Трансформатор напряжения: устройство и применение¶

Трансформатор напряжения — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения одной величины в напряжение другой величины при неизменной частоте. В зависимости от назначения различают силовые трансформаторы, служащие для передачи и распределения электроэнергии, и измерительные трансформаторы напряжения, применяемые в системах релейной защиты, учёта и измерений. Работа устройства основана на явлении взаимной индукции между двумя или более обмотками, расположенными на общем магнитопроводе.

¶Принцип действия

В основе работы трансформатора лежит закон электромагнитной индукции. Переменный ток, протекающий по первичной обмотке, создаёт в магнитопроводе переменный магнитный поток. Этот поток пересекает витки вторичной обмотки и наводит в ней электродвижущую силу (ЭДС). Отношение напряжений на обмотках приблизительно равно отношению чисел их витков:

U₁ / U₂ ≈ N₁ / N₂ = k,

где k — коэффициент трансформации. Если k > 1, трансформатор понижающий, если k < 1 — повышающий. При холостом ходе вторичная обмотка разомкнута, и ток в ней близок к нулю; при подключении нагрузки во вторичной цепи возникает ток, который создаёт собственный магнитный поток, направленный встречно основному.

¶Устройство

Основными элементами трансформатора являются:

• Магнитопровод (сердечник) — изготавливается из листовой электротехнической стали или ферритовых материалов для снижения потерь на вихревые токи и перемагничивание.
• Обмотки — первичная (подключаемая к источнику) и вторичная (подключаемая к нагрузке), выполненные из медного или алюминиевого провода.
• Изоляция — обеспечивает электрическую прочность между обмотками и корпусом; применяются масляная, элегазовая, бумажно-масляная и сухая изоляция.
• Система охлаждения — естественная (воздушная), масляная с естественной или принудительной циркуляцией.
• Вводы и выводы — для подключения к сети и нагрузке.

¶Классификация

Трансформаторы классифицируют по нескольким признакам.

Измерительные трансформаторы напряжения дополнительно делятся на электромагнитные, ёмкостные и электронные (оптические).

¶Измерительные трансформаторы напряжения

Измерительный трансформатор напряжения предназначен для понижения высокого напряжения до значений, безопасных для измерительных приборов и реле (обычно 100 В или 100/√3 В). Он обеспечивает гальваническую развязку цепей высокого и низкого напряжения, что повышает электробезопасность персонала.

Основные характеристики:

• Номинальный коэффициент трансформации — отношение номинальных напряжений первичной и вторичной обмоток.
• Классы точности — 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0; определяют допустимую погрешность.
• Номинальная мощность — мощность нагрузки, при которой обеспечивается заданный класс точности.
• Погрешности — по напряжению и по углу.

По конструкции различают трёхфазные и однофазные измерительные трансформаторы, а также каскадные (для сверхвысоких напряжений) и ёмкостные делители напряжения.

¶Применение

Силовые трансформаторы — ключевой элемент электрических сетей: они повышают напряжение на электростанциях для передачи на большие расстояния и понижают его на подстанциях для распределения и потребления. Измерительные трансформаторы устанавливаются в распределительных устройствах, на подстанциях и в комплектных трансформаторных подстанциях. Они питают счётчики электроэнергии, амперметры, вольтметры, ваттметры и устройства релейной защиты и автоматики.

¶Потери и КПД

В трансформаторе существуют два вида потерь:

• Магнитные (потери в стали) — на гистерезис и вихревые токи, не зависят от нагрузки.
• Электрические (потери в меди) — на нагрев обмоток, пропорциональны квадрату тока нагрузки.

Коэффициент полезного действия современных силовых трансформаторов достигает 98–99 %. Максимальный КПД достигается при нагрузке, близкой к номинальной.

¶История и развитие

Явление взаимной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. Первый практически пригодный трансформатор с разомкнутым сердечником создал Павел Яблочков в 1876 году, а в 1885 году венгерские инженеры Отто Блати, Микша Дери и Карой Циперновский разработали конструкцию с замкнутым магнитопроводом. В России значительный вклад в теорию и практику трансформаторостроения внесли работы М. О. Доливо-Добровольского, предложившего трёхфазную систему передачи электроэнергии. В XX веке развитие трансформаторостроения шло по пути увеличения единичной мощности, повышения классов напряжения и совершенствования систем охлаждения и регулирования.

¶Техническое обслуживание и испытания

Для поддержания работоспособности трансформаторов проводят периодические испытания: измерение сопротивления изоляции, испытание повышенным напряжением, анализ трансформаторного масла на пробой и содержание газов (хроматографический анализ), тепловизионный контроль. Регулярное обслуживание позволяет своевременно выявлять дефекты и предотвращать аварии.

¶Современные тенденции

Развитие направлено на создание трансформаторов с пониженными потерями холостого хода за счёт применения аморфных магнитопроводов, использование электронных и оптических измерительных трансформаторов для цифровых подстанций, а также внедрение систем мониторинга состояния в режиме реального времени. Растёт интерес к сверхпроводящим трансформаторам, способным существенно снизить потери при передаче больших мощностей.

Источники: учебники по электротехнике и электротехническим материалам, справочники по трансформаторам, нормативные документы по испытаниям электрооборудования.