Трансформатор напряжения (ТН) — это ключевое электротехническое устройство, предназначенное для преобразования значения входного напряжения в другое, необходимое для работы различных приборов и систем. Хотя в процессе преобразования часть мощности неизбежно теряется, применение трансформаторов экономически и технически оправдано, когда требуется адаптировать параметры электрического сигнала под конкретные нужды. Конструктивной основой ТН являются обмотки, точный расчёт которых позволяет получить на выходе заданное напряжение.
Как работает трансформатор напряжения
Главная задача трансформатора напряжения — изменять уровень входного сигнала (повышать или понижать его) до величины, требуемой для решения практических задач. Этот процесс основан на фундаментальном законе электромагнитной индукции, открытом Фарадеем и Максвеллом. Согласно этому закону, изменяющийся магнитный поток, создаваемый током в первичной обмотке, наводит электродвижущую силу (ЭДС) во вторичной обмотке. Величина наведённого напряжения напрямую зависит от соотношения числа витков в обеих катушках. Таким образом, подбирая это соотношение, можно точно управлять выходными параметрами, передавая мощность от источника к нагрузке с минимальными искажениями.
Важно отметить, что ток и напряжение во вторичной цепи определяются исключительно указанным соотношением витков и нагрузкой, что делает трансформатор предсказуемым и надёжным устройством для управления параметрами сети.
Трансформатор тока и трансформатор напряжения: в чём разница?
Хотя оба устройства относятся к трансформаторам, их функции принципиально различны. Трансформатор тока (ТТ) предназначен в первую очередь для измерений: он пропорционально снижает большой ток первичной цепи до безопасного и удобного для измерения значения, которое подаётся на измерительные приборы (например, электросчётчики). Трансформатор напряжения (ТН) же используется для непосредственного преобразования уровня напряжения в силовых цепях для питания различного оборудования.
Конструктивные отличия также существенны:
- Первичной обмоткой ТТ часто служит сама силовая шина, на которую он устанавливается.
- Вторичная обмотка ТТ рассчитана на подключение измерительных приборов с малым внутренним сопротивлением.
- ТТ, как правило, более компактен и имеет более простую схему включения по сравнению с силовыми ТН.
Кроме того, к точности преобразования предъявляются разные требования: для измерительных ТТ она критически важна, в то время как для многих силовых ТН допустимы некоторые отклонения.
Основные типы и классификация трансформаторов напряжения
Трансформаторы напряжения классифицируются по своему назначению на несколько основных видов:
- Силовые трансформаторы (с заземлением и без): используются для передачи и распределения электроэнергии, например, на подстанциях для понижения высокого напряжения (6-10 кВ) до бытового (0.4 кВ).
- Измерительные трансформаторы: предназначены для подключения измерительных приборов к высоковольтным сетям.
- Автотрансформаторы: имеют одну обмотку с несколькими отводами, что позволяет плавно регулировать выходное напряжение. Более просты и экономичны, но не обеспечивают гальванической развязки.
- Согласующие трансформаторы: применяются в слаботочных и сигнальных цепях для согласования сопротивления между каскадами аппаратуры, обеспечивая максимальную передачу мощности.
- Разделительные трансформаторы: их ключевая функция — создание гальванической развязки между первичной и вторичной цепями. Это повышает безопасность, защищая пользователей от поражения током, а также подавляет электромагнитные помехи и блокирует постоянную составляющую тока.
- Пиковые трансформаторы: используются в электронике и системах связи для преобразования синусоидального напряжения в импульсное или для определения полярности сигналов.
Роль измерительных трансформаторов
Измерительные трансформаторы напряжения и тока — это специальный класс устройств, которые делают возможным безопасный контроль параметров высоковольтных сетей. Они преобразуют высокие токи и напряжения в пропорционально уменьшенные, стандартные величины, пригодные для подключения средств измерения и защиты.
Необходимость в них возникает повсеместно:
- Для учёта электроэнергии с помощью бытовых и промышленных счётчиков.
- Для работы релейной защиты, автоматики и систем сигнализации в энергосетях.
Классифицируются измерительные трансформаторы по конструкции (встроенные, проходные, опорные), месту установки (наружные, для КРУ), количеству ступеней преобразования (одно- или многоступенчатые) и коэффициенту трансформации.
Особенности эксплуатации в сетях с разным типом нейтрали
Режим работы трансформатора напряжения во многом зависит от типа нейтрали в сети: изолированной или глухозаземлённой.
В сетях с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю система может продолжать работу, что является плюсом для бесперебойности. Однако в этом режиме возникает серьёзная опасность перенапряжений и возникновения феррорезонансных явлений в контуре, образованном ёмкостью сети и нелинейной индуктивностью ТН. Феррорезонанс может привести к повреждению оборудования.
Для борьбы с этим применяют комплекс мер:
- Использование ТН со специальными конструктивными особенностями (например, с повышенным магнитным потоком насыщения).
- Включение в цепь демпфирующих резисторов или реакторов.
- Применение релейной защиты, отключающей ТН при опасных токах.
В сетях с глухозаземлённой нейтралью проблема феррорезонанса выражена слабее. Более того, использование заземляемых трансформаторов напряжения в таких сетях (или кратковременное искусственное заземление нейтрали через обмотку ТН в сетях с изолированной нейтралью) повышает чувствительность и селективность защиты от замыканий на землю. При возникновении повреждения ток в цепи замыкания увеличивается, что обеспечивает надёжное и быстрое срабатывание защитных аппаратов и способствует гашению дуги.
Таким образом, правильный выбор и применение трансформаторов напряжения с учётом типа сети — важнейшее условие для обеспечения её надёжности, безопасности и стабильности работы.
