложения магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ образуется результирующий магнитный поток (на рисунке он обозначен Ф_нам). Этот поток составляет несколько процентов от потока Ф₁. Именно поток Ф_нам и является тем звеном, что производит передачу и трансформацию тока. Его называют потоком намагничивания.

Коэффициент трансформации идеального ТТ

В первичной обмотке w₁ создается магнитодвижущая сила F₁=w₁*I₁, а во вторичной - F₂=w₂*I₂. Если принять, что в трансформаторе тока отсутствуют потери, то магнитодвижущие силы равно по величине, но противоположны по знаку. F₁=-F₂. В итоге получаем, что I₁/I₂=w₂/w₁=n. Это отношение называется коэффициентом трансформации трансформатора тока.

Коэффициент трансформации реального ТТ

В реальном трансформаторе тока существуют потери энергии. Эти потери идут на:

создание магнитного потока в магнитопроводе
нагрев и перемагничивание магнитопровода
нагрев проводов вторичной обмотки и цепи

К магнитодвижущим силам из прошлого пункта прибавится мдс намагничивания Fнам=Iнам*w1. В выражении ниже токи и мдс это вектора. F₁=F₂+F_нам или I₁*w₁=I₂*w₂+I_нам*w₁ или I₁=I₂*(w₂/w₁)+I_нам

В нормальном режиме, когда первичный ток не превышает номинальный ток трансформатора тока, величина тока Iнам не превышает 1-3 процента от первичного тока, и этой величиной можно пренебречь. При ненормальных режимах происходит так называемый бросок тока намагничивания, об этом более подробно можно почитать здесь. Из формулы следует, что первичный ток разделяется на две цепи – цепь намагничивания и цепь нагрузки. Более подробно о схеме замещения ТТ и о векторной диаграмме ТТ.

Режимы работы трансформаторов тока

У ТТ существуют два основных режима работы – установившийся и переходный.

В установившемся режиме работы токи в первичной и вторичной обмотке не содержат свободных апериодических и периодических составляющих. В переходном режиме по первичной и вторичной обмотке проходят свободные затухающие составляющие токов.

Если ТТ выбран правильно, то в обоих режимах работы погрешности не должны превышать допустимых в этих режимах, а токи в обмотках не должны превышать допустимые по термической и динамической стойкости.

ТТ для измерений предусмотрены для работы в установившемся режиме, при условии не превышения допустимых погрешностей. Работа ТТ для защиты начинается с момента возникновения тока перегрузки или тока КЗ, в этих режимах должны обеспечиваться требования определенных типов защит.

Принцип работы и классификация трансформаторов тока, схема подключения

Вопрос-ответ

Одно из важнейших открытий человечества – это электричество. Данная форма энергии стала настоящим прорывом и колоссальным потенциалом для научно-технического прогресса. Было разработано множество приборов для преобразования и измерения этого ресурса. Наиболее ярким примером являются трансформаторы тока, которые широко применяются в самых различных сферах.

Зачастую, простые обыватели считают идентичными устройства тока и напряжения, что в корне неправильно. Назначение, конструкция и принцип действия у них, совершенно различные. Разобраться в отличиях будет проще, зная основные понятия и функции преобразователей. А так же, виды, применение и модификации аппаратов.

Содержание

Описание и назначение устройств

Электроустановки высокой мощности работают с питанием, достигающим несколько сот Вт, при силе тока, превышающей десятки кА. Логично, что произвести измерения величин подобного порядка, обычными приборами, попросту невозможно. Для этого используют трансформаторы тока, выполняющие одновременно несколько функций. Благодаря появлению преобразователей, значительно расширился потенциал измерительных приборов. И открылась возможность передачи энергии по гальванической развязке.

Конструкция аппаратов является их дополнительным преимуществом. К примеру, если бы существовали типовые устройства для измерения напряжения высоковольтных сетей переменного тока, они были бы очень габаритными и дорогостоящими. В отличие от трансформаторов, которые выглядят, относительно, компактно и имеют защиту от неблагоприятных внешних факторов и механических повреждений.

Основная задача трансформаторов тока – преобразовать первичную величину (подаваемого напряжения) до уровня, позволяющего подключить измерительные приборы и системы защиты. Дополнительная функция – обеспечить гальваническую развязку между потребителями низкого и высокого питания, устраняя риски для обслуживающего персонала.

Проще говоря, цель приборов – моделирование определенных условий и процессов в электроустановках для безопасного снятия показаний.

Принцип работы и описание процессов

Главным элементом трансформатора тока является сердечник, состоящий из двух тонких пластин электротехнической стали, первичной и вторичной обмотки. Первичная служит для подключения цепи контролируемого напряжения. К вторичной подключают измерительные приборы и различные реле. Принцип работы устройства основан на законе об электромагнитной индукции, объясняющем действие магнитных и электрических полей, работающих по принципу гармоник переменных синусоид (величин переменного тока).

Прежде чем вникать в подробности работы аппарата, стоит детальнее рассмотреть свойства элементов. Особенно, понятие сопротивления. Начать стоит с того, что трансформаторы тока классифицируются по определенным характеристикам, в том числе и типу конструкции. Наиболее распространенной является обмотка в виде катушек.

Сопротивление

Однако, помимо преимуществ, у меди есть и существенный недостаток – высокая стоимость. В целях экономии, для катушек используют алюминий, но только, для аппаратов низкой и средней мощности. А, так же, при изготовлении устройств, оптимально выбирается площадь поперечного сечения, исключающая возможность перегрева. Для защиты используются масляные смазочные материалы.

Итак, к работе… Ток, поступающий на первичную обмотку, имеющую определенное количество витков, преодолевает ее сопротивление и формирует магнитное поле (направленный поток), направляющееся магнитопроводом, имеющим расположение перпендикулярно направлению вектора. Такая конструкция обеспечивает минимальные потери электроэнергии во время ее преобразования.

Как говорилось ранее, пересекающий первичную обмотку ток формирует в ней электромагнитную энергию, которая воздействует и включает в работу вторичную обмотку. Направленный поток, проходит через нее и «теряет заряд» на ее зажимах. А вот, соотношение векторов носит название – коэффициент трансформации, позволяющий измерить подаваемое напряжение по формуле.

Принцип действия, применение и эксплуатация емкостных трансформаторов напряжения

Силовой

В конструкции техники присутствует емкостный элемент. Емкостные трансформаторы напряжения предназначаются для работы в сетях подачи электроэнергии при частоте переменного тока около 50 Герц. Они часто используются в промышленных и ремонтных целях, так как являются масштабными измерительными преобразователями. Но для того, чтоб правильно подобрать или отремонтировать пришедший в непригодность трансформатор необходимо рассмотреть особенности его конструктивного устройства, важнейшие функциональные элементы.

Содержание

Принцип действия

Емкостной трансформатор — необычный с точки зрения своего конструктивного устройства и принципа действия прибор. Особенность в том, что вторичное напряжение строго пропорционально первичному. В результате этого при определенном коэффициентом соотношении трансформации получаемый ток изменяется во вторичном напряжении.

При этом от класса точности, качества материала изготовления зависит то, какова будет погрешность, отклонения при функционировании устройства. Потому важно подбирать емкостные трансформаторы напряжения 110 кв и иные характеристики с качественными обмотками. Только в таком случае можно быть уверенными, что коэффициент измерения и погрешность будут минимальными, преступаемый к приборам пользователей ток имеет стабилизированное значение.

Емкостной трансформатор принцип работы заключается в том, что используется специальная технология уменьшения напряжения поэтапно. Применяется емкостный делитель, который обеспечивает переброс показателей на обмотки, в результат которого наблюдается стабилизация напряжения. ЭМУ — функциональный элемент тс, который обеспечивает беспрерывность и эффективность работы.

Емкостные трансформаторы напряжения — их принцип работы заключается в делении при помощи бумажно-пленочного диэлектрика. Он помещается перед монтированием в конструкцию в специальную диэлектрическую жидкость, которая выступает в роли синтетика. Пропитывается до необходимых показателей на протяжении часов. После установки диэлектрика, состоящий из пленки и бумаги позволяет соблюдать температурные показатели в районе приемлемых. К емкостного трансформатора тн температурные показатели составляет от 40 до 60 градусов со знаком плюс.

Секции емкостного оборудования помещаются в специальную композиционную покрышку с жидкостью. Монтируются дополнительно сифоны из нержавеющей стали, которые предназначены для компенсации расширения диэлектрических устройств. При работе с емкостными тс напряжение 100 кв и других показателей не требуется специальное защитное оборудование.

Электромагнитное устройство

Оно находится в специальном металлическом баке, который надежно загерметизирован. При этом бак не подвержен коррозийным изменениям, так как он покрыт защищающей пленкой. На передней стенке, в доступности к пользователю, находится бок с вторичными обмотками.

Зачастую выводы пломбируют, чтоб избежать вероятности неправильного или несанкционированного использования.

При этом специалисты изготовляют вторичные обмотки с другими значениями, если того требует ситуация. В обязательном порядке указываются на пломбировке значения коэффициентов, позволяющие высчитать неопытным путем энергетическую емкость и мощность.

Сфера применения и предназначение

Емкостные трансформаторы напряжения 110 кв любого типа предназначены в первую очередь для корректного учета потребления электрической энергии. Без них нельзя точно просчитать коммерческую составляющую. Кроме того, они предназначаются для защиты и управления измерительными составляющими приборами, которым предназначена электроэнергия.

При помощи трансформатора нч и тн типа происходит перезагрузка высокочастотный связи. Выводится данные на частотах от 30 до тысячи кГц, при этом в трансформаторе есть специальные ответвления для подключения.

Трансформаторы емкостные можно назвать универсальными приборами, при помощи которых выполняются различные строительные, измерительные и производственные работы, требующие корректного и бесперебойного подключения с наименьшим пороговым значением погрешности.

Условия использования

Емкостный трансформатор относится к классу относительно безопасного оборудования, которое не вредит окружающей среде. При его использовании не потребуется специального защитного оборудования для контактирующих специалистов. Присутствуют такие ограничения:

рабочий температурный диапазон — от 60 градусов со знаком минус до 40 градусов со знаком плюс (возможна регулировка установкой дополнительных баков и коробок со вторичными обмотками);
максимальная высота использования — не более тысяч метров над уровнем моря.

Обратить внимание стоит на то, что емкостное оборудование любого типа со временем портиться и перестает быть эффективным. Сильная степень загрязнения окружающей среды, которая составляет до 2,5 сантиметров на кВ наблюдается после 7 лет использования. При этом возможно производство со специальными корректирующими мерами устройств для сред с максимальным пороговым значением загрязнения — четвертой степени, соответствующей распространению до 3,1 сантиметров на кВт.

Емкостные трансформаторы напряжения

Измерительные трансформаторы напряжения емкостного типа являются масштабными измерительными преобразователями и предназначены для работы в электрических системах переменного тока частоты 50 Гц.

Главной отличительной особенностью данных трансформаторов является то, что вторичное напряжение пропорционально первичному напряжению. Таким образом, напряжение линии электропередач преобразуется с определенным коэффициентом трансформации во вторичное. Отклонение при преобразовании (погрешность) определяется классом точности вторичных обмоток.

В основе принципа действия емкостного трансформатора напряжения лежит двухступенчатое понижение напряжения. В качестве первой ступени используется емкостной делитель напряжения. Вторая ступень представляет собой трансформатор электромагнитного устройства (в дальнейшем-ЭМУ).

Для обеспечения максимальной точности измерения, в конструкции делителя напряжения используется комбинированный бумажно-пленочный диэлектрик, пропитанный синтетической диэлектрической жидкостью. Данное сочетание позволяет соблюдать требуемое значение емкости во всем диапазоне рабочих температур от + 40°С до -60°С.

Секции, изготовленные из бумажно-пленочного диэлектрика, собираются в пакеты и помещаются в фарфоровую или композитную покрышку, заполненную пропитывающей жидкостью. Пропитывающая жидкость является экологически безопасной и биоразлагающейся. Для компенсации теплового расширения диэлектрика, а также для предотвращения разрыва покрышек, вызванного аварийным ростом давления, на делителях устанавливаются металлические сильфоны из нержавеющей стали.

Основная задача емкостных трансформаторов напряжения - коммерческий учет электроэнергии, а также передача сигнала измерительной информации приборам, устройствам защиты и управления. С помощью данных трансформаторов также возможно организовать высокочастотную связь на частотах 30-1000 кГц, для этого на на коробке вторичных выводов трансформатора предусмотрен вывод для подключения аппаратуры связи.

Электромагнитное устройство представляет собой промежуточный элемент емкостного трансформатора напряжения, размещенного в герметичном металлическом баке. Бак электромагнитного устройства изготовлен из стали с антикоррозионным покрытием. Выводы вторичных обмоток расположены в специальной коробке на передней стенке бака, при этом выводы вторичной обмотки, предназначенной для коммерческого учета, имеют возможность пломбирования.

В случае необходимости возможно изготовление емкостного трансформатора напряжения с иными значениями мощности вторичных обмоток.

Трансформатор может использоваться при температурах от +40 до -60 °С, на высотах до 1000 м от уровня моря. Стандартный путь утечки трансформатора соответствует сильной степени загрязнения III - 2,5 см/кВ. В случае необходимости возможно изготовление трансформатора для установки в районах с очень сильной степенью загрязнения IV—3,1 см/кВ.

Емкостные трансформаторы напряжения выдерживают воздействие землетрясений (сейсмостойкость) интенсивностью 9 балов по шкале MSK.

Типономиналы и основные характеристики представлены в таблице.

Типономинал	U_Hпервичное, В	U_Hвторичное, В	Частота, Гц	Класс точности – мощности, ВА	Емкость делителя, нФ	Масса, кг
ЕТН-110 УХЛ1	110000/√3	осн. втор: №1 – 100/√3 №2 – 100/√3 доп. втор. – 100	50	0,2 (10÷120)* 0,5 (10÷200)* 3Р (10÷600)*	18	550
ЕТН-220 УХЛ1	220000/√3				9	750
ЕТН-330 УХЛ1	330000/√3				7	970
ЕТН-500 УХЛ1	500000/√3				4,5	1150

* По согласованию с заказчиком возможно изготовление вторичных обмоток с иными значениями мощности.

Типономинал	Количество емкостных модулей	H max емкостного модуля, мм	H ₁max,мм	h _**, мм	L _**, мм	B, мм	b, мм
ЕТН-110 УХЛ1	1	1805	2445	635	830	660	530
ЕТН-220 УХЛ1	2	3460	4270	635	830	660	530
ЕТН-330 УХЛ1	2	3475	4060	595	885	785	670
ЕТН-500 УХЛ1	3	5155	5745	595	885	785	670

Предельная суммарная мощность ЕТН 1000 ВА.

** В зависимости от наличия вывода для подключения к ВЧ-аппаратуре, возможно увеличение габаритных размеров электромагнитного устройства и массы масла на 10%.

Каждый измерительный трансформатор напряжения комплектуется высоковольтным выводом, изготовленным из алюминия, для подключения аппаратного зажима с четырьмя отверстиями (рисунок 2). По согласованию с заказчиком возможно изготовление высоковольтного вывода с четырьмя или шестью отверстиями, а также доступен выбор материала вывода: алюминий или медь (рисунок 2 и 3).

Опорные конструкции

Опоры предназначены для установки на них конденсаторов связи и емкостных трансформаторов напряжения. Также имеется возможность для установки разъединителей, фильтров присоединения, шкафов зажимов трансформаторов напряжения и прочего оборудования по согласованию с заказчиком. Опоры имеют цинковое покрытие, предотвращающее коррозию и защищающее от воздействия окружающей среды. Основные виды опор, габаритные и установочные размеры, применяемость представлены на рисунках 1-3 и в таблице. По согласованию с заказчиком допускается изготовление опор по индивидуальным требованиям.

Типономинал присоединяемого оборудования	Рисунок	L ₁, мм	A,мм	a, мм	L ₂, мм	d ₁, мм	d ₂, мм
ПИ-1	1	350	310	-	500	35	12
ПИ-2		400	352
ПИ-5		350	302
ПИ-6	2	510	466	354
ЕТН-110	3	630	530	-	600	40	-
ЕТН-220
ЕТН-330		770	670
ЕТН-500

Вывод для подключения оборудования высокочастотной связи, кабельные вводы, вывод заземления

Выводы вторичных обмоток с возможностью опломбирования

Переключатель заземления для измерения ёмкости и тангенса угла диэлектрических потерь конденсаторных блоков

Медный луженый вывод для присоединения аппаратного зажима

Алюминиевый электростатический защитный экран для снижения коронных разрядов при напряжении 500 кВ и более

ПОГРУЗОЧНО-РАЗГРУЗОЧНЫЕ РАБОТЫ И МОНТАЖ ЕТН

Вариант транспортной упаковки ЕТН-500 УХЛ1

Монтаж ЕТН-220 УХЛ1 п.Улькен, ПС 500 кВ "ЭКГРЭС", ТОО "УККЗ"

Подъем трансформатора осуществляется мягкими стропами с помощью проушин на баке ЭМУ с обвязкой в верхней части делителя для исключения его опрокидывания.

Измерительные трансформаторы напряжения емкостного типа ЕТН 110-500 кВ производства ТОО "Усть-Каменогорский конденсаторный завод" прошли испытания в аккредитованных испытательных лабораториях, среди которых:

– ИЦ высоковольтного электрооборудования филиала ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» – СибНИИЭ (г. Новосибирск);

– ИЦ высоковольтного электрооборудования ФГУП «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина» (г. Москва);

– ПАО «Украинский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт трансформаторостроения» ПАО «ВИТ» (г. Запорожье);

– ИЦ электротехнического оборудования и товаров народного потребления ТОО «УККЗ» (г. Усть-Каменогорск).

По согласованию с заказчиком возможна поставка пробоотборников в комплекте с ЕТН.

Пробоотборник масла (шприц для проб)

Пробоотборники обеспечивают также возможность хранения, транспортировки и дозированного ввода проб масла (изоляционной жидкости) в аппаратуру для выполнения физико-химического анализа, в том числе хроматографического анализа растворенных в трансформаторном масле (изоляционной жидкости) продуктов разложения изоляции.

Пробоотборник состоит из цельностеклянного корпуса с металлическим наконечником и индивидуально притертого цельностеклянного поршня. Трехходовой кран вкручивается в металлический наконечник, образуя герметичное соединение. Данная конструкция является разборной. Трехходовые краны обеспечивают эффективное управление потоками газов и трансформаторного масла или другой изоляционной жидкости.

Пробоотборник с гибкой оболочкой

Пробоотборники позволяют упростить процедуру отбора масла, обеспечивая при этом представительность пробы. Кроме того, они удобны при транспортировке, имеют малый вес, не являются хрупкими. Пробоотборники просты в эксплуатации, поэтому отсутствует необходимость специальной подготовки персонала предприятий и организаций, эксплуатирующих эти изделия. Максимальный срок сохраняемости отобранной пробы не менее одного месяца. Примененные материалы, конструкция и технология изготовления пробоотборников обеспечивают высокую герметичность, высокую химическую стойкость и совместимость всех его элементов.

Емкостные трансформаторы напряжения в коммерческом учете: надежность и стабильность параметров

Энергетика 6334

Примерная оценка ситуации в Северной Америке свидетельствует о том, что для классов напряжений до 245 кВ примерно 70-80% от производимых трансформаторов напряжения являются емкостными трансформаторами напряжения. Для более высоких классов напряжений используются практически только емкостные трансформаторы напряжения (95% и более).

Благодаря внедрению разработок последних десятилетий, использованию комбинированного диэлектрика (полипропиленовая пленка и крафт-бумага, пропитанная синтетическим маслом) и проведению соответствующих испытаний сегодняшние CVT’s могут использоваться во всех применимых диапазонах температур с требуемым уровнем надежности и точности. Как и для любой другой продукции, здесь важно выбрать изготовителя, обладающего достаточным опытом в области технологии и проектирования. В обеспечении долговременной стабильности параметров ключевую роль играет конструкция высоковольтных конденсаторов. Для сохранения коэффициента заполнения необходимо поддерживать постоянное положительное давление на конденсаторные пакеты. На это давление не должны оказывать заметного влияния ни скачки температуры, ни изменение количества масла в пакетах. Кроме того, важную роль играет соблюдение технологии сборки. Герметичное уплотнение и заполнение исключительно обработанным маслом также является обязательным для обеспечения высокой долговечности и постоянства изоляционных характеристик. Герметичное уплотнение может выдерживать все механические, электрические и температурные напряжения в течение всего срока службы оборудования который составляет более 30 лет.
Важными составляющими также являются используемые материалы и выполняемая механическая обработка. Это отражается на статистике погрешностей. В 1990 г. CIGRE опубликовало статистику отказов за период с 1975 г. по 1985 г. (CIGRE WG 23.07, Results of failure survey on high voltage instrument transformers, 1990). Проведенные подсчеты по всему миру показали, что в диапазоне напряжений от 60 кВ до 500 кВ емкостные трансформаторы напряжения надежнее, чем трансформаторы напряжения других типов. Другое исследование охватывало период с 1985 г. по 1995 г. и 131207 измерительных трансформаторов по всему миру. Интенсивность серьезных отказов емкостных трансформаторов напряжения почти вдвое ниже по сравнению с другими трансформаторами напряжения.

CVT’s можно классифицировать следующим образом:

1. В отношении конструкции конденсатора:

Емкостной делитель образован емкостью втулки трансформатора (или исторически конденсатор связи) и внешним или встроенным конденсатором (по выбору). Эта конструкция имеет ограничения по вторичной нагрузке и точности.

b) Разделительный конденсатор несущей частоты
Разделительный конденсатор несущей частоты используется как емкостной делитель.

2. В отношении магнитной цепи:

a) Не резонансного типа
Этот тип как таковой непригоден для применения со стандартизованными вторичными нагрузками, однако он вновь начинает использоваться в сочетании с электронным оборудованием и для измерений гармонических составляющих.

b) Резонансного типа с реактором в первичной цепи понижающего трансформатора
Этот тип пригоден для повышения точности работы CVT’s и широко используется в настоящее время.

c) Резонансного типа с реактором во вторичной цепи понижающего трансформатора.

Этот тип не используется для применения со стандартизованными вторичными нагрузками и высокой точностью. Он может использоваться для емкостных трансформаторов с конденсатором втулочного типа.

Основные улучшения конструкции были связаны с перемещением компенсирующего реактора в первичную цепь понижающего трансформатора, повышением емкости батареи конденсаторов и напряжения ответвления. Низковольтный конденсатор стал составной частью батареи конденсаторов. На протяжении многих лет были успешно разработаны различные стратегии подавления феррорезонанса. Все это приводило к повышению точности измерений с помощью CVT’s.

Демпфирующая цепь предоттвращает феррорезонанс во вторичной цепи.

1) влиянием температуры, окружающих элементов и срока службы

2) отсутствием явных признаков неисправности при коротком замыкании отдельных конденсаторов

3) отсутствием подтвержденной точности и стабильности.

Это сравнительное исследование показало, что лучшая фирма-изготовитель в Северной Америке способна выпускать трансформаторы класса точности 0.3 (ANSI) с вторичной нагрузкой 400 ВА и продемонстрировала оборудование на напряжение 170 кВ и 500 кВ, обеспечивающее требуемую точность при изменениях температуры, частоты и уровня загрязнения.

Сильный дождь, туман или загрязнение поверхности фарфорового изолятора могут вызывать токи утечки и приводить к погрешностям выходного сигнала емкостного делителя. Это влияние может быть ограничено выбором формы фарфорового изолятора, повышением емкости и напряжения ответвления. Испытания показывают, что даже под дождем с интенсивностью 300 мм/ч и очень низким удельным сопротивлением характеристика погрешности смещается на очень малую величину. Даже обматывание более 30% поверхности изолятора сверху или снизу алюминиевой фольгой не приводит к выходу трансформатора за пределы его класса точности.

Изменение точности в результате старения должно устраняться выбором параметров конструкции и методов изготовления трансформатора. Старение может возникать в результате:

1) Механической неустойчивости

Изменение размеров конденсаторных пакетов вызывает изменение емкости.

Для устранения этого эффекта конденсаторные пакеты должны закрепляться под давлением. Крепеж не должен выполняться из материала с низким коэффициентом температурного расширения.

2) Химической реакции

Внутренние примеси вызывают изменение диэлектрической проницаемости или повреждение конденсаторного рулона.

Изготовители признали, что при использовании бумажно-масляной изоляции с минеральным маслом напряженность электрического поля необходимо существенно снижать по сравнению с силовыми конденсаторами во избежание возникновения опасных разрядов и их побочных продуктов. Оборудование должно быть надежно герметизировано.

Все конструктивные проблемы трансформатора и реактора можно было считать решенными. Конструкция реактора предусматривала отсутствие влияния температуры и вибрации на величину зазора. Особое внимание должно было уделяться областям полюсных наконечников и их расположению. Более того, конструкция сердечника должна была тщательно разрабатываться и изготавливаться с использованием надлежащей технологии.

Дальнейшие улучшения были возможны только за счет усовершенствования технологии изготовления конденсаторов.

Паразитная емкость. Испытания были проведены в цилиндрической камере диаметром 6,6 м, предназначенной для климатических испытаний. Влияние стенок камеры на коэффициент трансформации составило всего 0,06%.

Долговременная стабильность. Показания CVT сравнивались с показаниями трансформатора напряжения на протяжении примерно трех лет. Изменения погрешностей коэффициента трансформации и фазового угла для емкостного и индуктивного трансформатора напряжения лежали в одном диапазоне. Даже в зимние и летние дни отклонения составляли малую долю от требований класса точности 0.2. Для достижения таких характеристик требуется тщательная разработка конструкции CVT. Хорошие конструкции лучших поставщиков доказали долговременную стабильность в процессе эксплуатации.

Первым из широко распространенных диэлектриков для высоковольтных конденсаторов явилась бумага, пропитанная минеральным маслом. Было доказано, что твердый парафин и вазелин непригодны для высоковольтных применений. Этот вывод основывался на работоспособности, эффективности и опыте эксплуатации. Конденсаторы имеют твердые слои алюминиевой фольги, проложенные бумагой. Вскоре укладку материалов в пачку заменили намоткой. Соединения выполнялись введением отводов по длине электрода. Масло служило диэлектрической и охлаждающей средой. В тридцатые годы стали доступны синтетические хлорированные масла. Более высокая диэлектрическая проницаемость позволила радикально уменьшить размеры и объем масла. Однако конструкцию пришлось изменить, уменьшив расстояние между активными элементами и корпусом и обеспечив адекватный отвод тепла. Дальнейшее улучшение хлорированных масел и замена тряпичной бумаги на бумагу из древесной пульпы (крафт-бумагу) позволили еще значительнее уменьшить размеры и повысить надежность. Однако в семидесятые годы полихлорированные бифенилы (PCB) были запрещены во многих странах по соображениям охраны окружающей среды. С целью снижения диэлектрических потерь была проведена большая работа по уменьшению толщины бумаги, количества наколов, ионных примесей в виде натрия, калия и смесей. Температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь имеет форму седла, при этом меньшие потери при повышенной температуре дают возможность вводить более высокие нагрузки. Рабочая часть всегда остается в виде «масло/бумага». Рабочая часть не только определяет допустимые рабочие нагрузки, но также определяет срок службы. Тангенс угла диэлектрических потерь влияет на внутреннюю рабочую температуру конденсатора.

Большая работа была также проведена по пропитывающей жидкости, в особенности после запрета PCB. Главными характеристиками являлись газовыделение и взаимодействие с пленкой. Коэффициент газовыделения соотносится со стойкостью к перенапряжениям. Важными факторами являются насыщение, разбухание и растворимость пленки. В результате были разработаны синтетические жидкости, превосходящие PCB. Современные синтетические жидкости типа SAS 40 сочетают высокую ароматичность с очень низкой вязкостью при низких температурах. Это обеспечивает хорошие характеристики частичного разряда как при низких, так и при высоких температурах.

В восьмидесятые годы был накоплен достаточный опыт в области конструирования, материалов и технологии для успешного применения смешанных диэлектриков в CVT. Чтобы понять задержку по времени, следует поразмышлять о первичных требованиях к измерительным трансформаторам как о надежности, отнесенной к цене и электрическим потерям.

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:

уменьшения величины напряжения до величины, которую безопасно и удобно использовать в цепях измерения (вольтметры, ваттметры, счетчики), защиты, автоматики, сигнализации
защиты от высокого напряжения вторичных цепей, а следовательно и человека
повышения напряжения при испытаниях изоляции различного эо
на подстанциях ТН используют для контроля изоляции сети, работы в составе устройства сигнализации или защиты от замыканий на землю

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.

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:

напряжение первичной обмотки (3, 6, 10 … 750кВ)
напряжение основной вторичной обмотки (100 В - для однофазных, включаемых между фазами, трехфазных; 100√3 - однофазных, включаемых между фазой и землей напряжение дополнительной вторичной обмотки (100В - однофазные в сети с заземленной нейтралью, 100√3 - однофазные в сети с изолированной нейтралью
число фаз (однофазные, трехфазные)
количество обмоток (двухобмоточные, трехобмоточные)
класс точности (0,1 0,2 0,5 1 3 3Р 6Р)
способ охлаждения (сухие, масляные, газонаполненные)
изоляция (воздушно-бумажная, литая, компаунд, газ, масло, фарфор)

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.

Работа силового трансформатора на активную, индуктивную и емкостную нагрузку

Трансформатор – это электрическая машина, которая преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

В первых сетях для передачи электрической энергии использовался постоянный ток. Напряжение в сетях зависело от изоляционной способности применяемых материалов и составляло, как правило, 110 В.

С ростом пропускной мощности сетей появилась необходимость увеличения поперечного сечения проводов для того, чтобы потери напряжения оставались в приемлемых пределах.

И только изобретение трансформатора позволило экономично вырабатывать электрическую энергию на крупных электростанциях, передавать ее под высоким напряжением на большие расстояния и затем понижать напряжение до безопасного значения перед подачей электричества потребителям.

Без трансформаторов сегодняшние структуры сетей электроснабжения с их уровнями высокого и сверхвысокого, среднего и низкого напряжения были бы просто не возможны. Трансформаторы используются как в однофазных, так и в трехфазных электрических сетях.

Работа силового трехфазного трансформатора значительно различается на какую нагрузку он работает – активную, индуктивную или емкостную. В реальных условиях нагрузкой трансформатора является активно-индуктивная нагрузка.

Рисунок 1 – Трехфазный силовой трансформатор

1. Режим работы на активную нагрузку

В этом режиме напряжение первичной обмотки близко к номинальному U1 = U1ном, ток первичной обмотки I1 определяется нагрузкой трансформатора, а ток вторичной обмотки ее номинальным током I2ном = P2 / U2ном.

По данным измерений аналитически определяют коэффициент полезного действия трансформатора:

где P1 – активная мощность первичной обмотки трансформатора, P2 – мощность, которая отдается в цепь питания вторичной обмоткой трансформатора.

Зависимость КПД трансформатора в функции от относительного тока первичной обмотки изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Зависимость КПД трансформатора от относительного тока первичной обмотки

В режиме активной нагрузки вектор тока вторичной обмотки сонаправлен с вектором напряжения вторичной обмотки, следовательно, увеличение тока нагрузки вызывает снижение напряжения на выводах вторичной обмотки трансформатора.

Упрощённая векторная диаграмма токов и напряжений для данного вида нагрузки трансформатора изображена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Упрощённая векторная диаграмма токов и напряжений в режиме активной нагрузки трансформатора

2. Режим работы на индуктивную нагрузку

В режиме индуктивной нагрузки вектор тока вторичной обмотки отстаёт от вектора напряжения вторичной обмотки на 90 градусов. Снижение величины индуктивности, подключённой ко вторичной обмотке трансформатора, вызывает увеличение тока нагрузки, что приводит к снижению вторичного напряжения.

Упрощённая векторная диаграмма токов и напряжений для данного вида нагрузки трансформатора изображена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Упрощённая векторная диаграмма токов и напряжений в режиме индуктивной нагрузки трансформатора

3. Режим работы на ёмкостную нагрузку

В режиме ёмкостной нагрузки вектор тока вторичной обмотки опережает вектор напряжения вторичной обмотки на 90 градусов. Увеличение ёмкости, подключённой ко вторичной обмотке трансформатора, вызывает увеличение тока нагрузки, что приводит к увеличению вторичного напряжения.

Упрощённая векторная диаграмма токов и напряжений для данного вида нагрузки трансформатора изображена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Упрощённая векторная диаграмма токов и напряжений в режиме ёмкостной нагрузки трансформатора

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Читайте также: