В последних номерах журнала мы постоянно обращались к особенностям применения трансформаторов напряжения в электрических сетях 3–35 кВ для обеспечения их надежной работы (все материалы – на сайте www.news.elteh.ru). Сегодня свою точку зрения на основные причины повреждаемости различных типов ТН, связанные с особенностями заземления нейтрали в российских сетях, а также местами установки ТН для учета электроэнергии, высказывает Михаил Зихерман.

ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СЕТЕЙ 6–10 КВ ПРИЧИНЫ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ Михаил Зихерман, к. т. н., конструктор измерительных трансформаторов Раменского электротехнического завода «Энергия»

Особенность российских электрических сетей 10(6) кВ, не имеющих глухого заземления нейтрали, состоит в том, что они могут некоторое время работать с однофазным замыканием на землю. При этом изменяются только напряжения отдельных фаз относительно земли, а треугольник междуфазных напряжений остается неизменным. Это позволяет потребителям никак не реагировать на наличие замыкания на землю и продолжать работу в обычном режиме. А электросетевое эксплуатационное предприятие обязано найти и отремонтировать поврежденный участок. Выполнение этой задачи во многом зависит от типа используемых трансформаторов напряжения (ТН).
Применяемые в настоящее время ТН делятся на заземляемые и незаземляемые. Незаземляемые ТН, в отличие от заземляемых, не имеют соединений первичной обмотки с землей. Заземляемые ТН, помимо междуфазных напряжений, могут трансформировать напряжения отдельных фаз относительно земли и тем самым контролировать изоляцию сети. Указанное обстоятельство определило сферу использования этих видов ТН в сетях 10(6) кВ:

• незаземляемые ТН преимущественно устанавливаются непосредственно на стороне высокого напряжения (ВН) силовых потребительских трансформаторов в ТП 10(6) кВ,
• заземляемые – на сборных шинах центров питания (ЦП) и распределительных пунктах (РП).

Незаземляемые ТН
Такие ТН включаются между фазами сети и бывают либо однофазными (типа НОЛ, НОМ), либо трехфазными (типа НТМК). Они имеют только одну вторичную обмотку с наивысшим классом точности 0,2 или 0,5, что вполне приемлемо для питания коммерческих счетчиков электроэнергии.
При этом следует помнить, что класс точности ТН гарантируется только при определенных условиях эксплуатации. В частности, фактическая нагрузка при cosj = 0,8 должна быть симметричной и находиться в пределах от 25 до 100% от номинальной мощности. Если фактическая нагрузка меньше 25%, что характерно для применения электронных счетчиков с малым потреблением, то ее следует искусственно увеличить. Если же она больше 100%, то ТН переходит в низший класс точности.

Заземляемые ТН
Они включаются между фазами сети и землей и также производятся в однофазном (типа ЗНОЛ) или трехфазном (типа НТМИ, НАМИ, НАМИТ) исполнении. Когда три однофазных ТН собираются в трехфазную группу, она становится эквивалентной одному трехфазному ТН. Заземляемые трехфазные ТН выполняют все функции незаземляемых ТН плюс контроль изоляции сети. Для этого, помимо выводов трех фаз а, в и с у основной вторичной обмотки, они имеют вывод нейтрали о. Кроме того, имеется еще дополнительная обмотка аД-хД.
При нормальном симметричном режиме фазные напряжения ао, во и со равны 57,8 (100/Ц3) В, междуфазные ав, вс и са равны 100 В, а на выводах дополнительной вторичной обмотки имеется небольшое напряжение небаланса. При однофазных металлических замыканиях сети на землю одно из фазных напряжений снижается до нуля, а два других повышаются до 100 В. Междуфазные напряжения сохраняются неизменными, а напряжение дополнительной вторичной обмотки повышается до 100 В.
Наивысший класс точности заземляемых ТН при измерении междуфазных напряжений также составляет 0,2 или 0,5 при симметричной нагрузке от 25 до 100% от номинальной с cos j = 0,8. Однако согласно ГОСТ 1983-2001 он не гарантируется при однофазном замыкании сети на землю. В этом отношении заземляемые ТН уступают незаземляемым.
Класс точности ТН при измерении фазных напряжений может быть снижен до 3,0, т.к. в данном случае они предназначены для питания щитовых вольтметров контроля изоляции и не используются для питания счетчиков электрической энергии.
Следует упомянуть тот факт, что благодаря своей универсальности заземляемые ТН в последнее время получили неоправданно широкое распространение в российских электросетях. Их стали устанавливать даже в ТП у потребителя, где контроль изоляции не нужен. При этом забывается, что они более материалоемки и стоят дороже. Кроме того, заземляемые ТН из-за своей связи с землей подвержены разнообразным опасным воздействиям со стороны сетей и для обеспечения своей надежности нуждаются в квалифицированном подходе. В частности, заземляемый вывод Х обмотки ВН должен быть обязательно заземлен даже тогда, когда контроль изоляции не нужен.

Конструкция незаземляемых ТН
Незаземляемые ТН представляют собой трансформаторы малой мощности (обычно менее 1 кВА) с большим количеством витков тонкого провода обмотки ВН. Необходимый класс точности обеспечивается точностью намотки числа витков обмоток (амплитудная погрешность) и выбором сниженного значения номинальной индукции в стали магнитопровода (угловая погрешность). При высоких номинальных индукциях применяется коррекция угловой погрешности (НТМК).

Конструкция заземляемых ТН
Они также имеют большое число витков тонкого провода обмотки ВН и малую предельную мощность. Малая мощность ТН легла в основу широко распространенного представления о том, что они не могут сколько-нибудь существенно повлиять на режим работы основной сети 10(6) кВ, которая питает потребителей суммарной мощностью в тысячи и десятки тысяч кВА.
Исходя из этого представления, конструировались все ТН для сетей 10(6) кВ. Например, трехфазный заземляемый ТН типа НТМИ-10(6)-54 представляет собой переконструированный трехфазный трехстержневой незаземляемый ТН типа НТМК путем добавления к его магнитопроводу двух боковых стержней, по которым могут замыкаться потоки нулевой последовательности. При дальнейших исследованиях выяснилось, что выгоднее для каждой отдельной первичной обмотки, включенной между фазой сети и землей, иметь свой магнитопровод, т.е. перейти к трехфазной группе однофазных трансформаторов. В литом исполнении изоляции – это группа трех ТН типа ЗНОЛ-10(6), а в масляном исполнении – это три однофазных ТН в одном баке (типа НТМИ-10(6)-66). У этих ТН междуфазные вторичные напряжения ав, вс и са образуются, как геометрическая разность двух соседних фазных напряжений ао, во и со. При однофазных замыканиях сети на землю, когда рабочее напряжение отдельных фаз превышает 120% от номинального, междуфазные напряжения могут терять высокий класс точности.

Эксплуатационные характеристики заземляемых ТН
Малая мощность ТН по сравнению с установленной мощностью силовых трансформаторов в сетях 10(6) кВ ввела в заблуждение некоторых разработчиков ТН, а представление о невозможности ТН повлиять на процессы в сети не всегда является верным.
Оказалось, что сопротивление нулевой последовательности даже самой мощной сети, благодаря изолированной нейтрали, может иногда превышать сопротивление нулевой последовательности заземляемых ТН. Это может происходить тогда, когда заземляемый ТН оказывается подключенным к сети с малым током замыкания на землю. Это могут быть либо сборные шины ЦП или РП при отключенных линиях, либо сельская сеть с несколькими десятками километров воздушных линий.
В процессе эксплуатации заземляемых ТН выявились три режима, приводящие либо к ненормальной работе ТН, либо к их повреждению.
Первый режим характерен для работы заземляемых ТН на ненагруженных шинах ЦП или РП. Малый емкостный ток замыкания шин на землю на частоте 50 Гц компенсируется намагничивающим током одной из фаз ТН. Напряжение на этой фазе повышено, и сталь магнитопровода близка к насыщению. Напряжение остальных фаз понижено. В результате создается ложное впечатление о замыкании одной из фаз на землю. Так как в феррорезонанс может войти любая из трех фаз, «ложная земля» может «переходить» с одной фазы на другую. Обычно в таком режиме ТН не повреждается. Чтобы устранить явление «ложной земли», достаточно включить на дополнительную обмотку активное сопротивление 25 Ом.
Второй режим возникает при однофазных дуговых замыканиях на землю в сельских сетях. Благодаря воздушным линиям, они имеют небольшой (до 10А) ток замыкания на землю и открытую перемежающуюся дугу, подверженную действию ветра, что способствует ее попеременному зажиганию и гашению. В таком режиме емкость нулевой последовательности сети в бестоковую паузу перемежающейся дуги разряжается через ТН, насыщая его магнитопроводы и перегревая обмотки. Повторное зажигание дуги вновь заряжает емкость, которая затем в бестоковую паузу дуги разряжается через ТН. Такой процесс может длиться несколько минут или даже часов, в результате чего ТН нередко повреждается. Предлагалось много методов борьбы с таким развитием событий (разземление нейтрали обмотки ВН, включение в нее высокоомных резисторов или индуктивностей, подключение низкоомных резисторов на дополнительную обмотку). Однако эти меры по разным причинам не дали ожидаемых результатов.
Третий режим может возникнуть как в воздушных, так и в кабельных сетях. Это устойчивый гармонический феррорезонанс на частоте 50 Гц между емкостью нулевой последовательности сети и нелинейной индуктивностью намагничивания трехфазного трехстержневого потребительского силового трансформатора 10(6)/0,4 кВ с изолированной нейтралью обмотки ВН. Режим феррорезонанса возможен при замыкании на землю одной фазы малонагруженного трансформатора 20–400 кВА с последующим перегоранием плавкой вставки предохранителя. Напряжение нулевой последовательности сети при этом может достигать трехкратных значений, в результате чего повреждение ТН наступает менее чем за одну минуту. Наличие в сети одного или даже нескольких заземляемых ТН не может погасить данный вид феррорезонанса. Он срывается только после повреждения одного из ТН. При этом факты повреждения ТН именно из-за «внешнего» феррорезонанса, вследствие его быстротечности, очень трудно надежно зафиксировать.

Антирезонансные заземляемые ТН
После того, как попытки эффективной защиты ТН от повреждений не увенчались успехом, в 80-х годах прошлого столетия стали разрабатываться антирезонансные ТН. Принцип их работы заключается в том, что они сами не вступают в феррорезонанс (первый режим), устойчивы к перемежающейся дуге (второй режим) и к «внешнему» феррорезонансу в сети (третий режим). Правда, достичь полной антирезонансности разработчикам удалось не сразу. Так, первенец из этой серии НАМИ-10 У2 был несимметричен и иногда вступал в субгармонический (16,6 Гц) феррорезонанс с емкостью небольших сетей (первый режим), хотя в остальных режимах он был устойчив.
Антирезонансные ТН других типов, например, ЗНОЛ-10 с высокоомными резисторами в нейтрали или НАМИТ-10-2, тоже, возможно, не вполне устойчивы в одном или двух режимах. Степень их антирезонансности еще нуждается в дополнительной проверке. Остается заметить, что разработанный Раменским электротехническим заводом «Энергия» ТН типа НАМИ-10-95 выпускается с 1995 г. и случаев его неполной антирезонансности пока не наблюдалось.

Выводы:
Наиболее приемлемыми для электроснабжающих организаций, учитывающих электроэнергию и контролирующих изоляцию в сетях 10(6) кВ, являются антирезонансные заземляемые ТН. Для учета электроэнергии у потребителей достаточно применять незаземляемые ТН.
Неразбериха, царящая на отечественном рынке антирезонансных ТН, о чем в журнале («Новости Электротехники», N 6(24) 2003) упоминали Ю. Степанов и А. Овчинников, лишний раз потвержает мнение директора ИЦ ОАО «НИИВА» И. Бабкина о небходимости сертификации отечественной продукции независимыми испытательными центрами.