Особенности применения трансформаторов напряжения в сетях 10 кВ

Распределительные сети среднего класса напряжения 10 кВ остаются базовым звеном энергоснабжения промышленных предприятий и городских районов. Корректная работа счётчиков, устройств релейной защиты и систем автоматики здесь невозможна без измерительных преобразователей, обеспечивающих безопасное понижение уровня сигнала.

Трансформаторы напряжения в таких сетях выполняют сразу несколько функций: питание катушек реле, подключение счётчиков активной и реактивной энергии, формирование синхронизирующих сигналов и обеспечение безопасного обслуживания распределительных устройств. Их грамотный подбор напрямую влияет на достоверность коммерческого учёта и надёжность срабатывания защит.

Назначение и роль в схеме электроснабжения

Трансформатор напряжения (ТН) — это электромагнитный или ёмкостной преобразователь, который воспроизводит первичное напряжение с нормированным масштабом и фазовым сдвигом на вторичной стороне. В отличие от силового аппарата, он работает в режиме, близком к холостому ходу, и передаёт измерительную, а не силовую информацию.

В сетях 10 кВ эти приборы включаются между фазой и землёй либо между фазами и служат источником нормированного сигнала для цепей измерения, защиты и сигнализации. Их установка обязательна при наличии расчётных счётчиков, устройств АВР, защит от однофазных замыканий на землю и при организации собственных нужд подстанции. Специфика использования здесь определяется режимом нейтрали и схемой вторичных цепей.

Конструктивные исполнения и типы

По принципу действия в сетях 10 кВ используются три группы приборов: электромагнитные с магнитопроводом и обмотками, ёмкостные делители с последующим электромагнитным звеном и оптические преобразователи. Последние пока занимают нишевое положение, тогда как первые два типа доминируют на объектах в Казахстане и других странах СНГ.

Электромагнитные модели выпускаются в однофазном и трёхфазном исполнении, с литой эпоксидной или масляной изоляцией. Ёмкостные конструкции применяются там, где требуется уменьшить габариты и массу аппарата, а также снизить стоимость при повышенных требованиях к переходным процессам. Сравнительные характеристики и номенклатурные ряды удобно смотреть на сайте energogrup.kz, где собран каталог поставщиков электрооборудования для сетей среднего напряжения.

Распространённые серии для класса 10 кВ:

• ЗНОЛ — однофазные масляные аппараты с литой изоляцией для наружной и внутренней установки;
• НОЛ — облегчённая серия с воздушной изоляцией для комплектных распредустройств;
• ЗНОМ — трёхфазные модели с тремя магнитопроводами для питания цепей защиты;
• НТМК — комбинированные трёхфазные исполнения с обмоткой для схемы разомкнутого треугольника.

Схемы соединения и заземление вторичных обмоток

В сетях 10 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью наиболее распространена схема с двумя однофазными ТН, включёнными по схеме открытого треугольника. Вторичные обмотки при этом соединяются последовательно, а точка их соединения заземляется для обеспечения безопасности персонала.

При необходимости контроля напряжения нулевой последовательности применяются три однофазных ТН либо один трёхфазный с дополнительной обмоткой, собранной в разомкнутый треугольник. По этой обмотке формируется напряжение 3U₀, пропорциональное смещению нейтрали, что позволяет реализовать защиту от однофазных замыканий на землю.

Заземление вторичных цепей выполняется только в одной точке на клеммной коробке ТН. Повторные заземления по длине кабеля приводят к появлению уравнительных токов и дополнительной погрешности измерения. Требование обусловлено тем, что при пробое между обмотками высокого и низкого напряжения на вторичных цепях появляется потенциал, опасный для приборов и обслуживающего персонала.

Классы точности и приборы учёта

Для коммерческих счётчиков электроэнергии в сетях 10 кВ нормативными документами установлены классы точности 0,2S и 0,2. Для расчётного учёта на вводах предприятий обычно применяется класс 0,5, а для цепей измерения, не участвующих в денежных расчётах, допускается класс 1,0.

Метрологические характеристики зависят от нагрузки вторичных цепей. Каждый ТН рассчитан на определённую номинальную мощность в вольт-амперах, при превышении которой погрешность увеличивается и класс точности перестаёт соответствовать паспорту. При проектировании суммируют мощность всех подключённых реле, счётчиков и приборов с учётом коэффициента одновременности, оставляя запас не менее 25–30%.

Популярные марки для данного класса напряжения:

• НТМИ — трёхфазный трёхобмоточный с дополнительной обмоткой для контроля 3U₀;
• ЗНОЛП — однофазный с уменьшенным расходом масла и полимерной изоляцией выводов;
• НАМИ — трёхфазный антирезонансный для сетей с компенсированной нейтралью;
• НКФ — каскадный с ёмкостным делителем для классов 35 кВ и выше, иногда используемый в составе крупных узлов 10 кВ.

Защита от коротких замыканий и переходных процессов

Вторичные цепи ТН подвержены двум характерным аварийным ситуациям: короткому замыканию в кабельной линии до приборов и феррорезонансу при однофазных замыканиях на землю. Первое явление вызывает резкий рост тока и перегрев обмотки, второе сопровождается перенапряжениями на вторичной стороне и входах реле.

Для защиты от токов короткого замыкания последовательно с вторичной обмоткой включаются предохранители или автоматические выключатели с нормированной времятоковой характеристикой. Номинал выбирается из условия надёжного отключения при минимальном токе КЗ в конце кабеля и невозможности срабатывания при пуске счётчиков.

Антирезонансные ТН серии НАМИ конструктивно содержат встроенные резисторы, демпфирующие колебания. Перед подачей рабочего напряжения вторичные обмотки проверяют мегаомметром на отсутствие обрыва и качество заземления. Несоблюдение этого правила приводит к выходу из строя микропроцессорных терминалов и счётчиков при первом же включении.

Подбор аппаратов при проектировании

При выборе ТН учитываются: класс напряжения сети, схема соединения и нейтральный режим, требуемый класс точности, суммарная нагрузка вторичных цепей, климатическое исполнение, способ установки, а также необходимость антирезонансных мер для защиты от переходных процессов.

На этапе проектирования формируется опросный лист с указанием числа обмоток, коэффициента трансформации, схемы включения и списка подключаемых приборов. Этот документ передаётся заводу-изготовителю или поставщику, а сравнить ценовые и технические предложения удобно через каталог продукции, где собраны описания серий для разных классов напряжения.

Перед монтажом запрашиваются протоколы приёмо-сдаточных испытаний, паспорта и сертификаты соответствия. После установки проводятся наладочные работы: проверка коэффициента трансформации, измерение сопротивления изоляции, прогрузка вторичных цепей рабочим напряжением и оформление актов скрытых работ.

Грамотный выбор трансформатора напряжения для сети 10 кВ — это баланс между метрологической точностью, устойчивостью к переходным процессам и стоимостью с учётом полного срока службы. Ошибка на стадии проектирования оборачивается либо переплатой за избыточный класс точности, либо систематическим недоучётом электроэнергии и ложными срабатываниями защит, поэтому подбор аппарата стоит вести совместно с инженером-проектировщиком ещё до выхода оборудования на объект.