Два основных типа измерительных трансформаторов в энергетической системе.

I. Напряжениый трансформатор (VT)

Напряжениый трансформатор (потенциальный трансформатор, сокращенно PT; напряжениый трансформатор, сокращенно VT) — это электрическое устройство, используемое для преобразования уровней напряжения в силовых цепях.

1. Принцип работы

Напряжениый трансформатор работает на принципе электромагнитной индукции и имеет структуру, сходную со структурой обычного трансформатора, состоящую главным образом из первичной обмотки, вторичной обмотки и сердечника. Первичная обмотка подключается параллельно к высоковольтной цепи, которую измеряют, и имеет большое количество витков.

Вторичная обмотка, имеющая меньшее количество витков, подключается к измерительным приборам, защитным реле и другим нагрузкам. В нормальных условиях работы вторичная сторона находится примерно в состоянии разомкнутого контура. Согласно закону электромагнитной индукции, отношение первичного к вторичному напряжению равно отношению числа витков (U₁/U₂ = N₁/N₂). Это позволяет пропорционально снижать высокое напряжение до стандартизированного низкого напряжения (обычно 100 В или 100/√3 В), что делает его безопасным и подходящим для измерительных и защитных устройств.

Его электрический символ выглядит следующим образом:

2. Функции

• Измерение напряжения: Понижает высокие системные напряжения до стандартизированных низких напряжений (например, 100 В или 100/√3 В) для использования вольтметрами, счетчиками электроэнергии и другими измерительными приборами, обеспечивая реальное время мониторинга напряжения в энергосистеме.
• Релейная защита: Предоставляет надежные сигналы напряжения защитным реле для функций защиты от перенапряжения, недонапряжения и других. При возникновении аномальных условий напряжения система защиты быстро реагирует, запуская команду на отключение, чтобы изолировать неисправный участок и обеспечить безопасность системы и оборудования.
• Учет энергии и расчеты: Работает в сочетании с счетчиками электроэнергии для точного измерения потребления энергии в высоковольтных цепях. Он служит важным основанием для расчетов поставщиков электроэнергии и учета энергии.

3. Характеристики

• Высокая точность: Измерительные напряжениые трансформаторы имеют высокие классы точности (например, 0,2, 0,5) для обеспечения точного измерения напряжения и учета энергии. Защитные VT имеют приоритет быстрого отклика и относительно более низкие классы точности (например, 3P, 6P).
• Высокие требования к изоляции: Высоковольтные VT должны выдерживать высокие рабочие напряжения и обычно используют масляную, газовую SF₆ или твердую смолу для стабильной и надежной работы. Низковольтные VT в основном сухого типа, имеют простую конструкцию и легки в обслуживании.
• Вторичная сторона не должна быть замкнута: Короткое замыкание на вторичной стороне может создать крайне высокие токи, потенциально перегревая и разрушая обмотки. Поэтому вторичная цепь должна быть защищена предохранителями или миниатюрными автоматическими выключателями.

4. Области применения

• Высоковольтные применения: Подходит для линий передачи и подстанций с напряжением 1 кВ и выше (например, системы 10 кВ, 35 кВ, 110 кВ). Используется для мониторинга напряжения шин или линий и предоставления входных данных системам защиты, обеспечивая безопасную и стабильную работу сети.
• Низковольтные применения: Применяется в распределительных системах ниже 1 кВ (например, 220-вольтовые домашние цепи, 380-вольтовые промышленные системы). Обычно устанавливается в низковольтных щитах для мониторинга напряжения со стороны потребителя или подключения к счетчикам электроэнергии для измерения мощности.

II. Токовый трансформатор (CT)

Токовый трансформатор (CT), также известный как токовый датчик, — это измерительный трансформатор, который в нормальных условиях работы производит вторичный ток, существенно пропорциональный первичному току, с фазовым сдвигом, стремящимся к нулю при правильном подключении.

1. Принцип работы

Токовый трансформатор работает на принципе электромагнитной индукции и имеет структуру, сходную со структурой обычного трансформатора, состоящую из первичной обмотки, вторичной обмотки и магнитного сердечника. Первичная обмотка подключается последовательно к измеряемой цепи и имеет очень мало витков (иногда только один виток), проводя высокий первичный ток.

Вторичная обмотка, имеющая гораздо больше витков, подключается последовательно к измерительным приборам, защитным реле и другим нагрузкам, образуя замкнутый контур. В нормальных условиях работы вторичная сторона находится примерно в состоянии короткого замыкания. Согласно электромагнитной индукции, отношение первичного к вторичному току обратно пропорционально отношению числа витков (I₁/I₂ = N₂/N₁). Это позволяет пропорционально снижать большие токи до стандартизированных низких уровней тока (обычно 5 А или 1 А), облегчая измерение, мониторинг и защиту.

Его электрический символ выглядит следующим образом:

Отношение номинального первичного к номинальному вторичному току токового трансформатора называется коэффициентом трансформации тока (Ke). Выражение для коэффициента трансформации тока:

Примечание:

• W₁, W₂ — количество витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора соответственно;
• I₁ₑ, I₂ₑ — номинальные токи первичной и вторичной обмоток соответственно;
• I₁, I₂ — фактические токи в первичной и вторичной обмотках соответственно.

2. Функции

• Измерение тока: Понижает высокие первичные токи до стандартизированных низких вторичных токов (например, 5 А или 1 А), позволяя амперметрам, счетчикам электроэнергии и другим приборам в реальном времени мониторить ток нагрузки.
• Релейная защита: Предоставляет сигналы тока защитным реле для защиты от перегрузки, дифференциальной и дистанционной защиты. При возникновении таких неисправностей, как короткое замыкание или перегрузка, система защиты запускает сигнал на отключение питания, предотвращая повреждение оборудования и нестабильность системы.
• Электрическая изоляция: Обеспечивает гальваническую изоляцию между высоковольтной/высокоточной первичной цепью и низковольтными вторичными цепями, используемыми для измерения, управления и защиты. Это обеспечивает безопасность персонала и вторичного оборудования.

3. Характеристики

• Высокая надежность: Должен выдерживать высокие механические и тепловые нагрузки при коротких замыканиях. Токовые трансформаторы проектируются с отличной динамической и термической стабильностью, чтобы оставаться целыми в экстремальных условиях неисправности.
• Многовитковая конструкция: Высоковольтные CT часто имеют несколько вторичных обмоток — одна для измерения (высокая точность, например, класс 0,5) и другая для защиты (широкий диапазон и быстрый отклик, например, класс 5P или 10P). Низковольтные CT обычно имеют одну или две обмотки, чтобы удовлетворять базовые потребности в применении.
• Вторичная сторона не должна быть разомкнута: Разрыв на вторичной стороне может вызвать чрезвычайно высокое напряжение (до нескольких кВ) на обмотке, представляя серьезную опасность пробоя изоляции, повреждения оборудования и поражения электрическим током. Поэтому вторичная цепь должна оставаться замкнутой во время работы — ее открытие строго запрещено.

4. Области применения

• Высоковольтные применения: Используются на линиях передачи и подстанциях с напряжением 1 кВ и выше (например, системы 10 кВ, 35 кВ, 110 кВ). Широко применяются для мониторинга и защиты критического оборудования, такого как трансформаторы, выключатели и шины, играя жизненно важную роль в обеспечении надежности и безопасности сети.
• Низковольтные применения: Применяются в распределительных системах ниже 1 кВ (например, в промышленных цехах, коммерческих зданиях, жилых комплексах). Обычно устанавливаются в низковольтных щитах или панелях распределения для мониторинга ветвевых цепей, учета энергии или интеграции с устройствами защиты от утечки тока (RCD) и умными счетчиками для обеспечения безопасного и эффективного управления использованием энергии.