Трансформатор напряжения (ТН) — это измерительный трансформатор, в котором при нормальных условиях применения вторичное напряжение практически пропорционально первичному напряжению и при правильном включении сдвинуто относительно него по фазе на угол, близкий к нулю (СТ МЭК 50(321)—86).

ТН является трансформатором, питающимся от источника напряжения, и служит для преобразования высокого напряжения в низкое стандартных значений: 100; 100/√3; 100/3 с целью питания измерительных приборов и различных реле управления, защиты и автоматики.

ТН (так же как и ТТ) отделяют (изолируют) измерительные приборы и реле от высокого напряжения, обеспечивая их работоспособность и безопасность обслуживания.

Применение ТН позволяет изолировать логические схемы защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.

По принципу устройства и схеме включения ТН практически не отличаются от силовых трансформаторов. Отличие состоит в малых мощностях, не превышающих десятков или сотен ВА. При малой мощности режим работы ТН близок к режиму ХХ трансформаторов. Размыкание их вторичных обмоток не приводит к опасным последствиям.

На напряжение до 35 кВ ТН включаются через предохранители, чтобы при повреждении ТН был отключен — во избежание развития аварии в сети. На напряжении 110 кВ и выше из-за крайне редких повреждений ТН предохранители можно не устанавливать.

Коммутация (включение и отключение) ТН производятся разъединителями.

Для защиты ТН от токов КЗ в его вторичных цепях устанавливают съемные трубчатые предохранители или автоматические выключатели максимального тока: трехполюсные (типа АП50-3М) и двухполюсные (типа АП50-2М) с электромагнитным расцепителем на номинальные токи от 2,5 до 50 А. Предохранители устанавливают в том случае, если ТН не питает быстродействующие защиты, поскольку эти защиты могут ложно действовать при недостаточно быстром перегорании плавкой вставки. Установка же автоматических выключателей обеспечивает эффективное срабатывание специальных блокировок, выводящих из действия отдельные виды защит при обрыве цепей напряжения.

Для безопасного обслуживания вторичных цепей при пробое изоляции и попадании высокого напряжения на вторичную обмотку один из ее зажимов или нулевая точка присоединяется к заземлению. При соединении вторичных обмоток в звезду заземляется не нулевая точка, а начало обмотки фазы В, что вызвано стремлением сократить на 1/3 число переключающих контактов во вторичных цепях, поскольку заземленная фаза может подаваться на реле помимо рубильников и вспомогательных контактов разъединителей.

При использовании ТН для питания оперативных цепей переменного тока допускается заземление нулевой точки вторичных обмоток через пробивной предохранитель, что необходимо для повышения уровня изоляции оперативных цепей.

При производстве работ непосредственно на ТН и его ошиновке действующими правилами безопасности предписывается создание видимого разрыва как со стороны ВН, так и со стороны вторичных цепей, чтобы избежать появления напряжения на первичной обмотке за счет обратной трансформации напряжения от вторичных цепей, питающихся от другого ТН. С этой целью во вторичных цепях ТН устанавливаются рубильники или применяются предохранители. Отключение автоматических выключателей, а также разрыв вторичных цепей вспомогательными контактами разъединителей не создают видимого разрыва цепи и поэтому считаются недостаточными.

На ПС применяются как однофазные, так и трехфазные двух-и трехобмоточные ТН. В основном это ТН с бумажно-масляной изоляцией, магнитопроводы и обмотки которых погружены в масло. Масляное заполнение бака или фарфорового корпуса предохраняет от увлажнения и изолирует обмотки от заземленных конструкций. Кроме того, такое заполнение является охлаждающей средой.

В ЗРУ до 35 кВ используются ТН с литой эпоксидной изоляцией, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с маслонаполненными при установке в КРУ.

На ПС 110–500 кВ применяются каскадные ТН серии НКФ. В каскадном ТН обмотка ВН делится на части, размещаемые на разных стержнях одного или нескольких магнитопроводов, что облегчает ее изоляцию.

У ТН (типа НКФ-110) обмотка ВН разделена на две части (ступени), каждая из которых размещается на противоположных стержнях двухстержневого магнитопровода. Магнитопровод соединен с серединой обмотки ВН и находится по отношению к земле под потенциалом U_ф /2, благодаря чему обмотка ВН изолируется от магнитопровода только на U_ф /2, что существенно уменьшает размеры и массу трансформатора.

С другой стороны, ступенчатое исполнение усложняет конструкцию трансформатора, так как появляется необходимость в дополнительных обмотках.

Каскадные ТН на 220 кВ и выше имеют два и более магнитопровода. Число магнитопроводов обычно в 2 раза меньше числа ступеней каскада. Для передачи мощности с обмоток одного магнитопровода на обмотки другого служат связующие обмотки.

Наряду с обычными электромагнитными ТН для питания измерительных приборов и релейной защиты применяют емкостные делители напряжения, которые получили распространение на ЛЭП напряжением 500 кВ и выше.

На рис. 5.1 показана принципиальная схема включения емкостного делителя напряжения типа НДЕ-500.

На схеме видно, что напряжение между конденсаторами распределяется обратно пропорционально емкостям:

U₁/U₂ = С₂ /C₁, (5.1)

где С₁ и С₂ — емкости конденсаторов;

U₁ и U₂ — напряжения на них.

Подбором емкостей обеспечивается получение на нижнем конденсаторе С₂ требуемой доли общего напряжения U_ф. Если к конденсатору С₂ подключить понижающий трансформатор Т (рассчитан на напряжение до 15 кВ), то он будет выполнять те же функции, что и обычный ТН.

Емкостной делитель напряжения на рис. 5.1 состоит из трех конденсаторов связи типа СМР-166/√3–0,014 и одного конденсатора отбора мощности типа 0МР-15-0,017.

Первичная обмотка трансформатора Т имеет восемь ответвлений для регулирования напряжения. Заградитель L препятствует ответвлению токов высокой частоты в трансформатор Т во время работы высокочастотной связи, аппаратура которой подключена к конденсаторам через фильтр ФП. Реактор LR улучшает электрические свойства схемы при росте нагрузки. Балластный фильтр в виде резистора R служит для гашения феррорезонансных колебаний во вторичной цепи при внезапном отключении нагрузки.

Контроль исправности вторичных цепей основной обмотки ТН обычно производится при помощи трех реле минимального напряжения. При отключении автоматического выключателя или сгорании предохранителя эти реле подают сигнал о разрыве цепи.

Более совершенным является контроль с помощью комплектного реле, подключенного по схеме рис. 5.2 к шинам вторичного напряжения.

В этой схеме реле KV1 включено на три фазы фильтра напряжения обратной последовательности ZV, которое срабатывает при нарушении симметрии линейных напряжений, что имеет место, например, при обрыве одной или двух фаз. При размыкании его контактов срабатывает реле KV2, подающее сигнал о разрыве цепи напряжения. Это реле срабатывает также и при трехфазном симметричном КЗ, когда реле KV1 не работает. Таким образом обеспечивается подача сигнала при всех нарушениях цепей напряжения со стороны как НН, так и ВН. Для того чтобы исключить подачу ложного сигнала, устройство действует с выдержкой времени, превышающей время отключения КЗ в сети ВН.

Блокировка защит при повреждениях в цепях напряжения подает сигнал о возникшей неисправности и блокирует те защиты, которые могут при этом сработать, лишившись напряжения. Напряжение исчезает или искажается по фазе при перегорании предохранителей, срабатывании автоматических выключателей или обрыве фаз.

На линиях дальних электропередач 500 кВ и выше ТН устанавливаются на вводе линии. Питание цепей напряжения реле и приборов каждой линии производится от подключенного к ней ТН.

Обслуживание ТН и их вторичных цепей оперативным персоналом заключается в контроле за работой самих ТН и за исправностью цепей вторичного напряжения. В процессе надзора (осмотра) обращают внимание на общее состояние ТН, а именно:

наличие в них масла;

отсутствие течей и состояние резиновых прокладок;

отсутствие разрядов и треска внутри ТН;

отсутствие следов перекрытий на поверхности изоляторов и фарфоровых покрышек;

степень загрязненности изоляторов;

отсутствие трещин и сколов изоляции;

состояние армировочных швов.

ТН напряжением 6-35 кВ с малым объемом масла не имеют маслоуказателей и расширителей. Масло в них не доливают до крышки на 20–30 см. Оставшееся пространство выполняет роль расширителя. При обнаружении следов вытекания масла из таких расширителей необходимы срочный вывод ТН из работы, проверка уровня масла и устранение течи.

При осмотрах проверяется отсутствие щелей в уплотнениях дверей шкафов вторичных соединений, через которые могут проникнуть снег, пыль и влага; осматриваются рубильники, предохранители и автоматические выключатели, а также ряды зажимов.

В соответствии с действующими ПУЭ, номинальный ток плавкой вставки предохранителей должен быть в 3 раза меньше тока КЗ в наиболее отдаленной от ТН точке вторичных цепей.

На щитах управления и релейных защит необходимо контролировать наличие напряжения на ТН по вольтметрам и сигнальным устройствам.

При оперативных переключениях необходимо соблюдать последовательность операций не только с аппаратами высокого напряжения, но и с вторичными цепями напряжения устройств защиты и автоматики.

При исчезновении вторичного напряжения из-за перегорания предохранителей НН они подлежат замене, а отключившиеся автоматические выключатели следует включить, причем первыми должны восстанавливаться цепи основной обмотки, а потом — дополнительной.

К замене перегоревших предохранителей ВН приступают после выполнения операций с устройствами тех защит, которые могут сработать на отключение электрической цепи. Не рекомендуется установка новых предохранителей ВН без выявления и устранения причин их перегорания.