Журнал «Новости ЭлектроТехники» неоднократно обращался к теме антирезонансных трансформаторов напряжения. Свое мнение высказывали специалисты из Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска.

Сегодня к обсуждению темы подключается Владимир Семенович Фишман, рассматривающий плюсы и минусы существующих антирезонансных ТН.

Владимир Фишман, инженер-проектировщик, г. Нижний Новгород

ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ.
Способы устранения феррорезонансных явлений

Технические характеристики отечественных трансформаторов напряжения (ТН) 6÷35 кВ, называемых производителями «антирезонансными», не устраивают эксплуатирующих их энергетиков, о чем свидетельствует, в частности [1]. Автор указанной статьи вполне резонно задает вопрос: «Антирезонансны ли «антирезонансные» трансформаторы напряжения»? Действительно, согласно ГОСТ 1983-2001 [2], п. 3.1, антирезонансным считается «трансформатор, устойчиво работающий при наличии в сети феррорезонансных явлений». Однако этого определения недостаточно. Очевидно, что антирезонансный трансформатор сам не должен вызывать феррорезонанс и смещение нейтрали в сети за пределы, установленные нормами. Так, согласно ПТЭ, п. 5.11.11 [3]: «При отсутствии в сети замыкания на землю напряжение смещения нейтрали допускается не выше 15% фазного напряжения длительно и не выше 30% в течение 1 ч.».

Необходимо также, чтобы такой трансформатор во всех длительно возможных режимах сохранял свои метрологические характеристики в установленных пределах [2].

На практике же наблюдается иная картина: «антирезонансный» ТН при включении сам вызывает феррорезонанс и смещение нейтрали за допустимые пределы. Очевидно, что условие «неповреждаемости» антирезонансного трансформатора напряжения, приведенное в ГОСТ 1983–2001, является необходимым, но недостаточным.

Необходимо также сформулировать требования к испытаниям антирезонансных ТН. Содержащиеся в настоящее время в ГОСТ 1983–2001 требования к испытаниям ТН не учитывают влияния емкости сети на характеристики ТН в нормальных и переходных режимах. Поэтому изготовленные и прошедшие испытания в соответствии с требованиями ГОСТ ТН при установке их в сеть перестают удовлетворять предъявляемым к ним требованиям. При этом претензии изготовитель вправе не принимать, т.к. все требования ГОСТ он выполнил.

МЕХАНИЗМ ФЕРРОРЕЗОНАНСА

Само название явления «феррорезонанс» означает, что в данном процессе участвует железо (Fe), придавая ему специфические характеристики. Принципиальную роль играет нелинейный характер кривой намагничивания стального сердечника ТН.

Суть происходящих процессов рассмотрим на примере обычного ТН (рис. 1) при отсутствии трансформатора нулевой последовательности ТНП (на рис. 1 – L₀). Обмотки трансформаторов напряжения и емкости фаз сети относительно земли образуют параллельные ветви.

Рис. 1. Схема замещения сети с ТН типа НАМИТ-10-2 или НАЛИ-СЭЩ-1-6(10) кВ (релейная часть схемы показана условно)

L_µ – индуктивность цепи намагничивания ТН;
L_р – индуктивность рассеяния ТН;
R – активное сопротивление ТН;
С_ф – фазная емкость сети относительно земли;
K_v0, K_vф – реле напряжения с разными уставками;
K_L – контакт промежуточного реле;
E_C – фазное напряжение системы.

Из теории электротехники известна формула, определяющая смещение нейтрали в 3-фазной сети [4]:

где E_a, E_b, E_c – фазное напряжение источника питания;
Y_a, Y_b, Y_c– проводимости фаз a, b, c.

При параллельном включении обмоток ТН и емкостей сети результирующая проводимость фаз:

В большинстве случаев емкостная проводимость превышает индуктивную (YC> YL, за исключением некоторых случаев включения ТН на голые шины), поэтому результирующая проводимость имеет, как правило, емкостный характер.

Если проводимости фаз равны Y_a = Y_b = Y_c, смещение нейтрали отсутствует U_0´–0 = 0.

Однако при различного рода коммутациях в сети равенство фазных емкостей нарушается. Это может быть связано, в частности, с неодновременностью замыкания и размыкания фаз выключателей при коммутации отдельных участков сети, а также с неодинаковой величиной индуктивной проводимости фаз силовых трансформаторов в момент подачи напряжения (свидетельством чего является апериодическая составляющая тока в одной из фаз). Результатом возникающей несимметрии является смещение нейтрали U_0´–0 (1), возникновение напряжения нулевой последовательности. Это напряжение геометрически складывается с фазным напряжением прямой и обратной последовательности в фазах ТН. В результате сложения напряжение на одной фазе может существенно увеличиться, на других – снизиться. Это приводит к разной степени насыщения магнитопроводов разных фаз ТН, увеличивает разницу их индуктивных проводимостей и усиливает первоначальное смещение нейтрали сети.

Разная степень насыщения сердечников ТН определяется не только разной величиной фазных напряжений, но и характером их кривой намагничивания (рис. 2, кривая позаимствована из [5]). Примечательно, что линейная часть кривой отсутствует. Это означает, что магнитопровод ТН начинает постепенно насыщаться уже при небольшом увеличении напряжения, что подтверждается и имеющимися экспериментальными данными, согласно которым при увеличении фазного напряжения в 1,73 раза проводимость НОЛ-6 увеличивается в 1,78 раз, а при увеличении напряжения в 2,2 раза проводимость увеличивается в 6,6 раз.

Рис. 2. Кривая намагничивания ТН типа НОЛ-СЭЩ-6

L_µ – индуктивность цепи намагничивания ТН;
L_р – индуктивность рассеяния ТН;
R – активное сопротивление ТН;
С_ф – фазная емкость сети относительно земли;
I₀ – путь тока нулевой последовательности;
E_C – фазное напряжение системы;
U_00-0 – напряжение смещения нейтрали.

В сетях с малыми значениями токов ОЗЗ по мере увеличения индуктивной проводимости фаз ТН их величина приближается к емкостной проводимости фаз сети относительно земли, при этом результирующая проводимость отдельных фаз может поменять свой знак (например Y_a = Y_aC – Y_aL, < 0). В результате знаменатель дроби (1) уменьшается, а числитель, наоборот, увеличивается, что приводит к резкому увеличению смещения нейтрали U_0´–0.

Таким образом, при внешних возмущениях рассматриваемая индуктивно-емкостная система «обмотки ТН – фазные емкости сети» оказывается весьма неустойчивой, склонной к смещению нейтрали, в чем немаловажную роль играет неравномерное насыщение стальных сердечников ТН.

Общие рекомендации по уменьшению напряжения смещения нейтрали содержатся в ПУЭ и сводятся к включению в обмотку открытого треугольника активного сопротивления 25 Ом, что соответствует активной мощности при ОЗЗ ≈ 400 Вт. Однако такое решение, как видно из [1], эксплуатацию не устраивает. Кроме того, оно требует дополнительного увеличения мощности ТН по сравнению с той небольшой мощностью, которой требуют современные микропроцессорные устройства защит, измерения и учета электроэнергии. Необходимо принимать во внимание, что завышение мощности ТН по сравнению с его нагрузкой в нормальном режиме приводит к увеличению погрешностей, что в ряде случаев оказывается недопустимым, особенно при питании счетчиков коммерческого учета электроэнергии.

В связи с этим конструкторы современных отечественных ТН пытаются найти другие решения этой проблемы.

ТИПЫ АНТИРЕЗОНАНСНЫХ ТН И ИХ ОСОБЕННОСТИ

НАМИТ-10-2
По замыслу создателей НАМИТ-10-2 прекращение феррорезонанса должно достигаться введением в первичную цепь, связанную с землей, индуктивного сопротивления в виде трансформатора нулевой последовательности (ТНП) (рис. 1). Введение этого сопротивления выполняется путем дешунтирования его вторичной обмотки с помощью релейной схемы, реагирующей на повышение напряжения нулевой последовательности на зажимах дополнительной вторичной обмотки ТН. Недостатком этой релейной схемы является ненадежность ее работы и склонность к «зацикливанию». Соображения по этому вопросу были направлены разработчику еще при появлении НАМИТ-10-2, однако с ними не согласились. Опыт эксплуатации [1], тем не менее, подтверждает обоснованность сделанных в свое время замечаний. Изменение уставок реле напряжения проблему принципиально не решает.

Вторым недостатком НАМИТ-10-2 является «быстрое» насыщение стальных стержней отдельных фаз ТН и ТНП, что, как было сказано в предыдущем разделе, увеличивает смещение нейтрали, приводит к появлению «ложной земли» [1].

Существует точка зрения, что релейную схему дешунтирования ТНП можно просто не задействовать. Однако в этом случае возможны два варианта: либо ТНП будет оставаться постоянно зашунтированным, либо постоянно включенным. Но в первом случае ни о каких антирезонансных свойствах ТН говорить не приходится. Во втором случае вторичная обмотка открытого треугольника не будет отвечать требованиям ГОСТ 1983–2001, согласно которым при металлическом ОЗЗ на зажимах этой обмотки должно присутствовать напряжение 90–110 В. При наличии постоянно включенного ТНП это напряжение будет значительно меньше, т.к. часть напряжения нулевой последовательности будет теряться в обмотке ТНП, причем величина этого напряжения не постоянна и зависит от степени насыщения магнитопроводов ТНП и ТН.

НАМИ-10-95
В трансформаторе НАМИ-10-95 в отличие от НАМИТ-10-2 дополнительная вторичная обмотка соединена по схеме замкнутого треугольника (рис. 3). Эта обмотка является в данном случае компенсационной, снижающей сопротивление нулевой последовательности трансформатора до величины сопротивления рассеяния. Благодаря этому насыщение фазных обмоток ТН и все связанные с этим негативные последствия исключаются. Функцию дополнительной вторичной обмотки открытого треугольника выполняет вторичная обмотка ТНП. При ОЗЗ в сети на ней также возникает напряжение 90–110 В. При такой схеме формула (1) принимает вид:

где Y_n – проводимость канала нулевой последовательности L₀.

Рис. 3. Схема замещения сети с ТН типа НАМИ-10-95

Lµ – индуктивность цепи намагничивания ТН;
Lр – индуктивность рассеяния ТН;
R – активное сопротивление ТН;
Сф – фазная емкость сети относительно земли;
I0 – путь тока нулевой последовательности;
EC – фазное напряжение системы;
U00-0 – напряжение смещения нейтрали.

Возможность появления феррорезонанса и смещения нейтрали при такой схеме зависит от характеристики намагничивания ТНП, определяющей его индуктивное сопротивление.

По некоторым данным эту характеристику разработчику удалось приблизить к линейной. В таком случае данную схему ТН можно считать наиболее перспективной. Зона вероятного смещения нейтрали значительно сокращается, перемещаясь в область сверхмалых емкостных токов. Для устранения возможного смещения нейтрали и в этой области было бы целесо­образно предусмотреть возможность подключения ко вторичной обмотке ТНП активного сопротивления (порядка 100 Ом), что пока изготовитель не допускает. Недостатком данного ТН является масляное заполнение трансформатора.

Окончательно антирезонансные свойства ТН этого типа могут быть определены при проведении специальных испытаний в условиях, приближенных к реальным.

НАЛИ-СЭЩ
В серии сухих трансформаторов напряжения с литой изоляцией – НАЛИ-СЭЩ-6(10) решен важный вопрос по обеспечению их пожаробезопасности. К сожалению, этого нельзя сказать относительно антирезонансных свойств этих трансформаторов.

НАЛИ-СЭЩ-1 представляет собой комбинацию из однофазных ТН с литой изоляцией типа НОЛ-6(10) и трансформатора нулевой последовательности. В этой конструкции полностью повторяется принцип действия и релейная схема НАМИТ-10-2 со всеми ее недостатками, поэтому существенного улучшения антирезонансных свойств здесь ожидать трудно.

НАЛИ-СЭЩ-2 отличается от НАЛИ-СЭЩ-1 отсутствием дополнительной вторичной обмотки, соединенной по схеме открытого треугольника, а также отсутствием релейной схемы дешунтирования постоянно включенного ТНП. Замер величины фазных напряжений относительно земли и напряжения смещения нейтрали этим трансформатором не производится, выполняется лишь контроль изоляции. Это не позволяет выполнить требование п. 5.11.11 ПТЭ о контроле величины напряжения смещения нейтрали. Напряжение на вторичной обмотке ТНП, по данным производителя, изменяется от 20–30 В в нормальном симметричном режиме сети до 50–60 В в режиме ОЗЗ. Однако учитывая по существу одинаковую первичную схему НАЛИ-СЭЩ-1 и НАЛИ-СЭЩ-2 и, следовательно, одинаковую склонность к явлению «ложная земля», можно ожидать, что в нормальном режиме, с учетом влияния сетевой емкости, напряжение на вторичной обмотке ТНП может стать существенно больше 30 В, что затруднит даже контроль изоляции в сети, не говоря уже о невозможности замера реальных фазных напряжений.

Между тем в алгоритмах целого ряда микропроцессорных терминалов РЗА фазные напряжения положены в основу для последующего расчета линейных напряжений и напряжения нулевой последовательности. Без точных данных о величине и угловом положении вектора 3U₀ невозможно правильное действие токовых направленных защит при ОЗЗ.

В свое время изготовитель этой серии ТН отказался от попытки реализации схемы, аналогичной схеме НАМИ-10-95, для группы однофазных ТН с литой изоляцией на напряжение 6(10) кВ. Однако в настоящее время предприятие разрабатывает такой вариант исполнения для напряжения 35 кВ. Но данные о проведении полноценных испытаний пока отсутствуют.

ТН с разделением функций учета, измерения, РЗА (НАБИСТ и др.)
За последнее время появились статьи [6, 7], в которых авторы предлагают разделить «метрологические функции и функции контроля изоляции» на разные трансформаторы или разные обмотки одного трансформатора с целью повышения точности учета и измерения напряжения. При более подробном рассмотрении от этой привлекательной на первый взгляд идеи мало что остается. По существу, от незаземляемого ТН питается только прибор учета электроэнергии. Функции измерения и РЗА выполняют современные микропроцессорные терминалы, питание которых должно осуществляться только от заземляемых трансформаторов, с чем, в принципе, согласны и сами авторы данного предложения. Эти предложения пока еще технически не проработаны, поэтому можно говорить лишь о содержащихся в них идеях.

Идея использования для питания приборов учета электроэнергии только составляющих прямой и обратной последовательности фазных напряжений, не зависящих от смещения нейтрали при ОЗЗ и феррорезонансах, возникла у автора настоящей статьи ещё в 2006 г. По этому вопросу, от имени Нижегородского института «ЭСП-НН-СЭЩ», в адрес ОАО «Раменский электротехнический завод «Энергия», выпускающего НАЛИ-10-95, было направлено конкретное предложение. Для реализации его достаточно было вывести на крышку трансформатора точку связи 3-фазной обмотки ТН с ТНП. Однако, как часто бывает, никакого ответа от производителя не последовало. Представляется, что данное предложение можно было бы рассматривать как одно из возможных решений по повышению точности учета электроэнергии, не требующих создания для этой цели специальной обмотки ТН.

Вместе с тем возможна и разработка ТН с отдельной вторичной обмоткой для учета электроэнергии или создание искусственного нуля, как это предлагается в [7]. Нельзя попутно не заметить, что мнение автора указанной статьи о возможности отказа от установки трансформаторов тока в 3-й фазе оставляет в системе учета определенную «дырку», которой, при некоторых условиях, может воспользоваться недобросовестный потребитель. Ограниченные рамки настоящей статьи не по­зво­ляют более подробно остановиться на этом вопросе.

По предложению [6] в ряде статей [8] уже высказано много критических замечаний, с большинством из которых трудно не согласиться. В частности, это относится к предлагаемой схеме включения активных сопротивлений во вторичную обмотку заземляемого ТН для придания ему антирезонансных свойств. Мощность ТН при этом будет определяться не полезной нагрузкой устройств РЗА, а намного превосходящими ее постоянными потерями мощности в указанных сопротивлениях. Мощность же незаземляемых ТН, вопреки заявлению авторов, будет намного меньше, т.к. будет определяться только нагрузкой современных микропроцессорных счетчиков, исходя из которой потребная мощность на секцию 6–10 кВ составляет в среднем 30 ВА. Номинальный ток такого ТН измеряется тысячными долями ампера. Трансформатор такой малой мощности невозможно защитить от повреждений, ввиду того что номинальный ток существующих предохранителей 6–10 кВ в десятки раз больше. В то же время мощность ТН нельзя намного завышать по сравнению с его нагрузкой, т.к. это приводит к увеличению погрешностей измерения. Таким образом, целый ряд недостатков данного предложения свидетельствует о необходимости серьезной проработки.

СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ

Кардинальным решением, предотвращающим феррорезонанс с участием электромагнитных ТН, является заземление нейтрали сети с помощью резистора либо дугогасительного реактора. Характерно, что схема включения ДГР и резистора в сеть полностью аналогична схеме включения ТНП в НАМИ-10-95. И те и другие включаются в нейтраль соединенной в звезду первичной обмотки 3-фазного трансформатора со вторичной обмоткой, соединенной в замкнутый треугольник.

Но существенная разница состоит в том, что входящие в схему элементы – ДГР, резисторы и силовые трансформаторы несравненно мощнее элементов НАМИ-10-95. При заземлении нейтрали сети через резистор или ДГР обмотки ТН в контуре нулевой последовательности оказываются зашунтированными неизмеримо меньшими по величине сопротивлениями резистора или ДГР, что предохраняет их от повреждения и минимизирует величину смещения нейтрали. Вместо силового трансформатора для подключения в сеть резистора или ДГР могут быть использованы силовые фильтры нулевой последовательности. Резисторы целесообразно использовать при малых емкостных токах (до 5–10 А). На практике используются как низкоомные, так и высокооомные резисторы. Низкоомные резисторы рассчитаны на кратковременную работу при ОЗЗ на время, необходимое для срабатывания защит на отключение поврежденного элемента. Низкоомные резисторы имеют относительно небольшие габариты, позволяющие устанавливать их в ячейках КРУ 6(10) кВ. Высокоомные резисторы рассчитаны на длительную работу в режиме ОЗЗ, потому имеют значительно большие габариты и устанавливаются на ОРУ подстанции.

Область применения ДГР указана в ПУЭ, однако целесообразно расширить нижний предел их применения, начиная с емкостных токов ОЗЗ в 5–10 А. Следует, однако, обратить внимание, что свою защитную функцию в отношении ТН и стабилизации нейтрали сети ДГР эффективно выполняют только:

• при полной компенсации тока ОЗЗ, что требует применения надежных устройств автоматической настройки тока компенсации;
• при выполнении требований п. 4.2.166 ПУЭ о симметрировании емкостей фаз относительно земли в пределах 0,75%, что достаточно проблематично в воздушных сетях.

Уменьшить смещение нейтрали при несимметрии емкостей фаз в сети помогает совместная работа ДГР с активным резистором. Однако эта тема требует отдельного рссмотрения.

Выводы

1. В ГОСТ 1983-2001 необходимо уточнить понятие «антирезонансный трансформатор напряжения» и требования к нему. Необходимо разработать и включить в ГОСТ спецальную методику испытаний таких трансформаторов.
2. Предотвращение феррорезонанса и повреждений заземляемых электромагнитных ТН обеспечивается в сетях 6–35 кВ с нейтралью, заземленной через резистор или/и дугогасящий реактор. Поэтому практику применения такого способа заземления нейтралей целесообразно расширить.
3. Для сетей с весьма малыми токами ОЗЗ, в которых резисторы или ДГР не устанавливаются, необходимо продолжать работу по совершенствованию антирезонансных свойств ТН.
   Из рассмотренных конструкций таких ТН наиболее перспективной представляется схема НАМИ-10-95, которую следует реализовать на пожаробезопасных ТН типа НОЛ и ТНП. При этом характеристика намагничивания ТНП во всем возможном диапазоне изменения фазных напряжений в переходных режимах должна приближаться к линейной. Должна быть предусмотрена возможность подключения резистора во вторичную обмотку ТНП.

Литература

1. Емельянцев А. Ю. Феррорезонансные процессы без замыкания на землю // Новости ЭлектроТехники. 2009. № 4(58).
2. ГОСТ 1983-2001. Трансформаторы напряжения. Общие технические условия.
3. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации (утв. Приказом Минэнерго РФ от 19.06.2003 № 229).
4. Попов В.С. Теоретическая электротехника. М.: Энергия, 1970.
5. Исследование стойкости ТН типа НАЛИ-СЭЩ-6(10) к феррорезонансным явлениям в сетях 6(10) кВ / Отчет о научно-исследовательской работе. Новосибирск: НГТУ, 2008.
6. Бардинский С.И., Соколов В.И. Антирезонансные трансформаторы напряжения. Вариант конструкторского решения // Новости ЭлектроТехники. 2010. № 2(62).
7. Зихерман М.Х. Трехфазный измерительный комплекс. Проблема совместимости // Новости ЭлектроТехники. 2010. № 4(64).
8. Емельянцев А.Ю., Кадомская К.П., Лаптев О.А. Экспертное мнение // Новости ЭлектроТехники. 2010. № 2(62).