ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
10.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Назначение и основные параметры.
Трансформаторы напряжения (TH) служат для преобразования высокого напряжения в низкое стандартной величины, удобное для измерения.
Обычно за номинальное вторичное напряжение принято напряжение 100 или 100/√3 В. Это позволяет для измерения любого высокого напряжения применять одни и те же стандартные измерительные приборы. Реле защиты, реагирующие на напряжение, также изготавливаются на стандартное напряжение независимо от напряжения установки.
Первичная обмотка ТН изолируется от вторичной соответственно классу напряжения установки. Для безопасности обслуживания один вывод вторичной обмотки обязательно заземляется. Таким образом, ТН изолирует измерительные приборы и реле от цепи высокого напряжения и делает безопасным их обслуживание.
Схема включения однофазного ТН дана на рис. 10.1. Первичная обмотка w1 присоединена к цепи высокого напряжения через предохранители Пр1. Вторичная обмотка w2 питает нагрузку в виде обмоток измерительных приборов или реле защиты через предохранители Пр2. В ТН нормальной конструкции кроме вторичной обмотки w2 заземляется также и магнитопровод М.
Предохранители Пр2 служат для защиты ТН от КЗ в цепи вторичной нагрузки. Предохранители Пр1, установленные на высоковольтной стороне, служат для защиты сети от КЗ в TH. Желательна установка токоограничивающих предохранителей типа ПКТ или стреляющих с ограничивающим сопротивлением.
Рис. 10.1. Схема
Рис. 10.2. Схема замещения TH включения однофазного TH
Вследствие высокого сопротивления самого TH при возникновении КЗ во вторичной цепи ток в первичной цепи мал (порядка нескольких ампер) и может быть недостаточен для срабатывания предохранителей других типов.
10.4. КОНСТРУКЦИЯ ТН
При напряжении до 35 кВ конструкция ТН сходна с конструкцией силовых трансформаторов.
Индукция в магнитопроводах значительно меньше, чем у силовых трансформаторов. Это снижает погрешность, позволяет в некоторых случаях проводить испытания изоляции индуцированным напряжением [10.1]. В этом случае для испытания прочности изоляции первичной обмотки на вторичную обмотку подается питание, а первичная обмотка разомкнута и подвергается воздействию повышенного напряжения. Обычно на вторичную обмотку подается удвоенное номинальное напряжение. Индукция не должна превышать индукцию насыщения.
Рис. 10.6. TH с масляной (а) и литой (б) изоляцией
При эксплуатации возможны случаи, когда первичная обмотка, рассчитанная на работу при фазном напряжении, попадает под линейное вместо фазного. При этом магнитопровод не должен насыщаться.
На напряжение до 35 кВ выпускаются однофазные TH, у которых изолированы либо оба вывода обмотки высокого напряжения, либо только один (второй вывод заземлен).
На рис. 10.6, а показан внешний вид однофазного TH на 6 кВ о масляной изоляцией. Оба вывода первичной обмотки изолированы от корпуса.
Перспективным направлением является применение в качестве изоляции пластмасс (литая изоляция), отказ от масляной изоляции. Наряду с резким сокращением массы и габаритных размеров упрощается эксплуатация, делается ненужным уход за маслом. TH с литой изоляцией пожаробезопасны, удобны в передвижных установках и КРУ. На рис. 10.6, б представлен TH с литой изоляцией типа НОЛ11-6 на те же параметры, что и расположенный рядом масляный. В настоящее время отечественная промышленность выпускает TH с литой изоляцией на напряжение до 35 кВ.
Габаритные размеры TH в значительной степени определяются изоляцией аппарата. В связи с этим там, где это возможно, TH выполняется для измерения напряжения между фазой и землей В этом случае отпадает необходимость в изоляции второго вывода первичной обмотки, который заземляется Линейное напряжение получается путем соединения в звезду вторичных обмоток таких TH Такая конструкция позволяет уменьшить габаритные размеры и удешевить TH. При этом, однако, погрешность измерения возрастает, так как суммируются погрешности двух трансформаторов.
Возможные схемы включения однофазных TH нормального исполнения показаны на рис 10 7. В случае рис. 10.7, а применяются два однофазных TH, у которых первичная обмотка имеет изолированные выводы Эта схема называется схемой открытого треугольника. Она очень удобна для измерения мощности и энергии К каждому из TH может подключаться нагрузка вплоть до номинальной.
Схема позволяет получить напряжение
UAС=UAВ+UВС (приборы подключаются между точками а и с). Однако такое включение нагрузки не рекомендуется, так как создаются дополнительные погрешности за счет суммирования погрешностей двух обмоток.
В случае рис 10.7, б могут применяться TH, у которых один из выводов первичной обмотки заземлен Каждая из обмоток подключена к фазному напряжению, поэтому номинальное напряжение TH должно быть равно Uном/√3. Вторичная нагрузка подключается по схеме звезды или треугольника. Номинальное напряжение вторичной обмотки равно 100/√3В.
Для контроля изоляции и питания защиты, срабатывающей при КЗ на землю, TH имеют дополнительные обмотки, которые включаются по схеме разомкнутого треугольника. При симметричном режиме сумма ЭДС, наводимых в этих обмотках, равна нулю.
Если один из проводов заземляется, то равновесие ЭДС нарушается и напряжение на концах разомкнутого треугольника подается на реле или сигнализацию.
Если нейтраль сети изолирована или заземлена через дугогасящую катушку, то заземление одной из фаз, например С, не ведет к КЗ. Установка может оставаться длительное время в работе При этом напряжение на TH С (рис. 10.7, б) падает до нуля, а напряжение на TH А и В увеличивается до линейного В связи с этим индукция в магнитопроводах TH А и В увеличивается в √3 раз. Во избежание увеличения нагрева и резкого возрастания погрешности этих TH магнитопроводы не должны насыщаться при таком увеличении индукции.
Рис. 10.8. TH с пятистержневым магнитопроводом
В установках с заземленной нейтралью заземление одной из фаз вызывает КЗ. Релейная защита быстро отключает поврежденный участок Напряжение на «здоровых» фазах при КЗ не поднимается выше (1,2-1,3).
Уменьшение габаритных размеров и снижение стоимости TH может быть достигнуто путем объединения трех отдельных измерительных TH в один трехфазный. Применяются трехстержневые и пятистержневые магнитопроводы.
Трехфазные трехстержневые TH делаются с изолированной нулевой точкой на стороне высокого напряжения Это объясняется тем, что при работе в сетях с изолированной нейтралью возникает аварийный режим работы TH при заземлении одной фазы сети, если нулевая точка в TH заземлена [10 1].
Допустим, что обмотки фаз А, В, С расположены на трех стержнях трехфазного магнитопровода, а нулевая точка заземлена. При КЗ фазы С обмотки фаз А и В попадают под линейное напряжение, а обмотка фазы С закорочена. Потоки от обмоток фаз А и В будут проходить по стержню фазы С и в обмотке фазы С будет наводиться ЭДС, создающая ток КЗ в обмотке фазы С. В результате она может выйти из строя.
Для контроля изоляции в системе с изолированным нулем применяются трехфазные пятистержневые TH (рис. 10.8). В этом случае при заземлении одной из фаз потоки «здоровых» фаз замыкаются по крайним стержням, имеющим малое магнитное сопротивление. TH имеет обмотку, соединенную в открытый треугольник а1Χ1, которая используется для сигнализации и релейной защиты. При симметричном режиме на выходе этой обмотки никакого напряжения не появляется.
При напряжениях выше 35 кВ ввиду резкого возрастания габаритных размеров и стоимости TH нормального исполнения применяются каскадные TH.
Рис. 10.9. Расположение и схемы обмоток каскадного TH
При напряжении 110 кВ применяют два каскада (рис. 10 9, а). Каждый каскад имеет свой магнитопровод М1 и М2 с обмоткой высокого напряжения wbh, рассчитанной на половинное напряжение фазы. Один конец этой обмотки соединен с магнитопроводом, второй изолирован от него на напряжение. Нижняя ступень имеет выходные обмотки и предназначена для питания измерительных приборов, вторая — для питания реле.
Если нагрузка не подключена к выходным обмоткам, напряжение разделится поровну между wBН, так как их индуктивные сопротивления XX одинаковы.
При включении нагрузки вторичный ток размагничивает М1 и поток в нем уменьшается Реактивное сопротивление М1 также уменьшается Это ведет к тому, что при отсутствии обмоток связи напряжение между ступенями поделится неравномерно, причем большая часть ляжет на вторую
Обмотки связи служат для выравнивания распределения напряжения между обмотками при включении нагрузки. При XX ЭДС в этих обмотках одинаковы, так как равны потоки в М1 и М2. Обмотки включены навстречу друг другу, так что уравнительный ток равен нулю.
Рис. 10.10. Каскадный TH на напряжение 500 кВ
При включении нагрузки поток в М1 падает. ЭДС обмотки становится больше, чем ЭДС обмотки. В результате в этих обмотках протекает уравнительный ток, который размагничивает М2 и подмагничивает М1. Этот ток таков, что верхний элемент воспринимает на себя половину нагрузки, включенной на выходных обмотках.
Более совершенным является вариант рис. 10.9,б, разработанный на Московском электрозаводе. Трансформатор имеет один двухстержневой магнитопровод М, изолированный от земли на напряжение. На верхнем стержне располагаются обмотки связи, рассчитанные на напряжение. Один конец ее соединен с М, второй изолирован от него.
Для получения равномерного распределения напряжения по катушкам обмотки ВН поверх обмоток ВН располагаются экраны Эк, которые электрически соединяются с обмоткой (рис. 10.9, в).
Собранный магнитопровод М с обмотками крепится к основанию TH на изоляционных стойках (рис. 10.9, а). После этого устанавливается фарфоровый кожух и заливается маслом.
Трансформатор на 220 кВ собирается путем установки друг на друге двух TH 110 кВ. Аналогично устроены TH для напряжения до 500 кВ. Для выравнивания распределения напряжения применяют охранные кольца. Изоляция верхних элементов, подвергающихся большей электрической нагрузке, соответственно усиливается.
Общий вид TH типа НКФ-500 на напряжение 500 кВ представлен на рис. 10 10.
В заключение следует отметить, что результирующие активное и индуктивное сопротивления каскадного TH получаются значительно больше, чем TH нормального исполнения, поэтому класс точности каскадных TH не удается поднять выше первого. Основные сведения по расчету каскадных TH приведены в [10.1].
Как указывалось, TH имеют малую плотность тока в обмотках. В том случае, когда такой TH используется как источник мощности и погрешность нас не интересует, нагрузку можно значительно увеличить. Так, например, TH НОМ-10 класса 0,5 имеет мощность нагрузки всего 80 В-А, хотя максимальная мощность, которая может быть снята со вторичной обмотки, равна 720 В-А.
