1.4 Ёмкостные трансформаторы напряжения

Электромагнитные измерительные ТН для высоких первичных напряжений получаются громоздкими и дорогими. Особые трудности возникают при выполнении их внутренней изоляции. Поэтому для первичных напряжений 110кВ, 150кВ, 220кВ и 330кВ измерительные ТН выполняются многоступенчатыми каскадного типа. В таких трансформаторах всё напряжение сети равномерно распределяется между двумя, - тремя отдельными каскадами.

В сетях с номинальным напряжением 500кВ и выше для питания устройств РЗ применяются ёмкостные делители напряжения совместно с электромагнитными ТН.

Если между фазным проводом линии электропередачи и землёй включить последовательно два конденсатора (две группы конденсаторов) С₁ и С₂ (рисунок 1.7), то фазное напряжение линии U_1ф распределится между конденсаторами обратнопропорционально их ёмкостям

(1.14)

Здесь С₁ <<C₂.

Рисунок 1.7 Ёмкостный измерительный ТН

Обычно ёмкости конденсаторов С₁ и С₂ выбираются таким образом, чтобы при номинальном фазном напряжении линии U_1ф,ном напряжение на конденсаторе С₂ составляло (0,05 ÷ 0,1) U_1ф,ном. Если к конденсатору С₂ подключить первичную обмотку трансформатора, то напряжение на его вторичной обмотке U₂ будет пропорционально фазному напряжению линии с учётом соотношения ёмкостей С₁ и С₂.

Ёмкостное сопротивление участка фаза-земля (рисунок 1.7) равно

(1.15)

Ток, проходящий через ёмкостный делитель

(1.16)

Напряжение на конденсаторе С₂ равно

(1.17)

С учётом коэффициента трансформации К_U

(1.18)

При отсутствии нагрузки (вторичная цепь ТН разомкнута) напряжение U₂ совпадает по фазе с напряжениями U₁ и U_1ф. При подключении к ТН обмоток реле искажается как величина вторичного напряжения, так и его фаза относительно первичного напряжения, что обусловливает возрастание погрешностей f_U и δ.

Для уменьшения погрешностей в работе ёмкостного ТН принимаются дополнительные меры – применяется компенсирующее устройство (рисунок 1.8), состоящее из дросселя L и дополнительного конденсатора С₃. Соответствующим подбором их параметров и ограничением нагрузки (уменьшением потребляемой мощности подключённых реле) можно с достаточной точностью обеспечить пропорциональность и совпадение по фазе напряжений U₂ и U₁.

Рисунок 1.8 Упрощённая схема ёмкостного ТН с коррекцией

Другими словами компенсирующее устройство позволяет уменьшить угловую погрешность δ и погрешность по напряжению ΔU (f_U). Существенным недостатком ёмкостных делителей напряжения является их относительно небольшая мощность (порядка 100 ÷ 150 В∙А), что может ограничивать количество подключённых реле.

1.5 Работа измерительных трансформаторов напряжения в переходных режимах

Для трансформаторов напряжения , используемых в устройствах РЗ, необходимо рассматривать ряд переходных режимов их работы. К таким режимам относятся:

1. первые периоды колебаний токов и напряжений после возникновения короткого замыкания (КЗ) в защищаемом элементе, когда переходные первичные токи КЗ могут содержать периодические и затухающие апериодические слагающие;

2. включение измерительного ТН под напряжение или его работа в цикле автоматического повторного включения (АПВ) шин и линий.

Переходные процессы и соответствующие им вторичные напряжения у электромагнитных и ёмкостных ТН существенно различаются. Опыт эксплуатации и исследования режимов работы электромагнитных ТН дают возможность сделать следующие выводы:

1. переходный процесс в ТН, имеющий место при КЗ без апериодической слагающей в остаточном первичном напряжении U_1,ост, характеризуется возникновением во вторичном напряжении весьма малой свободной апериодической слагающей, при этом ТН работает без существенных погрешностей; наличие в первичном токе КЗ и в остаточном первичном напряжении апериодических слагающих приводит к дополнительному намагничиванию сердечника ТН. Однако, возрастание индукции в сердечнике трансформатора не приводит к существенному возрастанию погрешностей в работе ТН и искажению формы кривой и₂ (t) в отличие от измерительных трансформаторов тока, работающих в переходных режимах с большим содержанием апериодических слагающих. Другими словами, переходный процесс в измерительном ТН протекает «мягче», чем в измерительном ТТ;

2. бросок намагничивающего тока (БНТ), проходящий через первичную обмотку измерительного ТН в момент включения его под напряжение, из-за большого активного сопротивления первичной обмотки быстро затухает (практически в течение нескольких полупериодов основной гармоникии₁ ) и на работу даже быстродействующих релейных защит влияет мало.

Примечание. В отличие от измерительных ТН в силовых трансформаторах БНТ, возникающий при включении их под напряжение, затухает весьма продолжительное время (до 15 ÷ 20 периодов промышленной частоты).

Из первого и второго выводов следует, что при КЗ в защищаемом элементе (а также в некоторых других режимах работы ТН) электромагнитные трансформаторы напряжения работают с приемлемой точностью, т.е. они без особого искажения трансформируют основную гармонику первичного напряжения, обычно используемую для обеспечения действия устройства РЗ.

Анализ работы ёмкостных ТН в переходных режимах свидетельствует о том, что наличие ёмкостей, а также дополнительных компенсирующих индуктивностей (дросселя L, реактора LR) приводит к затягиванию по времени переходного процесса в трансформаторе, что, в свою очередь, обусловливает появление недопустимых устойчивых ферромагнитных перенапряжений. Последние, как показывает опыт эксплуатации ёмкостных ТН, могут быть причиной выхода из строя ТН. Поэтому для подавления ферромагнитных колебаний и сокращения времени их существования принимаются различные меры (например, подключение к зажимам вторичной обмотки балластного сопротивления).

При близких КЗ в защищаемой сети, когда фазное напряжение U_1ф на ёмкостном делителе быстро снижается в пределе до нуля, вторичное напряжение U₂ снижается медленнее, так как требуется время для рассеивания энергии, запасённой во время нормальной работы (до возникновения КЗ) во всех реактивных элементах ёмкостного ТН. Некоторые измерительные органы релейных защит (особенно быстродействующих защит) могут при этом работать неправильно. Поэтому согласно требованию МЭК остаточное вторичное напряжение через 0,02с после снижения фазного первичного напряжения до нуля не должно превышать 10% от U_{2 ном}.