Трансформаторы играют значительную роль в электротехнике, выполняя функции преобразования, изоляции, измерения и защиты. Одной из самых распространенных задач устройств этого типа является регуляция отдельных параметров тока. В частности, трансформаторы напряжения (ТН) преобразуют показатели первичной электросети до оптимальных значений, с точки зрения потребителей.
Общая конструкция оборудования
Техническую основу трансформатора образует электромагнитная начинка, обеспечивающая функциональные процессы устройства. По размерам оборудование может различаться в зависимости от требований к силовой нагрузке в цепи. В типовом исполнении трансформатор имеет устройства ввода и вывода тока, а основные рабочие элементы выполняют задачи преобразования напряжения. За обеспечение надежности и безопасности технологических процессов отвечает набор изоляторов, предохранителей и устройство релейной защиты. В конструкции современного трансформатора пониженного напряжения предусматриваются и датчики регистрации отдельных рабочих параметров, показатели которых направляются на пульт управления и становятся основой для команд регулирующим органам. Функционирование электротехнических компонентов само по себе требует энергоснабжения, поэтому в некоторых модификациях преобразователи дополняются автономными источниками питания – генераторами, аккумуляторами или батареями.
Сердечники трансформатора
Ключевые рабочие элементы ТН представляют собой так называемые сердечники (магнитопроводы) и обмотки. Первые бывают двух видов – стержневые и броневые. Для большинства низкочастотных трансформаторов до 50 Гц применяются стержневые сердечники. В изготовлении магнитопровода используют специальные металлы, от характеристик которых зависят рабочие свойства конструкции, например, производительность и величина тока холостого хода. Сердечник трансформатора напряжения образуется тонкими листами сплава, изолированными между собой слоями лака и окиси. От качества данной изоляции будет зависеть степень влияния вихревых токов магнитопровода. Существует и особая разновидность наборных сердечников, которые формируют конструкции произвольного сечения, но близкого к квадратной форме. Такая конфигурация позволяет создавать универсальные магнитопроводы, но у них есть и слабые места. Так, возникает потребность в плотном стягивании металлических пластик, поскольку мельчайшие зазоры понижают коэффициент наполняемости рабочей площади катушки.
Обмотки трансформаторов напряжения
Обычно используют две обмотки – первичную и вторичную. Они изолируются и друг от друга, и от сердечника. Первый уровень обмотки отличается большим количеством витков, выполненных тонким проводом. Это позволяет ей обслуживать сети высокого напряжения (до 6000-10 000 В), требуемого для основных нужд преобразования. Вторичная обмотка предназначена для параллельного снабжения измерительных приборов, релейных устройств и другой вспомогательной электротехники. При подключении обмотки трансформаторов напряжения важно учитывать маркировку на выходных зажимах. Например, реле направления мощности, мультиметры, амперметры, ваттметры и различные счетчики соединяются с катушками посредством начала первичной обмотки (обозначение А), концевой линии (Х), начала вторичной обмотки (а) и ее конца (х). Также может использоваться дополнительная обмотка со специальными приставками в обозначении.
Монтажная арматура и средства заземления
Перечень доборных элементов и функциональных устройств может быть разным в зависимости от типа и характеристик трансформатора. К примеру, масляные конструкции с показателем первичного напряжения до 10 кВ и более обеспечиваются арматурой для заливки, слива и отбора проб технической смазки. Для масла также предусматривается бак с форсунками и регуляторами, управляющими плавной подачей жидкости в целевые зоны. Типовые наборы арматуры чаще всего включают кронштейны с болтами, патрубки, релейные компоненты, прокладки из электрокартона, фланцевые элементы и т. д. Что касается заземления, то трансформаторы с напряжением на первичной обмотке до 660 В обеспечиваются зажимами с резьбовым креплением болтов, шпилек и винтов типоразмером М6. Если показатель напряжения выше 660 В, то заземляющая арматура должна будет иметь соединения метизов формата не меньше М8.
Принцип действия ТН
Основные функции и процессы электромагнитной индукции выполняет комплекс, включающий металлический сердечник с набором трансформаторных пластин, первичную и вторичную обмотки. Качество работы устройства будет зависеть от точности базового расчета амплитуды и угла прохождения тока. За преобразование в электромагнитном поле отвечает взаимная индукция между несколькими обмотками. Переменный ток в трансформаторе напряжения на 220 В постоянно меняется, проходя по одиночной обмотке. В соответствии с законом Фарадея, электродвижущая сила индуцируется раз в секунду. В системе с закрытой обмоткой по цепи будет проходить ток по умолчанию и замыкаться на металлическом сердечнике. Чем меньше нагрузка на вторичную обмотку трансформатора, тем ближе фактический коэффициент преобразования к номинальной величине. Работа с подключением вторичной обмотки к измерительным устройствам особенно будет зависеть от степени преобразования, так как мельчайшие колебания нагрузки будут влиять на точность замеров, введенных в цепь приборов.
Разновидности трансформаторов
На сегодняшний день наиболее распространены следующие разновидности ТН:
- Каскадный трансформатор – устройство, в котором первичная обмотка разделяется на несколько последовательных секций, а за передачу мощности между ними отвечают выравнивающие и связующие обмотки.
- Заземляемый ТН – однофазные конструкции, у которых один конец первичной обмотки наглухо заземляется. Также это могут быть трехфазные трансформаторы напряжения с заземленной нейтралью от первичной обмотки.
- Незаземляемый ТН – устройство с полной изоляцией обмоток с примыкающей арматурой.
- Двухобмоточные ТН – трансформаторы с наличием одной вторичной обмотки.
- Трехобмоточные ТН – трансформаторы, у которых помимо первичной обмотки также присутствуют основная и дополнительная вторичные обмотки.
- Емкостный ТН – конструкции, отличающиеся наличием емкостных разделителей.
Особенности электронных ТН
По основным метрологическим показателям данный вид трансформаторов немногим отличается от электротехнических устройств. Обусловлено это тем, что в обоих случаях применяется традиционный канал преобразования. Главные же особенности электронных трансформаторов заключаются в отсутствии высоковольтной изоляции, что в итоге и способствует получению более высокого технико-экономического эффекта от эксплуатации оборудования. В высоковольтных сетях с первичным напряжением трансформатора напряжения до 660 В преобразователь связывается с центральной сетью гальваническим способом. Сведения об измеряемом токе передаются под высоким потенциалом, как это происходит и в аналогово-цифровом преобразователе с оптическим выходом. Однако размеры и масса электронных моделей настолько малы, что дают возможность устанавливать трансформаторные блоки в инфраструктуре высоковольтных проводных шин даже без подключения дополнительных изоляторов и крепежной арматуры.
Характеристики трансформаторов
Основной технико-эксплуатационной величиной является потенциал напряжения. На первичной обмотке он может достигать и 100 кВ, но это по большей части касается крупногабаритных промышленных станций, содержащих несколько преобразующих модулей. Как правило, на первичной обмотке поддерживается не более 10 кВ. Трансформатор напряжения для однофазных сетей с заземленной нейтралью и вовсе работает при 100 В. Что касается вторичной обмотки, то ее номинальные показатели напряжения составляют 24-45 В в среднем. Опять же, на этих контурах обслуживаются энергетически малоемкие приборы учета, для которых не требуется высокой нагрузки питания. Впрочем, и вторичные обмотки иногда имеют высокие потенциалы более 100 В в трехфазных сетях. Также в оценке характеристик трансформатора важно учитывать класс точности – это величины от 0,1 до 3, которые определяют степень отклонений в преобразовании целевых электротехнических показателей.
Феррорезонансный эффект
Электромагнитные устройства нередко подвергаются разного рода негативным влияниям и повреждениям, связанным с нарушениями в изоляции. Одним из самых распространенных процессов разрушения обмотки является феррорезонансное возмущение. Оно приводит к механическому повреждению и перегреву обмоток. Основной причиной этого явления называют нелинейность индуктивности, которая возникает в ситуациях нестабильной реакции магнитопровода на окружающее магнитное поле. Защитить трансформатор напряжения от феррорезонансных эффектов позволяют внешние меры, среди которых включение дополнительных емкостей и резисторов к коммутируемому устройству. В электронных системах минимизировать вероятность индукционной нелинейности позволяет и программирование последовательностей отключения аппаратуры.
Применение оборудования
Эксплуатация трансформаторных устройств, преобразующих напряжение, регулируется правилами использования электротехники. Учитывая оптимальные рабочие величины, специалисты вводят подстанции в снабжающую инфраструктуру целевого объекта. Основные функции систем позволяют обслуживать здания и предприятия с мощными энергетическими установками, а вторичное напряжение трансформатора до 100 В контролирует нагрузку для менее требовательных потребителей наподобие счетчиков и метрологических устройств. В зависимости от технико-конструкционных параметров, ТН могут использоваться в промышленности, в строительной сфере и в бытовом хозяйстве. В каждом случае трансформаторы обеспечивают контроль электротехнического питания, регулируя входные показатели мощности в соответствии с номинальными запросами конкретного объекта.
Заключение
Электромагнитные трансформаторы обеспечивают довольно старый, но востребованный по сей день принцип регуляции мощности в электроцепях. Устаревание данного оборудования связано и с конструкционным исполнением оборудования, и с функциональностью. Тем не менее это не мешает использовать трансформаторы тока и напряжения для ответственных задач управления электроснабжением на крупных предприятиях. К тому же нельзя сказать, что преобразователи этого типа вовсе не подвергаются улучшениям. Хотя основные принципы работы и даже техническая реализация в целом остаются прежними, инженеры в последнее время активно работают над системами защиты и управления. В итоге это сказывается на повышении безопасности, надежности и точности работы трансформаторов.
