Трансформаторное оборудование

В последние годы возникла объективная необходимость проведения измерений погрешностей трансформаторов напряжения и тока (ТН и ТТ) в условиях эксплуатации. В отличие от технологий их поверки в исследовательских, разрабатывающих организациях, на заводах-изготовителях, процедура измерений параметров ТН и ТТ в эксплуатации имеет ряд особенностей, о которых в своем материале рассказывает наш украинский автор Владимир Васильевич Назаров.

Владимир Назаров,
д.т.н., профессор,
ПАО «Хмельницкоблэнерго»,
Украина

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Оценка погрешностей в эксплуатации

На электроэнергетических предприятиях значительный объем измерений погрешностей ТН и ТТ производится мобильными (передвижными) лабораториями непосредственно на месте установки ТН и ТТ. Это та категория работ, которые целесообразно и вполне возможно выполнять по упрощенным методикам, применяя измерительную технику, обладающую существенно меньшими габаритами, массой и стоимостью, повышенной надежностью и безопасностью использования. В условиях эксплуатации задача дальнейшего совершенствования методик и самого оборудования для измерения погрешностей трансформаторов напряжения и тока остается актуальной.

ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Имеющийся опыт организации и выполнения поверок показал, что сведения о состоянии ТН 35 кВ и выше с учетом знания их погрешностей представляют определенный интерес для эксплуатирующих организаций. Оценка погрешностей ТН может быть осуществлена без значительных материальных и финансовых затрат посредством измерений в режиме напряжения равного 20% от его номинального значения, что допустимо и целесообразно по ряду объективных причин:

• Отсутствие удобных в эксплуатации вариантов мобильных (транспортабельных) установок, состоящих из источника питания и рабочего эталона соответствующего класса напряжения. Отдельные (единичные) экземпляры таких установок все еще имеют значительные массагабаритные показатели и весьма высокую стоимость.
• Сравнение результатов уже выполненных измерений с данными по погрешностям ТН серий ЗНОМ, НОМ, НКФ, НКФ-М, НОГ, приведенными в паспортах заводов-изготовителей, свидетельствует о достаточной точности для эксплуатационных нужд измерений погрешностей при пониженных напряжениях и об адекватном отражении результатами этих измерений реального состояния трансформаторов.
• Признание правомерным измерения погрешностей ТН 35 кВ и выше (в условиях эксплуатации) при напряжении 0,2 U_н позволяет в несколько раз снизить стоимость комплекта измерительного оборудования и существенно упрощает решение задачи его транспортировки.

Анализ паспортных данных и результатов измерений погрешностей ТН позволил сделать вывод о том, что погрешности (по напряжению и углу) трансформаторов указанных серий в пределах воздействующего напряжения 0,2–1,2 U_н изменяются незначительно. Разница их значений в крайних точках этого предела напряжений для основной обмотки с вероятностью 0,9 составляет 0,02–0,15% по погрешности напряжения и 3–10 мин. – по угловой погрешности (для класса точности 0,5 при фиксированной паспортной нагрузке и ее коэффициенте мощности 0,8). В пределах U = 0,2–0,8 U_н – соответственно не более 0,05% и 3 мин. Т.е. погрешности при 0,2 и 0,8 U_н достаточно близки по своим значениям.

Исходя из этого вывода, упрощенная, но приемлемая для эксплуатационных целей методика оценки погрешностей ТН 35–330 кВ сводится к сравнению результатов измерений с данными заводского паспорта. Измерения проводятся по основной и дополнительной обмоткам при паспортных значениях мощности их нагрузок. В случае существенных различий измеренных и указанных в паспорте погрешностей (более ±20% от значений, соответствующих классу точности ТН), измеряется ток холостого хода, значение которого также сравнивается с паспортными данными. По результатам измерений принимается заключение о возможности дальнейшей эксплуатации трансформатора напряжения.

Решая вопрос о применимости оценки погрешностей ТН для целей АСКУЭ, следовало бы учесть, что измеренные по-грешности при нормированных нагрузках могут существенно отличаться от значений погрешностей при реальных нагрузках ТН, изменяющихся в процессе его эксплуатации.

Кроме того, измерения по ГОСТ производятся поочередно в отдельности для основной и дополнительной обмоток без учета влияния нагрузки дополнительной обмотки на величину погрешностей основной обмотки. Эти обстоятельства практически сводят к нулю полезность знания погрешностей ТН, измеренных при фиксированных паспортных значениях нагрузок, с точностью до сотых долей процента и усложняют решение задач уточнения (коррекции) результатов измерения количества электрической энергии.

Изложенное выше можно воспринять в качестве информации для разработки исходного материала с целью закрепления данного варианта эксплуатационных измерений погрешностей ТН в виде отдельного раздела соответствующих нормативных документов (ГОСТ или иных). Предлагается утвердить дополнительно к методике поверки ТН следующее:

• применять упрощенный вариант (для внутриведомственного использования) периодических измерений погрешностей ТН в эксплуатации при 0,2 U_н. Этот способ не поверки, а эксплуатационного контроля, касается только оборудования, находящегося в эксплуатации;
• обязать изготовителей ТН указывать в паспортах на кон-кретное изделие значения погрешностей при 20, 50, 80, 100 и 120% номинального напряжения для всех обмоток ТН, а также тока холостого хода при подключении источника к одной из его вторичных обмоток с указанием величины напряжения, при котором произведено измерение.

ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА

Если говорить о трансформаторах тока, представляется возможным и допустимым в условиях эксплуатации проведение измерений погрешностей ТТ с номинальным первичным током более 1000 А (в точках 5, 10 и 20% для ТТ класса точности 0,2S и в точках 1, 5, 10, 20% для ТТ класса точности 0,5S) и сравнение их со значениями, приведенными в паспорте трансформатора.

Дополнительно производится снятие характеристики намагничивания (ВАХ) с целью подтверждения ее прямолинейности на участке по напряжению на выводах вторичной секции (если для трансформаторов напряжения наименование «многообмоточный» вполне корректно, то в силу особенностей конструкции ТТ, где каждая из вторичных обмоток имеет свой магнитопровод, он не многообмоточный, а многосекционный) при номинальной нагрузке до величины, соответствующей двукратному значению номинального вторичного тока трансформатора, если она используется в цепях измерений, учета энергии.

Пример. Номинальный вторичный ток 5 А, номинальная нагрузка 20 В·А, напряжение на выводах обмотки с учетом сопротивления проводника подключения нагрузки – 4 В. Отсюда измерение тока намагничивания достаточно провести до напряжения 8 В. Для вторичной секции, используемой в цепях релейной защиты, измерения тока намагничивания целесообразно проводить с десятикратным превышением напряжения относительно величины напряжения, соответствующего номинальной нагрузке.

Такой способ оценки погрешностей находящихся в эксплуатации ТТ, как и в случае с ТН, позволяет упростить конструкцию источника тока, рабочего эталона (лабораторного трансформатора тока) и магазина нагрузок, применяемых в схемах поверки. В конечном итоге решается важная народно-хозяйственная и научно-техническая задача организации, материального обеспечения и осуществления поверки в условиях эксплуатации ТТ с относительно большими значениями их номинальных первичных токов, указанных в табл. 5 ГОСТ 7746-2001.

ИСТОЧНИК И ЭТАЛОН

Второе направление работ по совершенствованию первичных (источники и рабочие эталоны) средств поверки трансформаторов напряжения 6–35 кВ в условиях эксплуатации предусматривает создание компактных и безопасных в работе с ними трансформаторов, совмещающих в себе функции источника и рабочего эталона (ИРЭ). В связи с появлением трансформаторов напряжения, изготовленных с применением трехфазного трехстержневого магнитопровода, решение задачи их поверки дополнительно потребовало разработки и изготовления трансформаторов ИРЭ уже в трехфазном исполнении.

Задача была решена посредством применения известной схемы измерения высокого напряжения с помощью ответвления от обмотки ВН испытательного трансформатора с некоторыми особенностями его исполнения, к которым относятся:

• применение овального (кольцевого) неразрезного отожженного магнитопровода в каждом из трех объединенных общей трехфазной системой однофазных трансформаторов;
• увеличенное сечение проводов обмоток высокого и низкого напряжения (плотность тока не более 0,5 А/мм² для медных проводов);
• наличие дополнительной симметрирующей обмотки (на рис. 1 – выводы а_д–х_д, b_д–y_д, c_д–z_д,), соединенной в треугольник. Клеммы a, b, c – ввод напряжения от регулятора 0–380 В; A, B, C – выводы ВН; a_и, b_и, c_и, 0 – клеммы подключения прибора измерения погрешностей.

Рис. 1. Схема трансформатора, совмещающего в себе функции источника и рабочего эталона

Трансформатор выполняется в трех вариантах по напряжению: 10(6), 20 и 35 кВ. Его главное преимущество по сравнению с комплектом отдельных источника и рабочего эталона: при меньшей в 1,5–2 раза массе применение ИРЭ позволяет существенно, не менее чем на порядок, повысить уровень безопасности проведения измерений посредством выполнения коммутационных операций на стороне низкого напряжения, исключая «общение» оператора со стороной ВН схемы измерений при переходе с фазы на фазу, что имеет место при применении традиционной установки поверки ТН.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Третье направление, в ответ на продолжающиеся заявления об отсутствии полноценного антирезонансного устройства для сетей 3–35 кВ [1, 2], представлено трансформатором НТМ(и) – масштабным измерительным преобразователем, предназначенным для питания входных цепей приборов, в том числе учета электроэнергии, схем релейной защиты, автоматики, сигнализации в сетях с изолированной нейтралью. Наличие дополнения в известной аббревиатуре в виде (и) означает применение в его конструкции отдельного устройства контроля изоляции, исключающего связь фаз сети с землей через нелинейные индуктивности самого трансформатора напряжения.

В [1] принято правильное решение о делении двух функций ТН – измерительной и сигнальной – по каналу контроля изоляции сети. Однако применение трансформатора для решения задачи контроля и сигнализации сводит к нулю полезность такого деления. К слову, там же разомкнутый треугольник назван открытым (в открытом или неполном треугольнике, в отличие от разомкнутого, отсутствует ветвь одного из междуфазных напряжений), а предлагаемая схема не предусматривает пофазный контроль изоляции сети. Кроме того, упущен из виду тот факт, что трехфазное исполнение трансформатора из трех однофазных, в данном случае ТИН, требует наличия дополнительной (симметрирующей, уравнительной) обмотки, соединенной в треугольник. Это обстоятельство обоснованно учтено при разработке конструкции НАМИ последней модификации с использованием трехстержневого магнитопровода, где такая обмотка также оказывается полезной.

Принципиальное отличие трансформатора НТМ(и) от практически всех известных вариантов антирезонансных трансформаторов заключается в том, что функция контроля изоляции возложена на трехфазный активный делитель, а функция измерения и учета – на два однофазных трансформатора, включенных на линейные напряжения по схеме Арона. По мощности и показателям погрешностей трансформатор НТМ(и) является аналогом трансформатора НАМИ. Первые образцы трансформаторов НТМ(и) эксплуатируются в сетях ПАО «Хмельницкоблэнерго» уже более 20 лет.

С целью проверки соответствия измеренной с помощью такого трансформатора электрической энергии ее реальному количеству, отпущенному потребителю, был проведен следующий опыт. Два счетчика электрической энергии на одной из линий 10 кВ, отходящих от подстанции 35/10 кВ, были подключены: первый к НТМИ, второй к НТМ(и). За один час наличия в сети искусственно созданного полного (металлического) однофазного замыкания недоучет отпущенной энергии составил 0,5%, что подтверждается измерениями погрешностей фазных трансформаторов НТМИ при воздействующем напряжении 10 кВ (режим ОЗ для двух неповрежденных фаз). В режиме перемежающегося ОЗ, которое в сети с воздушными линиями может существовать часами, показатель недоучета составил порядка 4,5% в ущерб снабжающей организации.

Указанные погрешности измерений вызваны самими трансформаторами НТМИ. В случае полного (металлического) замыкания ухудшение погрешности связано с повышением напряжения относительно земли на двух неповрежденных фазах до линейного и существенным увеличением их тока холостого хода. При перемежающемся замыкании снижение сопротивления обмоток ВН и возрастание тока вызвано подмагничиванием магнитопроводов этих трансформаторов экспоненциально спадающим напряжением разряда емкостей неповрежденных фаз сети [3] после каждого погасания дуги такого ОЗ.

В подтверждение выводов [3] дополнительно к осцилло-графированию были проведены измерения силы тока в цепи «нейтраль обмоток ВН – земля». В режиме устойчивого полного замыкания ее значение находилось на уровне 0,05–0,1 А. В режиме перемежающегося ОЗ оно оказывалось на порядок выше – до 1 А и более. Как видим, этот процесс является превалирующей причиной не только повреждений трансформаторов НТМИ (в меньшей мере – НАМИ), но и причиной нарушений в системах учета электроэнергии.

Пример. В баке трансформатора НТМ(и), используемого в сети 10 кВ (рис. 2), установлены две активные части (1, 2) трансформатора НОМ-10, обмотки высокого напряжения которых подключаются к фазам сети А–В и В–С по известной схеме открытого треугольника, а также три фазы высоковольтных делителей напряжения, набранных из резисторов МЛТ (или их аналогов), общим сопротивлением 18 МОм каждый. Резисторы R1, R2, R3 (3) присоединяются к земле через R0 и в общем формируют измерительные сигналы по напряжениям фаз относительно земли и напряжению нулевой последовательности, представляя полную информацию о состоянии изоляции сети. С целью обеспечения безопасности эксплуатации БКИ (4) параллельно низковольтным резисторам делителей напряжения подключены соответствующие ограничители напряжения (5).

Рис. 2. Схема трансформатора НТМ(и) 10 кВ

При этом следует учитывать, что в сетях с изолированной нейтралью (малыми токами однофазных замыканий) наглядно проявляются три вида напряжений: междуфазное (линейное); фазное, в симметричной трехфазной системе жестко связанное с линейным напряжением в соотношении U_ф = U_л / 1,73, не зависящее, как и линейное, от наличия любых однофазных замыканий; напряжение фаз сети, определяемое их проводимостями относительно земли. Поэтому, если трансформатор НТМ(и) установлен взамен трансформатора НТМИ, НАМИ или им подобных по конструкции, которые для осуществления контроля изоляции сети эксплуатировались с переключателем трех линейных и трех напряжений фаз сети относительно земли, некорректно именуемых фазными, то используемый вольтметр укажет только междуфазные напряжения, а напряжения фаз сети относительно земли персонал оценит по прибору на передней панели БКИ.

Уставка срабатывания реле сигнализации, составной части блока, имеет два уровня: чувствительный – 5% от значения 3U₀ при полном ОЗ и нормальный – 20%. Трансформатор НТМ(и), в случае необходимости использования в схемах цифровых подстанций, может быть дополнен прецизионным формирователем именно фазных напряжений сети. Тогда от данного измерительного комплекса получим информацию о трех видах напряжений контролируемой распределительной сети.

В последнее время появились предложения и доказательства целесообразности применения в сетях 10(6) кВ трехэлементных счетчиков количества электрической энергии с использованием для питания цепей входа фазных напряжений U_а, U_в, U_с, т.е. – не напряжений фаз сети, а фактически напряжений фаз относительно земли U_а–з, U_в–з, U_с–з.

В случае применения трехэлементных счетчиков имеет место еще одна причина неправильного учета энергии. Она обусловлена влиянием характера однофазного замыкания на напряжения неповрежденных фаз, которые при перемежающемся замыкании приобретают непредсказуемо хаотическую форму. То есть трехэлементный счетчик, если возникает необходимость его применения, не следует подключать к фазным напряжениям трансформатора НТМИ, а также его аналогов (к обмоткам, которые используются и для пофазного контроля изоляции сети).

ЛИТЕРАТУРА

1. Бардинский С.И., Соколов В.И. Антирезонансные трансформаторы напряжения. Вариант конструкторского решения // Новости ЭлектроТехники. 2010. № 2.
2. Экспертное мнение // Новости ЭлектроТехники. 2010. № 2.
3. Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.