Основные сведения. Информацию о контролируемом напряжении измерительные органы РЗ получают от измерительных трансформаторов напряжения (ТН, TV). Основными параметрами ТН (рис. 5.1) являются: номинальное первичное напряжение U 1ном 
(равное номинальному напряжению контролируемой электрической сети), вторичное номинальное напряжение U 2 ном, значение которого обычно принимается равным 100 или 100/ 
В.
Первичная обмотка 1 включена на напряжение сети U1, а ко вторичной обмотке (напряжение U2) присоединены параллельно катушки измерительных приборов и реле. Обе обмотки размещены на замкнутом магнитопроводе (сердечнике).
Номинальный коэффициент трансформации определяют соотношением номинальных напряжений первичной и вторичной обмоток, он приблизительно равен отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток, т.е.
K Uном = U 1 ном / U 2 ном ≈ w 1 / w 2.
По устройству, принципу действия и схемам включения измерительные ТН аналогичны силовым трансформаторам малой мощности (не более 1000 … 1200 ВА).
Начала и концы первичных и вторичных обмоток ТН Н (н) и К (к) обозначаются изготовителями так же, как и у силовых трансформаторов: у первичной обмотки буквами А и Х, у вторичной соответственно а и х. Для питания устройств РЗ используются в большинстве случаев ТН, установленные на сборных шинах подстанций, к вторичным обмоткам которых подключаются РЗ всех присоединений (рис. 5.2, а), или на каждом присоединении, питающие РЗ только этого присоединения (рис. 5.2, б).
Погрешности трансформатора напряжения. Трансформатор напряжения работает с погрешностью, искажающей вторичное напряжение как по величине, так и по фазе. В «идеальном» ТН, работающем без погрешностей, вторичное напряжение
U 2 = U 1 / K U, (5.1)
где U 1 – напряжение, подведенное к зажимам первичной обмотки; K U – коэффициент трансформации «идеального» ТН, равный отношению количества витков первичной и вторичной обмоток.
Однако за счет падения напряжения ΔU (рис. 5.3 а, б) в первичной и вторичной обмотках действительное значение вторичного напряжения будет равно:
, (5.2)
что вытекает из эквивалентной схемы замещения ТН и векторной диаграммы (рис. 5.3).
Из этой же схемы следует
.
Падение напряжения в обмотках ТН 
обусловливает появление погрешности, искажающей значение и фазу 
(рис. 5.3, б) по сравнению с расчетным напряжением U 2 = U 1 / K U = 
по выражению (5.1).
Поскольку значения 
и 
, а также ток намагничивания I нам определены конструкцией ТН, в условиях эксплуатации уменьшить его погрешность можно только уменьшением тока нагрузки I 2. Допустимые погрешности нормируются при номинальном напряжении, соответственно чему ТН подразделяются на классы: 0.2; 0.5; 1 и 3. Один и тот же ТН может работать в разных классах точности в зависимости от значения нагрузки. Заводы обычно указывают номинальную мощность, подразумевая под ней максимальную нагрузку, которую может питать ТН в гарантированном классе точности. Кроме того, для ТН указывается максимальная мощность по условиям нагрева, которая значительно превосходит его номинальную мощность. Погрешность по значению вторичного напряжения принято оценивать в процентах:
.
Погрешность по фазе оценивается углом сдвига δ между векторами первичного и вторичного напряжений (рис. 5.3, б).
Схемы соединения трансформаторов напряжения.
Схема соединения ТН в звезду, приведенная на рис. 5.4, а, предназначена для получения напряжений фаз относительно земли и междуфазных (линейных) напряжений. Три первичные обмотки TV1 соединяются в звезду. Начала каждой обмотки (А, В, С) присоединяются к соответствующим фазам ЛЭП, а концы X, Y, Z объединяются в общую точку (нейтраль N1) и заземляются. При таком включении к каждой первичной обмотке TV1 подводится напряжение фазы ЛЭП относительно земли. Концы вторичных обмоток TV1 (x, y, z на рис. 5.4, а) также соединяются в звезду, нейтраль которой N2 связывается с нулевой точкой нагрузки N3 (сопротивления 1, 2, 3).
В приведенной схеме нейтраль первичной обмотки (точка N1) жестко связана с землей и имеет потенциал, равный нулю. Такой же потенциал будет иметь нейтраль N2 и связанная с ней нейтраль нагрузки N3. При такой схеме фазные напряжения на вторичной стороне соответствуют фазным напряжениям относительно земли первичной стороны. Заземление нейтрали первичной обмотки ТН и наличие нулевого провода во вторичной цепи являются обязательным условием для получения фазных напряжений относительно земли.
Соединение обмоток ТН по схеме Υ/ Υ обычно выполняется по 12-й группе. Эта схема может быть выполнена посредством трех однофазных ТН или одного трехфазного пятистержневого ТН. Трехфазные трехстержневые ТН для данной схемы применяться не могут, так как в их магнитопроводе отсутствуют пути для замыкания магнитных потоков нулевой последовательности (НП) Ф 0, создаваемых током I0 в первичных обмотках при замыканиях на землю в сети. В этом случае поток Ф 0 замыкается через воздух по пути с большим магнитным сопротивлением. Это приводит к уменьшению сопротивления нулевой последовательности трансформатора и резкому увеличению I нам. Повышенный ток I нам вызывает недопустимый нагрев трансформатора, в связи с чем применение трехстержневых недопустимо. В пятистержневых трансформаторах для замыкания потоков служат четвертый и пятый стержни магнитопровода (рис. 5.5).
Схема соединения обмоток ТН в открытый треугольник изображена на рис. 5.6. Она выполняется при помощи двух однофазных ТН, включенных на два междуфазных напряжения, например, U AB и U BC. Напряжение на зажимах вторичных обмоток ТН всегда пропорционально междуфазным напряжениям, подведенным с первичной стороны. Между проводами вторичной цепи включаются реле. Схема позволяет получать все три междуфазных напряжения U AB, U BC и U СА.
Схема соединений обмоток однофазных ТН в фильтр напряжения нулевой последовательности выполняется посредством трех однофазных ТН, как показано на рис. 5.7.
Первичные обмотки соединены в звезду с заземленной нейтралью, а вторичные - последовательно, образуя незамкнутый треугольник. К зажимам разомкнутых вершин треугольника подсоединяются реле. Напряжение U р на зажимах разомкнутого треугольника равно геометрической сумме напряжений вторичных обмоток:
.
Так как сумма трех фазных напряжений равна утроенному напряжению НП, выражая вторичные напряжения через первичные, получаем
.
В нормальных условиях напряжения фаз симметричны, U р = 0. При КЗ без земли также U р = 3 U 0 = 0. При КЗ на землю (одно- и двухфазных) на зажимах разомкнутого треугольника ТН появляется напряжение U р = 3 U 0 / K U.
Напряжения прямой и обратной последовательностей образуют симметричные звезды и поэтому при суммировании в цепи разомкнутого треугольника всегда дают нуль на его зажимах.
Рассмотренная схема является фильтром нулевой последовательности. необходимым условием работы схемы в качестве фильтра НП является заземление нейтрали первичной обмотки ТН. Применяя однофазные ТН с двумя вторичными обмотками, можно соединить одну из них по схеме звезды, а вторую – по схеме разомкнутого треугольника (рис. 5.8). 
Номинальное вторичное напряжение у обмотки, предназначенной для соединения в разомкнутый треугольник, принимается равным для сетей с заземленной нейтралью 100 В, а для сетей с изолированной нейтралью 100 / В.
Схема соединения обмоток трехфазных ТН в фильтр напряжения нулевой последовательности. Для получения 3 U 0 от трехфазного пятистержневого ТН (рис. 5.5) на каждом из его основных стержней 1, 2 и 3 выполняется дополнительная (третья) обмотка, соединяемая по схеме разомкнутого треугольника. Напряжение на выводах этой обмотки появляется только при КЗ на землю, когда возникают магнитные потоки НП, замыкающиеся по четвертому и пятому стержням магнитопровода. Схемы с пятистержневым ТН позволяют получать одновременно с напряжением НП фазные и междуфазные напряжения.
