Трансформатор напруги: пристрій і принцип роботи

Трансформатор напруги: пристрій і принцип роботи

Трансформатори відіграють значну роль в електротехніці, виконуючи функції перетворення, ізоляції, вимірювання та захисту. Одним з найпоширеніших завдань пристроїв цього типу є регуляція окремих параметрів струму. Зокрема, трансформатори напруги (ТН) перетворять показники первинної електромережі до оптимальних значень, з точки зору споживачів.

Загальна конструкція обладнання

Технічну основу трансформатора утворює електромагнітна начинка, що забезпечує функціональні процеси пристрою. За розмірами обладнання може відрізнятися залежно від вимог до силового навантаження в ланцюгу. У типовому виконанні трансформатор має пристрої вводу та виводу струму, а основні робочі елементи виконують завдання перетворення напруги. За забезпечення надійності та безпеки технологічних процесів відповідає набір ізоляторів, запобіжників та пристрій релейного захисту. У конструкції сучасного трансформатора зниженої напруги передбачаються і датчики реєстрації окремих робочих параметрів, показники яких спрямовуються на пульт управління і стають основою для команд регулюючим органам. Функціонування електротехнічних компонентів саме по собі вимагає енергопостачання, тому в деяких модифікаціях перетворювачі доповнюються автономними джерелами живлення - генераторами, акумуляторами або батареями.

Сердечники трансформатора

Ключові робочі елементи ТН - це так звані серцевики (магнітопроводи) і обмотки. Перші бувають двох видів - стрижневі і броньові. Для більшості низькочастотних трансформаторів до 50 Гц застосовуються стрижневі сердечники. У виготовленні магнітопроводу використовують спеціальні метали, від характеристик яких залежать робочі властивості конструкції, наприклад, продуктивність і величина струму холостого ходу. Сердечник трансформатора напруги утворюється тонкими листами сплаву, ізольованими між собою шарами лаку та окису. Від якості даної ізоляції залежатиме ступінь впливу вихорих струмів магнітопроводу. Існує й особливий різновид набірних сердечників, які формують конструкції довільного перерізу, але близького до квадратної форми. Така конфігурація дозволяє створювати універсальні магнітопроводи, але у них є і слабкі місця. Так, виникає потреба в щільному стягуванні металевих пластик, оскільки найдрібніші зазори знижують коефіцієнт наповнюваності робочої площі котушки.

Обмотки трансформаторів напруги

Зазвичай використовують дві обмотки - первинну і вторинну. Вони ізолюються і один від одного, і від сердечника. Перший рівень обмотки відрізняється великою кількістю витків, виконаних тонким проводом. Це дозволяє їй обслуговувати мережі високої напруги (до 6000-10 000 В), необхідної для основних потреб перетворення. Вторинна обмотка призначена для паралельного постачання вимірювальних приладів, релейних пристроїв та іншої допоміжної електротехніки. При підключенні обмотки трансформаторів напруги важливо враховувати маркування на вихідних затисканнях. Наприклад, реле напрямку потужності, мультиметри, амперметри, ваттметри і різні лічильники з 'єднуються з котушками за допомогою початку первинної обмотки (позначення А), кінцевої лінії (Х), початку вторинної обмотки (а) і її кінця (х). Також може використовуватися додаткова обмотка зі спеціальними приставками в позначенні.

Монтажна арматура і засоби заземлення

Перелік доборих елементів та функціональних пристроїв може бути різним залежно від типу та характеристик трансформатора. Наприклад, масляні конструкції з показником первинної напруги до 10 кВ і більше забезпечуються арматурою для заливки, слива і відбору проб технічної мастила. Для масла також передбачається бак з форсунками і регуляторами, які керують плавною подачею рідини в цільові зони. Типові набори арматури найчастіше включають кронштейни з болтами, патрубки, релейні компоненти, прокладки з електрокартону, фланцеві елементи тощо. Що стосується заземлення, то трансформатори з напругою на первинній обмотці до 660 В забезпечуються затисками з різьбовим кріпленням болтів, шпилок і гвинтів типорозміром М6. Якщо показник напруги вище 660 В, то заземляюча арматура повинна буде мати з 'єднання метизів формату не менше М8.

Принцип дії ТН

Основні функції і процеси електромагнітної індукції виконує комплекс, що включає металевий серцевик з набором трансформаторних пластин, первинну і вторинну обмотки. Якість роботи пристрою буде залежати від точності базового розрахунку амплітуди і кута проходження струму. За перетворення в електромагнітному полі відповідає взаємна індукція між кількома обмотками. Змінний струм у трансформаторі напруги на 220 В постійно змінюється, проходячи по одиночній обмотці. Відповідно до закону Фарадея, електродвижущая сила індукується раз на секунду. У системі із закритою обмоткою по ланцюгу буде проходити струм за замовчуванням і замикатися на металевому сердечнику. Чим менше навантаження на вторинну обмотку трансформатора, тим ближче фактичний коефіцієнт перетворення до номінальної величини. Робота з підключенням вторинної обмотки до вимірювальних пристроїв особливо залежатиме від ступеня перетворення, оскільки найдрібніші коливання навантаження впливатимуть на точність замірів, введених у ланцюг приладів.

Різновиди трансформаторів

На сьогоднішній день найбільш поширені такі різновиди ТН:

  • Каскадний трансформатор - пристрій, в якому первинна обмотка поділяється на кілька послідовних секцій, а за передачу потужності між ними відповідають вирівнюючі і зв 'язуючі обмотки.
  • Заземлюваний ТН - однофазні конструкції, у яких один кінець первинної обмотки наглухо заземляється. Також це можуть бути трифазні трансформатори напруги із заземленою нейтралью від первинної обмотки.
  • Незаземний ТН - пристрій з повною ізоляцією обмоток з примикаючою арматурою.
  • Двобмоточні ТН - трансформатори з наявністю однієї вторинної обмотки.
  • Триобмоточні ТН - трансформатори, у яких крім первинної обмотки також присутні основна і додаткова вторинні обмотки.
  • Ємнісний ТН - конструкції, що відрізняються наявністю ємнісних роздільників.

Особливості електронних ТН

За основними метрологічними показниками даний вид трансформаторів трохи відрізняється від електротехнічних пристроїв. Обумовлено це тим, що в обох випадках застосовується традиційний канал перетворення. Головні ж особливості електронних трансформаторів полягають у відсутності високовольтної ізоляції, що в підсумку і сприяє отриманню більш високого техніко-економічного ефекту від експлуатації обладнання. У високовольтних мережах з первинною напругою трансформатора напруги до 660 У перетворювач зв 'язується з центральною мережею гальванічним способом. Відомості про вимірюваний струм передаються під високим потенціалом, як це відбувається і в аналогово-цифровому перетворювачі з оптичним виходом. Однак розміри і маса електронних моделей настільки малі, що дають можливість встановлювати трансформаторні блоки в інфраструктурі високовольтних дротових шин навіть без підключення додаткових ізоляторів і кріпильної арматури.

Характеристики трансформаторів

Основною техніко-експлуатаційною величиною є потенціал напруги. На первинній обмотці він може досягати і 100 кВ, але це здебільшого стосується великогабаритних промислових станцій, що містять кілька перетворюючих модулів. Як правило, на первинній обмотці підтримується не більше 10 кВ. Трансформатор напруги для однофазних мереж із заземленою нейтралью і зовсім працює при 100 В. Що стосується вторинної обмотки, то її номінальні показники напруги становлять 24-45 В в середньому. Знову ж таки, на цих контурах обслуговуються енергетично маломісткі прилади обліку, для яких не потрібно високого навантаження харчування. Втім, і вторинні обмотки іноді мають високі потенціали понад 100 В в трифазних мережах. Також в оцінці характеристик трансформатора важливо враховувати клас точності - це величини від 0,1 до 3, які визначають ступінь відхилень у перетворенні цільових електротехнічних показників.

Ферорезонансний ефект

Електромагнітні пристрої нерідко зазнають різного роду негативних впливів і пошкоджень, пов 'язаних з порушеннями в ізоляції. Одним з найпоширеніших процесів руйнування обмотки є ферорезонансне обурення. Воно призводить до механічного пошкодження і перегріву обмоток. Основною причиною цього явища називають нелінійність індуктивності, яка виникає в ситуаціях нестабільної реакції магнітопроводу на навколишнє магнітне поле. Захистити трансформатор напруги від ферорезонансних ефектів дозволяють зовнішні заходи, серед яких включення додаткових ємностей і резисторів до комутованого пристрою. В електронних системах мінімізувати ймовірність індукційної нелінійності дозволяє і програмування послідовностей відключення апаратури.

Застосування обладнання

Експлуатація трансформаторних пристроїв, що перетворюють напругу, регулюється правилами використання електротехніки. Враховуючи оптимальні робочі величини, фахівці вводять підстанції в забезпечуючу інфраструктуру цільового об 'єкта. Основні функції систем дозволяють обслуговувати будівлі і підприємства з потужними енергетичними установками, а вторинне напруження трансформатора до 100 В контролює навантаження для менш вимогливих споживачів на зразок лічильників і метрологічних пристроїв. Залежно від техніко-конструкційних параметрів, ТН можуть використовуватися в промисловості, в будівельній сфері та в побутовому господарстві. У кожному випадку трансформатори забезпечують контроль електротехнічного харчування, регулюючи вхідні показники потужності відповідно до номінальних запитів конкретного об 'єкта.

Ув 'язнення

Електромагнітні трансформатори забезпечують досить старий, але затребуваний донині принцип регуляції потужності в електроцепях. Застарівання даного обладнання пов 'язане і з конструкційним виконанням обладнання, і з функціональністю. Проте це не заважає використовувати трансформатори струму і напруги для відповідальних завдань управління електропостачанням на великих підприємствах. До того ж не можна сказати, що перетворювачі цього типу зовсім не піддаються поліпшенням. Хоча основні принципи роботи і навіть технічна реалізація в цілому залишаються колишніми, інженери останнім часом активно працюють над системами захисту та управління. У підсумку це позначається на підвищенні безпеки, надійності і точності роботи трансформаторів.