Преобразователь трехфазной системы питания в двухфазную 4 страница

Р и с. 3.9. Многовитковый ТТ

При переходе с па­раллельного соединения на последовательное первичный номинальный ток трансформатора уменьшается в 2 раза.

Первичная и вторичная обмотки изолируются кабельной бумагой 5 толщиной 0,12 мм. После наложения изоляции магнитопровод с обмотками крепится к основанию ТТ с помощью лап 3. К этому же ос­нованию крепится фарфоровый кожух, который защищает обмотки от воздействия окружающей среды. Внутренняя полость ТТ после вакуум­ной сушки заполняется трансформаторным маслом. Масло пропитывает кабельную бумагу и заполняет все пустоты. Такие ТТ выполняются на напряжение до 220 кВ. Общий вид ТТ типа ТФН-35 на напряжение =35 кВ представлен на рис. 3.10. Здесь 1 – вывод ветвей пер­вичной обмотки; 2 – вывод первичной обмотки; 3 – магнитопровод; 4 – вторичная обмотка; 5 – изоляция из кабельной бумаги; 6 – фар­форовая покрышка; 7 – трансформаторное масло.

Р и с. 3.10. ТТ звеньевого типа и трансформатор тока типа ТФН-35

С ростом номинального напряжения стоимость ТТ возрастает при­мерно пропорционально квадрату напряжения, в основном за счет изо­ляции. Поэтому при напряжении >220 кВ применяют каскадные ТТ. На рис. 3.11 показан двухступенчатый каскадный ТТ на напря­жение 500 кВ. Схема включения обмоток дана на рис. 3.11, а. Здесь – первичная обмотка верхней ступени; – вторичная обмотка верх­ней ступени; – первичная обмотка нижней ступени; – вторич­ные обмотки нижней ступени; – нагрузка ТТ. Общая компоновка показана на рис. 3.11, б.

Р и с. 3.11.Двухступенчатый каскадный ТТ:

а – принципиальная схема; б – общая компоновка

Каждая ступень представляет собой ТТ на напряжение кВ, аналогичный показанному на рис. 3.10. Вто­ричная обмотка первой ступени питает первичную обмотку второй сту­пени. При перевозке каждая ступень, залитая маслом, доставляется к месту установки отдельно. Стоимость двухступенчатого трансформатора примерно в 2 раза меньше, чем одноступенчатого. Недостатком каскад­ного ТТ является увеличение погрешности из-за увеличения сопротив­ления обмоток.

В связи с повышением номинального напряжения до 1150 кВ и вы­ше представляется целесообразным переход на ТТ с оптико-электрон­ной системой. Датчик тока может находиться под высоким потенциалом и модулировать световой поток, подаваемый с земли по волоконному световоду (внешняя модуляция). В другом варианте датчик тока сам вырабатывает модулированный световой поток, который по световоду передается на потенциал земли (внутренняя модуляция). Однако вследствие сложности такие системы пока не по­лучили широкого применения.

3.2.6. Выбор ТТ

Номинальное напряжение ТТ должно быть не меньше номинального напряжения сети, в которой он устанавлива­ется. Обычно изоляция ТТ находится под воздействием фаз­ного напряжения. Однако в энергосистемах с изолирован­ной нейтралью при заземлении одной фазы ТТ оказывается под линейным напряжением. Наибольший возможный ток продолжительного режима работы установки высокого на­пряжения должен быть возможно ближе к номинальному первичному току ТТ для получения наименьшей погрешно­сти. ТТ со вторичным током 1 А желательно применять при удаленном расположении ТТ от аппаратов релейной защи­ты, так как в этом случае можно допустить большее со­противление проводников, соединяющих его с нагрузкой. Класс точности ТТ выбирается в соответствии с его назна­чением. ТТ с меньшей погрешностью (классы 0,5 и 1) ис­пользуются для измерений. Для релейной защиты выбира­ются ТТ, имеющие необходимую номинальную предельную кратность.

После выбора ТТ по указанным параметрам проводится проверка его динамической и термической стойкости. Для этого необходимо знать ударный ток в месте установки ТТ и действующее значение установившегося тока КЗ. Эти ве­личины должны быть меньше токов динамической и терми­ческой стойкости выбранного ТТ.

Хотя ТТ на малые номинальные токи имеют доста­точную кратность по динамической и термической стойко­сти, в абсолютных величинах эта стойкость может быть недостаточной. Поэтому часто приходится выбирать ТТ наноминальный ток, превышающий ток контролируемой уста­новки. При этом, как правило, увеличивается погрешность, так как номинальный ток установки получается меньше но­минального тока ТТ.

Для ТТ цепей релейной защиты необходимо, чтобы но­минальная предельная кратность была выше отношения тока КЗ к номинальному. ТТ дифференциальной защиты должны иметь одинаковую номинальную предельную крат­ность.

При выборе ТТ необходимо учитывать, что его реаль­ной нагрузкой являются не только обмотки измерительных приборов и реле, но и сопротивления соединительных про­водов.

3.3. Трансформаторы напряжения

3.3.1. Назначение и основные параметры

Трансформаторы напряжения (ТН) служат для преобразования высокого напряжения в низкое стандартное напряжение, удобное для измерения. Обычно за номинальное вторичное напря­жение принимается напряжение В или 100 В. Это позволяет для измерения любого высокого напряжения при­менять одни и те же измерительные приборы. Реле защиты выпускаются на те же стандартные напряжения, не­зависимо от номинального напряжения защищаемой уста­новки.

Первичная обмотка ТН изолируется от вторичной соот­ветственно классу напряжения установки. Для безопасности обслуживания один вывод вторичной обмотки 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. 3.12. Первичная обмотка присоединена к цепи высокого на­пряжения через предохранители FU1, FU2. Вторичная об­мотка w₂ питает нагрузку в виде обмоток измерительных приборов или реле защиты через предохранители FU3, FU4. В нормальной конструкции заземляются и вторичная обмотка w₂, и магнитопровод.

Предохранители FU3, FU4 служат для защиты ТН от КЗ в цепи нагрузки.

Предохранители FU1, FU2 на высоковольтной стороне служат для защиты сети от КЗ в ТН. Целесообразно применение токоограничивающих предо­хранителей типа ПКТ или стреляю­щих с ограничивающим резистором. Вследствие высокого сопротивления обмоток самого ТН при КЗ во вто­ричной цепи ток в первичной цепи мал (порядка нескольких ампер) и недостаточен для срабатывания предохранителей FU1, FU2. Этим объясняется установка предохрани­телей FU3, FU4 во вторичной цепи.

Основными параметрами ТН яв­ляются следующие.

– Номинальное напряже­ние первичной и вторич­ной обмоток, указанное на щит­ке. Номинальное напряжение ТН равно номинальному напряжению первичной обмотки.

– Номинальный коэффициент трансформа­ции – отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторичному:

– Погрешность по напряжению, %, определя­ется уравнением

где – напряжение, поданное на первичную обмотку; U₂ – напряжение, измеренное на выводах вторичной об­мотки.

При погрешность =0.

По ГОСТ 1983-77 направления токов и напряжений, по­казанные на рис. 3.12, приняты за положительные. При отсутствии угловой погрешности векторы и U'₂ совпада­ют по фазе. Если вектор U₂ опережает вектор ,тоугловая погрешность считается положительной. Угловую погреш­ность необходимо учитывать при измерении активной мощ­ности, энергии и в схемах релейной защиты. Допустимая погрешность ТН по напряжению в процентах при номи­нальных условиях численно равна классу точности.

Погрешности ТН не должны превышать значений, предусмотренных классом точности, при колебании напря­жения в пределах 90-110% и колебании мощно­сти вторичной цепи в пределах 25-100% номиналь­ной.

– Номинальная вторичная нагрузка. ТН включаются (рис. 3.12) так же, как силовые трансформа­торы. Ток вторичной обмотки определяется сопротивлением нагрузки:

вторичная мощность:

При уменьшении сопротивления Z₂ вторичная мощность увеличивается. Вторичная нагрузка Z₂, кроме модуля, харак­теризуется также коэффициентом мощности ;

– Номинальная мощность. ТН представляет со­бой наибольшее значение вторичной мощности при = 0,8, при которой погрешность ТН не выходит за пределы, определенные классом точности. Требования к ТН опреде­ляются ГОСТ 1983-77.

3.3.2. Погрешности ТН

Погрешность ТН обусловлена на­личием активных и реактивных сопротивлений обмоток и тока холостого хода. Схема замещения ТН дана на рис. 3.13, а векторная диаграмма – на рис. 3.14, а. Все величины приведены к первичной обмотке. Поток Ф создает вторич­ную ЭДС , отстающую от него на 90°. Под действием этой ЭДС во вторичной цепи возникают напряжение и ток , проходящий по сопротивлению нагрузки R'₂, X'₂. Тот же ток создает падения напряжения на сопротивлениях вторичной обмотки и . При выбранных положитель­ных направлениях ток 1'₂ отстает от ЭДС . Сумма этих напряжений равна ЭДС Е'₂. Намагничива ющий ток (ток холостого хода) на угол потерь опере­жает поток Ф. В первичной обмотке создается падение на­пряжения . Уравнения н.с. и токов имеют вид

Уравнение напряжений в соответствии со схемой замещения можно представить в виде

выразив в последнем выражении через и , получим

.

Катеты треугольника ABC пропорциональны падениям напряжения от тока холостого хода , катеты треугольника CDE – падениям напряжения от тока нагрузки 1'₂. При отсутствии погрешности или точки А, Е должны совпасть. Погрешность ТН по напряжению

Поскольку угол между и мал, то вместо арифме­тической разности модулей этих векторов можно взять проекцию вектора АЕ на ось . Таким образом, погреш­ность определяется отрезком AF. В реальных ТН углы и , определяемые активным и реактивным сопротивлением обмоток, примерно одинако­вы. В связи с этим введем угол , необходимый для построения треугольника падений напряжений CDE. Угол между напряжением на нагрузке и ЭДС составляет несколько минут, и им можно пренебречь.

Р и с. 3.13.Схема замещения ТН

Найдем проекции векторовна направление вектора U₂ (ось OF). Уравнение для погрешности по напряжению имеет вид

Уравнение показывает, что погрешность состоит из двух частей. Первая определяется током холостого хода, вторая – током нагрузки. Для того чтобы уменьшить по­грешность по напряжению, снижают активное и реактив­ное сопротивление обмоток. Уменьшение активного сопро­тивления достигается малой плотностью токов в обмотках (около 0,3 А/мм²), что облегчает тепловой режим ТН.

Для снижения индуктивного сопротивления обмоток х_{ и х₂ уменьшают расстояние между первичной и вторич­ной обмотками.

При заданном первичном напряжении U_t намагничи­вающий ток практически постоянен. В этом случае, со­гласно полученным соотношениям, погрешность линейно растет с увеличением тока нагрузки . Поскольку в номинальном режиме на­пряжение мало меняется с током нагрузки 1'₂, то вто­ричная (выходная) мощность Р₂ пропорциональна этому току. Зависимость погрешности по напряжению от вторич­ной мощности для одного из исполнений ТН показана на рис. 3.14.

На погрешность влияет коэффициент мощности нагруз­ки . С уменьшением погрешность увеличива­ется.

Погрешность зависит и от первичного напряжения.

а б Р и с. 3.14.Векторная диаграмма ТН и зависимости для погрешности

Рассмотрим холостой ход . Если принять, что при изменении угол потерь не изменяется, то, согласно полученным соотношениям, погрешность по напряжению будет определяться от­ношением намагничивающего тока к первичному напря­жению . Индукция В пропорциональна первичному на­пряжению, а намагничивающий ток пропорционален напря­женности поля:

.

Тогда погрешность пропорциональна отношению Н/В_т или обратно пропорциональна магнитной проницаемости . Обычно рабочая индукция в номинальном режиме со­ставляет 1,1 Тл.

При изменении первичного напряжения в пределах (0,5 1,1) магнитная проницаемость увеличивается и погрешность уменьшается.

Следует отметить, что погрешность от тока холостого хода мала по сравнению с погрешностью от тока нагруз­ки. Поэтому изменение первичного напряжения в указан­ных пределах мало влияет на значение погрешности.

Угловая погрешность определяется углом между вто­ричным напряжением U'₂ и первичным напряжением . Ввиду малости угла можно считать, что OE = OF (см. рис. 3.14, а).

Погрешность по углу состоит также из двух частей: пер­вой, определяемой током холостого хода, и второй, зави­сящей от тока нагрузки. Отсюда следует, что индуктив­ное сопротивление обмоток вносит отрицательную угловую погрешность, а активное – положительную. Зависимость угловой погрешности от вторичной мощности Р при раз­личных значениях приведена на рис. 3.14, б. В режи­ме холостого хода угловая погрешность положительна. При чисто активной нагрузке () с ростом мощ­ности угловая погрешность изменяет знак и становится от­рицательной. При угловая погрешность линей­но растет с мощностью и остается все время положитель­ной. Следует отметить, что характер нагрузки () оказывает большее влияние на угловую погрешность, чем на погрешность по напряжению (см. рис. 3.14, а, б).

Погрешность по напряжению можно компенсировать путем уменьшения числа витков первичной обмотки. При этом коэффициент трансформации становится меньше но­минального, вторичное напряжение возрастает, вво­дится положительная погрешность, которая компен­сирует отрицательную. Обычно вводится такая коррекция, что при холостом ходе трансформатор имеет максимально допустимую для данного класса точности положительную погрешность.

На угловую погрешность витковая коррекция не влияет.

В трехфазных ТН угловую погрешность можно компен­сировать с помощью специальных компенсирующих обмо­ток. При активной нагрузке вносится положительная коррекция. При индуктивной нагрузке применяется схема соединений, создающая отрицательную коррекцию.

3.3.3. Конструкция ТН

При напряжении до 35 кВ конструкции ТН и силовых трансформа­торов аналогичны. При этом индукция в магнитопроводе значительно меньше, чем у силовых трансформаторов. Это снижает погрешность, позволяет в некоторых случаях проводить испытания индуцированным напряжением. Для испытания ТН на выводы вторичной обмотки пода­ется удвоенное напряжение частотой 50 Гц. На первичной обмотке по­является также удвоенное напряжение. Индукция не должна превы­шать индукцию насыщения.

При эксплуатации возможны случаи, когда первичная обмотка, рас­считанная на работу при фазном напряжении, попадает под линейное напряжение вместо фазного. При этом магнитопровод не должен на­сыщаться.

Для напряжений до 35 кВ выпускаются однофазные ТН, у которых оба или один из выводов обмотки высокого напряжения изолированы от земли (второй вывод заземлен). На рис. 3.15, а показан однофазный ТН на на­пряжение 6 кВ с масляной изоляцией. Оба вывода первичной обмотки изоли­рованы от корпуса.

Перспективным является отказ от масляной изоляции. В этом случае при­меняется заливка ТН эпоксидным ком­паундом. Наряду с резким сокращением массы и габаритов упрощается эксплуа­тация, делается ненужным уход за мас­лом. Трансформаторы с литой пластмас­совой изоляцией пожаробезопасны, удобны в передвижных установках и КРУ. Для сравнения на рис. 3.15, а и б по­казаны ТН с одинаковыми параметрами при масляной и литой изоляции. Габариты ТН в значительной степени определяются изоляцией. По­этому там, где возможно, ТН включаются между фазой сети и землей, что исключает необходимость в изоляции заземленного вывода первичной обмотки. Линейное напряжение получается путем соединения в звезду вторичных обмоток таких ТН. Такие способы позволяют умень­шить габариты, массу и стоимость ТН.

Основные схемы включения однофазных ТН нормального испол­нения показаны на рис. 3.16. В схеме рис. 3.16 используются ТН, у ко­торых оба вывода первичной обмотки изолированы от земли. Такая схема удобна при измерении мощности и энергии. К каждому ТН может подключаться номинальная нагрузка. Схема позволяет получать как фазное, так и линейное напряжение . В последнем случае измерительные приборы подключаются между точками а и с. Однако при таком включении создаются дополнительные погрешности за счет тока приборов, проходящего через обе вторичные обмотки. В этом случае нагрузка ТН должна быть меньше номинальной.

В схеме рис. 3.16, б могут применяться ТН с одним заземленным выводом первичной обмотки. Каждая из обмоток подключена к фаз­ному напряжению сети, поэтому номинальное напряжение ТН должно равняться . Нагрузка подключается по схеме звезды или треугольника. Номинальное напряжение каждой вторичной обмотки равно .

Для контроля сопротивления изоляции и питания защиты, сраба­тывающей при КЗ на землю, имеются 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 на выводах разомкнутого треугольника возникает напряже­ние, которое подается на звуковой сигнализатор.

Р и с. 3.16. Схемы включения ТН в трехфазных цепях

Возможны два режима работы схемы рис. 3.16, б. Если нейтраль сети изолирована или заземлена через реактор, то заземление одной из фаз сети, например, С,не ведет к КЗ. Установка может оставаться в работе длительное время. При этом напряжение на обмотке С пада­ет до нуля, а на обмотках А и В увеличивается до линейного. В связи с этим индукция в магнитопроводах ТН А и В увеличивается в раз. Во избежание недопустимого нагрева и резкого возрастания погреш­ности магнитопроводы не должны насыщаться при таком увеличении индукции.

В установках с заземленной нейтралью заземление одной из фаз сети вызывает КЗ и срабатывание релейной защиты. Напряжение на неповрежденных фазах при этом не поднимается выше .

Габариты и стоимость ТН могут быть уменьшены путем объедине­ния трех однофазных ТН в один трехфазный. Применяются трехстержневые и пятистержневые ТН. Трехфазные трехстержневые ТН выпол­няются с изолированной нулевой точкой на стороне высокого напря­жения. Если нулевую точку заземлить, то при заземлении одной фазы в сетях с изолированной нейтралью возникает аварийный режим рабо­ты.

Для контроля сопротивления изоляции систем с изолированной нейтралью применяются трехфазные пятистержневые ТН (рис. 3.17). При заземлении одной из фаз магнитные потоки, созданные обмотка­ми неповрежденных фаз, замыкаются по крайним стержням, имеющим малое магнитное сопротивление. Дополнительные обмотки, соединенные в открытый треугольник ,обеспечивают работу сигнализации и релейной защиты. При симметричном режиме в сети на выходе напряжение отсутствует.

При напряжениях выше 35 кВ ввиду резкого возрастания габари­тов и стоимости ТН нормальной конструкции применяются каскадные ТН. В двухкаскадном ТН на напряжение 110 кВ (рис. 3.18, а) каждый каскад имеет свой магнитопровод (I и II). Обмотки высокого напряже­ния ВН каждого каскада рассчитаны на 50% фазного напряжения. Один из выводов каждой обмотки ВН соединен с магнитопроводом. На стороне низкого напряжения НН выходные обмотки пред­назначены для питания измерительных приборов и реле в схеме защиты.

Р и с. 3.17. ТН с пятистержневым магнитопроводом

Обмотка связи расположена на магнитопроводе I, а обмотка свя­зи – на магнитопроводе II. При отсутствии обмоток связи, если нагрузка не подключена к вы­ходным обмоткам, напряжение раз­делится поровну между обмотками ВН, так как их индуктивные сопро­тивления холостого хода одинаковы. При включении нагрузки вторич­ный ток размагничивает магнитопровод и поток в нем уменьшается.

Реактивное сопротивление ступени 1 также уменьшается. Это ведет к то­му, что напряжение между ступенями поделится неравномерно, причем большая часть ляжет на ступень II. Обмотки связи служат для выравнивания распределения напряже­ния между обмотками при включении нагрузки.

При холостом ходе ЭДС в этих обмотках одинаковы, так как равны потоки в магнитопроводах I и II. Обмотки включены встречно друг другу, и уравни­тельный ток равен нулю. При включении нагрузки поток в магнитопроводе I падает. ЭДС в обмотке w_CB2 становится больше, чем ЭДС в обмотке . В результате в этих обмотках протекает уравнительный ток, который размагничивает магнитопровод II и подмагничивает магнитопровод I. Этот ток таков, что верхний элемент воспринимает половину нагрузки, включенной на выходных обмотках. Более совершенным является вариант рис. 3.18, б. При том же напряжении 110/ кВ ТН имеет один магнитопровод. На верхнем горизонтальном стержне магнитопровода расположены обмотки связи и первая обмотка высокого напряжения ВН1, на нижнем – обмот­ка связи , вторая обмотка высокого напряжения ВН₂ и две обмот­ки низкого напряжения НН. Один из концов каждой обмотки ВН₁ и ВН₂ соединяется с магнитопроводом. Каждая обмотка ВН имеет изоляцию относительно магнитопровода, рассчитанную на напряжение , что уменьшает размеры ТН. Собранный магнитопровод с изо­ляционными стойками показан на рис. 3.18, г. В трансформаторах на напряжение 110 кВ для снижения атмос­ферных перенапряжений необходимо равномерное распределение на­пряжения по катушкам
обмотки ВН. С этой целью поверх обмоток ВН располагаются экраны Эк, которые электрически соединяются с послед­ними витками этих обмоток. Магнитопровод с обмотками крепится на изоляционных стойках, устанавливается в фарфоровый кожух и зали­вается маслом.