Измерительные трансформаторы напряжения в схемах релейной защиты и автоматики

О том, как токи огромных величин высоковольтного оборудования энергетики моделируются с большой точностью для безопасного использования в цепях РЗА написано в этой статье - Измерительные трансформаторы тока в схемах релейной защиты и автоматики.

Здесь же рассказывается о способах преобразования напряжений величиной в десятки и сотни киловольт для управления работой устройств релейных защит и автоматики на основе двух принципов:

1. трансформации электроэнергии;

2. емкостного разделения.

Первый способ позволяет более точно отображать вектора первичных величин и за счет этого широко распространен. Второй метод используется для контроля определенной фазы напряжения сети 110 кВ схем с обходной системой шин и в некоторых других случаях. Но, за последнее время он находит все большее применение.

Как изготовлены и работают измерительные трансформаторы напряжения

Основное принципиальное отличие измерительных трансформаторов напряжения (ТН) от трансформаторов тока (ТТ) состоит в том, что они, как и все силовые модели, рассчитаны на обычную работу без закороченной вторичной обмотки.

В то же время, если силовые трансформаторы предназначены для передачи транспортируемой мощности с минимальными потерями, то измерительные трансформаторы напряжения конструируются с целью высокоточного повторения в масштабе векторов первичного напряжения.

Принципы работы и устройства

Конструкцию трансформатора напряжения, как и трансформатора тока, можно представить магнитопроводом с намотанными вокруг него двумя обмотками:

• первичной;

• вторичной.

Специальные сорта стали для магнитопровода, а также металл их обмоток и слой изоляции подбираются для максимально точного преобразования напряжения с наименьшими потерями. Число витков первичной и вторичной катушек рассчитывается таким образом, чтобы номинальное значение высоковольтного линейного напряжения сети, подаваемое на первичную обмотку, всегда воспроизводилось вторичной величиной 100 вольт с тем же направлением вектора для систем, собранных с заземленной нейтралью.

Если же первичная схема передачи энергии создана с изолированной нейтралью, то на выходе измерительной обмотки будет присутствовать 100/√3 вольт.

Для создания разных способов моделирования первичных напряжений на магнитопроводе может располагаться не одна, а несколько вторичных обмоток.

Схемы включения ТН

Измерительные трансформаторы применяются для замера линейных и/или фазных первичных величин. Для этого силовые обмотки включают между:

• проводами линии с целью контроля линейных напряжений;

• шиной или проводом и землей, чтобы снимать фазное значение.

Важным элементом безопасности измерительных трансформаторов напряжения является заземление их корпуса и вторичной обмотки. На него обращается повышенное внимание, ведь при пробое изоляции первичной обмотки на корпус или во вторичные цепи в них появится высоковольтный потенциал, способный травмировать людей и сжечь оборудование.

Преднамеренное заземление корпуса и одной вторичной обмотки отводит этот опасный потенциал на землю, чем предотвращает дальнейшее развитие аварии.

1. Силовое оборудование

Пример подключения измерительного трансформатора напряжения в сети 110 киловольт показан на фотографии.

Здесь выделено, что силовой провод каждой фазы подключен ответвлением к выводу первичной обмотки своего трансформатора, размещенного на общей заземленной железобетонной опоре, поднятой на безопасную для электротехнического персонала высоту.

Корпус каждого измерительного ТН со вторым выводом первичной обмотки заземляется прямо на этой платформе.

Вывода вторичных обмоток собраны в клеммной коробке, расположенной в нижней части каждого ТН. К ним подключаются провода кабелей, собираемых в распределительном силовом ящике, расположенном рядом на высоте, удобной для обслуживания с земли.

В нем не только осуществляется коммутация схемы, но и устанавливаются автоматические выключатели вторичных цепей напряжения и рубильники или блоки для выполнения оперативных переключений и проведения безопасного обслуживания оборудования.

Собранные здесь шинки напряжения подводятся к устройствам релейных защит и автоматики специальным силовым кабелем, к которому предъявляются повышенные требования по снижению потерь напряжения. Этот очень важный параметр цепей измерения рассмотрен отдельной статьей здесь - Потери и падение напряжения

Кабельные трассы измерительных ТН также защищаются металлическими коробами или железобетонными плитами от случайного механического повреждения, как и ТТ.

Еще один вариант подключения измерительного трансформатора напряжения типа НАМИ, размещенного в ячейке сети 10 кВ, показан на картинке ниже.

Каждая фаза первичной сети подключается на соответствующий ввод силовой обмотки. Провода вторичных цепей выводятся отдельным кабелем к своему клеммнику.

2. Вторичные обмотки и их цепи

Простая схема включения одного трансформатора на линейное напряжение силовой схемы показана ниже.

Эта конструкция может встретиться в цепях до 10 кВ включительно. Она на каждой стороне имеет защиту предохранителями соответствующих номиналов.

В сети 110 кВ подобный трансформатор напряжения может устанавливаться на одну фазу обходной системы шин для обеспечения контроля синхронизма цепей подключаемого присоединения и ОСШ.

На вторичной стороне используются две обмотки: основная и дополнительная, обеспечивающие выполнение синхронного режима при управлении выключателями с блочного щита.

Для включения трансформатора напряжения на две фазы обходной системы шин при управлении выключателями с главного щита применяется следующая схема.

Здесь ко вторичному вектору «кф», образованному предыдущей схемой, добавляется вектор «ик».

Следующая схема получила название «открытого треугольника» или неполной звезды.

Она позволяет смоделировать систему из двух или трех междуфазных напряжений.

Наибольшими же возможностями обладает подключение трех трансформаторов напряжения по схеме полной звезды. В этом случае можно получить как все фазные, так и линейные напряжения во вторичных цепях.

За счет этой возможности этот вариант используется на всех ответственных подстанциях, а вторичные цепи для таких ТН создаются с двумя видами обмоток, включаемыми по схемам звезды и треугольника.

Приведенные схемы включения обмоток являются наиболее типовыми и далеко не единственными. Современные измерительные трансформаторы обладают различными возможностями и под них вводятся определенные корректировки в конструкцию и схему подключения.

Классы точности измерительных трансформаторов напряжения

Для определения погрешностей при метрологических измерениях ТН руководствуются схемой замещения и векторной диаграммой.

Этот довольно сложный технический метод позволяет определить погрешности каждого измерительного ТН по амплитуде и углу отклонения вторичного напряжения от первичного и назначить класс точности для каждого поверяемого трансформатора.

Все параметры замеряются при номинальных нагрузках во вторичных цепях, на которые создан ТН. Если их превысить при эксплуатации или поверке, то погрешность выйдет за значение номинальной величины.

Измерительным трансформаторам напряжения присваиваются 4 класса точности.

Классы точности измерительных трансформаторов напряжения

Класс №3 используется в моделях, работающих в устройствах РЗА, не требующих высокой точности, например, — для срабатывания элементов сигнализации о возникновении неисправных режимов в схемах питания.

Самой высокой точностью 0,2 обладают приборы, используемые для ответственных высокоточных измерений при наладках сложных устройств, проведения испытаний при приемке, настройках автоматики регулирования частоты и других подобных работах. ТН с классами точности 0,5 и 1,0 чаще всего устанавливаются на высоковольтном оборудовании для передачи вторичных напряжений на щитовые приборы, контрольные и расчетные счетчики, релейные комплекты блокировок, защит, синхронизации цепей.

Способ емкостного отбора напряжения

Принцип этого метода заключается в обратно пропорциональном выделении напряжения на цепочке последовательно включенных обкладок конденсаторов разной емкости.

Рассчитав и подобрав номиналы емкостей, включенных последовательно с фазным напряжением шин либо линии Uф1, удается получить на конечном конденсаторе С3 вторичную величину Uф2, которая снимается прямо с емкости или через подключенное для облегчения настроек трансформаторное устройство с регулируемым числом обмоток.

Особенности эксплуатации измерительных трансформаторов напряжения и их вторичных цепей

Требования к монтажу

В целях безопасности все вторичные цепи ТН должны быть защищены автоматическим выключателями типа АП-50 и заземлены медным проводом с сечением не менее 4 мм кв.

Если на подстанции используется двойная система шин, то цепи каждого измерительного трансформатора должны подключаться через схему реле повторителей положения разъединителей, которая исключает одновременную подачу напряжения на одно устройство РЗА от разных ТН.

Все вторичные цепи от клеммной сборки ТН до устройств РЗА должны выполняться одним силовым кабелем так, чтобы сумма токов всех жил была равна нулю. Для этого запрещено:

• отдельно выводить шинки «В» и «К» и объединять их для совместного заземления;

• подключать шинку «В» к устройствам синхронизации через контакты ключей, переключателей, реле;

• переключать шинку «В» на счетчиках контактами РПР.

Оперативные переключения

Все работы с действующим оборудованием производятся специально подготовленным для этого персоналом под контролем должностных лиц и по бланкам переключений. Для этого в цепях трансформаторов напряжения установлены рубильники, предохранители, автоматические выключатели.

При выводе из работы определенного участка цепей напряжения обязательно указывается способ проверки выполненного мероприятия.

Периодическое техническое обслуживание

Вторичные и первичные цепи трансформаторов при эксплуатации подвергаются разным срокам проверок, которые привязаны ко времени, прошедшему после ввода устройства в эксплуатацию и включают в себя различный объем выполнения электротехнических замеров и чисток оборудования специально обученным ремонтным персоналом.

Основная неисправность, которая может проявиться в цепях напряжения при их эксплуатации — возникновение токов коротких замыканий между обмотками. Чаще всего это происходит при невнимательной работе специалистов электриков в действующих цепях напряжения.

При случайном закорачивании обмоток отключаются защитные автоматические выключатели, расположенные в клеммном ящике на измерительном ТН, и пропадают цепи напряжения, питающие реле мощности, комплекты блокировок, синхронизма, дистанционные защиты и другие устройства.

В этом случае возможно ложное срабатывание действующих защит или отказ их работы при возникновении неисправностей в первичной схеме. Такие замыкания необходимо не только быстро устранять, но и включать все автоматически отключенные устройства.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения являются обязательным элементом на любой электрической подстанции. Они необходимы для надежной работы устройств релейной защиты и автоматики.