Как известно, согласно ГОСТ 23366-78, существует довольно широкий ряд напряжений, рекомендуемых к генерации, применению в распределительных сетях и устройствах. И если напряжения до 1000 В еще можно измерить прямым способом, то из соображения как безопасности, так и технически напряжения выше 1000 В прямым способом измерять не целесообразно.
Чтобы измерять напряжение выше 1000 В удобнее всего преобразовать его к одной стандартной величине. Благодаря этому можно унифицировать счётчики, аппараты предназначенные для измерения и защиты. Преобразование напряжения требует установки специальных измерительных трансформаторов, называемых трансформаторами напряжения (ТН). Их цель преобразовать первичное напряжение любого класса в унифицированное вторичное, пригодное для использования в схемах учёта и автоматики и питания релейной защиты.
Вы так же можете прочитать эту статью на сайте Гуру ПНР.
Как классифицируются трансформаторы напряжения
Классификация трансформаторов напряжения довольно широка. Рассмотрим лишь самые общие моменты.
По физическому принципу преобразования напряжения
По физическому принципу преобразования напряжения их можно разделить на электромагнитные и емкостные. Электромагнитные трансформаторы напряжения подключаются на напряжение "фаза-земля" или "фаза-фаза" и являются классическими трансформаторами, трансформирующими высокое напряжение в низкое за счёт электромагнитных преобразований. Как правило, такие трансформаторы редко используются на напряжение выше 35 кВ из-за сложности их конструкции. Поэтому для высоких и сверхвысоких напряжений нашли применение емкостные трансформаторы.
Работа емкостного трансформатора основана на делении напряжения на последовательно соединенных емкостных элементах. Ниже показана конструкция трансформатора.
Еще одно преимущество такого устройства - возможность организовать через него ВЧ-канал при небольшом дооборудовании, что и делается по желанию заказчика.
Здесь С1 - конденсатор высокого напряжения; С2 - конденсатор среднего напряжения; I - разрядник; З - заземлитель; Р - реактивная катушка; Т - промежуточный трансформатор; F - демпфирующее устройство; А - зажим высокого напряжения; Х - зажим низкого напряжения; a1-x1 - основная обмотка; ад-хд - дополнительная обмотка; а2-х2 - вторая основная обмотка; Хc - зажим для высокочастотной связи.
Всё, в принципе, просто и понятно. Хотелось бы только заметить, что из-за емкостной "природы" преобразования происходит смещение угла вторичного напряжения относительно первичного. Поэтому в составе изделия имеется реактивная катушка, которая компенсирует угол.
По количеству фаз
По количеству фаз они бывают:
Однофазные — это заземляемый трансформатор, т. е. один вывод обмотки подключается на фазу системы шин или секции, а второй — на "землю".
Двухфазные — выводы трансформатора подключаются между двумя фазами.
Трехфазные — обмотки выполнены в одном корпусе. Могут быть намотаны на индивидуальные магнитопроводы, на трёхстержневой или пятистержневой магнитопровод. Могут иметь вывод общей точки для заземления или быть без него.
Трехфазные группы - когда из трёх однофазных собирают трёхфазный трансформатор конструктивно и электрически соединяя их.
Защита от феррорезонанса
По устойчивости к феррорезонансу трансформаторы напряжения бывают обычные и антирезонансные. О явлении феррорезонанса и способах защиты от него мы поговорим далее.
Обозначение трансформаторов напряжения
Все вышеперечисленные свойства, которыми классифицируют трансформаторы напряжения, вносят в их буквенные обозначения. Прохор Наумович постарался соединить воедино все известные обозначения отечественных трансформаторов и отобразил в графическом виде для лучшего восприятия:
Большинство известных обозначений удалось свести в столбце "Классификация 1". Однако, не всё удалось "загнать под одну гребёнку", поэтому появился второй столбец — "Классификация 2".
Обозначение выводов трансформаторов напряжения
При проведении пусконаладочных работ очень важно соотнести правильно фазировку высокой стороны и низкой стороны. Тогда вывода трансформатора напряжения станут "эталоном" для проверки чередования фаз, что в свою очередь поможет при проведении фазировки электрооборудования.
Хотя и существует множество конструктивных исполнений трансформаторов напряжения, однако, обозначения выводов можно обобщить так:
- Выводы первичных обмоток обозначаются:
- Для однофазных трансформаторов и групп однофазных трансформаторов: A - начало обмотки, X - конец обмотки (для заземляемых трансформаторов напряжения заземляется);
- Для трехфазных трансформаторов: A, B, C: выводы первичной обмотки, подключаемые к фазам; X или O - вывода обмоток заземляемые;
- Выводы вторичных обмоток обозначаются:
- Для однофазных трансформаторов и групп однофазных трансформаторов: a, x или ai, xi - основные обмотки. Здесь i - порядковый номер обмотки (например, a1 и x1, a2 и x2). Дополнительные обмотки обозначаются: aд и xд.
- Для трехфазных трансформаторов: a, b, c - фазные выводы, o - вывод средней точки.
- Для трехфазных трансформаторов с защитой от феррорезонанса еще предусматривается дополнительный вывод нулевой точки од.
Внесем разъяснения что такое основная и дополнительные обмотки трансформатора напряжения согласно ГОСТ 1983-2015:
Основная вторичная обмотка трансформатора напряжения - обмотка, предназначенная для учёта электроэнергии и питания измерительных приборов и цепей защитных устройств. Согласно стандарта, основная обмотка должна иметь класс точности 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0. Если трансформатор напряжения имеет две основные обмотки, то самую точную используют для организации учёта электроэнергии, а оставшуюся - для питания измерительных приборов и цепей защиты.
Дополнительная вторичная обмотка трансформатора напряжения - обмотка предназначенная для питания цепей защитных устройств и контроля изоляции сети. Для них присваиваются классы точности 3Р или 6Р.
По маркировке выводов трансформатора напряжения собираются вторичные цепи напряжения со своим, понятным каждому релейщику, обозначением. Вывода основной вторичной обмотки получают "шестисотую" маркировку и функциональное обозначение:
Согласно Руководящего материала 10260тм-Т1 обозначения вторичных цепей, непосредственно отходящих от ТН выполняются числами 600-699. Например, цепи ТН от выводов будут маркироваться A (B, C, N, H, U, K, F) 600 до первого коммутационного аппарата или клеммника, за которым образуются шины цепей напряжения (EV или ШН).
Примечание:
Здесь и далее по тексту обозначение выводов разомкнутого треугольника U и F считаются равноценными обозначению И и Ф. Обозначение U и F применяется для цитирования выдержек из нормативных документов, в которых именно так они и обозначены. Традиционным считается обозначение выводов И и Ф.
И так, в зависимости от того, как соединены между собой выводы a, x и aд, xд на первой же сборке зажимов после ТН — это придаёт им смысл (функциональное назначение) и обозначение: A, B, C, N — фазы для основной обмотки ("звезды") и Н, И, Ф, К — вершины для разомкнутого треугольника. Рассмотрим эти самые способы соединения выводов между собой, т. е. схемы соединения обмоток.
Схемы соединения обмоток трансформаторов напряжения
В практике применяются различные схемы включения трансформаторов напряжения: схема открытого треугольника, схема с общей заземлённой точкой и схема без общей заземлённой точки.
Схема открытого треугольника
При такой схеме требуется всего лишь два трансформатора напряжения, которые включаются на два линейных напряжения, например, на A-B и B-C:
На вторичных выводах напряжение Uab и Ubc получается трансформированное, а Uca — за счёт разности потенциалов между выводами C600 и A600 и за счёт последовательного соединения вторичных обмоток.
Достоинство этой схемы в простоте реализации, а недостаток — в низкой точности, так как мощность в трёхфазном симметричном режиме равна не сумме мощностей трансформаторов напряжения, а всего лишь √3 одного трансформатора. И такая схема лучше всего работает при симметричных нагрузках, так как при относительно небольших несимметричных нагрузках треугольник напряжений начинает искажаться.
Ещё один недостаток данной схемы — отсутствие реакции на однофазные замыкания в сети, так как подключение выполняется на линейные напряжения, которые не изменяются при однофазном замыкании на "землю". Поэтому эта схема применяется всё реже и реже.
Схема с общей заземлённой точкой (фазное включение)
Три трансформатора напряжения подключаются одним выводом на фазную шину, а вторым собираются в одну среднюю точку, оказываясь таким образом под фазным напряжением. В сетях 110 кВ и выше такая схема позволяет определять различные неисправности во вторичных цепях напряжения и отличать их от реального однофазного замыкания на "землю" (об этом далее). В сетях с изолированной нейтралью (6-35 кВ) дополнительная обмотка ограничивается выводами Н и К, иногда еще И. Как разновидность такой схемы — пятистержневой трансформатор напряжения в едином корпусе:
Однофазное замыкание на "землю" для таких трансформаторов напряжения является стрессом. В сетях 110 кВ и выше однофазные замыкания устраняются быстро работой токовых защит. Для сетей с изолированной нейтралью трансформаторы напряжения производят с учётом длительной работы при воздействии на трансформаторы неповреждённых фаз линейного напряжения, но всё равно это довольно нестабильный режим, так как существует вероятность возникновения беспощадного явления феррорезонанса, которое тяжело предугадать.
Схема включения без общей точки (на линейные напряжения)
Такие схемы применяются в основном в сетях с изолированной нейтралью, где время работы в режиме однофазного замыкания может измеряться часами. Для контроля изоляции они непригодны, потому что при замыкании в сети ВН на "землю" искажаются фазные напряжения, тогда как ТН такого типа включаются на линейные напряжения. Трёхстержневая констркуция ТН не предусматривает возможности работы с заземлённой средней точкой по высокой стороне, так как образуемые при замыкании на "землю" токи нулевой последовательности будут циркулировать внутри магнитопровода не равномерно, вызывая его нагрев.
Линейное включение с компенсацией угла
Схема интересна тем, что имеет дополнительные обмотки для компенсации угловой погрешности (например, трансформатор напряжения типа НТМК). На векторной диаграмме а) показана угловая погрешность между первичным напряжением (UA, UB, UC) и вторичным (Ua, Ub, Uc) на угол в δ градусов. Напряжения UAK, UBK, UCK — это напряжения в компенсационных обмотках, которые имеют существенно меньшее число витков. Рассмотрим принцип компенсации на примере фазы "А" на рисунке b): он состоит в том, что основной магнитный поток (ФА) создаётся под действием напряжения фазы UA, а дополнительное подмагничивание происходит потоком ФСК от компенсационной обмотки фазы UCK. За счёт этого подмагничивания происходит смещение магнитного потока в стержне фазы "А" на угол компенсации δ. В итоге, вторичное напряжение Ua трансформируется со скомпенсированным по фазе углом. Векторная диаграмма b) крайне условная, но зато простая для понимания.
Эта схема точно так же не применяется для контроля изоляции, как и предыдущая, а только для учёта.
Обозначения соединений обмоток и их группы
Взаимное расположение вторичной обмотки относительно первичной образует так называемую группу. В трансформаторах напряжения нет такого разнообразия групп, как у силовых трансформаторов. А в обозначении указывается схема соединения и группа. Ниже на рисунке представлены обозначения всех известных схем соединения обмоток трансформаторов напряжения. Надо заметить, что не все обозначения официальные:
Из этих обозначений составляется общее обозначение, по которому можно судить о схеме соединения обмоток трансформатора напряжения. Составляется оно в таком порядке:
- Вначале обозначаются схемы, разделённые друг от друга правой косой чертой (/):
- Схема обмотки ВН;
- Схема основной обмотки 1;
- Схема основной обмотки 2 (если есть);
- Схема дополнительной обмотки
- Затем указываются группы обмоток, отделённые от схем дефисом и разделённые между собой дефисом:
- Группа основной обмотки 1;
- Группа основной обмотки 2.
Рассмотрим несколько примеров:
- Однофазный трансформатор с одной основной обмоткой и одной дополнительной обозначается: 1/1/1-0-0.
- Трёхфазный трансформатор, у которого обмотка ВН соединена в "звезду", основная обмотка — "звезда с нулём" и дополнительная обмотка: Y/Yн/П-0.
- Трёхфазный трансформатор, у которого обмотка ВН соединена в "звезду с нулём", две основные обмотки, соединённые в "звезду с нулём" и дополнительная, соединённая в разомкнутый треугольник: Yн/Yн/Yн/П-0-0.
Обозначения схем обмоток подчиняются ГОСТ 1983-2015, но производители иногда расширяют обозначение и могут указывать дополнительные устройства в составе обозначения.
Антирезонансные трансформаторы напряжения
Феррорезонанс — разрушительное явление для трансформаторов напряжения, вызванное появлением нелинейного реактивного элемента в цепи, с которым нельзя не считаться. Характерен он для сетей с изолированной нейтралью, а страдают от него по большей части заземляемые трансформаторы напряжения. Возникает он из-за изменений реактивных сопротивлений и режимов сети. Как это происходит?
Как известно, в сетях с изолированной нейтралью жилы фаз имеют только емкостную связь с "землёй" и между собой по всей длине линии (CфA, CфB, CфC). Предположим, что произошло однофазное замыкание на "землю", например, в фазе "А", тогда схема сети изменится:
В новой "формации" наблюдаем следующее:
- К обмоткам трансформатора напряжения фаз "В" и "С" теперь приложено линейное напряжение;
- Образовался параллельный колебательный контур в который входят обмотки трансформатора напряжения и распределённые ёмкости сети (CфA, CфB);
- В месте возникновения замыкания на "землю" происходят коммутационные переходные процессы, которые заставляют индуктивность трансформатора напряжения реагировать на изменение тока в месте контакта;
- Из неочевидных, но известных фактов — появление гармонических составляющих при возникновении замыкания на землю.
Повышение напряжения с фазного до линейного и коммутационные перенапряжения выводят трансформатор напряжения из линейного участка работы характеристики намагничивания магнитопровода 1 в зону насыщения 3, где при относительно небольшом изменении напряжения существенно возрастает ток. И в какой-то момент индуктивное сопротивление обмоток трансформатора напряжения приближается к емкостному сопротивлению линии провоцируя тем самым резонанс токов. Повышение тока вызывает нагрев, нагрев разрушает трансформатор.
Для защиты от этого губительного явления существует множество технических решений. Например, у однофазных трансформаторов напряжения вывод обмотки высокого напряжения заземляют через резистор около 1 кОм, а дополнительную обмотку нагружают на сопротивление 25 Ом.
Идея здесь простая: возникающий в первичных обмотках ток феррорезонанса ограничивается сопротивлением и создаёт дополнительное падение напряжения на нём, таким образом деля напряжение между сопротивлением и обмоткой и, как следствие, уменьшая ток намагничивания магнитопровода. Резистор в цепи дополнительной обмотки так же разгружает магнитопровод, отбирая активную энергию трансформированную через него и рассеивая в тепло.
Короткие замыкания в сети могут оставаться довольно долго, поэтому сопротивление в дополнительной обмотке может перегреваться. Некоторые производители электрооборудования предлагают вместо обычного сопротивления устанавливать нелинейное, которое при нагревании уменьшает свою проводимость и тем самым может иметь меньшие габариты и оставаться долго в работе при аварийном режиме.
Ещё одно решение — применение выносного трансформатора. Первичные обмотки трансформатора напряжения собираются в одну общую точку. Эта точка заземляется не напрямую, а через обмотку выносного трансформатора. Таким образом, возникающее при замыкании на "землю" напряжение нулевой последовательности 3Uo прикладывается к выносному трансформатору.
На самом деле это не все способы защиты, которые попадались на практике. Их многообразие говорит о том, что явление это ещё не изучено до конца и нет чёткого понимания, как с ним бороться.
Вторичная нагрузка трансформаторов напряжения и условия соблюдения точности
Величина нагрузки во вторичных цепях трансформатора напряжения влияет не только на его целостность, как устройства, но и на точность измерений и учёта. Поэтому, при проведении пусконаладочных работ необходимо проверять полную возможную нагрузку на цепи напряжения, а в эксплуатации - контролировать эти параметры.
Стандарт ГОСТ 1983-2015 разделяет следующие типы нагрузок:
- Нагрузка типа I: Нагрузка с коэффициентом мощности (cos φ) от 0,5 до 1;
- Нагрузка типа II: Нагрузка с коэффициентом мощности (cos φ) 0,8;
Величина нагрузки влияет на класс точности трансформатора напряжения, и чем эта нагрузка выше, тем класс точности ниже (т.е. ухудшается). Изготовители измерительных трансформаторов указывают в паспорте предельные значения мощностей для соответствующего класса точности. Например, в паспорте трансформатора НАМИТ указано так:
Имея эти данные, выполним измерения, как показано на рисунке ниже:
При проведении наладочных работ обязательно нужно проверять нагрузку в нормальном режиме, чтобы оценить правильность выбора проектом оборудования. Следующим этапом такие измерения нужно произвести для всех трансформаторов напряжения, создав каждому в отдельности вероятный в эксплуатации режим работы с максимальной нагрузкой. Например, работа ТН на две секции, когда ТН другой секции выведен из работы. И по измеренным значениям мощности можно оценить, в какой класс попадает трансформатор, работая "за двоих".
"Особая" фаза
Под "особой" фазой согласно ГОСТ 26522-85 понимается такая фаза, которая оказывается в условиях отличных от условий двух других фаз при возникновении продольной и/или поперечной несимметрии.
Защиты, по принципу своего действия использующие цепи напряжения должны блокироваться при их неисправности (перегорании предохранителя, отключении автомата, обрыве провода, коротком замыкании во вторичных цепях). Встаёт вопрос: а как отличить, например, при перегорании предохранителя в одной из фаз, что это неисправность, а не замыкание этой фазы по первичной стороне? Для этого разработан алгоритм БНН (блокировка при неисправности цепей напряжения). Вот его математическое представление:
Эти три формулы для трёх различных случаев, когда "особая" фаза "А" (1), "особая" фаза "В" (2) и "особая" фаза "С". Но что же это такое "особая" фаза? Хорошее определение даётся в руководстве на ступенчатые защиты шкафов ШЭ 2607 производства НПП "ЭКРА": "Под «особой фазой» понимается вектор фазного напряжения «звезды», совпадающий по направлению с вектором напряжения замыкающей фазы «разомкнутого треугольника» (или противоположный ему)".
На рисунке построена векторная диаграмма для нормального режима работы при "особой" фазе "А". Руководствуясь формулой (1), рассмотрим принцип действия БНН в нормальном режиме.
Случай 1: Нормальный режим работы:
- Если взять часть выражения (1), где суммируются фазные напряжения "звезды", то складывая вектора UBN + UCN мы получим сонаправленный с UAN вектор (на рисунке вектор показан чёрной пунктирной линией между сточками N-C). UAN в (1) взят со знаком "минус", таким образом в нормально режиме сумма фазных напряжений "звезды" равна нулю.
- Правая часть выражения (1), тоже должна быть равна нулю в нормальном режиме, потому что векторы UНИ и UИК сонаправлены.
- Таким образом UБНН = 0 в нормальном режиме.
Случай 2: Режим, когда пропала фаза "А" из-за обрыва провода во вторичных цепях "звезды" или при перегорании предохранителя:
- В выражении (1) -UAN = 0, поэтому сумма напряжений "звезды" не будет равна нулю;
- Сумма напряжений треугольника по прежнему будет равна нулю.
- Таким образом UБНН будет равно фазному напряжению "оборванной" фазы.
Случай 3: Когда в первичной цепи ТН произошло замыкание фазы "А" на "землю". Тогда:
- Напряжение фазы UAN = 0 и UНИ = 0;
- Сумма напряжений "звезды" UBN и UCN будет равна 3UAN=3Uo;
- Сумма напряжений "треугольника" равна UИК;
- Тогда выражение (1) упрощается до 3UAN + (-UИК)/√3, а так как они равны, то UБНН = 0.
Возможно еще множество вариантов, но главный посыл в том, что при проверке цепей напряжения нужно знать, какая фаза является "особой", потому что неверное её определение чревато ложным срабатыванием БНН и, как следствие, несрабатыванием защиты, принцип работы которой построен на измерении напряжения.
Почему заземляется фаза "b" у трансформатора напряжения?
Есть такое правило, у "звезды" заземляется начало фазы "b", а у "треугольника" — вывод "К". Возникает вопрос, почему именно так? На самом деле всё очень просто объясняется: при такой схеме заземления легко определяются все фазы цепей напряжения в любой точке, куда подходят эти самые цепи. Например, на каком-то счетчике нужно правильно собрать "звезду". Зная, что заземлено начало фазы "b", производим следующую последовательность действий для определения правильности маркировки проводов "звезды":
- Находим заземлённый вывод фазы "b", измеряя напряжение относительно "земли";
- Находим нулевой вывод, замеряя относительно "земли" напряжение на неизвестных проводах: если значение напряжения около 60 В - значит это нулевой провод. Остальные должны быть по 100 В;
- Щупы опорного входа (относительно которых измеряется угол) ВАФа подключаем так: конец - на "землю", а начало - на предполагаемую фазу "a". Величина напряжение должна быть равна около 100 В;
- Щупы измерительного входа подключаем: начало на "землю", а конец - на предполагаемую фазу "c". Здесь тоже напряжение должно быть около 100 В;
- Таким образом мы ожидаем увидеть угол между UAB и UBC, который должен быть равен: -120° (120L);
- Переставляем измерительные щупы на: начало на фазу "c", конец на фазу "a" - должен получиться угол +120° (120С). Это угол между UAB и UCA;
- Если это так, то фазы определены верно. Если нет, нужно провести измерения повторно, предполагая, что бывшая фаза "a" теперь "c" и наоборот.
Если бы у нас был заземлен "Ноль", то существует вероятность допустить ошибку при поиске фаз: можно угадать чередование, но сами фазы определить не получится (например, вместо "A-B-C" можно попасть на "B-C-A" или на "C-A-B"): чередование то же, но характер нагрузки уже будет неверным. Поэтому принято заземлять фазный вывод фазы "b". Вот и вся хитрость.
Как обозначаются цепи напряжения
Ещё раз затронем эту тему более подробно. Для обозначения цепей напряжения отводятся числа от 600 до 799. Как мы уже выяснили, от выводов трансформатора напряжения провода маркируются A(B, C, N, H, U, F, K) 600-609. В таком виде они образуют шинки напряжения и начинают нести свою функциональную нагрузку.
На заметку:
Если по обозначениям "A", "B", "C", "N" понятно, что это фазы "звезды", то с "треугольником" всё немного сложнее. Откуда взялись эти странные обозначения "Н", "И", "Ф", "К" и зачем они вообще нужны? Как их правильно запомнить? Всё очень просто: рассмотрим треугольник, в котором обозначим все вершины как выводы фаз ТН.
Видно, что одна из вершин имеет двойное обозначение - Н и К. Если мы начнем обходить треугольник от вершины к вершине, то увидим, что первая вершина обозначается Н ("начало"), переходит в И, затем в Ф, а замыкается в К ("конец"). В нормальном режиме между Н и К расстояние равно нулю, а это значит, что нет никаких повреждений. В аварийном режиме точки Н и К начинают отдалятся друг от друга, образуя 4-ую сторону многоугольника. Длина этой стороны и есть то самое 3Uo - напряжение нулевой последовательности.
Вывод И ("испытательный") используется для проверки направленности защит, когда его подают вместо Н и анализируют срабатывание реле. Эта процедура описана далее в разделе "Имитация короткого замыкания для положения вектора 3Uo".
Вывод Ф ("фазировочный") используют, например, для компенсации угла смещения напряжения на 30° ВН и НН силового трансформатора в блоках генератор-трансформатор, при синхронизации генератора с сетью.
Так как повышающий трансформатор имеет группу 11, то при ручной синхронизации компенсация угла производится по напряжениям a-b на стороне генератора и К-Ф на стороне сети. Такая схема удобна еще и тем, что линейное a-b ТН-10 кВ равно ~100 В, а К-Ф (по сути фаза b треугольника ТН-110 кВ) тоже ~ 100 В.
Провода, отходящие от шинок напряжения, например, EV1.A(B, C, N, H, U, F, K) или EV2.A(B, C, N, H, U, F, K), обозначаются согласно первичного напряжения трансформатора напряжения:
Цепи, отходящие от шинок обходной системы шин EVB.U(F) обозначаются:
Цепи, подключаемые к шинкам напряжения через блок-контакты разъединителей или контакты реле-повторителей разъединителей, обозначаются числами из диапазона 701-799 с учетом первичного напряжения трансформатора напряжения:
Обозначение шинок напряжения подчиняется следующему алгоритму:
- EV - обозначение шинки напряжения;
- Обозначение системы шин: 1-ая, 2-ая или B - обходная;
- Разделитель (не обязательно);
- Буквенный код, обозначающий фазу/вывод: A, B, C, N, H, U, F, K.
Объемы проверки цепей напряжения
Для проверки вторичных цепей трансформаторов напряжения руководствоваться можно такими документами:
- РД 34.35.305 "Инструкция по проверке трансформаторов напряжения и их вторичных цепей". Документ описывает проверки общие для цепей напряжения.
- РД 34.35.302 "Типовая инструкция по организации и производству работ в устройствах релейной защиты и электроавтоматики электростанций и подстанций". Инструкция даёт указания в целом по проверке релейной защиты уже на присоединениях.
Перечисленные документы можно найти в библиотечке Прохора Наумовича. Согласно РД 34.35.305-79 требуется проведение перечня мероприятий, которые сведены в табличку ниже:
Но все инструкции на планете не перечитаешь, поэтому попробуем сделать "выжимку" или шпаргалку, чтобы можно было быстро освежать в памяти, какие действия нужно делать.
Внешний осмотр
Производится внешний осмотр состояния трансформатора, наличие маркировки выводов и проводов (если её нет, то наносится по результатам проверок), состояние контактных зажимов, коммутационных аппаратов, мест выполнения заземления вторичных обмоток. Не стоит брезговать прозвонкой цепей: хороший тон - отключить от выводов ТНа все провода и произвести их прозвонку, а после установления полярности выводов ТН, выполнить подключение.
Определение однополярных выводов ТН
Суть проверки такова: с помощью источника постоянного тока (например, батарея или аккумулятор), прикладываемого к первичной обмотке, проверяется отклонение стрелки гальванометра на вторичной. Делаем так:
- Подсоединяем гальванометр «минусом» на предполагаемый вывод «х», а плюсом — на «а»;
- Соединяем «минус» источника постоянного тока с выводом «Х» ТН, а на вывод «А» кратковременно подаём «плюс» аккумулятора;
- Если во время касания «плюсом» аккумулятора вывода «А» ТН отклонение стрелки гальванометра идёт в «плюс», то выводы однополярны, т. е. «Х» соответствует «х», а «А» соответствует «а»;
- В противном случае, нужно перевернуть полюса гальванометра на выводах «а» и «х»
Еще проще это делается ВАФом:
- К обмотке ВН трансформатора напряжения «А - Х» подводится переменное напряжение, например, 220 В;
- На обмотке низшего напряжение между «а-х» производится замер угла;
- Если угол близок к 0°, то обмотки однополярны, а если близок к 180°, то выводы вторичной обмотки перевернуты.
Рассмотрим схемы проверки трехфазных трансформаторов напряжения:
Для этой схемы есть одно замечание: предположим, что маркировка на выводах обмотки низкого напряжения пришла в такую негодность, что невозможно отличить выводы «a», «b», «c» от «0». Так вот, нулевым выводом «0» будет тот, на котором гальванометр никогда не отклонится в «+».
Но, по-моему, всегда самый лучший вариант - это подвести трехфазное напряжение 380 В на выводы "A", "B", "C", если позволяет коэффициент трансформации. Имея ВАФ остаётся измерить углы напряжений относительно подводимого напряжения.
Определение сопротивления вторичных цепей
Почему важно знать сопротивление цепей после ТН до потребителей? Чтобы ответить на два главных вопроса:
- Правильность выбора автоматического выключателя в цепях ТН (об этом дальше) — здесь нам достаточно знать активное сопротивление rпр;
- Проверка допустимого падения в цепях напряжения для устройств учёта — в этом случае нужно знать полное сопротивление zпр.
В РД 34.35.305-79 рекомендуется делать проверку сопротивления участка вторичных цепей по участкам:
- от ТН до автомата цепей напряжения;
- от автомата цепей напряжения до сборки с шинками щита управления;
- от сборки с шинками щита управления до шкафов защит (самого дальнего);
- от сборки с шинками щита до узлов учёта;
- посекционный замер.
Основное требование, чтобы в измерительную цепь вошли составные элементы такие, как переходные сопротивления контактов, кабели, расцепители выключателей, предохранители, шинки, рубильники, блок-контакты и т. д., потому что в сравнении с кабелем сопротивление остальных элементов велико, что скажется на расчёте минимального тока короткого замыкания Iкз min. Лучше всего подходит метод амперметра-вольтметра, с помощью которого можно определить полное сопротивление в проверяемой цепи. Вначале отключаются все заземляющие проводники в цепях напряжения. Отключается участок проверяемой цепи с двух сторон, на одной стороне устанавливается закоротка между двумя жилами, а с другой стороны подаётся напряжение. Измеряется напряжение на выводах источника, ток и угол между ними.
Если есть такие цепи, где присутствует соединение обмоток "звездой", то нужно измерить сопротивление каждой пары междуфазно и каждой фазы с нулевым проводом. По полученным данным вычисляется среднее значение сопротивления каждой фазы и нуля.
Для цепей разомкнутого треугольника измеряют тоже попарно сопротивление между жилами "Н"-"И", затем "Ф"-"К", "Н"-"К", "И"-"Ф" и вычисляют среднее значение каждой жилы.
Определение сопротивления трансформатора напряжения zk
Чтобы рассчитать возможные токи короткого замыкания во вторичных цепях ТН, определяют сопротивление трансформатора zk. Если известно значение напряжения короткого замыкания uК в процентах, то сопротивление можно рассчитать:
zk = uК∙U2НОМ/(100∙S),
- uК — напряжение короткого замыкания, %;
- Uном — номинальное напряжение вторично обмотки ТН, В;
- S — мощность ТН, к которой отнесено uK, В∙А.
Для этого во вторичную обмотку подают регулируемое напряжение, а первичные обмотки закорачивают по специальным схемам. Напряжение во вторичной обмотке U2 подымают до такой величины, чтобы не превысить максимальный ток любой из обмоток. Достигнув максимально возможного тока, фиксируют значение I2 во вторичной обмотке. На основании этих данных рассчитывают сопротивление.
Для однофазного ТН сопротивление определяется:
zk=U2/I2
Для трехфазных трансформаторов без вывода средней точки по стороне ВН такой опыт проводят попарно закорачивая фазы AB, BC и CA и соответственно им подавая напряжение на выводы обмоток ab, bc, ca:
Тогда, сопротивление рассчитывается:
zk=U2(2∙I2)
Если со стороны ВН и НН есть выводы средних точек, то предпочтительнее закорачивать и возбуждать обмотки пофазно:
Сопротивление трансформатора напряжения определится:
zk=U2/I2
Для расчёта межфазного тока короткого замыкания берется среднее значение из полученных величин:
zk=(zk1+zk2+zk3)/3
Сопротивление дополнительных обмоток можно определить закоротив все выводы фаз ВН друг на друга и подавая напряжение на выводы вторичных обмоток aд и xд:
Сопротивление дополнительных обмоток определится как:
zk=U2/(3∙I2)
Расчёт минимального и максимального возможных токов короткого замыкания во вторичных цепях ТН
Максимальный ток короткого замыкания Iкз max даёт нам возможность оценить правильность выбора защитного аппарата с точки зрения его отключающей способности: а способен ли защитный аппарат разорвать цепь при возникновении такого тока.
Ещё, к настоящему моменту у нас есть данные о сопротивлениях вторичных цепей rпр и zпр, а так же сопротивления трансформатора напряжения zk. Пользуясь этими данными проверяют чувствительность уставок защитных аппаратов вторичных цепей и правильность их выбора, сравнивая их соотношение с током минимального возможного короткого замыкания Iкз min. Для различных схем применим различный подход к определению максимального и минимального тока короткого замыкания.
Токи КЗ при схеме "открытого треугольника"
Для схемы "открытого треугольника" характерно то, что при трёхфазном коротком замыкании ток в фазах "a" и "c" меньше тока в фазе "b" в √3 раз, а минимальный ток короткого замыкания будет между фазами "a" и "c":
Токи КЗ при схеме ТН "Y/Y"
Максимальный ток короткого замыкания для схемы Y/Y определяется из условия трёхфазного замыкания, а минимальный ток короткого замыкания возникает при замыкании между любыми двумя фазами:
Токи КЗ при схеме ТН "Yн/Yн" на напряжение до 35 кВ
Максимальный ток короткого замыкания ожидается в случае, когда происходит двухфазное замыкание в цепях основных обмоток, а по стороне ВН любая из фаз в это время замкнута на "землю". Мнимальный же ток возникает при замыкании любой из фаз во вторичной цепи на ноль:
Следует отметить, что в формуле минимального тока КЗ учитывается отдельно сопротивление нулевого провода, так как оно может отличаться из-за меньшего сечения, применяемого для нулевых проводов в некоторых типах кабелей.
Токи КЗ при включении однофазных ТН по схеме "Yн/Δ" в сетях с заземлённой нейтралью
Максимальный ток для однофазных ТН в цепях "разомкнутого треугольника", когда обмотки ВН соединены по схеме "звезда" ожидается в проводах "И"-"Ф" при замыкании всех фаз. Минимальный ток возникает при коротком замыкании между проводами, отходящими от замкнутой и разомкнутой вершин треугольника (например, между проводами "И"-"К" или "Н"-"Ф".
Токи КЗ при включении ТН по схеме "Yн/Δ" в сетях до 35 кВ
Максимальный ток короткого замыкания возникает в проводе "И" в ТН 35 кВ при возникновения КЗ в фазе "А" со стороны ВН, когда напряжение ваз "B" и "C" возрастают до линейных значений.
Токи короткого замыкания емкостных ТН типа НДЕ
В емкостных трансформаторах напряжения типа НДЕ максимальный ток значительно меньше, как если бы его рассчитывать по формулам для электромагнитных ТН, из-за насыщения встроенного реактора в первичной цепи ТН. Поэтому для НДЕ следует принимать ток КЗ в цепи основной обмотки равным 168 А, а в цепи дополнительных обмоток √3∙87 А. Минимальный ток КЗ может быть расситан по формулам, приведённым ниже. Он будет считаться точно определённым до значений около 60 А в основной обмотке и 30 А в дополнительной. Это оять-таки связано с насыщением встроенного реактора.
Если есть сомнения в чувствительности уставок защитных аппаратов при таких токах, то лучше уточнить их фактическим измерением при КЗ.
Оценка полученных токов короткого замыкания
Максимальные токи короткого замыкания (Iкз max) должны сравниваться с такими данными коммутационного аппарата, как предельная наибольшая отклчающая способность (Icu или Icn) и рабочая наибольшая откючающая способность (Ics). Таким образом, должно соблюдаться условие:
Iкз max < Ics ≤ Icu
Что же это такое?
- Предельная наибольшая отклчающая способность Icu или Icn — это наибольший ток, который гарантированно способен отключить выключатель, но не гарантируется, что его потом можно эксплуатировать дальше;
- Рабочая наибольшая откючающая способность Ics — наибольший ток, который может быть отключён защитным аппаратом с сохранением своей работоспособности. Ics чаще всего выражается в поцентах от Icu.
Минимальный же ток короткого замыкания (Iкз min) должен удовлетворять условиям:
- При использовании предохранителей: Iкз min ≥ 4∙Iном
- Для отсечек автоматических выключателей: Iкз min ≥ 1,5∙Iотс
- Для тепловых расцепителей автоматических выключателей: Iкз min ≥ 3∙Iном
- Для выключателей типа АП50: Iкз min ≥ 4∙Iном
Проверка вторичных цепей ТН под рабочим напряжением
Проверка соответствия фаз маркировке
Цель этой проверки — соответствие фазировки первичного напряжения нанесённой маркировке на вторичных цепях. Есть два надёжных способа, как это сделать:
- Подача от постороннего источника пофазно напряжение на первичные вывода ТН, например, 380 В. Если отсутствует нулевой вывод, то подавать можно попарно: "A"-"B", затем на "B"-"C" и, наконец, на "C"-"A".
- Подача рабочего напряжения на ТН с отключением одной из фаз (расшиновка, выемка предохранителя, отключение полюса разъединителя). К сожалению, в современных КРУ это трудно выполнимо, поэтому этот способ работает не всегда.
Проверку соответствия фазировки следует проводить на первом ближайшем клеммнике от ТН до защитного аппарата. После установки соответствия фазировки измеряется напряжение на клеммнике между фазами и фазами и нулём. Проверяются заземлённые выводы измерением напряжения на них относительно "земли". Как правило это вывод фазы "b" основной обмотки и "К" разомкнутого треугольника. Напряжение относительно земли на них должно быть равно нулю. В таблице ниже указаны напряжения между различными выводами ТН, когда особая фаза "А" совпадает с напряжением между "Н"-"И", а заземлены выводы "b" и "К" у ТН:
Проверка чередования фаз и снятие векторной диаграммы
Снятие векторной диаграммы производится на первом клеммнике до коммутационного аппарата. Снимается диаграмма "звезды" и "треугольника". Для сопоставления "звезды" и "треугольника" в пространстве строится потенциальная диаграмма по данным предыдущих замеров между выводами:
Ход построения диаграммы такой:
- Определяются выводы "звезды" и "разомкнутого треугольника", у которых напряжение относительно "земли" равно нулю: это будут заземлённая фаза "b" и вывод вершины "К". По ним будут совмещаться диаграммы "звезды" и "разомкнутого треугольника".
- Строится в масштабе желаемый вид диаграммы "звезды" и "разомкнутого треугольника" в пространстве по данным измерения векторной диаграммы;
- Строятся дуги с радиусом равным величине напряжения Ua-И, Ub-И, Uc-И таким образом, чтобы образовалась их общая точка пересечения;
- Точка пересечения дуг должна совпасть и вершиной "И".
Обычно этого достаточно, но если есть сомнения, можно перепроверить другие вершины. Не обязательно строить диаграмму на бумаге — удобнее в программе для черчения, например, AutoCAD или что-то подобное.
Теперь есть исходная диаграмма, которую нужно проверить на всех конечных точках — на счётчиках, подвод к шкафам защит, к РАС и т. д. Метод проверки такой, как описан в разделе "Почему заземляется фаза "В" у трансформатора напряжения?"
К сожалению, не для всех ТН возможно выполнить построение диаграммы "разомкнутого треугольника", потому что у них отсутствуют выводы "И" и "Ф". В таком случае производится имитация короткого замыкания, особенно, если цепи напряжения подключаются к направленным защитам.
Имитация короткого замыкания для определения положения вектора 3Uo
Для однофазных ТН имитация короткого замыкания делается отключением со стороны ТН вывода "Н" и установкой перемычки "Н"-"И". Делать это следует как можно ближе к ТН, так как образованное при таком изменении схемы 3Uo должно "придти" на все защитные устройства, где будет выполнена его проверка.
Для трёфазных ТН без выводов "И" и "Ф" с однофазными сердечниками вывод "А" по стороне ВН отключается от шин и "заземляется". После чего на ТН подаётся трёхфазное напряжение и снимается и строится векторная и потенциальная диаграмма:
Для трёхфазных ТН с пятистержневым магнитопроводом отключается и замыкается на "землю" расположенная на среднем стержне фаза "В", чтобы распределить магнитный поток от оставшихся фаз равномерно. Подаётся трёхфазное напряжение и снимаются диаграммы:
Фазировка трансформаторов напряжения
В процессе эксплуатации возможны ситуации, когда выводят из работы трансформатор напряжения, например 1-ой секции или системы шин, тогда переключают цепи напряжения со 2-ой — смежной секции. Цепи напряжения смежной секции должны полноценно заменить цепи напряжения собственной секции, и работа счётчиков учёта электроэнергии, направленных защит и регистрирующих приборов не должна нарушится. Контакты комутационных устройств, выполняющие подключение ТН одной секции к цепям напряжения другой секции (например, переключатели секционирования шинок или реле положения разъединителей — РПР) должны переключать одноимённые фазы разных трансформаторов напряжения.
Наиболее удобный и очевидный способ фазировки вторичных цепей — фазировка на вводных автоматических выключателях от ТН смежной секции. Оба трансформатора напряжения 1-ой и 2-ой секций должны быть включены через секционный выключатель на напряжение одного ввода. Процедура такая:
- После подачи напряжения с ввода №1 на ТН-1 и на ТН-2 через секционный выключатель производится проверка цепей напряжения обоих трансформаторов напряжения на первом ближайшем клеммнике, как описано в "Проверка соответствия фаз маркировке", а затем в "Проверка чередования фаз и снятие векторной диаграммы". Ввод №2 при этом отключен.
- Затем для ТН-1 выполняется процедура имитации КЗ для определения вектора 3Uo, включаются автоматические выключатели и раздаётся напряжение на устройства собственнойсекции;
- Выполняется проверка подключения цепей напряжения на устройствах 1-ой секции снятием векторных и потенциальных диаграмм или пофазным подключение вторичных цепей;
- Выполняется секционирование цепей напряжения 1-ой секции на 2-ую и, как в предыдущем пункте, выполняется проверка правильного подключения цепей напряжения к устройствам 2-ой секции;
- При отключенных вводных автоматах от ТН-2 предпринимаются меры для подачи напряжения от ТН-1 на нижние зажимы автоматов ТН-2, например установкой перемычек. Таким образом автоматические выключатели ТН-2 окажутся с одной стороны под напряжением ТН-2, а с другой — под напряжением ТН-1.
- Остаётся выполнить проверку совпадение фаз на полюсах автоматических выключателей ТН-2;
- В завершение всего, переключают ТН-2 на ввод №2 и повторно сравнивают на вводных автоматах софпадение фаз;
- Снимаются временно установленные перемычки.
Измерение нагрузки и потерь напряжения во вторичных цепях
Измерение нагрузки и потерь в цепях напряжения нужно проводить для соблюдения требований к точности измерений. Процедуру эту имеет смысл выполнять, когда все устройства, ниспользующие цепи напряжения введены в работу. Дополнительно должны быть подключены (засекционированы) измерительные устройства всех секций, которые может резервировать секция с проверяемым ТН. Таким образом создастся максимальная нагрузка на трансформатор напряжения, что позволит определить, в каком классе точности он будет работать.
Измерение потерь напряжения не всегда целесообразно выполнять прямым замером падения напряжения в проводниках, так как длина кабельных линий может быть существенной. Поэтому прибегают к расчётному методу: зная полное сопротивление zПР участков сети, измеряют токи на участках и находят падение.
Например, чтобы определить падения напряжения до счётчика, установленного на участке 3.1, нужно знать падения на всех участках до него:
ΣΔUсч3.1 = ΔU3.1+ΔU2.1+ΔU1
Что при известных уже нам сопротивлениях участков и измеренных токах можно записать как:
ΣΔUсч3.1 = I3.1∙zуч3.1+I2.1∙zуч2.1+I1∙zуч1
Такие измерения имеет смысл делать не на всех, а на самых удалённых устройствах с точки зрения протяжённости кабельных линий или в зависимости от уменьшения сечения проводников.
Полученные результаты падений напряжения не должны быть хуже предьявляемых требований:
- Не более 0,25% для счётчиков межсистемных линий электропередач при питании от ТН класса точности 0,5;
- Не более 0,5% для остальных расчётных счётчиков;
- Не более 1,5% для щитовых приборов;
- Не более 2% до фиксирующих измерительных приборов (ФИП);
- Не более 3% до реле защиты и автоматики.
Если такие показатели не соблюдаются, то нужно увеличивать сечение проводников.
Заключение
Тема наладки трансформаторов напряжения очень обширна. Настоящая публикация лишь поверхностно освещает некоторые аспекты теории и практики проверки цепей напряжения. Здесь затронуты только самые минимально необходимые знания для проведения наладочных работ, которые позволят получить приемлемый результат. На самом деле редко, что удаётся выполнить в перечисленном объёме попросту потому, что никакой заказчик не даст столько времени на выполнение всех пунктов. Тем более, что здесь требуется активное участие оперативного персонала для выполнения переключений. И не стоит забывать, что наладка цепей напряжения — это лишь небольшая часть ввода электрооборудования в работу, кроме этого есть ещё релйная защита, учёт, РАС, АСУТП, собственные нужды и прочее-прочее-прочее.
Возможно, когда-нибудь что-то изменится, и наладчики смогут делать свою работу в полном объёме и быть спокойными за результат. А до тех пор эта статья и прилагаемая к ней документация останутся напоминанием того, как можно и нужно проводить наладочные работы.