Цифровизация электроэнергетики, а так-же значительное увеличение нелинейности нагрузки — тенденции, наблюдаемые на протяжении последних 10–15 лет. Они требуют совершенствования многих элементов энергетических систем, в первую очередь — трансформаторов тока. В этой статье дается анализ основных мер по совершенствованию данных изделий, позволяющих повысить надежность энергоснабжения, а также уменьшить размеры оборудования для электрических подстанций.
Трансформатором тока (TT) называют устройство, в котором сила тока во вторичной обмотке прямо пропорциональна силе тока в первичной. Это условие должно соблюдаться для рабочего диапазона значений силы тока в первичной обмотке. Конструктивно TT отличается от трансформатора напряжения тем, что первичная обмотка у него, как правило, состоит из одного витка. Эта обмотка включается в разрез токопроводящей шины. Известны и варианты конструкции TT, где такой обмоткой является сама токопроводящая шина, ее охватывает сердечник со вторичной обмоткой.
Большинство применяемых в электроэнергетике ТТ по виду подключаемой нагрузки могут быть отнесены к одной из двух категорий — измерительные и защитные. К первым из них подключаются, соответственно, измерительные приборы. Что же касается защитных трансформаторов, то к ним могут напрямую подключаться системы релейной защиты и автоматики (РЗА). Речь, как правило, идет об устаревших системах, основанных на электромеханическом принципе. Современной тенденцией является применение на подстанциях микропроцессорных систем управления и защиты. Сигналы от датчика тока поступают на ком-пьютер, управляющий подстанцией, полученная информация может использоваться одновременно для нескольких систем защиты. Поэтому в перспективе на подстанциях будут использоваться только те TT, которые относятся к категории измерительных.
Аналоговые и цифровые трансформаторы
Номинальное значение тока во вторичной обмотке широко используемых сейчас аналоговых TT обычно составляет 1 или 5 А, как для измерительных, так и для защитных. Данные значения были установлены еще тогда, когда в системах РЗА применялись только электромагнитные реле и никакой электроники.
Почему важно учитывать уровень гармоник
В трехфазных сетях переменного тока 380/400 В нечетные гармоники суммируются в нейтрали. Такой режим работы изначально не заложен в данный тип сетей — на частоте 50 Гц при идеально сбалансированной нагрузке фаз ток в нейтрали равен нулю. В реальных условиях ток в нейтрали есть, но он меньше, чем в каждой из фаз. Сечение нейтрального провода в кабеле обычно берется равным сечению фазного провода. Но эффект суммирования нечетных гармоник приводит к тому, что через нейтральный провод начинает течь больший ток, чем тот, на который он не рассчитан. В результате происходит сильный нагрев кабеля, приводящий к постепенному разрушению изоляции, и, как следствие, к аварии. Гармоники наблюдаются применительно к потребляемому току, а не напряжению на выходе подстанции. Соответственно, измерение их уровня требует использования датчиков тока. ТТ, устанавливаемые на выходе подстанции для контроля параметров энергоснабжения, должны преобразовывать без значительных потерь гармоники вплоть до 11-й. Вот почему при конструировании TT следует стремиться к уменьшению площади петли гистерезиса.
Современная электроника позволяет в несколько раз уменьшить выходной ток измерительных TT, сделав их более компактными. Но уменьшение тока при аналоговом принципе передачи сигнала снизит помехоустойчивость. Это критично для объектов энергетики с их высоким уровнем электромагнитных помех. Проблема решается установкой аналого-цифрового преобразователя в непосредственной близости от трансформатора. Комбинация из этих двух устройств называется цифровым TT. Данные в цифровом виде передаются по медному кабелю, подключенному по балансной схеме (интерфейс RS-485) или по еще более защищенному от наводок волоконно-оптическому кабелю.
Влияние гистерезиса
Основные потери энергии в TT связаны с омическим сопротивлением в обмотках, вихревыми токами, излучением в окружающее пространство и гистерезисом. Значения потерь из-за омического сопротивления, а также излучения в окружающее пространство предсказуемы, и можно внести соответствующие коррективы в измерения. Что касается вихревых токов, то они на низких частотах незначительны.
Сложнее ситуация с гистерезисом, который в случае использования обычной электротехнической стали (например, марки 3408) вносит значительные потери, зависящие от многих факторов. Зависимость таких потерь от частоты условно принимают линейной (чем выше частота, тем выше потери), но в реальности она трудно поддается математическому расчету.
На промышленных предприятиях, да и в быту тоже, все чаще используется оборудование, представляющее из себя нелинейную нагрузку. Широко используются импульсные блоки питания зарубежного производства, причем контроль за их качеством при ввозе в Россию недостаточен. В итоге, к промышленной частоте тока 50 Гц в сети добавляются гармоники с кратными ей значениями частоты. Из-за зависимости потерь на гистерезис в TT от частоты измерение эффективного значения тока, богатого гармониками, происходит с большими погрешностями. Как результат — некорректная работа систем защиты.
Новые материалы для сердечника
Подробное описание физической природы магнитного гистерезиса выходит за рамки этой статьи. Отметим лишь, что основным фактором, способствующим возникновению гистерезиса, является кристаллическая структура электротехнической стали. Этот материал состоит из кристаллов размерами от 1 до 1000 мкм.
Гистерезис будет сведен к уровню, когда он практически не будет оказывать влияния на точность измерения, если выполнить сердечник TT из металлического сплава аморфной структуры (т. е. не имеющего регулярной кристаллической решетки). Обычная сталь для этого непригодна, требуются специальные сплавы на основе железа или кобальта. При изготовлении ленты для сердечника расплавленный металл быстро охлаждают, чтобы он не успел принять кристаллическую структуру.
TT с аморфными сердечниками уже более 10 лет выпускаются серийно. Их недостатком является относительно невысокая предельная рабочая температура (+90°C или +150°C, в зависимости от сплава).
Более современный вариант — сердечник из материала с нанокристаллической структурой. Обычно это сплав железа и кремния. Сначала из него получают аморфный материал, в толще которого, по специальной технологии, выращивают кристаллы размером от 1 до 20 нм. Нанокристаллический материал имеет столь же низкий гистерезис, что и аморфный, но предельное значение рабочей температуры достигает +180°C. Кроме этого, для нанокристаллических сердечников характерны высокие стабильность и повторяемость параметров.
Катушка Роговского
Это устройство не соответствует классическому определению TT, поскольку в данном случае силе тока в первичной обмотке пропорционален интеграл от ЭДС во вторичной. Тем не менее между инженерами есть негласная договоренность считать катушку Роговского (другое название — «пояс Роговского») также одним из вариантов измерительного TT. Хотя правомерность такой классификации периодически становится предметом дискуссий.
Катушка Роговского представляет собой сердечник из диэлектрического материала в форме тороида. На этот сердечник равномерно намотана вторичная обмотка. Первичной обмоткой является провод (или токопроводящая шина), по которому идет измеряемый ток. На провод надет тороид со вторичной обмоткой. Конструкция катушки Роговского позволяет изготавливать тороид из гибких материалов, а также размыкать его в месте, свободном от витков. Это облегчает установку катушки на уже существующее оборудование подстанции.
Отсутствие магнитного сердечника означает, что катушке Роговского не свойственны такие физические эффекты, как насыщение и гистерезис. Поэтому датчик на ее основе способен с высокой точностью выявить ситуацию, требующую включения системы защиты. Катушка Роговского была изобретена еще в 1912 г., но практическое применение получила лишь в XXI веке. Причина — низкое значение напряжения на выходе, что делает сигнал уязвимым для помех. Например, если измеряемый ток имеет значение 1000 А, то на выходе катушки будет напряжение около 0,23 В.
Раньше усиление сигнала, полученного от катушки Роговского, и его интегрирование, осуществлялись аналоговыми цепями, что значительно снижало точность измерений и устойчивость датчика к действию помех. Теперь же устройство подключают непосредственно к аналого-цифровому преобразователю. Интегрирование и очистка от помех осуществляются цифровым сигнальным процессором. В таком виде катушка Роговского используется в некоторых современных системах РЗА. Но попытки приспособить катушку Роговского для нужд коммерческого учета потребляемой электроэнергии до сих пор остаются, как правило, неудачными.
Другие типы датчиков тока
Помимо TT, на подстанциях для измерения тока могут использоваться и некоторые другие типы датчиков. Они работают по принципу измерения магнитного поля, возникающего вокруг проводника, когда по нему течет ток.
Датчик Холла представляет собой полупроводниковый прибор, измеряющий значение магнитной индукции. Работа устройства основана на так называемом эффекте Холла, отсюда и название. Главное преимущество такого датчика — возможность регистрации статического магнитного поля, которой нет у ТТ. Это позволяет измерять постоянный ток. К недостаткам можно отнести восприимчивость к внешним магнитным помехам, а также значительную зависимость показаний от температуры окружающей среды. Датчики Холла применяют для измерений на подстанциях постоянного тока. Кроме этого, на подстанциях переменного тока такие датчики позволяют обнаруживать опасную постоянную составляющую в линии.
Волоконно-оптические датчики основаны на эффекте Фарадея. Вокруг электрического провода в один или несколько витков обернуто оптоволокно. По нему передается поляризованный свет от лазера или светодиода. Под действием магнитного поля сдвигается направление поляризации света, это изменение измеряется посредством интерферометра. На основании данных об изменении поляризации вычисляется значение тока в проводе. Теоретически такой метод может быть использован для измерения силы как постоянного, так и переменного тока. Но практическая реализация пока возможна только для переменного тока. На момент написания статьи волоконно-оптические датчики тока широкого распространения еще не получили из-за высокой стоимости.
Комбинированные цифровые приборы
Оптимальным вариантом является установка на токопроводящей шине единого устройства для измерений, состоящего из датчиков нескольких типов. Каждый тип датчика применяется для тех измерений, где он показывает наилучшие результаты. Например, TT с сердечником из инновационного материала — для учета потребляемой электроэнергии, катушка Роговского — для систем защиты, а датчик Холла — для обнаружения постоянной составляющей. Данные от них передаются раздельно на управляющий компьютер подстанции в цифровой форме по одной линии связи. Именно такой подход сейчас начал широко применяться при строительстве новых и реконструкции уже существующих подстанций.