ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ 3–35 КВ
Метрологические функции первичны

Радик Раскулов, к.т.н., главный конструктор отдела измерительных трансформаторов ОАО «Свердловский завод трансформаторов тока», г. Екатеринбург

Для повышения устойчивости работы к резонансным явлениям разработано большое количество вариантов трансформаторов напряжения (ТН), в которых применяются различные способы повышения надежности работы ТН, нередко в ущерб измерениям – основной функции ТН.
«Назначение ТН – метрологическое обеспечение электрических сетей, а не влияние на процессы в них», говорится в [1]. Согласно стандарту [2], ТН предназначены для того, чтобы передавать сигнал «измерительной информации приборам измерения, защиты, автоматики, сигнализации и управления». ТН в сетях 3–35 кВ выполняют две основные задачи:

• используются в системах технического и коммерческого учета электроэнергии;
• передают сигнал устройствам релейной защиты о возникновении аварийных режимов, в частности для контроля изоляции сети в сетях 3–35 кВ.
• ТН могут быть предназначены как для решения одной из этих задач, так и для решения обеих задач.

РАЗНОВИДНОСТИ ТН

В сетях классов напряжения 3–35 кВ применяются ТН в основном трех типов:

• однофазные незаземляемые трансформаторы;
• однофазные заземляемые трансформаторы;
• трехфазные трансформаторы.

МЕТРОЛОГИЯ

Метрологические характеристики ТН для измерений устанавливаются согласно [2] для первичного напряжения в диапазоне от 80 до 120% номинального первичного напряжения.
Поверка ТН при выпуске из производства производится согласно методике [3] в диапазоне от 80 до 120% номинального первичного напряжения, однако в эксплуатации нередко ТН работают при напряжениях, выходящих из диапазона ГОСТ 1983­2001.
В сетях классов напряжений 3–35 кВ наиболее распространенным случаем аварийного режима являются однофазные дуговые замыкания (ОДЗ). При возникновении ОДЗ в сети с изолированной нейтралью напряжение на неповрежденных фазах повышается с фазного до линейного и ТН работают практически при двойном номинальном напряжении.
Согласно [2] ТН должен выдержать режим работы при 1,9 номинального напряжения в течение 8 ч. В работе [4] приведены осциллограммы при ОДЗ в сети с изолированной нейтралью, где показано, что перенапряжения достигают двойного фазного напряжения. Однако при ОДЗ ТН работают вне диапазона первичного напряжения, для которого стандартом [2] устанавливаются метрологические характеристики. Так как возникает несимметрия магнитного потока, трехфазный трансформатор может вносить большие погрешности в систему измерений электроэнергии. При этом вопрос о метрологических характеристиках трехфазных трансформаторов при несимметрии фазных напряжений практически не исследовался. В работе [5] рассматривались погрешности измерения электроэнергии в различных сочетаниях измерительных ТН и трансформаторов тока (ТТ) и счетчиков электроэнергии:

1. Два незаземляемых ТН (неполный треугольник) и два ТТ;
2. Два незаземляемых ТН и три ТТ;
3. Три ТН (звезда с заземленной нейтралью) и два ТТ;
4. Три ТН (звезда с заземленной нейтралью) и три ТТ.

Рис. 1. Зависимость погрешности напряжения ТН ЗНОЛ.06 от первичного напряжения

Рис. 2. Зависимость угловой погрешности ТН ЗНОЛ.06 от первичного напряжения

СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ

Согласно стандарту [2] имеются два основных варианта схем подключения ТН:

• два незаземляемых ТН, включенных в неполный треугольник;
• схемы, имеющие связь нейтрали ТН с землей.

• треугольник напряжений на вторичной стороне ТН подобен треугольнику напряжений в сети во всех режимах;
• при ОДЗ счетчики и ТН работают в нормированных диапазонах напряжений;
• повышается надежность учета электроэнергии, так как ТН практически не подвержены резонансным явлениям;
• несимметрия напряжений не сказывается на точности учета.

Рис. 3. Схема испытаний на перемежающую дугу

С_ф – конденсатор емкостью 0,8 мкФ, имитирующий емкость линии;
L – катушка индуктивностью 80 мГн, имитирующая индуктивность линии;
R_Д – сопротивление 25 Ом, включенное в цепь неполного тре­угольника дополнительных обмоток ТН;
R_н – добавочное сопротивление, подбирается по результатам нагрева трансформаторов;
Z_n – сопротивление нагрузки основной обмотки ТН;
ДЗ – устройство для коммутации перемежающей дуги;
А и U – измерительные приборы.

НАДЕЖНОСТЬ ТН

Основной причиной выхода из строя ТН является то, что при резонансных явлениях через обмотку ТН начинают протекать токи, намного превышающие допускаемые. В работе [6] описаны основные причины повреждений ТН, где одним из наиболее опасных режимов, приводящих к выходу ТН из строя, является режим перемежающей дуги.
В 1992 г. в Екатеринбурге проводились испытания на устойчивость ТН к воздействию перемежающей дуги. Схема испытаний показана на рис. 3. Специальным устройством имитировалось дуговое замыкание фазы на землю, и проверялся нагрев обмоток ТН при различных номиналах резисторов R_н.
По результатам испытаний оказалось, что наименьший нагрев обмоток ТН происходит при определенном сопротивлении резистора в нейтрали, причем при большем и при меньшем номинале резистора нагрев резко возрастал. Было рекомендовано включение в цепь заземления высоковольтной обмотки ТН резистора сопротивлением 1000 Ом для ТН типа ЗНОЛ.06 класса 6 кВ, 800 Ом для ТН класса 10 кВ.

СЛЕДУЮЩИМ ЭТАПОМ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ТН ЯВИЛАСЬ РАЗРАБОТКА ТН СО ВСТРОЕННЫМИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ.

При ОДЗ через высоковольтную обмотку ТН протекают импульсы тока с частотой зажигания дуги, приводящие к перегреву обмоток и выходу ТН из строя за несколько часов. Предохранители традиционной конструкции не обеспечивают защиты трансформаторов от разрушения при протекании тока при резонансных процессах, так как не успевают срабатывать [1].
Разработанное предохранительное устройство рассчитано так, что при коротком замыкании на выводах вторичной обмотки должно сработать менее чем за 1 с, а при работе при напряжении 1,9 номинального и максимальной мощности вторичной нагрузки не должно срабатывать. Оно позволило наладить выпуск как заземляемых ТН на 6 и 10 кВ, так и незаземляемых ТН.
После начала производства трехфазных групп количество по­врежденных ТН в их составе составляет 0,4%, а ТН с предохранительным устройством – менее 0,1%, причем, как правило, из строя выходит один из ТН, а с остальные ТН в составе группы пригодны к эксплуатации.

ВЫВОДЫ

1. Для учета электроэнергии в сетях классов напряжений до 35 кВ необходимо применять незаземляемые однофазные трансформаторы, которые не подвержены резонансным явлениям.
2. Если перед ТН, кроме учета электроэнергии, также ставится задача контроля изоляции сети, рекомендуется применение трехфазных групп со встроенными предохранителями.
3. Необходима разработка неиндуктивных датчиков для контроля изоляции сети, чтобы полностью уйти от негативного воздействия резонансных процессов на ТН и использовать ТН только для учета электроэнергии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Эткинд Л.Л. Защита трансформаторов напряжения в сетях 3–35 кВ. Необходимо изменить режим заземления нейтрали // Новости ЭлектроТехники – 2003. – № 5(23).
2. ГОСТ 1983­2001. Трансформаторы напряжения. Общие технические условия.
3. ГОСТ 8.216­88. Государственная система обеспечения единства измерений. Трансформаторы напряжения. Методика поверки.
4. Кадомская К.П. Системный подход к обеспечению надежной эксплуатации изоляции электрооборудования в электрических сетях среднего напряжения / Ограничение перенапряжений. Режимы заземления нейтрали. Электрооборудование сетей 6–35 кВ: Труды Четвертой Всероссийской научно­технической конференции. – Новосибирск, 2006.
5. Варский Г.М., Танкевич Е.Н., Яковлева И.В. Особенности учета электроэнергии при несимметрии сети/ Метрология электрических измерений в электроэнергетике: Доклады третьей науч.­практ. конференции. – М.: Изд­во НЦ ЭНАС, 2003.–Доклад 26.
6. Зихерман М.Х. Трансформаторы напряжения для сетей 6–10 кВ. Причины повреждаемости // Новости ЭлектроТехники – 2004. – № 1(25).