 |
|
Один из авторов статьи – Анатолий Георгиевич Овчинников,
заместитель генерального директора ассоциации «Мособлэлектро», периодически публикуется в нашем журнале и не нуждается в особом представлении. Его соавтор Юрий Александрович Степанов впервые появляется на страницах «Новостей Электротехники», однако его имя наверняка хорошо известно энергетикам и электротехникам. Монографии, брошюры, статьи в профессиональной периодике, многочисленные авторские изобретения и патенты, отличающиеся неординарным подходом к решению технических проблем, – таков багаж нашего нового автора, сотрудничество с которым обещает быть чрезвычайно интересным.
ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ 6–10 кВ
Сравнительный анализ моделей
Трансформаторы напряжения (ТН) в электрических сетях 6–10 кВ обеспечивают безопасность измерений, питание средств учета электроэнергии, контроль изоляции оборудования, питание оперативных цепей, цепей сигнализации, автоматики и релейной защиты. Большинство расчетных счетчиков смонтировано на присоединениях 6–10 кВ. Поэтому для обеспечения надежности и точности работы к ТН 6–10 кВ предъявляются повышенные требования. В первую очередь это относится к ТН контроля изоляции (ТНКИ), которые, кроме всех перечисленных функций, должны обеспечивать защиту от повреждений при феррорезонансных процессах. Выполнение всех этих требований ведет к увеличению габаритов ТНКИ и к сложностям компоновки в малогабаритных ячейках КРУ.
Надежда на повышение точности учета энергии за счет применения электронных счетчиков и автоматизированных измерительных систем не оправдалась из-за высоких систематических погрешностей. Во многом это относится к ТНКИ, условием работы которых является заземление нейтрали обмотки ВН. Ее разземление устранило бы основную причину их повреждения (протекание значительных токов через обмотки ВН на землю) и уменьшило погрешности. |
Юрий Степанов, ООО «Диагностика-ЭС», г. Самара
Анатолий Овчинников, Ассоциация «Мособлэлектро»
|
Задача, требующая решения
В течение длительного времени разрабатывались устройства защиты, многие из которых были неэффективны. Так, применение ТНКИ НТМИ-6-10, выполненных в соответствии с ГОСТ 1983-2001, ограничено из-за многих недостатков:
- частые повреждения при феррорезонансных явлениях в электрической сети. Включение резисторов в цепь разомкнутого треугольника R=25 Ом или в нулевой вывод обмотки ВН резисторов R<10 кОм не обеспечивает его защиту от повреждения*. Постоянное включение в нулевой вывод ВН как активных, так и индуктивных сопротивлений более 10 кОм обеспечивает его защиту, но в этом случае увеличивается погрешность измерения пропорционально с увеличением значения сопротивления;
- при однофазном замыкании на землю в сетях 6-10 кВ обмотка ВН замкнувшейся фазы ТН шунтируется и его схема соединения становится аналогичной схеме открытого треугольника. Известно, что в этом случае при подключенной нагрузке к выводам фаз А и С обмотки НН возникают недопустимые погрешности. Это относится к двум трансформаторам напряжения, включенным по схеме открытого треугольника, и к трансформатору НАМИ-10/6, где также используются два ТН;
- малая номинальная мощность трансформатора позволяет подключить не более четырех присоединений 6–10 кВ, где используются индукционные счетчики.
Таким образом, наиболее актуальной задачей являлось создание ТНКИ, не имеющего всех перечисленных выше недостатков, а самой сложной оказалась проблема защиты ТН от феррорезонансных процессов.
Думаем, что на данный момент наиболее надежным и эффективным оказалось устройство, разработанное в 1985 году и имеющее авторское свидетельство на изобретение N1319158 СССР, МКИ3 НО2Н9/04 (Устройство для защиты от резонансных перенапряжений трансформатора напряжения в сети с изолированной нейтралью / Ю.А. Степанов, А.П. Кузнецов, М.Н. Игнатьев // Открытия. Изобретения. – 1987, N 23).
В этом устройстве был использован индуктивный элемент, выполненный в виде однофазного трансформатора напряжения нулевой последовательности (ТНП), первичная и вторичная обмотки которого подключаются соответственно между нейтралями первичной и вторичной обмоток трехфазного трансформатора напряжения и землей.
До идеала еще далеко
У трансформаторов серии НАМИ 6-10-35 кВ и НАМИ-10/6-95 (выпускаются с 1995 года на Раменском электротехническом заводе) в качестве индуктивного элемента также используется трансформатор нулевой последовательности, включенный аналогично схеме описанного выше устройства. Отличие состоит в том, что дополнительная вторичная обмотка 3U0 расположена на стержне трансформатора нулевой последовательности. На трех стержнях первого трансформатора помещается компенсационная обмотка, соединенная в замкнутый треугольник без внешних выводов, что противоречит ГОСТ 1983-2001. Эти отклонения от схемы, предложенной в указанном авторском свидетельстве, снижают эффективность ТНКИ, а также определяют увеличение погрешностей как в нормальном режиме, так и в режиме однофазного замыкания.
Известно, что в любом случае, когда у обмотки ВН нейтраль заземлена, могут возникать феррорезонансные процессы. Примером их проявления могут служить ситуации, сложившиеся с трансформаторами НАМИ-6 на Самарской ТЭЦ и НТМИ-6–10 на двух понижающих подстанциях 35/6 и 110/10 кВ Самарской области.
Процессы происходили при симметричном режиме, но без подключенных к шинам линий электропередачи 6-10 кВ. Они сопровождались ложным сигналом о замыкании на землю, сильным нагревом резисторов, подключенных к обмотке 3U0 у трансформаторов НТМИ-6-10 (у трансформатора НАМИ резистор не устанавливается), повышением фазных напряжений у НТМИ-6–10 до 125 В, а 3U0 до 220 В. Значения линейных напряжений 100 В оставались без изменений, ток феррорезонанса в этом случае меньше номинального тока высоковольтной обмотки ТН. После отключения резисторов, реле и аппаратов (включенных на Uф или 3U0) с Uн меньшими, чем напряжения 125 или 220 В, трансформаторы длительное время работали нормально и при повышенных значениях напряжения. При этом не представлялась возможность фазировки с другими секциями.
Феррорезонанс прекращался после включения одной из линий электропередачи, хотя согласно методу, описанному в авторском свидетельстве, для прекращения феррорезонанса достаточно было бы шунтировать или дешунтировать вторичную обмотку трансформатора нулевой последовательности ТНП.
В 1985–1990 гг. на семи подстанциях 35/10 кВ ОАО «Самараэнерго» с суммарной длиной воздушных линий 10 кВ 40–60 км на секцию, где при однофазных замыканиях повреждались трансформаторы НТМИ-10, были установлены ТНП, включенные по схеме, описанной в авторском свидетельстве. В качестве ТНП применялись трансформаторы напряжения НОМ-6. При этом использовалась автоматическая схема оперативных цепей. После установки антирезонансного устройства феррорезонансные явления практически мгновенно устранялись и повреждения ТНКИ прекратились.
|
Схемы. Проблемы остаются
Возвращаясь к уже рассмотренным трансформаторам НАМИ-6-10-35 кВ (см. рис. 1) и НАМИ-10/6-95, надо отметить, что у них ток компенсационной обмотки, соединенной в замкнутый треугольник, оказывает существенное влияние на увеличение его погрешностей во всех случаях появления напряжения небаланса этой обмотки.
Нулевая рабочая точка вторичной обмотки, собранной в звезду, перенесена на точку вторичной обмотки нулевой последовательности – ТНП. Вследствие этого класс точности, согласно заводским данным, при измерении фазных напряжений снижается до класса точности 3.
Отсутствие выводов вторичной обмотки замкнутого треугольника не позволяет оценить ее техническое состояние в процессе эксплуатации, определить сопротивление изоляции, сопротивление обмоток постоянному току, проверить отсутствие витковых коротких замыканий и обрыва цепи обмоток.
Это является нарушением «Норм испытания электрооборудования». Например, отсутствует возможность обнаружения виткового замыкания в процессе наладки и эксплуатационных проверок, что увеличивает риск возгорания ТН.
Трансформаторы напряжения НАМИ-10/6-95 отличаются от НАМИ-6-10-35 кВ наличием на стороне ВН дополнительной компенсационной обмотки, схема включения которой аналогична схеме соединения обмоток ВН трансформатора напряжения типа НТМК. Чтобы исключить возможности повреждения трансформатора НТМК нейтраль его обмоток ВН согласно ГОСТ 1983-2001 не заземляется, а у НАМИ-10/6-95 заземлена. При нарушении порядка чередования фаз с высокой стороны ТН компенсационные обмотки будут не уменьшать, а увеличивать погрешность. Следует отметить также, что в заводской схеме НАМИ-10/6-95 не отображена схема соединения компенсационной обмотки, соединенной в звезду.
Режимы. Вопросов много
На рис. 2 показана электрическая схема соединений трансформатора контроля изоляции типа НАМИ-10/6. Этот трансформатор является антирезонансным только для обмоток фаз А и С, включенных по схеме открытого треугольника, так как эти высоковольтные обмотки не имеют заземления. Однако известно, что рассматриваемая схема исключает возможность подключения нагрузки к выводам а-с из-за возникновения недопустимых погрешностей. Работа же ТНКИ с незагруженными выводами а-с практически нереальна.
При использовании схемы открытого треугольника невозможен контроль состояния изоляции высоковольтной электрической сети. Для исключения этого недостатка в корпусе трансформатора установлен дополнительный трансформатор, высоковольтная обмотка которого подключена к фазе В, а второй ее вывод заземлен.
Низковольтные обмотки разомкнутого треугольника собраны так, чтобы в нормальном режиме геометрическая сумма вторичных напряжений равнялась нулю. Это достигается тем, что напряжения на обмотках ах и cz равняются соответственно: Uаb/3 и Ucb/3, а на обмотку by подается напряжение Ubo. Причем полярность обмотки треугольника cz изменена. Вследствие этого векторная диаграмма трансформатора напряжения НАМИ-10 примет вид, где сумма напряжений равна нулю: Uаb/3 + Ucb/3 + Ubo= 0.
При замыкании на землю любой из фаз А, В, С из этой формулы исключается одно из слагаемых и на выводах разомкнутого треугольника появится напряжение, равное геометрической сумме векторов оставшихся двух слагаемых фаз.
Возникновение феррорезонансных явлений в нормальном режиме и режиме замыкания на землю фаз А или С – значительный, на наш взгляд, недостаток трансформатора НАМИ-10.
В нормальном режиме при равенстве индуктивного сопротивления обмотки фазы В и суммарного емкостного сопротивления электрической сети возникает феррорезонансный процесс, который из-за малых токов не вызывает повреждений трансформатора напряжения, но предопределяет недопустимое повышение фазных напряжений и напряжения 3U0 разомкнутого треугольника** и появление ложного сигнала о замыкании на землю в электрической сети. При замыкании на землю фазы А или С при равенстве индуктивного сопротивления обмотки фазы В и емкостного сопротивления между фазами АВ или СВ возникает феррорезонанс с возможным повреждением трансформатора.
Кроме того, следует отметить, что векторы фазных напряжений Uао и Uсо получены искусственным путем – сложением двух векторов других фаз, а именно:
Uао= Ubo+ Uab и Uсо= Ubo+ Ucb.
Вследствие этого Uао и Uсо не будут соответствовать своим истинным параметрам. Погрешности ТНКИ НАМИ-10 в нормальном режиме и при нормальной нагрузке представлены в таблице. Для класса точности 0,5 предел допускаемой погрешности напряжения +0,5%, угловой +20’.
Модель, отвечающая условиям задачи
В точном соответствии с авторским свидетельством на указанное выше изобретение выпускается трехфазный антирезонансный ТНКИ марки НАМИТ-10-2 (производятся с 1997 г. в ОАО «Самарский трансформатор»). На рис. 3 представлена схема соединения НАМИТ-10-2, а на рис. 4 – автоматическая схема оперативных цепей.
Нормальный режим работы ТНКИ осуществляется при замкнутой вторичной обмотке ТНП посредством переключателя SA или при автоматическом режиме контактами реле KL. В этом режиме обмотка высокого напряжения ТНП имеет только активное сопротивление порядка 6 кОм, что обеспечивает снижение указанного выше негативного эффекта работы ТНКИ в режиме открытого треугольника при однофазном замыкании в электрической сети.
При симметричном трехфазном напряжении за счет неидентичности полного сопротивления фаз А, В, С стороны ВН на выводах ад – хд возникает напряжение небаланса Uнб. При размыкании вторичной обмотки ТНП сопротивление его обмотки ВН увеличивается до » 300 кОм и, как следствие, из-за увеличения падения напряжения на ней повышается напряжение смещения нуля Uо обмотки ВН. Это вызовет рост напряжения Uнб на выводах ад – хд.
|
При возникновении феррорезонанса (XL=XC), автоматически размыкается вторичная обмотка ТНП. При этом сопротивление первичной обмотки увеличивается до 300 кОм, равенство XL=XC нарушается и феррорезонанс срывается.
При однофазном замыкании на землю при шунтировании и дешунтировании обмотки НН ТНП напряжение Uнб на выводах ад – хд равняется соответственно » 100 В и » 70-80 В. При шунтировании обмотки НН ТНП ток в ней достигает значения 7-8 А, что меньше допустимого значения тока этой обмотки. Однако этот ток не оказывает влияния на нагрузку ТНКИ, а следовательно, и на его погрешность.
Оптимальным с точки зрения выполнения функциональных возможностей и требований к классу точности среди трансформаторов контроля изоляции в сети 6-10 кВ следует считать ТНКИ марки НАМИТ-10-2, изготовляемый в ОАО «Самарский трансформатор» в соответствии с Патентом N 1319158 на изобретение «Устройство для защиты от резонансных перенапряжений трансформатора напряжения в сети с изолированной нейтралью». Авторы: Степанов Ю.А., Кузнецов А.П., Игнатьев М.Н. Патент действует с 27.01.1999.
| 
|
