Измерительные трансформаторы напряжения (электромагнитные). Погрешности измерительных трансформаторов напряжения.

Измерительный трансформатор напряжения (measuring voltage transformer) – это трансформатор, который предназначен для преобразования значения первичного напряжения во вторичное напряжение, которое используется для осуществления измерений в измерительных приборах, устройствах релейной защиты и автоматики.

Первичная обмотка измерительного трансформатора напряжения, имеющая очень большое число витков (несколько тысяч) тонкого провода, включается непосредственно в сеть высокого напряжения, а вторичная обмотка, имеющая меньшее количество витков (несколько сотен), подключаются параллельно к устройствам релейной защиты и автоматики, а также к измерительным приборам. Следует отметить, что вторичная обмотка трансформатора напряжения работает в режиме близком к холостому ходу.

В качестве нормированной величины номинального напряжения в первичной цепи принимаются следующие значения:

6 кВ; 10 кВ; 15 кВ; 20 кВ; 24 кВ; 27 кВ; 35 кВ;

110 кВ; 150 кВ; 220 кВ; 330 кВ; 500 кВ; 750 кВ; 1150 кВ;

В качестве нормированной величины номинального напряжения во вторичной цепи принимаются следующие значения:

100 В и 100/√3 В.

Трансформатор напряжения выполняют с двумя и более группами вторичных обмоток. Любая обмотка измерительного трансформатора напряжения характеризуется следующим набором параметром:

xx¹ yy²

xx¹ - номинальная вторичная нагрузка, которая обычно выражается в вольтамперах (VA).  Нормированные величины вторичной нагрузки являются следующие значения: 10; 15; 25; 30; 50; 75; 100; 150; 200; 300; 400; 500; 600; 800; 1000; 1200 (В А). Данная номинальная нагрузка указывает максимальную нагрузку, которую может питать трансформатор напряжения в гарантированном классе точности.

yy² – класс точности трансформатора тока, который характеризует величину максимальной полной погрешности (в процентах) при полной загрузки вторичной обмотки.

Нормированные классы точности обмоток измерительных трансформаторов напряжения используемых в целях релейной защиты и автоматики: 3Р и 6Р, что означает возможность возникновения 3% и 6% погрешности при полной загрузки вторичной обмотки.

Нормированные классы точности обмоток измерительных трансформаторов напряжения используемых для измерительных целей: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0. Данные обмотки измерительных трансформаторов напряжения обеспечивают высокую точность измерений во всем диапазоне измерений первичного напряжения.

Правильный выбор измерительного трансформатора напряжения во многом определяет точность учета потребляемой электроэнергии, предполагает соответствие их параметров и технических характеристик условиям эксплуатации. Так, например, маркировка обмоток измерительных трансформаторов напряжения "200VA 6Р" обозначает, что полная погрешность измерения составит 6% при условии, что загрузка по вторичным цепям соответствует номинальной мощности 200 ВА.

По конструкции различают трехфазные и однофазные трансформаторы. Трехфазные трансформаторы напряжения применяются при напряжении до 18 кВ, однофазные — на любые классы напряжения. Начало и конец первичных и вторичных обмоток ТН Н (н) и К (k) обозначаются изготовителями так же, как и у силовых трансформаторов: у первичной обмотки буквами А и X, у вторичной соответственно а и х. При включении однофазных трансформаторов напряжения на фазные напряжения начала первичных обмоток присоединяются к фазам, а концы собираются в нулевую точку.

Рис.1. Схема соединения трех однофазных трансформаторов напряжения с двумя вторичными обмотками

Вторичные обмотки трансформаторов напряжения подлежат обязательному заземлению независимо от схемы их соединений. Это заземление является защитным — обеспечивающим безопасность персонала при попадании высокого напряжения во вторичные цепи. Обычно заземляется нулевая точка звезды или один из фазных проводов.

Первичные обмотки трансформаторов напряжения до 35 кВ подключаются к сети через предохранители высокого напряжения и ограничивающие сопротивления. Назначением этих предохранителей является быстрое отключение от сети поврежденного трансформатора напряжения. Для защиты обмоток трансформатора напряжения от длительного прохождения тока к. з. при повреждениях во вторичных цепях устанавливаются предохранители низкого напряжения или автоматы.

Рассмотрим схему замещения приведенного трансформатора напряжения (см. рис. 2). По принципу действия и конструктивному выполнению трансформатор напряжения аналогичен обычному силовому трансформатору. Под воздействием напряжения сети по первичной обмотке проходит ток, который создает в сердечнике переменный магнитный поток Ф. Магнитный поток, проходя через витки первичной и вторичной обмотки, индуктирует в ней э.д.с. В режиме холостого хода трансформатора напряжения (разомкнутая вторичная обмотка) наводимая ЭДС во вторичной обмотке соответствует напряжению на ее зажимах U_2XX.

Рис.2.  Схема замещения трансформатора напряжения

В случае если к вторичной обмотке трансформатора напряжения подключена нагрузка в виде устройств релейной защиты или и измерительных приборов, то напряжение на ее зажимах будет меньше э.д.с. на величину падения напряжения в сопротивлении вторичной обмотки.

В общем случае напряжение на первичной и вторичной обмотке связаны между собой следующим соотношением:

Падение напряжения определяется следующим образом:

Падение напряжения в обмотках трансформатора напряжения  обусловливает появление погрешности, искажающей значение и фазу у напряжения вторичной обмотки по сравнению с расчетным напряжением.

Построение векторной диаграммы токов и напряжения трансформатора начинаем с построения результирующего магнитного потока Ф, который наводит в первичной и вторичной обмотке ЭДС  и . Результирующий магнитный поток Ф отстает от намагничивающего тока на угол γ, что объясняется потерями в стали от вихревых токов и перемагничивания сердечника.  Под действием ЭДС во вторичной цепи протекает ток , который отстает от вектора  на угол α, определяемый соотношением активной и реактивной составляющих сопротивлений  и .

Приведённый первичный ток определяется из геометрической суммы двух векторов: тока и тока . Далее на векторной диаграмме построим вектор напряжения вторичной обмотки , как геометрическую разность вектора ЭДС и вектора . Аналогично построим на векторной диаграмме вектор приведённого первичного напряжения , как геометрическую сумму векторов ЭДС  и вектора .

Рис.3.. Векторная диаграмма токов и напряжения трансформатора напряжения

Векторная диаграмма показывает, что вторичное напряжение отличается от приведённого первичного напряжения как по величине (абсолютному значению) , так и по фазе . Это отличие обусловлено наличием тока намагничивания и током во вторичной обмотке. Рост погрешности ведет к неправильным измерениям в устройствах релейной защиты и автоматики, что может стать причиной излишнего срабатывания, либо причиной отказа в срабатывании устройства релейной защиты и автоматики.

Пределы погрешности трансформаторов напряжения в зависимости от класса точности представлены в таблице.

Табл.1. Пределы погрешностей трансформатора напряжения

Примечание:

Класс точности 0,2 – точные лабораторные приборы для измерения;

Класс точности 0,5 – приборы учета электроэнергии;

Класс точности 3Р и 6Р – для целей релейной защиты и автоматики.

Основные виды погрешностей в измерительных трансформаторах напряжения

К трансформаторам напряжения предъявляются высокие требования по точности, однако любой трансформатор напряжения имеет погрешность измерения. Погрешность трансформатора напряжения — это разница между величиной вторичного и первичного напряжения приведённого ко вторичной цепи.

В измерительных трансформаторах напряжения различа­ют два вида погрешностей:

• относительная погрешностьнапряжения - характеризует отклонение действительного коэффициента трансформации от номинального. Если пренебречь углом δ (так как он мал), то разницу в величинах напряжений можно определять как арифметическую разность между приведенным к первичной цепи действительным вторичным напряжением и действительным первичным напряжением, которая выражена в процентах от действительного первичного напряжения 

• угловая погрешность- характеризует угол сдвига вторичного напряжения относительно первичного. Данная вид погрешности влияет на результаты измерений, выполненных с помощью ваттметров, счетчиков, фазометров и прочих приборов, показания которых зависят не только от силы тока и напряжения, но и от угла сдвига фаз между ними. Угловая погрешность считается положительной, если вектор вторичного напряжения опережает вектор первичного напряжения.

Следует отметить, что один и тот же трансформатор напряжения в зависимости от нагрузки, подключенной к его вторичной обмотке, может работать с различным классом точности и переходить из одного класса в другой при изменении нагрузки относительно его номинальной мощности. Поэтому в каталогах и паспортах на трансформаторы напряжения указываются два значения мощности: номинальная мощность в вольт-амперах, с которой трансформатор напряжения может работать в гарантированном классе точности, и предельная мощность, с которой трансформатор напряжения может работать с допустимым нагревом обмоток.

Так же следует обратить внимание, что кроме рассмотренных выше основных погрешностей, возникающих при трансформации первичного напряжения на вторичную сторону, на работу релейной защиты и точность измерений влияют также дополнительные погрешности от падения напряжения в цепях напряжения от трансформатора напряжения до места установки панелей защиты или измерений. Поэтому согласно требованиям ПУЭ сечение жил кабелей должно выбираться так, чтобы падение напряжения в указанных цепях не превышало: 3% для релейной защиты, 1,5% для щитовых измерительных приборов и 0,5% и для счетчиков.

Способы уменьшения погрешности трансформатора напряжения

Для уменьшения погрешности магнитопровод трансформатора напряжения выполняют из высококачественной стали достаточно большого поперечного сечения (чтобы в рабочем режиме он не был насыщен), таким образом уменьшается индукция в магнитопроводе и снижается магнитное сопротивление.

Другим мероприятием по уменьшению погрешности является уменьшение плотности тока и сопротивления обмоток трансформатора напряжения.