Причины выхода из строя предохранителей на измерительных трансформаторах напряжения

В последние два десятилетия все большую популярность приобретает примене­ние в цепях среднего напряжения предохранительных устройств, встраиваемых в трансформатор напряжения, которые пришли на смену предохранителей ПКН. Основное преимущество применения данных устройств в том, что они находят­ся в корпусе ТН и не требуют дополнительного места для размещения в РУ, что существенно экономит место и уменьшает габаритные размеры последнего. Но, одновременно с этим, многим хорошо известна проблема выхода из строя встро­енных предохранительных устройств, которые происходят не только при аварийных режимах в сетях 6–35 кВ с изолированной нейтралью, но и при однофазных замыканиях сети на землю (ОЗЗ), которые, согласно ГОСТ 1983, заземляемые трансформаторы напряжения с фактором 1,9 (а соответственно и входящие в его кон­струкцию предохранительные устройства) должны выдерживать в течение 8 часов.

Как правило, номинальный ток предохранительного устройства, предназначенного для защиты ТН на класс напряжения 6…35 кВ, вы­бирается из диапазона значений 0,3…0,63 А. Номинальное значение тока в первичной цепи заземляе­мого ТН, в зависимости от класса напряжения и номинальной мощно­сти вторичных обмоток, находится в диапазоне от 0,003 до 0,03 А. В слу­чае работы ТН 6 кВ на предельной мощности 630 В·А (вне класса точ­ности) ток может достигать 0,1…0,2 А, что в любом случае ниже номи­нального тока предохранительного устройства.

В чем же причина довольно часто­го перегорания предохранительных устройств? Теория о некачественных предохранителях много раз возника­ла и ни разу не подтвердилась, по­этому ее не рассматриваем. Остается сам трансформатор напряжения.

Индуктивный заземляемый транс­форматор напряжения имеет в своем составе:

• магнитопровод (нелинейный эле­мент), выполненный из электротехнической стали с индукцией насыщения 1,7..1,8 Тл;
• первичную обмотку, один из вы­водов «Х» которой выполнен низко­вольтным и должен быть заземлен как в процессе работы, так и в процессе испытаний (за исключением испыта­ния электрической прочности изоля­ции вывода «Х» напряжением 3 кВ).
• одну или две основные вторичные обмотки а1 – х1 и а2 – х2, для подключе­ния приборов учета, контроля и, при необходимости, питания собственных нужд в пределах установленной номи­нальной мощности;
• дополнительную обмотку ад-хд, ко­торая в составе трехфазной группы ТН собирается в схему разомкнутого треугольника и предназначена исклю­чительно для контроля изоляции сети и не предусматривает наличие какой- либо дополнительной нагрузки. Может отсутствовать, если на трансформа­тор не возложена функция контроля изоляции сети (хотя в этом случае предпочтительнее в качестве ТН использовать незаземляемый трансформатор н-р: НОЛ).

Индуктивный трансформатор напряжения представляет собой нелинейный элемент со своей характеристикой намагничивания, т.е. зависимости магнитной индукции от напряженности поля.

В нормальном симметричном ре­жиме работы сети каждый из трех ТН, собранных в трехфазную группу, работает на фазном напря­жении Uном, а в момент однофазного замыкания одной из фаз сети, на двух здоровых фазах появляется линейное напряжение, равное √3·Uном.​

На сегодняшний день номиналь­ный коэффициент напряжения (фак­тор перенапряжения) в ГОСТ 1983 для заземляемых трансформаторов, работающих в сетях с изолирован­ной нейтралью, обозначен как 1,9, хотя при наличии в симметричной сети наибольшего рабочего напря­жения, равного 1,2·Uном, фактиче­ское значение напряжения при ОЗЗ может оказаться 2,07·Uном. Заземляемый трансформатор напряже­ния должен быть спроектирован и изготовлен таким образом, чтобы в момент перенапряжения его маг­нитопровод не вошел в режим на­сыщения и в первичной обмотке не появился большой ток.​

Если взять за индукцию насыщения максимальное значение 1,8 Тл (при перенапряжении 1,9·Uном), то при номинальном напряжении Uном, значение магнитной индукции не должно превышать 0,95 Тл, (как правило берет­ся 0,9 Тл), исходя из чего и должен проводится расчет активного сечения магнитопровода и количество витков в обмотках трансформатора.

​На самом деле в эксплуатации по­являются заземляемые трансформа­торы напряжения со значением маг­нитной индукции, превышающим при номинальном напряжении значение 0,95 Тл, в результате чего магнито­провод трансформатора в режиме 1,9·Uном входит в режим насыщения и в обмотке ВН появляется большой ток, в десятки раз превышающий но­минальное значение, который может вывести из строя предохранитель (при наличии) или приведет к пере­греву трансформатора с последую­щим выходом его из строя.​​

Это происходит по нескольким причинам:​

• ошибки расчета. В погоне за воз­можностью изготовить ТН с боль­шими номинальными нагрузками на основных вторичных обмотках при высоком классе точности некоторые изготовители снижают сопротивле­ние обмоток постоянному току за счет снижения витков, тем самым заведомо повышая рабочую индук­цию трансформатора;
• снижение себестоимости изделий. В целях экономии активных мате­риалов производители стараются проводить расчет на предельно до­пустимых значениях магнитной ин­дукции, максимально экономя на се­чении магнитопровода и количестве меди в обмотках, без учета техно­логических факторов, к которым от­носятся: 
• --- несовершенство технологии сборки магнитопровода,
• --- использование электротехниче­ской стали низкого качества, 
• --- использование в работе неото­жженых магнитопроводов,. несовершенство технологии сборки магнитопровода,. использование электротехниче­ской стали низкого качества,
• использование в работе неото­жженых магнитопроводов,. потеря магнитных свойств магни­топровода вследствие механическо­го воздействия эпоксидной смолы (плохой демпфирующий слой);
• недоработки стандартов. В дей­ствующем ГОСТ 1983 отсутствуют какие-либо требования к проверке трансформаторов в режиме одно­фазного замыкания на землю при проведении приемосдаточных ис­пытаний, в результате чего изделия устанавливаются на объект без про­верки устойчивости трансформато­ра к режиму однофазного замыкания на землю, и здесь уже кому как повезет.

На самом деле, при выпуске трансформаторов с производства или зная конструктивные параметры индукцию можно контролировать посредством снятия вольт-амперной характеристики (ВАХ) с последую­щим пересчетом по формулам

В эксплуатации можно снимать ВАХ и проводить аналитический или сравнительный анализ о работе конкретного трансформатора в режиме ОЗЗ.

Ниже приведены примеры харак­теристик намагничивания, снятых с основных вторичных обмоток а1– х1 (номинальное напряжение 100/√3 В) трансформаторов, находившихся в эксплуатации в сети с изолирован­ной нейтралью 10 кВ. Их конструк­тивные параметры (сечение и сред­няя длина магнитопровода, количе­ство витков в обмотках) точно неизвестны. Попробуем провести анализ.​

Кривая 1 (выделена зеленым цветом) – заземляемый трансфор­матор напряжения с литой изоля­цией европейского производителя с номинальным напряжением пер­вичной обмотки 10000/√3 В, и дву­мя вторичными обмотками: одной основной 100/√3 В, 75 ВА, КТ 0,5 и дополнительной 100/3 В, 50 ВА, КТ 3.​

• При номинальном напряжении Uном (57,8 В) ток холостого хода соста­вил – 0,14 А.
• При напряжении 1,9·Uном (110 В) ток холостого хода составил – 0,6 А.
• Далее – резкое нарастание тока.

Трансформатор выполнен опти­мально, но при перенапряжении больше 1,9·Uном работать не будет.​

Кривая 2 (выделена фиолето­вым цветом) – заземляемый транс­форматор напряжения с литой изо­ляцией российского производите­ля с номинальным напряжением первичной обмотки 10000/√3 В, и двумя вторичными обмотками: одной основной 100/√3В, 75 ВА, КТ 0,5 и дополнительной 100/3 В, 200 ВА, КТ 3.​

• При номинальном напряжении Uном (57,8 В) ток холостого хода со­ставил – 0,15 А.
• При напряжении 1,9·Uном (110 В) ток холостого хода составил – 0,42 А.
• При напряжении 2,07·Uном (119,6 В) ток холостого хода составил – более 2 А.
• Далее – резкое нарастание тока.

Трансформатор имеет небольшой запас прочности по индукции, будет нормально работать до максимально возможного значения перенапряже­ния 2,07· Uном.

Кривая 3 (выделена коричне­вым цветом) – заземляемый транс­форматор напряжения с литой изо­ляцией российского производителя с номинальным напряжением пер­вичной обмотки 10000/√3 В, и тре­мя вторичными обмотками: первой основной 100/√3 В, 10 ВА, КТ 0,2; второй основной 100/√3 В, 75 ВА, КТ 0,5 и дополнительной 100 / 3 В, 200 ВА, КТ 3.

• При номинальном напряжении Uном (57,8 В) ток холостого хода соста­вил – 0,55 А.
• При напряжении 1,2·Uном (69,4 В) ток холостого хода составил – 1 А.
• Далее – резкое нарастание тока.

Трансформатор 3 выполнен с фактическим коэффициентом пере­напряжения 1,2 (указано в сопрово­дительной документации 1,9) и не может быть использован в сети с изолированной нейтралью.

Из приведенных графиков можно сделать вывод, что расхождения в значениях тока при номинальном на­пряжении Uном, как правило, незна­чительны, т.к. все трансформаторы работают на линейном участке кри­вой и все измеряемые параметры будут у всех в норме (включая основной контролируемый параметр – класс точности обмоток). Расхожде­ния в значения тока холостого хода при напряжении ОЗЗ 1,9·Uном могут быть очень большими, но это никто, как правило, не контролирует (по­грешности на этой точке также не измеряются). Таким образом, замер холостого хода только на номиналь­ном напряжении Uном, не дает воз­можность сделать даже предположе­ние, как будет вести себя трансфор­матор в режиме ОЗЗ.

На основании накопленных дан­ных по замерам вольт-амперных характеристик трансформаторов, находящихся в эксплуатации, мож­но сделать вывод, что стабильности характеристик намагничивания не наблюдается даже в пределах од­ной партии трансформаторов одного производителя, и связано это в пер­вую очередь с технологией произ­водства, отсутствием необходимых испытаний и четких критериев год­ности изделий.​

Действующий на сегодня ГОСТ 1983 предусматривает следующие требования:​

«П. 6.6. Трехфазные трансформа­торы, а также трехфазные группы однофазных трансформаторов с до­полнительными обмотками, предна­значенные для контроля изоляции в сетях с изолированной нейтралью, должны выдерживать не менее 8 ч однофазные замыкания сети на землю при наибольшем рабо­чем напряжении, соответствующем ГОСТ 721. (для сетей 6–35 кВ это 1,2 от номинального значения. – Прим. автора).​

Однофазные трансформаторы должны выдерживать напряжения в соответствии с таблицей 16», со­гласно которой устанавливается:​

«номинальный коэффициент на­пряжения 1,9 с продолжительностью 8 ч – между фазой и землей в систе­ме с изолированной нейтралью без автоматического отключения при замыкании на землю…»

​А методы контроля и критерии оценки этих четких требований прак­тически отсутствуют, поскольку:​

• испытания на устойчивость транс­форматоров к длительному одно­фазному замыканию питающей сети на землю входят только в объем ква­лификационных испытаний конкретного типа (проводятся только на от­дельных испытательных образцах);
• измерение тока холостого хода – входит в объем приемо-сдаточных испытаний, но только условно:
• --- требование ГОСТ 1983 – «п.6.16. Ток холостого хода должен быть установлен изготовителем и ука­зан в эксплуатационной докумен­тации на трансформаторы кон­кретных типов»,
• --- метод испытаний ГОСТ 1983 – «п.9.5. Измерение тока холостого хода – по ГОСТ 3484.1», в основ­ном, регламентирует методы ис­пытаний силовых трансформато­ров и никаких особых требований к методике испытаний заземляе­мых трансформаторов не устанав­ливает.

Как правило, изготовители прово­дят измерение тока холостого хода при напряжении Uном или 1,2·Uном с указанием измеренного значения в паспорте конкретного изделия. Ни­каких критериев годности при этом не устанавливается. Измерили, за­несли значение в паспорт и отпра­вили заказчику, независимо от того, какое значение получилось – 0,15 А, 0,55 А или 1 А… Данная цифра слу­жит только для того, чтобы при вво­де трансформатора в эксплуатацию провести его проверку на наличие витковых замыканий в обмотках пу­тем сравнения измеренного значе­ния тока холостого хода со значени­ем, указанным в паспорте.

Что касается изоляции ТН. В связи с тем, что один из выводов первич­ной обмотки заземляемого транс­форматора напряжения выполнен низковольтным и должен быть за­землен при эксплуатации и прове­дении испытаний, изоляция на за­водах-изготовителях проверяется приложенным или индуктированным напряжением повышенной частоты 150–400 Гц. При испытаниях изоля­ции распределительных устройств, которые проводятся на частоте 50 Гц, трансформаторы напряжения отключаются и не испытываются. На объектах заказчика также изоляцию ТН полным испытательным напряже­нием проверить невозможно.

В РЭ каждый производитель ТН дает рекомендации по проверке изо­ляции на частоте 50 Гц. Как пра­вило, все допускают проведение испытаний на частоте 50 Гц напря­жением 1,3·Uном, что для трансфор­матора н-р: ЗНОЛ-6 с номинальным напряжением первичной обмотки 6000/√3 В составляет 4500 В в те­чении 1 мин. В эксплуатации в ре­жиме однофазного замыкания одной из фаз, на двух здоровых фазах появляется линейное напряжение, т.е. 6000 В, а при наибольшем рабочем напряжении в сети – 7200 В. Таким образом, получается, что ис­пытательное напряжение, рекомен­дуемое заводами-изготовителями на частоте 50 Гц, ниже рабочего, что не исключает возможность появления проблем с изоляцией ТН в режиме однофазного замыкания на землю.​​​

Выводы​

В электрических сетях 6–35 кВ с изолированной нейтралью повсе­местно установлены трехфазные группы заземляемых трансформато­ров напряжения с литой изоляцией без проведения проверки работоспо­собности изделий в режиме одно­фазного замыкания на землю.

​Уровень качества заземляемых трансформаторов напряжения, вы­пускаемых на российских предпри­ятиях, разный и зависит от компе­тенции технического персонала и от уровня имеющейся на предприятии технологии.

​Действующий стандарт на транс­форматоры напряжения ГОСТ 1983 не предъявляет никаких требований к проверке трансформаторов напря­жения в режимах ОЗЗ. Необходимо в срочном порядке вводить в дей­ствие разработанный в 2017 году предварительный национальный стандарт «Трансформаторы изме­рительные. Часть 3. Технические условия на индуктивные трансформаторы напряжения», где вы­шеизложенные проблемы частично учтены.​

Эксплуатирующим организациям, имеющим в своем хозяйстве за­земляемые трансформаторы напря­жения с литой изоляцией на класс напряжения 6–35 кВ и имеющим проблемы с выходом из строя встро­енных предохранителей, рекоменду­ется провести проверку холостого хода на основной вторичной обмотке ТН до напряжения 1,9· Uном и сделать соответствующие выводы.

​​Эксплуатирующим организациям для проведения дальнейших закупок рекомендуется предъявлять к по­ставщикам оборудования дополни­тельные требования к ТН: ​

• указывать в паспортах на ТН с номинальным коэффициентом на­пряжения 1,9 в течении 8 ч значение тока холостого хода не только при 1,2·Uном, но и при 1,9·Uном; 
• ввести дополнительный критерий годности однофазных заземляе­мых трансформаторов напряжения о том, что значение тока холостого хода при 1,9·Uном не должно превы­шать значения холостого хода при 1,2·Uном более чем в 4 раза;разрешить испытание изоляции однофазных заземляемых транс­форматоров напряжения при их вводе в эксплуатацию приложенным или индуктируемым напряжением 1,9·Uном частотой 50 Гц.

​​На основании наработанного опы­та можно с уверенностью сказать, что решение вышеизложенных про­блем практически полностью уберет проблему перегорания предохрани­телей в режиме ОЗЗ, а также замет­но снизит повреждаемость транс­форматоров напряжения в электри­ческих сетях 6–35 кВ с изолирован­ной нейтралью.

Автор: Альбеков В.Х., технический директор ООО «НТЗ Волхов»

Литература​

1. ГОСТ 1983-2015 Межгосудар­ственный стандарт «Трансформато­ры напряжения. Общие технические условия»