Измерительные трансформаторы

Лекция

 

Измерительные трансформаторы используют, главным образом, для подключения релейных защит и электроизмерительных приборов к цепям переменного тока высокого напряжения. При этом все устройства РЗА и электроизмерительные приборы оказываются изолированными от цепей высокого напряжения, что обеспечивает безопасность работы обслуживающего персонала. Кроме того, измерительные трансформаторы дают возможность расширять пределы измерения приборов, т.е. измерять большие токи и напряжения с помощью сравнительно несложных приборов, рассчитанных для измерения малых токов и напряжений. Измерительные трансформаторы служат для подключения к цепям высокого напряжения обмоток реле, обеспечивающих защиту электроустановок от аварийных режимов. Измерительные трансформаторы подразделяют на два типа — трансформаторы напряжения и трансформаторы тока.

Трансформаторы напряжения

Трансформаторы напряжения служат для подведение цепей напряжения к РЗА и включения вольтметров, а также других приборов, реагирующих на значение напряжения (например, катушек напряжения ваттметров, счётчиков, фазометров и т.д.). Измерительные трансформаторы напряжения изготовляют мощностью от пяти до нескольких сотен вольт-ампер. Они рассчитаны для совместной работы со стандартными приборами РЗА на 100, 100 и 33В. Наиболее распространёнными трансформаторами напряжения по конструкции являются: с литой изоляцией, маслонаполненные, масленые герметичные и с элегазовой изоляцией.

Трансформатор напряжения выполнен в виде двухобмоточного понижающего трансформатора (см. рисунок 1). Для обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала вторичную обмотку тщательно изолируют от первичной и заземляют в одной точке. Условное обозначение трансформатора напряжения такое же, как двухобмоточного трансформатора. Так как сопротивления обмоток вольтметров и других измерительных приборов (V, W, KV), подключаемых к трансформатору напряжения, велики, то он практически работает в режиме холостого хода. В этом режиме можно с достаточной степенью точности считать, что

U₁ = U₂* K,

где К - коэффициент трансформации.

U₁ – напряжение первичной обмотки;

U₂ – напряжение вторичной обмотки.

Рис. 1 Схема включения трансформатора напряжения

1 - первичная обмотка; 2- магнитопровод; 3 - вторичная обмотка.

Сегодня трансформаторы с литой изоляцией прочно заняли свои позиции на электротехническом рынке. На первом этапе эпоксидные компаунды начали применяться для производства оборудования напряжением 6–10 кВ, а затем, благодаря ряду инновационных решений, распространились на трансформаторы 35 кВ. Литая изоляция лишена недостатков, присущих масляной изоляции, и обладает рядом достоинств. Например, немаловажное значение имеет то, что компаунд жёстко фиксирует и герметизирует активные части трансформаторов, исключая влияние на них механических, климатических и прочих внешних воздействий. Это значительно повышает надежность трансформаторов напряжения, позволяя применять их в большом диапазоне температур (см. рисунок 2).

Рис. 2 Однофазный литой трансформатор напряжения ЗНОЛ – 35III

На рисунке 3а,б,в представлены трансформаторы напряжения 6-10 кВ

а б в

Рис.3 Трансформаторы напряжения 6-10 кВ

а – типа НОЛП – 6-10 кВ; б – типа ЗНИОЛ -10-П; в - типа НОЛ-10

Трансформаторы напряжения могут выполняться с одним или двумя высоковольтными вводами первичной обмотки. У заземляемых трансформаторов один ввод первичной обмотки, имеющий неполную изоляцию, во время работы должен быть заземлён. Вводы первичной обмотки не заземляемых трансформаторов напряжения имеют полную изоляцию.

Маслонаполненные трансформаторы напряжением 35 кВ и выше (см. рисунок 4.) изготавливались на электротехнических заводах Российской Федерации. Основной недостаток их конструкции это непосредственный контакт трансформаторного масла с воздушной средой, который приводит к его увлажнению и снижению изоляционных параметров измерительного трансформатора. Применение резиновых прокладок для создания герметичности конструкции ТН не обеспечивает её плотности в течении всего периода эксплуатации. Техническое обслуживание этого типа трансформаторов напряжения требует значительных затрат.

 

а - общий вид трансформатора напряжения; 1 - вторичные выводы; 2 - расширитель; 3 - указатель уровня масла; 4 - фарфоровая покрышка; 5 - тележка; 6 - коробка с выводами; 7 - болт для подъёма; б - электрическая схема; 1 и 2 - секции первичной обмотки; 3 и 4 - магнитопроводы; 5 - вторичная обмотка; б и 7 - уравнительные обмотки

Рис. 4 Маслонаполненный трансформатор напряжения 110 кВ

а - общий вид трансформатора напряжения; б - электрическая схема.

На рисунке 5 представлена фотография установки комплекта масляных герметичных трансформаторов напряжения EOF 123, а на рисунке 6 представлен внешний вид антирезонансного масляного герметичного трансформатора напряжения типа НАМИ-35.

Рис. 5 Установка герметичных трансформаторов напряжения серии EOF 123

ТН типов EOF 123, 145, 245 изготавливаются фирмой PFIFFNER (см. рисунок 5). Индуктивный измерительный трансформатор напряжения с бумажно-масляной изоляцией. Металлические части изготовлены из алюминия или нержавеющей стали, взрывозащищённый корпус. Соответствует как международным, так и национальным стандартам, не требует обслуживания, оснащён следующими системами контроля и мониторинга.

Простая и надёжная система индикации уровня масла.

Нижняя часть корпуса прорывается при повышении давления без осколков. Нижняя часть корпуса оптимизирована для малого объёма масла.

Расположенный горизонтально сердечник занимает мало места. Низкая рабочая индуктивность, свойства материалов и оптимизированная конструкция сердечника обеспечивают наилучшую защиту от ферро-резонанса.

Простая и безопасная кабельная разводка во вторичной распаячной коробке. Неснимаемая крышка открывается в сторону. Заземляющий вывод первичной обмотки ведёт во вторичную распаячную коробку.

ТН трёхфазный антирезонансные масляный герметичный НАМИ-35 УХЛ1 (ТУ 3414-026-11703970-05).

Трёхфазный антирезонансный масляный герметичный трансформатор напряжения типа НАМИ-35 УХЛ1 предназначен для установки в электрических сетях трехфазного переменного тока частоты 50 Гц с изолированной или с компенсированной нейтралью с целью передачи сигнала измерительной информации приборам измерения, устройствам автоматики, защиты, сигнализации и управления. Трансформатор имеет первичную обмотку и три вторичные обмотки: вторичная основная обмотка № 1 - предназначена для коммерческого учета электроэнергии, имеет отдельную опломбированную коробку, вторичная основная № 2 - для цепей измерения и защиты и вторичная дополнительная обмотка - для контроля изоляции сети. Трансформатор имеет компенсатор давления, обеспечивающий компенсацию температурных изменений объёма масла. На рисунке 6 представлен его внешний вид, а на рисунке 7 изображена электрическая схема трёхфазного антирезонансного масляного герметичного трансформатора напряжения типа НАМИ-35.

Рис. 6 Внешний вид трёхфазного антирезонансного масляного герметичного трансформатора напряжения типа НАМИ-35

Рис. 7 Электрическая схема трёхфазного антирезонансного масляного герметичного трансформатора напряжения типа НАМИ-35.

Явления феррорезонса в сетях с электромагнитными трнсформаторами напряжения характеризуются длительными перенапряжениями и токовыми перегрузками обмоток ТН. В основу антирезонансных ТН типа НАМИ 35 положен принцип увеличения активных потерь в резонансном контуре. Магнитопровод ТН частично выполняется из толстолистовой конструкционной стали. Это обеспечивает значительное увеличение активных потерь (за счёт вихревых токов) при больших индукциях в магнитопроводе, т.е. длительное воздействие тока в обмотке ВН феррорезонансные ТН выдерживают длительное время. Данные типы ТН не только сами не вступают в феррорезонанс с ёмкостью сети, но и выдерживают феррорезонансное повышение напряжения, вызванное намагничивающим током других ТН. Кроме того, трансформаторы напряжения выдерживают без ограничения времени все виды однофазных замыканий в сети на землю, в том числе и через перемежающуюся дугу. Выпускаются две разновидности масляных антирезонансных трансформаторов напряжения. Первая: НАМИ-35 кВ. Вторая: НАМИ (Т)-35 кВ. Вторая с приставкой (Т) предусматривает наличие в одном баке двух трансформаторов - трёхфазного и однофазного. Первичная обмотка однофазного трансформатора включена между нейтралью обмоток трёхфазного трансформатора и землёй. Отличаются они тем, что у НАМИ вторичная обмотка однофазного трансформатора напряжения всегда разомкнута, а у НАМИТ в нормальном режиме она короткозамкнута. Размыкается она только при феррорезонансе в сети. Механизм размыкания вторичной обмотки у НАМИТ довольно сложен – он состоит из реле обнаружения феррорезонанса и реле дешунтирования обмотки. Для питания обмоток реле требуется оперативный ток. В большинстве случаев набор реле отсутствует и вторичная обмотка постоянно замкнута. Короткозамкнутый однофазный трансформатор превращается, по существу, в разновидность балластного сопротивления нейтрали группы однофазных ТН. В этом кроется дополнительный источник повреждаемости ТН типа НАМИТ.

Элегазовые измерительные трансформаторы напряжения предназначены для применения на подстанциях открытого типа классов напряжения 35 - 220 кВ с изолированной и заземлённой нейтралью для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам, устройствам защиты, сигнализации, управления и автоматики. Внутренняя полость трансформатора заполняется элегазом, служащим изолирующей и теплоотводящей средой. Заполнение трансформатора напряжения элегазом производится через клапан, установленный на корпусе трансформатора. На корпусе трансформатора установлена предохранительная мембрана, срабатывающая при аварийном повышении внутреннего давления. Поток выхлопных газов направлен вниз, вдоль корпуса. Элегазовые трансформаторы напряжения могут комплектоваться термокомпенсированным сигнализатором плотности элегаза. Конструкции элегазовых измерительных трансформаторов напряжения практически одинаковы. На рисунке 8 представлено фото установки элегазового трансформатора напряжения ЗНОГ-110 кВ.

 

 

Рис. 8 Элегазовый трансформатор напряжения ЗНОГ-110 кВ

Активная часть трансформатора (ленточный разрезной магнитопровод из электротехнической стали с обмотками) – размещена в алюминиевом заземлённом корпусе, который находится в нижней части на основании трансформатора. На корпусе установлен изолятор, обеспечивающий внешнюю изоляцию аппарата. На верхнем торце изолятора размещён высоковольтный контактный вывод первичной обмотки. На корпусе расположены заземляемый вывод первичной обмотки и выводы вторичных обмоток, а также сигнализатор плотности для контроля давления элегаза, устройство для заполнения элегазом, табличка технических данных. Электрическая схема трансформатора ЗНОГ-110 и с хема электрических соединений сигнализатора плотности представлена на рисунке 9.

Рис. 9 Трансформатор ЗНОГ-110 и с хема электрических соединений сигнализатора плотности

Обмотки трансформатора напряжения расположены на магнитопроводе концентрически, внутри – дополнительная вторичная обмотка Д. Поверх неё намотана основная вторичная обмотка для измерения и защиты И, затем - основная вторичная обмотка, предназначенная для питания цепей учета электроэнергии У. Поверх вторичных обмоток расположена первичная высоковольтная обмотка. Для обеспечения максимальной электрической прочности изоляции, обмотки снабжены экранами. Выводы обмотки У имеют устройство, позволяющее их пломбирование. Сигнализатор плотности имеет специальные контакты, с помощью которых подаются сигналы при снижении давления элегаза. Мембрана, установленная на заземляемом корпусе, защищает трансформатор от повышения давления газа сверх допустимого уровня. Трансформатор комплектуется термокомпенсированным сигнализатором плотности элегаза типа «WIKA».

Во всех уплотняемых соединениях применены сдвоенные уплотнения из специального полимерного материала, который, в отличие от резины, нечувствителен к воздействию низких температур и практически не подвержен старению. Повышенная надежность узлов уплотнения выводов вторичных обмоток обеспечивается многоуровневым лабиринтным уплотне­нием. Многократные испытания в камерах холода и накопленный опыт эксплуатации изделий с аналогичными уплотнениями подтвердили их полную герметичность, в том числе и при экстремально низких температурах окружающего воздуха изготавливаются методом высококачественной сварки на специализированном предприятии с использованием самых современных методов контроля герметичности. Все это обеспечивает низкий уровень утечек изолирующего газа – не более 0,5% от общей массы в год. Высокий класс точности вторичной обмотки для учета - 0,2.

Элегазовые трансформаторы напряжения, как правило, изготавливаются с тремя вторичными обмотками: одна – для подключения цепей учета, вторая – для подсоединения цепей измерения, защиты и управления, третья – для цепей защиты от замыкания на землю.Возможность пломбирования выводов вторичной обмотки для учета электроэнергии позволяет предотвратить несанкционированный доступ к цепям учета.

Элегаз не поддерживает горения. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны производственных помещений 5000 мг/м³. Предельно допустимая концентрация в атмосферном воздухе - 0,001 мг/м³. Значительная диэлектрическая прочность элегаза обеспечивает высокую степень изоляции при минимальных размерах и расстояниях, что позволяет уменьшить массу и габариты электротехнического оборудования. Применение элегаза позволяет при прочих равных условиях увеличить токовую нагрузку на 25 % и допустимую температуру медных контактов до 90°С (в воздушной среде 75°С) благодаря химической стойкости, негорючести, пожаробезопасности и большей охлаждающей способности элегаза. При увеличении давления электрическая прочность элегаза возрастает почти пропорционально давлению и может быть выше электрической прочности жидких и некоторых твёрдых диэлектриков. Однако это преимущество становится недостатком элегаза при низких температурах по причине перехода его в жидкое состояние и потере изоляционных свойств, что определяет дополнительные требования к температурному режиму элегазового оборудования в эксплуатации. Температура сжижения элегаза при избыточном давлении (давлении заполнения оборудования) 0,3 МПа составляет – 45 ⁰С, а при 0,5 МПа она повышается до – 30 °С. Таким образом, наибольшее рабочее давление и, следовательно, наибольший уровень электрической прочности элегаза в изоляционной конструкции ограничиваются возможностью сжижения элегаза при низких температурах.

Трансформаторы тока

Трансформатор тока предназначен для уменьшения первичного тока до значений, наиболее удобных для измерительных приборов и реле, а также для отделения цепей измерения и защиты от первичных цепей высокого напряжения. Трансформатор тока имеет замкнутый магнитопровод 2 (см. рисунок 10) и две обмотки — первичную 1 и вторичную 3. Первичная обмотка включается последовательно в цепь измеряемого тока I₁, ко вторичной обмотке присоединяются измерительные приборы, обтекаемые током I₂. На рисунках 10б и 10в соответственно представлены многовитковый трансформатор тока и многовитковый трансформатор тока с двумя сердечниками.

Рис. 10 Принципиальные схемы одновитковых и многовитковых трансформаторов тока

а – одновитковый трансформатор тока; б – многовитковый трансформатор тока; в - многовитковый трансформатор тока с двумя сердечниками; 1 - первичная обмотка; 2 - вторичная обмотка; 3 - сердечник; 4 - изоляция; 5 - обмотка прибора

Трансформатор тока характеризуется номинальным коэффициентом трансформации

где I₁ном и I₂ном - номинальные значения первичного и вторичного тока соответственно

Схема включения трансформатора тока представлена на рисунке 11.

Рис. 11 Принципиальная схема включения трансформатора тока

Значения номинального вторичного тока приняты равными 5 и 1 А. Коэффициент трансформации трансформаторов тока не является строго постоянной величиной и может отличаться от номинального значения вследствие погрешности, обусловленной наличием тока намагничивания. Токовая погрешность определяется по выражению

Погрешность трансформатора тока зависит от его конструктивных особенностей; сечения магнитопровода, магнитной проницаемости материала магнитопровода, средней длины магнитного пути, значения I₁*W₁. В зависимости от предъявляемых требований, выпускаются трансформаторы тока с классами точности 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Указанные цифры представляют собой токовую погрешность в процентах номинального тока при нагрузке первичной обмотки током 100 - 120% для первых трех классов и 50-120% для двух последних. Для трансформаторов тока классов точности 0,2; 0,5 и 1 нормируется также угловая погрешность.

Погрешность трансформатора тока зависит от вторичной нагрузки (сопротивление приборов, проводов, контактов) и от кратности первичного тока по отношению к номинальному. Увеличение нагрузки и кратности тока приводит к увеличению погрешности. При первичных токах, значительно меньших номинального, погрешность трансформатора тока также возрастает. Трансформаторы тока класса 0,2 применяются для присоединения точных лабораторных приборов, класса 0,5 - для присоединения счётчиков денежного расчёта, класса 1 — для всех технических измерительных приборов, классов 3 и 10 — для релейной защиты. Кроме рассмотренных классов выпускаются также трансформаторы тока со вторичными обмотками типов Д (для дифференциальной защиты), 3 (для земляной защиты), Р (для прочих релейных защит). Токовые цепи измерительных приборов и реле имеют малое сопротивление, поэтому трансформатор тока нормально работает в режиме, близком к режиму КЗ. Если разомкнуть вторичную обмотку, магнитный поток в магнитопроводе резко возрастёт, так как он будет определяться только МДС первичной обмотки. В этом режиме магнитопровод может нагреться до недопустимой температуры, а на

вторичной разомкнутой обмотке появится высокое напряжение, достигающее в некоторых случаях десятков киловольт. Из-за указанных явлений не разрешается размыкать вторичную обмотку трансформатора тока при протекании тока в первичной обмотке. При необходимости замены измерительного прибора или реле предварительно замыкается накоротко вторичная обмотка трансформатора тока (или шунтируется обмотка реле, прибора).

Отечественная промышленность выпускает довольно большой ассортимент трансформаторов тока с литой изоляцией. На рисунке 12а, б, в, г. представлены трансформаторы тока с литой изоляцией на напряжение 10-35 кВ.