Трансформаторы напряжения 110 кВ: типы, схемы включения и применение в защитах
Трансформаторы напряжения (ТН) — неотъемлемый элемент подстанций 110 кВ. Они понижают высокое напряжение до стандартных 100 вольт, обеспечивая питание измерительных приборов, релейной защиты, систем учёта и автоматики. Без ТН невозможны ни измерение параметров сети, ни работа защит, реагирующих на напряжение, ни синхронизация генераторов.
Разберём конструкцию трансформаторов напряжения 110 кВ, их типы, схемы включения, особенности применения в релейной защите и типичные режимы, которые приводят к повреждениям.
Назначение и принцип работы
Трансформатор напряжения понижает первичное напряжение сети до вторичного 100 В (между фазами) или 100/√3 В (между фазой и землёй). Вторичная обмотка питает:
- вольтметры, частотомеры, фазометры;
- счётчики электроэнергии;
- релейную защиту, реагирующую на напряжение и направление мощности;
- устройства АПВ, АВР и автоматики;
- системы телемеханики и диспетчеризации.
Важнейшее требование к ТН — точность преобразования. Погрешность по напряжению и углу напрямую влияет на точность измерений и корректность работы защит, особенно направленных.
Конструкция трансформаторов напряжения 110 кВ
Электромагнитные ТН
Классическая конструкция — масляный трансформатор с магнитопроводом и обмотками. Первичная обмотка рассчитана на 110 кВ, вторичная — на 100 В. Для сетей 110 кВ применяются трёхфазные трёхстержневые и однофазные ТН.
Однофазные ТН имеют преимущество: при повреждении одной фазы заменяется один аппарат, а не весь трёхфазный. Кроме того, однофазные ТН допускают сборку нужной схемы соединений под конкретную задачу.
Емкостные ТН (конденсаторные)
Ёмкостный ТН выполнен как делитель напряжения из конденсаторов высокого напряжения с измерительным трансформатором на выходе. Преимущества:
- меньшая масса и стоимость по сравнению с электромагнитным при высоких классах напряжения;
- возможность использования в качестве несущей конструкции для высокочастотной связи;
- меньшее влияние на сеть при феррорезонансе при правильной схеме включения.
Обмотки и классы точности
Современные ТН имеют несколько вторичных обмоток с разными классами точности:
- основная обмотка класса 0,5 — для коммерческого учёта;
- измерительные обмотки классов 1 и 3 — для приборов и оперативного контроля;
- защитные обмотки — для релейной защиты, с характеристиками, обеспечивающими работу защит при КЗ;
- обмотка нулевой последовательности — для защит от замыканий на землю.
Схемы включения
Звезда — звезда
Наиболее распространённая схема: первичные и вторичные обмотки включены в звезду с глухозаземлённой нейтралью. Позволяет измерять как междуфазные, так и фазные напряжения и подключать защиты, реагирующие на напряжение нулевой последовательности.
Звезда — открытый треугольник
Две группы ТН включаются по схеме звезда — открытый треугольник: на выходе получается напряжение, пропорциональное напряжению нулевой последовательности. Применяется в схемах защиты от замыканий на землю: при однофазном КЗ на выходе фильтра появляется напряжение 3U0, по которому срабатывает защита.
Треугольник — звезда
Применяется реже, в основном для питания специфических защит, чувствительных к сдвигу фаз при включении.
Применение в релейной защите
Трансформаторы напряжения формируют входные сигналы для целого класса защит:
- Направленные защиты. Определяют направление мощности по вектору напряжения и тока — требуют высокой точности по углу.
- Защиты от замыканий на землю. Реагируют на 3U0 от обмотки нулевой последовательности.
- Дистанционные защиты. Измеряют сопротивление линии по напряжению и току — критичны к погрешностям ТН и ТТ.
- Контроль напряжения и АПВ. Разрешение АПВ при наличии напряжения на шинах или линии.
- Защита от несимметрии. Реагирует на дисбаланс фазных напряжений.
Опасные режимы и феррорезонанс
Феррорезонанс
Опасный режим, возникающий при ёмкостной связи сети с индуктивностью ТН: при определенных условиях (например, при отключении выключателя с одной стороны ТН и наличии ёмкости линии) возникают колебания с повышенным напряжением на обмотках. Проявления — нагрев ТН, искажение формы напряжения, ложные срабатывания защит.
Меры борьбы:
- включение активного сопротивления в обмотку нулевой последовательности;
- применение ТН с тремя обмотками, включёнными по схеме звезда — открытый треугольник;
- использование емкостных ТН вместо электромагнитных;
- правильная последовательность операций при переключениях.
Перенапряжения
ТН 110 кВ уязвимы к грозовым и внутренним перенапряжениям. Защита обеспечивается ограничителями перенапряжений на подходе и правильным заземлением нейтрали. Особенно опасны феррорезонансные перенапряжения, которые могут многократно превышать номинальное.
Эксплуатация и обслуживание
Типовой объём обслуживания ТН:
- внешний осмотр — состояние изоляторов, масляных уплотнений, уровень масла;
- измерение сопротивления изоляции обмоток;
- проверка полярности и группы соединения при вводе в эксплуатацию и после ремонта;
- контроль работы защитных обмоток и цепей;
- проверка предохранителей на первичной стороне;
- контроль температуры при перегрузках.
Типичные неисправности
- Межвитковое замыкание. Проявляется искажением вторичного напряжения, нагревом, газовыделением в масле.
- Пробой изоляции обмотки. Приводит к отключению защит и выходу ТН из строя.
- Обрыв вторичной цепи. Опасен для персонала: при разомкнутой вторичной обмотке ТН становится источником повышенного напряжения.
- Снижение уровня масла и увлажнение. Снижение диэлектрических свойств изоляции.
- Перегрев при феррорезонансе. Повреждение обмоток нулевой последовательности.
Меры безопасности
При работе с ТН 110 кВ обязательны: снятие напряжения с первичной цепи, заземление, проверка отсутствия напряжения, использование средств защиты. Особое внимание — вторичным цепям: они должны быть всегда заземлены в одной точке, а при проведении работ в цепях защиты вторичная обмотка закорачивается для предотвращения опасных перенапряжений.
Заключение
Трансформаторы напряжения 110 кВ — тихие работники подстанции, от которых зависит работа измерительной системы и целого класса защит. Правильный выбор типа и класса точности, грамотная схема включения с защитой от феррорезонанса и дисциплина обслуживания обеспечивают точность измерений и корректную работу защиты на протяжении всего срока службы оборудования.
