Обсуждение новой конструкции антирезонансного трансформатора напряжения на 6–10 кВ, предложенной Сергеем Ивановичем Бардинским и Вячеславом Ивановичем Соколовым, открывает новую рубрику «Экспретиза» в журнале «Новости Электро- Техники». В рамках этой рубрики предполагается выносить на суд экспертов – ученых и практиков – свежие идеи и разработки в области электротехники. Михаил Хаимович Зихерман, один из известных российских специалистов по трансформаторам, приветствуя стремление разработчиков новинки к совершенствованию трансформаторной техники, подчеркивает, что судить о том, насколько новая конструкция окажется удачной, можно будет только после накопления опыта эксплуатации и уточнения технических характеристик.
Новый трансформатор напряжения, в котором разделены функции питания цепей учета электроэнергии и контроля изоляции, заявлен как антирезонансный. В связи с этим М. Зихерман считает необходимым напомнить, что термин «антирезонансность» был предложен Э.М. Либерзоном в 1986 г. и с тех пор все вновь разрабатываемые конструкции ТН позиционировались как антирезонансные. При этом оценки этого свойства были и остаются сугубо субъективными. Единственная объективная оценка только одного типа ТН была дана А. Емельянцевым [6]. Все остальные типы антирезонансных ТН не получили такой оценки со стороны эксплуатации.
Наш консультант полагает, что специалисты, эксплуатирующие трансформаторы напряжения, могут выступить в этом вопросе не только наблюдателями, но и экспертами.

Редакция готова предоставить страницы издания для рассмотрения экспертами новых моделей оборудования, организовать обсуждение и опубликовать его результаты. Мы надеемся, что компании-разработчики, особенно находящиеся на этапе старта, с интересом встретят это начинание и воспользуются возможностью проанализировать свои идеи вместе с лучшими специалистами страны.

АНТИРЕЗОНАНСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ.
ВАРИАНТ КОНСТРУКТОРСКОГО РЕШЕНИЯ

Сергей Бардинский, к.т.н., доцент ГУАП
Вячеслав Соколов, технический директор ООО «ТРАНСЭНЕРГО»,
г. Санкт-Петербург

В настоящее время на всех уровнях управления энергетикой большое внимание уделяется проблеме энергосбережения. В связи с этим особенно актуальным становится обсуждение проблем работы трансформаторов напряжения (ТН), которые используются в сетях 6–10 кВ для обеспечения безопасности измерений при питании средств учета электроэнергии.
На эти ТН возлагаются как метрологические функции [1], 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. Так, в статьях [2, 3, 4] рассматриваются недостатки ряда ТН и предлагаются более совершенные конструкции. Тем не менее предпринятые попытки обеспечить полную надежность ТН и сохранить их метрологические свойства оказались неудачными, что отмечается, например, в [6].

НЕДОСТАТКИ ТН ТРАДИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

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 U₀, возникающими в фазах ТН.
Напряжения U₀ вызывают ток нулевой последовательности, который замыкается по заземляющему проводу ТН через емкости линейных проводов относительно земли и далее по обмоткам ТН. 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 ТН [7], повреждению изоляции сети и возникновению аварий. В [2] отмечается, что феррорезонансные явления наблюдаются также при обрывах и замыкании проводов, при 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 эти работы отводится до 8 часов [8]). 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 далеки от совершенства [5]. Эти методы предназначены не для предотвращения, а для устранения феррорезонанса после его возникновения. Так устроен, например, трансформатор НАМИТ-10-2 [9]. Антирезонансные свойства достигаются в нем благодаря использованию релейной схемы, подключенной к вторичным цепям трансформаторов [4]. 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 [2, 3]. 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. Можно предотвратить феррорезонанс, 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.
Обзор состояния разработок и производства антирезонансных ТН можно закончить цитатой из [5]: «Антирезонансные индуктивные трансформаторы напряжений 3–35 кВ пока несовершенны. Необходимо разработать пожаробезопасный трансформатор с литой изоляцией, устойчивый ко всем видам феррорезонанса, и методику дополнительных испытаний».

ВОЗМОЖНОЕ РЕШЕНИЕ

Авторы статьи пришли к выводу, что указанные выше про- блемы можно решить, отказавшись от традиционного совме- щения 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 у нее возможно вывести нейтраль. Этот трансформатор предназна- чен 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 в предлагаемом ТИН не происходит увеличения при- ложенного напряжения в √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 поновому использовать полученную от ТН информацию в устройствах учета электроэнергии, контроля изоляции, релейной защиты АВР, АЧР, ЗМН, а также ЦРЗА. Поэтому для продолжения совершенствования ТН считаем полезным обсудить требования к конструкции ТН с участием разработчиков и эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Раскулов Р.Ф. Трансформаторы напряжения 3–35 кВ. Метрологические функции первичны // Новости ЭлектроТехники. 2006. № 6(42).
2. Зихерман М.Х. Антирезонансные трансформаторы напряжения, перспективы развития // Новости ЭлектроТехники. 2009. № 3(57).
3. Лавров Ю.А., Лаптев О.И. Современные трансформаторы напряжения // Новости ЭлектроТехники. 2009. № 5(59). С. 32–35.
4. Овчинников А.Г., Степанов Ю. А. Трансформаторы напряжения контроля изоляции 6–10 кВ. Сравнительный анализ моделей // Новости ЭлектроТехники. 2003. № 6(24).
5. Кадомская К.П., Лаптев О.А. Предотвращение самопроизвольного смещения нейтрали – задача для разработчиков ТН // Новости ЭлектроТехники. 2009. № 4(58). С. 37.
6. Емельянцев А.Ю. О феррорезонансных процессах без замыкания на землю в сетях 6–35 кВ // Новости ЭлектроТехники. 2009. № 4(58).
7. Борисенко Л. С., Панасюк Д. И., Морозов Г. А. Предотвращение феррорезонанса в ненагруженных шинах РУ 110–330 кВ // Электрические станции. 1984. № 3. С. 51.
8. ГОСТ 1983–2001. Трансформаторы напряжения. Общие технические условия: п. 6.6.
9. НАМИТ: описание и руководство по эксплуатации.