Вoпрocам энергocбережения уделяетcя вcе бoльше внимание, и в этoй cвязи актуальнo oбcуждение прoблем рабoты транcфoрматoрoв напряжения (ТН), кoтoрые иcпoльзуютcя в cетях 6-10 кВ для oбеcпечения безoпаcнocти измерений при питании cредcтв учета электрoэнергии.
В нoвой конcтрукции антирезонанcного транcформатора напряжения на 6-10 кВ, предложенной к.т.н., доцентом ГУАП Сергеем Ивановичем Бардинcким и техничеcким директором ООО «ТРАНСЭНЕРГО» (Санкт-Петербург) Вячеславом Ивановичем Соколовым, разделены функции питания цепей учета электроэнергии и контроля изоляции.
На эти трансформаторы возлагаются как метрологические функции, т.е. требуется высокая точность преобразования величины напряжения (0,2–0,5%), так и одновременно (по традиции), возлагается функция контроля изоляции сети.
В свое время такое совмещение функций позволило уменьшить массогабаритные показатели ТН и, соответственно, расходы на их изготовление и установку. Однако длительная эксплуатация выявила ряд недостатков, которые присущи в той или иной мере всем типам ТН, выпускаемых отечественной промышленностью.
Например, для обеспечения контроля изоляции в сетях с изолированной нейтралью относительно земли возникает необходимость заземления нейтрали ТН. При нарушении изоляции фазы сети происходит полное или частичное замыкание фазы на землю, и на соответствующих выводах ТН появляется напряжение контрольного сигнала. Оно создается напряжениями нулевой последовательности, возникающими в фазах ТН.
Напряжения вызывают ток нулевой последовательности, который замыкается по заземляющему проводу ТН через емкости линейных проводов относительно земли и далее по обмоткам трансформатора. В этом контуре при определенном соотношении параметров нелинейной индуктивности ТН и емкости линейных проводов возникает феррорезонанс, приводящий к многократному увеличению тока контура и фазных напряжений сети. Это способствует выходу из строя трансформатора напряжения, повреждению изоляции сети и возникновению аварий. Феррорезонансные явления наблюдаются также при обрывах и замыкании проводов, несимметрии проводимостей на землю, при прерывистых дуговых замыканиях, при подключении генераторов к холостым шинам.
При появлении сигнала о замыкании фазы сети на землю начинаются поиски места замыкания и работы по ликвидации аварии, на которые отводится до 8 часов. В течение всего времени устранения аварии из-за нагрузки дополнительных вторичных обмоток, которые сигнализируют об аварии, снижается точность преобразования напряжения и, следовательно, качество учета энергии. Кроме того, выполнение ТН метрологических функций ухудшается при вынужденных переключениях обмоток для устранения феррорезонанса.
Во всех типах трансформаторов выбранные методы борьбы с феррорезонансом предназначены не для предотвращения, а для устранения явления после его возникновения. Так устроен, например, трансформатор НАМИТ-10-2. Антирезонансные свойства достигаются в нем благодаря использованию релейной схемы, подключенной к вторичным цепям трансформаторов. Эти реле шунтируют и дешунтируют по особой программе вторичную обмотку дополнительного трансформатора нулевой последовательности при возникновении несимметричных режимов и резонансных явлений. К тому же при наличии релейной схемы требуется дополнительный источник питания реле, сами реле требуют ухода.
Наиболее действенный способ предотвращения феррорезонанса – увеличение потерь в резонансном контуре. Такие попытки предпринимались путем включения в нейтраль первичной обмотки ТН резистора сопротивлением 800-1000 Ом. Этот способ нарушал точность работы узла контроля изоляции, а также оказался недостаточно эффективным.
Включение резистора сопротивлением 25 Ом на выводы обмоток контроля изоляции срабатывает только после замыкания фазы на землю, и не предотвращает возникновения феррорезонанса.
Феррорезонанс можно предотвратить, создав большие потери во вторичных обмотках, но в этом случае возникают трудности с обеспечением нужной точности преобразования напряжения из-за резкого возрастания токов и потерь напряжения в обмотках.
Проблемы можно решить, отказавшись от традиционного совмещения в одном ТН метрологических и контрольных функций, и используя вместо этого не один, а два трансформатора. Один из них – трехфазный стержневой трансформатор с первичной обмоткой высокого напряжения (ВН), соединенной в звезду с изолированной нейтралью. Вследствие этого в нем феррорезонанс невозможен. Схема соединения вторичной обмотки НН аналогична соединению обмотки ВН, но становится возможным вывести нейтраль. Этот трансформатор предназначен только для измерения напряжения и может обеспечить заданную точность во всех режимах.
Габариты и масса измерительного трансформатора (ТИН) значительно меньше, чем у выпускаемых ТН. Это объясняется тем, что не происходит увеличения приложенного напряжения √3 раз при замыкании фазы сети на землю, т.к. нейтраль изолирована, а также появилась возможность использования стержневой конструкции сердечника, которая имеет меньшие габариты, чем броневая.
Для осуществления контрольных функций используется групповой трансформатор контроля изоляции (ТКИ). Он состоит из трех броневых
сердечников, на которых расположены катушки с обмотками ВН и НН. Трехфазные обмотки ВН соединены в звезду с заземленной нейтралью. Обмотки НН традиционно соединены в открытый треугольник, на выводах которого при нарушении изоляции сети появляется сигнальное напряжение.
Для обеспечения антирезонансных свойств каждая фаза обмоток НН шунтируется резистором, снижающим добротность контура до необходимой величины. Величина сопротивления рассчитана таким образом, чтобы при любых емкостях сети и изменениях напряжения сети от номинального до четырех номинальных гарантировалось полное подавление феррорезонанса.
Габаритная мощность трансформаторов ТКИ мала, составляет не более 25% от мощности трансформатора ТИН. В результате общая масса активных материалов ТИН и ТКИ не превышает эту массу в выпускаемых ТН.
Другое достоинство предлагаемого ТН – возможность экономично обеспечить питание большого количества измерительной аппаратуры, которая потребляет мощность, превышающую возможности одного ТН. Для этого достаточно использовать для контроля изоляции только один ТКИ, а для измерения напряжения подключить столько ТИН, сколько нужно для питания всей аппаратуры. Заметим, что при одновременном использовании нескольких традиционных антирезонансных ТН в каждом из них напрасно дублируется функция контроля изоляции сети. Особенно большой выигрыш получается в случае применения ТИН высокого класса точности, у которого принципиально допустимая мощность нагрузки меньше, чем у ТИН низкого класса точности.
Разделение функций ТН между ТИН и ТКИ позволяет по-новому использовать полученную от ТН информацию в устройствах учета электроэнергии, контроля изоляции, релейной защиты АВР, АЧР, ЗМН, а также ЦРЗА.
Новый трансформатор напряжения рассчитан на установку в сетях трехфазного переменного тока частотой 50 Гц с изолированной нейтралью и предназначен для передачи сигнала измерительной информации приборам измерения, защиты, автоматики, сигнализации и управления.
В нoвой конcтрукции антирезонанcного транcформатора напряжения на 6-10 кВ, предложенной к.т.н., доцентом ГУАП Сергеем Ивановичем Бардинcким и техничеcким директором ООО «ТРАНСЭНЕРГО» (Санкт-Петербург) Вячеславом Ивановичем Соколовым, разделены функции питания цепей учета электроэнергии и контроля изоляции.
На эти трансформаторы возлагаются как метрологические функции, т.е. требуется высокая точность преобразования величины напряжения (0,2–0,5%), так и одновременно (по традиции), возлагается функция контроля изоляции сети.
В свое время такое совмещение функций позволило уменьшить массогабаритные показатели ТН и, соответственно, расходы на их изготовление и установку. Однако длительная эксплуатация выявила ряд недостатков, которые присущи в той или иной мере всем типам ТН, выпускаемых отечественной промышленностью.
Например, для обеспечения контроля изоляции в сетях с изолированной нейтралью относительно земли возникает необходимость заземления нейтрали ТН. При нарушении изоляции фазы сети происходит полное или частичное замыкание фазы на землю, и на соответствующих выводах ТН появляется напряжение контрольного сигнала. Оно создается напряжениями нулевой последовательности, возникающими в фазах ТН.
Напряжения вызывают ток нулевой последовательности, который замыкается по заземляющему проводу ТН через емкости линейных проводов относительно земли и далее по обмоткам трансформатора. В этом контуре при определенном соотношении параметров нелинейной индуктивности ТН и емкости линейных проводов возникает феррорезонанс, приводящий к многократному увеличению тока контура и фазных напряжений сети. Это способствует выходу из строя трансформатора напряжения, повреждению изоляции сети и возникновению аварий. Феррорезонансные явления наблюдаются также при обрывах и замыкании проводов, несимметрии проводимостей на землю, при прерывистых дуговых замыканиях, при подключении генераторов к холостым шинам.
При появлении сигнала о замыкании фазы сети на землю начинаются поиски места замыкания и работы по ликвидации аварии, на которые отводится до 8 часов. В течение всего времени устранения аварии из-за нагрузки дополнительных вторичных обмоток, которые сигнализируют об аварии, снижается точность преобразования напряжения и, следовательно, качество учета энергии. Кроме того, выполнение ТН метрологических функций ухудшается при вынужденных переключениях обмоток для устранения феррорезонанса.
Во всех типах трансформаторов выбранные методы борьбы с феррорезонансом предназначены не для предотвращения, а для устранения явления после его возникновения. Так устроен, например, трансформатор НАМИТ-10-2. Антирезонансные свойства достигаются в нем благодаря использованию релейной схемы, подключенной к вторичным цепям трансформаторов. Эти реле шунтируют и дешунтируют по особой программе вторичную обмотку дополнительного трансформатора нулевой последовательности при возникновении несимметричных режимов и резонансных явлений. К тому же при наличии релейной схемы требуется дополнительный источник питания реле, сами реле требуют ухода.
Наиболее действенный способ предотвращения феррорезонанса – увеличение потерь в резонансном контуре. Такие попытки предпринимались путем включения в нейтраль первичной обмотки ТН резистора сопротивлением 800-1000 Ом. Этот способ нарушал точность работы узла контроля изоляции, а также оказался недостаточно эффективным.
Включение резистора сопротивлением 25 Ом на выводы обмоток контроля изоляции срабатывает только после замыкания фазы на землю, и не предотвращает возникновения феррорезонанса.
Феррорезонанс можно предотвратить, создав большие потери во вторичных обмотках, но в этом случае возникают трудности с обеспечением нужной точности преобразования напряжения из-за резкого возрастания токов и потерь напряжения в обмотках.
Проблемы можно решить, отказавшись от традиционного совмещения в одном ТН метрологических и контрольных функций, и используя вместо этого не один, а два трансформатора. Один из них – трехфазный стержневой трансформатор с первичной обмоткой высокого напряжения (ВН), соединенной в звезду с изолированной нейтралью. Вследствие этого в нем феррорезонанс невозможен. Схема соединения вторичной обмотки НН аналогична соединению обмотки ВН, но становится возможным вывести нейтраль. Этот трансформатор предназначен только для измерения напряжения и может обеспечить заданную точность во всех режимах.
Габариты и масса измерительного трансформатора (ТИН) значительно меньше, чем у выпускаемых ТН. Это объясняется тем, что не происходит увеличения приложенного напряжения √3 раз при замыкании фазы сети на землю, т.к. нейтраль изолирована, а также появилась возможность использования стержневой конструкции сердечника, которая имеет меньшие габариты, чем броневая.
Для осуществления контрольных функций используется групповой трансформатор контроля изоляции (ТКИ). Он состоит из трех броневых
сердечников, на которых расположены катушки с обмотками ВН и НН. Трехфазные обмотки ВН соединены в звезду с заземленной нейтралью. Обмотки НН традиционно соединены в открытый треугольник, на выводах которого при нарушении изоляции сети появляется сигнальное напряжение.
Для обеспечения антирезонансных свойств каждая фаза обмоток НН шунтируется резистором, снижающим добротность контура до необходимой величины. Величина сопротивления рассчитана таким образом, чтобы при любых емкостях сети и изменениях напряжения сети от номинального до четырех номинальных гарантировалось полное подавление феррорезонанса.
Габаритная мощность трансформаторов ТКИ мала, составляет не более 25% от мощности трансформатора ТИН. В результате общая масса активных материалов ТИН и ТКИ не превышает эту массу в выпускаемых ТН.
Другое достоинство предлагаемого ТН – возможность экономично обеспечить питание большого количества измерительной аппаратуры, которая потребляет мощность, превышающую возможности одного ТН. Для этого достаточно использовать для контроля изоляции только один ТКИ, а для измерения напряжения подключить столько ТИН, сколько нужно для питания всей аппаратуры. Заметим, что при одновременном использовании нескольких традиционных антирезонансных ТН в каждом из них напрасно дублируется функция контроля изоляции сети. Особенно большой выигрыш получается в случае применения ТИН высокого класса точности, у которого принципиально допустимая мощность нагрузки меньше, чем у ТИН низкого класса точности.
Разделение функций ТН между ТИН и ТКИ позволяет по-новому использовать полученную от ТН информацию в устройствах учета электроэнергии, контроля изоляции, релейной защиты АВР, АЧР, ЗМН, а также ЦРЗА.
Новый трансформатор напряжения рассчитан на установку в сетях трехфазного переменного тока частотой 50 Гц с изолированной нейтралью и предназначен для передачи сигнала измерительной информации приборам измерения, защиты, автоматики, сигнализации и управления.
Он изготавливается в двух вариантах: с антирезонансной защитой и без нее.
Имеется патент на изобретение и сертификат соответствия.
Соответствует ГОСТ 1983-2001.
Имеется патент на изобретение и сертификат соответствия.
Соответствует ГОСТ 1983-2001.
Ирина Шульга
