АНТИРЕЗОНАНСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Перспективы развития

Михаил Зихерман, ведущий научный сотрудник ВНИИЭ, г. Москва

Вопросы устойчивости трансформаторов напряжения к феррорезонансу существовали давно, но приобрели свою значимость только в последние годы, что выразилось во введении в ГОСТ 1983-2001 нового термина «антирезонансный трансформатор напряжения».
Обычные электромагнитные ТН не обладают антирезонансностью и часто повреждаются по этой причине. Для повышения их надежности в России разработаны и выпускаются электромагнитные антирезонансные ТН почти на все классы напряжения. Однако и они имеют недостатки, поэтому не следует останавливаться на достигнутом, считает Михаил Хаимович Зихерман. Его материал не только отражает сегодняшний день в производстве антирезонансных ТН, но и ставит задачи на будущее.

ТН 3–35 кВ

Электроустановки этих классов напряжения в России работают обычно с изолированной нейтралью. Феррорезонансные процессы в таких сетях могут развиваться только в нулевом канале. При этом одновременно резонирует вся сеть. Междуфазные напряжения остаются без изменения, а искажаются только фазные. Для восполнения потерь в нулевом канале необходим источник энергии, который в нормальном симметричном режиме отсутствует. Чтобы этот источник появился, необходима несимметрия – нарушение изоляции, обрывы и замыкания проводов, а также несимметрия проводимостей на землю линий электропередачи или отдельных фаз ТН в разной степени насыщения стали магнитопровода. Повреждениям от феррорезонанса подвержены только заземляемые ТН, контролирующие изоляцию относительно земли. Высокая повреждаемость таких ТН заставила перейти от обычных ТН к антирезонансным с сохранением за ними всех прежних функций. Промышленный выпуск электромагнитных антирезонансных ТН начался в России 20 лет назад с появлением трехфазного масляного трансформатора НАМИ-10-У2. С тех пор ассортимент антирезонансных ТН 3–35 кВ значительно расширился.
В настоящее время выпускаются две разновидности масляных антирезонансных ТН. Первая – это НАМИ-10-95 и НАМИ-35, вторая – НАМИТ-10 [1]. Обе предусматривают наличие в одном баке двух трансформаторов – трехфазного и однофазного. Первичная обмотка однофазного трансформатора включена между нейтралью обмоток трехфазного трансформатора и землей. Отличаются они тем, что у НАМИ вторичная обмотка однофазного ТН 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 в нейтрали группы однофазных ТН. В этом кроется дополнительный источник повреждаемости НАМИТ-10. Однако основной недостаток всех масляных ТН одинаков – это пожароопасность.
Кроме масляных ТН, в России выпускается литая трехфазная группа ТН типа ЗНОЛ.06 напряжением 6–10 кВ. Антирезонансные свойства этой группе придает введение в нейтраль первичной обмотки дополнительного резистора сопротивлением 800–1000 Ом [2]. Использование литой изоляции вместо масляной коренным образом меняет качество изделия в лучшую сторону. Но из-за несовершенства схемы соединения обмоток эти трансформаторы оказались недостаточно надежными. Для защиты от повреждений авторы предлагают снабжать их встроенными предохранителями, которые отсоединяли бы ТН от резонирующей сети. Однако этот метод плох тем, что предохранитель перегорает именно в момент нарушения нормальной работы сети и характер этого нарушения остается невыясненным.
Необходимо объединить положительные качества всех выпускаемых антирезонансных ТН в одну конструкцию и разработать пожаробезопасные литые антирезонансные трансформаторы напряжением 3–35 кВ.
Создавая новые ТН, необходимо обеспечить длительную устойчивость их конструкции к следующим видам феррорезонанса, от которых страдают обычные трансформаторы:
Однофазные замыкания сети на землю через перемежающуюся дугу, поскольку ГОСТ 1983-2001 никак не отделяет дуговые замыкания от металлических, ограничивая их длительность восемью часами, что не соответствует условиям эксплуатации. В реальности на поиск и устранение однофазного замыкания может уйти несколько суток, и, если оно окажется дуговым, антирезонансный ТН должен выдерживать его без повреждения. Обычные ТН в таком режиме повреждаются за несколько десятков минут.
Феррорезонанс ТН с емкостью ненагруженных шин или коротких сетей. Это явление носит название «ложной земли» или «самопроизвольного смещения нейтрали». Колебания напряжения нулевой последовательности происходят обычно на частотах 16,6; 25 или 50 Гц. Новый трансформатор вообще не должен быть подвержен этому явлению, и при симметричном питании небаланс напряжения 3U0 в этих условиях не должен превышать допустимых величин.
Повышение всех фазных напряжений при гармоническом феррорезонансе на частоте 50 Гц, когда одна фаза линии, подходящей к силовому потребительскому трансформатору, обрывается с замыканием на землю со стороны этого трансформатора. Напряжение на «здоровых» фазах сети может повыситься на 15–20% сверх линейного, а на «больной» фазе – до 100%, то есть до 20 кВ в сети 10 кВ. Трехфазные асинхронные двигатели у потребителя вращаются при этом явлении в обратную сторону, а обычные ТН, установленные на шинах в центре питания, повреждаются за 20–30 секунд. После повреждения ТН феррорезонанс срывается и может возобновиться уже только после перегорания предохранителя у ТН. Зафиксировать этот процесс без аварийного осциллографа очень трудно, и причина повреждения ТН остается невыясненной. Такие случаи довольно часто встречаются, и пренебрегать вероятностью их возникновения не следует.
Феррорезонанс «ложной земли», вызванный присутствием в сети обычных ТН, которые не только резонируют сами, но и могут отрицательно воздействовать на соседние антирезонансные ТН.
Новый антирезонансный ТН в процессе проведения квалификационных государственных испытаний должен будет, кроме требований ГОСТ 1983-2001, соответствовать вышеизложенным требованиям. Для проведения дополнительных испытаний на устойчивость к феррорезонансным явлениям потребуется разработка соответствующих методик.

ТН 110 кВ

Сети 110 кВ в России работают с глухозаземленной нейтралью. Поэтому феррорезонансных процессов в нулевом канале здесь возникнуть не может. Однако если отдельный участок сети потеряет нейтраль, такие процессы возможны. Потеря нейтрали может произойти там, где нейтраль всех силовых трансформаторов 110 кВ разземлена. Это делается либо для уменьшения токов при однофазных коротких замыканиях, либо для облегчения работы релейной защиты.
Резонансные напряжения фаза–земля на участках сети с потерей нейтрали могут длительно повышаться относительно номинала в 2,5 раза. Обычные ТН на столь большие повышения напряжения не рассчитаны и повреждаются в считанные минуты. Так же быстро повреждаются и емкостные ТН. Однако антирезонансный ТН-110, устойчивый к такому сверхсильному воздействию, до сих пор не создан, и создавать его, по-видимому, нецелесообразно.
Максимум, что можно сделать без потери конкурентоспособности – это увеличить активное сопротивление первичной обмотки. Так, у антирезонансных ТН типа НАМИ-110 сопротивление первичной обмотки по сравнению с обычными НКФ-110 увеличено в 4 раза. Это помогает подавить субгармонический феррорезонанс на частоте 16,6 Гц, возникающий на одной фазе при ее обрыве на транзитной линии. Энергия в феррорезонансный контур в этом случае поступает через междуфазные емкости проводов [3].

ТН 220–330–500 кВ

• неравномерность амплитудно-частотной характеристики, препятствующая достоверному измерению процентного содержания высших гармоник в кривой первичного напряжения, что необходимо для анализа качества электроэнергии. Эта неравномерность вызвана наличием в электромагнитном устройстве компенсирующего реактора, который настраивается в резонанс с емкостью делителя только на основной частоте 50 Гц. На высших гармониках компенсация нарушается;
• влияние на точность измерения соседних токоведущих частей, находящихся под напряжением. Степень этого влияния трудно оценить и учесть, поскольку паразитные емкости, через которые оно происходит, различны в разных распредустройствах. Точность
• коммерческого учета снижается.

К сожалению, одновременно использовать оба положительных свойства емкостных ТН не удается. Устойчивость к феррорезонансу используется только при установке ТН на шинах, а наличие колонны конденсаторов связи – только при установке на линии. В результате на шинах размещается емкостный ТН, а на линии – индуктивный плюс отдельная колонна конденсаторов связи. Электромагнитный ТН необходим для организации точного коммерческого учета электроэнергии и анализа ее качества.
Указанное обстоятельство оправдывает разработку и производство антирезонансных электромагнитных ТН для их установки на шинах, где и организуется точный учет и анализ качества электроэнергии. Емкостный ТН монтируется на линии, что делает излишней установку дополнительной колонны конденсаторов связи.
Электромагнитные антирезонансные ТН типа НАМИ 220–330500 кВ уже разработаны во ВНИИЭ и внедрены в производство на Раменском электротехническом заводе.
При разработке НАМИ 220–330–500 кВ был использован способ подавления феррорезонанса с помощью добавления в обычный магнитопровод пластин из толстолистовой конструкционной стали [4]. Это не мешает работе ТН в обычном режиме, так как нормальный магнитный поток сосредоточен в основном в ненасыщенной тонколистовой электротехнической стали и не попадает в толстые пластины.
Феррорезонанс всегда сопровождается повышением магнитного потока и насыщением тонколистовой электротехнической стали. Избыточный магнитный поток вытесняется из нее и вынужден проходить либо по воздуху, либо по конструкционной стали. Магнитная проницаемость ферромагнитной конструкционной стали намного выше, чем у воздуха, и поток проходит по ней.
Магнитное поле проникает в глубину пластин и создает там потери на вихревые токи.

При разработке конструкции НАМИ 220–500 кВ предварительно рассчитывались параметры пластин и выбиралась марка конструкционной стали. По намагничивающему току, числу витков и длине силовой линии рассчитывалась напряженность магнитного поля на поверхности листа. По этой напряженности определялись необходимая толщина листа и удельные потери. Требуемая мощность потерь в ТН делилась на величину удельных потерь и тем самым находилось минимально возможное количество конструкционной стали. Для закладки в трансформатор выбирался вариант, обеспечивающий наибольшие потери.
Затем производился уточненный расчет феррорезонансных колебаний с выбранными параметрами конструкционной стали. Решалась система нелинейных дифференциальных уравнений, где стальные пластины по толщине разбивались на большое количество тонких слоев (расчеты производились сотрудником ВНИИЭ В.Г. Алексеевым по специально разработанной программе). Каждый слой представлялся характеристикой намагничивания и удельной электропроводностью материала. В результате уточнялся процесс проникновения магнитного поля внутрь листа при попытках возникновения феррорезонанса и проверялась правильность ранее принятых решений.
При проведении уточненного расчета следует учитывать, что напряженность магнитного поля вдоль силовой линии распределена неравномерно. Внутри обмотки, где расположен стержень магнитопровода, она в несколько раз выше, чем снаружи, где расположены ярма. Поэтому толщина пластин в стержне и в ярмах принята различной: в стержне 6 мм, а в ярмах 0,5–1,0 мм. Если правильно выбрать марку конструкционной стали, количество и толщину пластин, то потери энергии в них всегда помогут подавить гармонический феррорезонанс на частоте 50 Гц и не допустить повреждения ТН. Что касается подавления субгармонического феррорезонанса на частотах 16,6 или 10 Гц, то этот способ при больших величинах емкостей может оказаться недостаточно эффективным, так как со снижением частоты потери падают. Однако субгармонический феррорезонанс не так опасен для оборудования, как гармонический, поскольку токи при нем снижаются соответственно в 9 или в 25 раз. Нагрев первичной обмотки ТН и того больше – в 81 или 625 раз.
Тепло выделяется не только в первичной обмотке ТН, но и в пластинах конструкционной стали. Температура нагрева этих пластин зависит как от величины потерь, так и от условий охлаждения. Поэтому возможны случаи, когда перегрев конструкционной стали способен ограничить допустимую длительность субгармонического феррорезонанса. Этот вопрос требует дополнительного изучения, в результате которого должны быть экспериментально определены области применения этих трансформаторов, то есть конкретные границы величин емкостей распредустройств.
Большое значение имеет выбор конструкционной стали. Во-первых, она должна быть ферромагнитной, а во-вторых, иметь высокую удельную электропроводность материала. Чем она выше, тем больше удельные потери. Достаточную удельную электропроводность имеют конструкционные стали с низким (сотые доли процента) содержанием кремния. При высоком содержании кремния (2,5–4,0%) удельная электропроводность падает в несколько раз, и такая сталь не пригодна.
Активная часть каждой ступени размещена в отдельном фарфоровом корпусе. Первичные обмотки всех ступеней соединены по- следовательно. Все ступени связаны между собой связующими низковольтными обмотками. Об этом нельзя забывать при монтаже. У ТН типа НАМИ имеется вторая основная вторичная обмотка класса точности 0,2, предназначенная только для питания цепей коммерческого учета электроэнергии и анализа качества напряжения. Выводы этой обмотки расположены в отдельной коробке, которую можно опломбировать с целью предотвращения несанкционированного доступа.

ВЫВОДЫ

1. Антирезонансные индуктивные трансформаторы напряжения 3–35 кВ пока несовершенны. Необходимо разработать пожаробезопасный трансформатор с литой изоляцией, устойчивый ко всем видам феррорезонанса, и методику дополнительных испытаний.
2. Антирезонансный трансформатор напряжения НАМИ-110 неустойчив к феррорезонансным повышениям напряжения в случае потери нейтрали участком сети. Разработка устойчивого трансформатора только для этого случая нецелесообразна по условиям конкурентоспособности. 3. Антирезонансные индуктивные трансформаторы напряжения НАМИ 220–330–500 кВ по точности измерений превосходят емкостные, успешно эксплуатируются в России и за рубежом. Необходимо дополнительно уточнить область их применения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Степанов Ю.А., Овчинников А.Г. Трансформаторы напряжения контроля изоляции 6–10 кВ. Сравнительный анализ моделей // Новости ЭлектроТехники. –2003. – № 6(24).
2. Раскулов Р.Ф. Трансформаторы напряжения 3–35 кВ. Метрологические функции первичны // Новости ЭлектроТехники. – 2006. – № 6(42).
3. Кадомская К.П., Лаптев О.А. Антирезонансные трансформаторы напряжения. Эффективность применения // Новости ЭлектроТехники. – 2006. – № 6(42).
4. Авторское свидетельство СССР №736804 с приоритетом от 01.11.1977. Трансформатор напряжения. Автор Зихерман М.Х.