МФЭС всегда славился интересными научными мероприятиями, подразумевающими оживленные дискуссии. Не стал исключением и форум, состоявшийся осенью 2022 г. В его рамках 23 ноября прошла научно-практическая конференция «Измерительные трансформаторы тока». Куратором мероприятия выступил Виктор Воробьев (СО ЕЭС). Эти устройства являются очень важным элементом систем релейной защиты. К тому же, потребность в трансформаторах тока (ТТ) значительно возрастает в связи с цифровизацией электроэнергетики.
Для ТТ большое значение имеет линейность. Напряжение во вторичной обмотке должно в идеале быть строго пропорционально силе тока, протекающего в первичной обмотке. Из-за нелинейности при измерении силы тока возникает значительная погрешность. В реальности, поскольку в ТТ наиболее распространенной конструкции имеется металлический магнитопровод, погрешность измерения, обусловленная нелинейностью, не выходит за заданные пределы только при токе, сила которого меньше определенного значения.
До недавнего времени проблему нелинейности решали просто — ТТ проектировали с большим запасом по току, чтобы измеряемая величина заведомо была значительно меньше максимально допустимого значения. Недостатком такого подхода были высокая стоимость трансформатора, а также его значительные габариты. Но с этим мирились.
Усложнение энергосистемы, развитие рыночных отношений в отрасли, цифровизация — вот основные факторы, которые заставили с 2018 г. заняться пересмотром подходов к созданию ТТ. Для решения возникших проблем есть три основных пути:
- совершенствование методик расчета ТТ с целью обоснованного снижения запаса по току;
- применение новых материалов для изготовления магнитопровода;
- использование датчиков тока принципиально иной конструкции, например, катушек Роговского.
Зарубежный опыт в деле совершенствования ТТ не всегда применим к российским реалиям. Просто потому, что нигде в мире нет столь большой синхронно работающей энергосистемы. Поэтому российские ученые и специалисты-практики сейчас активно работают над совершенствованием конструкции ТТ по всем трем указанным направлениям.
Подробное описание прочитанных на конференции докладов вряд ли представит интерес для большинства наших читателей, поскольку речь зачастую шла об узкоспециализированных вопросах. Предлагаем ознакомиться с мнениями докладчиков по основным вопросам, связанным с практическими аспектами выбора ТТ для оборудования ими объектов электроэнергетики.
Подготовлен новый ГОСТ
При возникновении короткого замыкания ток, протекающий через ТТ, становится столь большим, что возникает явление насыщения, при котором прирост силы тока практически не меняет напряжение на выходе. Потенциально этот эффект способен привести к тому, что релейная защита при коротком замыкании не сработает. Переход в режим насыщения происходит не сразу, а за некоторое время. Чем оно больше, тем лучше. ТТ должен входить в режим насыщения за промежуток времени, в течение которого релейная защита гарантированно успеет сработать и отключить участок, где произошло короткое замыкание. Чем больше запас трансформатора по току, тем, как правило, он медленнее входит в режим насыщения. Более точное математическое описание процессов, происходящих в ТТ при коротком замыкании, открывает путь к более рациональной методике расчета необходимого запаса по току.
В своем докладе Антон Расщепляев (СО ЕЭС) рассказал о новом ГОСТ по измерительным ТТ для систем релейной защиты, который готовится к принятию в ближайшее время. Согласно документу, должен нормироваться минимальный промежуток времени, в течение которого обеспечивается достоверность измерений при коротком замыкании. Антон Расщепляев рекомендует уже сейчас, еще до официального вступления нового ГОСТ в силу, руководствоваться указанным параметром при выборе ТТ. Также докладчик отметил, что СО ЕЭС ранее выпустило методические указания по определению времени перехода измерительных ТТ в режим насыщения, основанные на серьезных научных исследованиях, а также практическом опыте.
Дмитрий Петров (компания «ЭКРА») обратил внимание, что время, в течение которого ТТ переходит в режим насыщения, зависит от силы тока короткого замыкания. Которое, в свою очередь, зависит от параметров другого используемого оборудования. Непонятно, какое именно значение нужно указывать в параметрах, если заранее не известно, какая будет применяться аппаратура релейной защиты? На это Антон Расщепляев ответил, что в данном случае следует ориентироваться на зарубежный опыт, когда производитель ТТ указывает значения времени выхода на насыщение для нескольких диапазонов значений силы тока. А проектировщики уже берут нужный диапазон, исходя из применяемого оборудования релейной защиты.
Влияние остаточной намагниченности
В своем докладе Дмитрий Петров, в частности, отметил, что для сетей 110 кВ и выше следует учитывать явление размагничивания ТТ под действием токов остаточной индукции. С данным тезисом не согласился Виктор Воробьев, который утверждал, что такое явление наблюдается очень редко, а в сетях на напряжение от 330 до 750 кВ не встречается вообще, и это подтверждается отечественными, а также зарубежными исследованиями на реально работающем оборудовании. Со своей стороны Антон Расщепляев заметил, что, при наличии технической возможности измерения степени размагничивания, ГОСТ допускает при расчетах варьировать соответствующий коэффициент, отражающий данное явление.
Григорий Ведерников («Уралэлектротяжмаш») рассказал об исследованиях влияния остаточного намагничивания на работу трансформатора, в которых он принимал участие. Вначале учёный стоял на позиции, что фактором размагничивания трансформатора можно пренебречь. Но исследования показали, что в современных условиях это не так. Сейчас для изготовления магнитопроводов, как правило, применяется электротехническая сталь 3408, которая, при всех своих преимуществах, имеет некоторую специфику, связанную с остаточным намагничиванием. А, именно, форма петли гистерезиса близка к прямоугольной, но при этом более вытянута относительно оси Y, что не наблюдалось в марках стали, использовавшейся для такой цели ранее. В современных же системах измерения тока используется, как правило, только одноступенчатая трансформация. В качестве решения проблемы докладчик предложил использовать ТТ с немагнитным зазором.
Кроме этого, Георгий Ведерников считает, что помимо усовершенствования магнитопровода, важным фактором, который будет способствовать снижению размеров ТТ, станет переход от номинального тока вторичной обмотки 5 А к току 1 А (что, кстати, закреплено в будущем ГОСТе). Переход связан с внедрением в системах релейной защиты электронного оборудования вместо электромеханического.
Дмитрий Ярошенко (ЗАО «ЗЭТО») также отметил, что немагнитные зазоры — эффективный способ снижения остаточной намагниченности. Но широкое распространение такие ТТ пока не получили в связи с отсутствием пока общепринятой теории расчета параметров зазора. На ЗЭТО была создана соответствующая методика. По параметрам, которые потенциальные заказчики внесли в опросные листы, были разработаны ТТ на напряжения от 110 до 500 кВ.
Применить другой материал?
Проблемы, связанные с остаточной намагниченностью ТТ, теоретически можно решить заменой материала магнитопровода. Но в реальности не все так просто. По мнению Георгия Ведерникова, применять инновационные нанокристаллические материалы в магнитопроводах ТТ пока бессмысленно, поскольку у них индукция насыщения меньше, чем у стали 3408.
Дмитрий Ярошенко считает, что аморфную сталь как альтернативу обычной электротехнической пока нельзя рассматривать по экономическим причинам. Килограмм стали 3408 стоит 150 руб., когда килограмм аморфной — 9000 руб.
Иное мнение относительно аморфной стали высказал Владимир Лебедев (Ивановский государственный университет). Да, аморфная сталь стоит дороже, но при этом ее и требуется для изготовления сердечника гораздо меньше, чем обычной. Чем меньше сердечник, тем выше точность ТТ. Трансформатор с сердечником из аморфной стали способен работать в гораздо более широком диапазоне рабочих токов. Например, опыты показали, что ТТ с магнитопроводом из аморфной стали, изначально рассчитанный на ток 250 А, оказался способным обеспечить тот же класс точности измерений для тока 1000 А. То есть, при повышении мощности подстанции менять ТТ не придется, и можно сократить количество типов трансформаторов на складе. Все это дает экономический эффект, способный компенсировать более высокую цену материала.
Применение катушки Роговского
Темы использования катушки Роговского вместо обычного ТТ коснулся Владимир Лебедев. С одной стороны, этот тип датчика, также являющегося разновидностью ТТ, в любых условиях обеспечивает линейность. С другой стороны, при использовании на высоковольтных подстанциях с высоким уровнем помех, возникают определенные проблемы.
Во-первых, катушка Роговского дает напряжение, пропорциональное не силе тока, а первой производной этого значения. Поэтому требуется интегрирование, в процессе которого происходит накопление помех, что снижает точность измерения. Но с этим специалисты из Ивановского государственного университета уже научились бороться, создав специальный алгоритм цифровой обработки сигнала, который осуществляет интегрирование без накопления ошибок. Во-вторых, катушка Роговского дает на выходе напряжение порядка нескольких милливольт. Кроме этого, нагрузка должна быть высокоомной. Поэтому сигнал с катушки может оказаться сильно «зашумленным» в результате действия электромагнитных помех на подстанции. Ситуация усугубляется ростом АЧХ с частотой, так что накладываются и помехи от средств радиосвязи. Тем не менее, этот проблема решаема и уже есть опытные образцы оборудования релейной защиты с катушками Роговского.
Тем не менее, трансформаторы традиционной конструкции пока рано списывать со счетов, нужно продолжать заниматься их совершенствованием. И именно по улучшению конструкции ТТ на конференции было высказано множество предложений, которые, надеемся, будут уже в ближайшее время внедрены в практику.
