Новые разработки электронных измерительных трансформаторов тока и напряжения 110–220 КВ

В настоящее время в энергосистемах России на ОРУ 6—1150 кВ электростанций и подстанций в качестве источников информации о первичных токах и напряжениях используются аналоговые электромагнитные трансформаторы тока (ТТ) и электромагнитные или емкостные трансформаторы напряжения (ТН). Современные ТТ обеспечивают метрологию по классам точности 0,5; 0,5s (0,2s) для АИИС КУЭ, по классам точности 5Р, 10Р для РЗА. Современные ТН обеспечивают метрологию по классу точности 0,5 (0,2).

Конструктивные особенности ТТ и ТН таковы, что они сами могут являться источниками взрывов и пожаров, наносящих существенный ущерб энергообъектам. Анализ примерно 700 аварий (технологических нарушений) ТТ и ТН 110—750 кВ в РАО «ЕЭС России» за период 1995—2005 гг. позволил выявить их основные причины. Это пробой изоляции ТТ в месте прохождения высоковольтного провода через заземленные магнитопроводы с вторичными обмотками, превышение нормативного срока службы ТТ и ТН, несоблюдение требований регламентов по контролю за маслом или элегазом в процессе эксплуатации, в ТН — феррорезонанс.

Актуальна инновационная разработка высоковольтных энергоэффективных, взрывобезопасных, повышенной точности измерительных цифровых трансформаторов тока и напряжения с передачей цифровой информации по оптоволокну на модуль терминала и микропроцессорным АИИС КУЭ, РЗА, ПА и управления.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В СЕТЯХ 110—750 КВ

Среди известных физических принципов измерения тока и напряжения, применяемых в высоковольтных сетях 110—750 кВ, выделяются базовые физические принципы, прямо использующие фундаментальные уравнения и законы (Максвелла, Ома). Это закон электромагнитной индукции, используемый в измерительных ТН и ТТ с магнитопроводом и без него (Пояс Роговского), закон Ома в измерительных шунтах и высоковольтных делителях напряжения и ТН, закон полного тока в магнитотранзисторном поясе и поясе из датчиков Холла.

Известными физическими эффектами измерения тока и напряжения в высоковольтных сетях 110—750 кВ являются эффекты Фарадея и Керра. Эффект Фарадея обеспечивает поворот вектора поляризации света под действием магнитного поля. Важно сознавать, что в эффекте Фарадея магнитное поле влияет на состояние поляризации света лишь косвенно, изменяя характеристики среды, в которой распространяется свет. На характеристики среды (оптоволокна) влияют также температура, давление, вибрация со всеми гармониками и электрическое поле высокой интенсивности.

Эти величины также вызывают поворот вектора поляризации света, паразитный по отношению к магнитному полю (току). В вакууме магнитное поле никакого влияния на свет не оказывает. Эффект Фарадея, по сути, является аналоговым: первичный аналоговый ток преобразуется через магнитное поле во вторичный поворот вектора поляризации света, а на щите управления этот аналоговый сигнал после ряда операций (модуляция/демодуляция, детектирование, фильтрация) выдается в цифре. Эффект Керра также косвенный и аналоговый. Нефарадеевский эффект, косвенный, аналоговый, работает непосредственно с временным запаздыванием света, вызывающим поворот его вектора поляризации.

ОПЫТНЫЙ ОБРАЗЕЦ
ЦИФРОВОГО ТТ И ТН 220 КВ

Надо признать, что нет более точного способа измерения переменного тока, чем электромагнитный. Метрологические службы субъектов РФ оснащены серийными эталонными ТТ класса точности 0,01%. Для высоковольтных ТТ традиционной конструкции этот класс точности недостижим, т.к. в окне магнитопровода кроме обмоток необходимо разместить высоковольтную изоляцию, вследствие чего увеличивается средняя длина магнитной силовой линии и ухудшается точность ТТ.

При разработке опытного образца цифрового ТТ (рис. 1) приняты следующие принципиальные решения:
• для цифрового канала АИИС КУЭ использовать малогабаритный электромагнитный трансформатор тока без высоковольтной изоляции, размещенный непосредственно на высоковольтном проводе. Это решение позволяет получить класс точности 0,1%, а при использовании нанокристаллического магнитопровода — 0,05%;
• для цифровых каналов РЗА применять шунт, МТ пояс, трансформирующие без искажений постоянный и переменный ток, в т.ч. апериодическую составляющую аварийного тока КЗ, обеспечивая класс точности 1%, а электромагнитный ТТ, подверженный насыщению в аварийном режиме, не использовать;
• блок электроники, преобразующий аналоговые сигналы в цифровые оптические сигналы, разместить непосредственно на высоком потенциале;
• питать электронику от терминала на ЩУ, используя преобразовательный или оптический блок питания;
• предусмотреть дополнительные каналы режимного контроля достоверности измерительной информации;
• дискретизацию аналоговых сигналов выполнять по теореме Котельникова. Каждому потребителю обеспечить свой темп получения информации о мгновенных значениях первичного тока и напряжения от выбранных им датчиков (рис. 2);
• информационный обмен с потребителями производить по Ethernet, используя такие протоколы, как, например, IEC 61850-9-2 LE и синхронные или асинхронные интерфейсы SPORT, SPI, RS 485 и др.

Для питания электроники разработаны два варианта: преобразовательный, реализованный в опытном образце (рис. 1) и оптоволоконный (рис. 2).

Следует отметить, что важным является выполнение мероприятий по обеспечению условий электромагнитной совместимости микроэлектроники, находящейся в непосредственной близости с токоведущими частями.

Располагать электронику ЦТТН внутри цилиндра (рис. 3), как показывают исследования, наиболее эффективно. В соответствии с законом полного тока,

где первое слагаемое в правой части — ток проводимости, а второе — ток смещения.

Численный расчет электромагнитного поля реальной конструкции (рис. 4) показывает, что напряженность магнитного поля внутри конструкции при первичном токе 1000 А на 9 порядков меньше, чем в месте расположения ТТ, МТ, ПР.

В соответствии с теоремой Гаусса

внутри конструкции (рис. 4) отсутствует электрическое поле, что также благоприятно.

Трехфазный комплект (рис. 5), содержащий три ЦТТН плюс модуль в терминале на щите, имеет следующие технические характеристики:
• высокая точность (0,2s, 0,2s/2, 0,1s) для канала АИИС КУЭ за счет встроенного в конструкцию ТТ с нанокристаллическим магнитопроводом, потенциально достижим класс 0,05, а для каналов РЗА точность 5Р, 1% за счет встроенного в конструкцию шунта (МТ пояса) обеспечивается трансформация без искажений тока КЗ с апериодической составляющей;
• широкий динамический диапазон измерения тока (до 100 кА и более);
• широкая полоса пропускания 30 Гц — 10 кГц для канала АИИС КУЭ и 0 Гц — 10 кГц для каналов РЗА;
• взрывобезопасный полимерный изолятор (нет ни масла, ни элегаза, ни азота);
• широкий температурный диапазон от минус 60 до плюс 85°С;
• малый вес;
• низкие эксплутационные расходы;
• экологичность.

Примечание. Два модуля (до 8 модулей) в одном терминале обеспечивают полностью независимое функционирование двух комплектов (до 8 комплектов) комбинированных ЦТТН (или раздельных ЦТТ и ЦТН), синхронизацию с каждым потребителем и формирование ему индивидуального потока данных в каждой из 3 фаз от нужных датчиков.

НПЦ «МИКРОН-2» совместно с изоляторным заводом и УНЦ «ВИПТ» ИГЭУ разработал, изготовил и частично испытал опытный образец комбинированного цифрового трансформатора тока и напряжения ЦТТН 220 кВ. Образец разработан на базе известных физических принципов измерения тока и напряжения в высоковольтных электроустановках — электромагнитных трансформаторов тока, напряжения и достижений в области электроники, магнитных нанокристаллических материалов и изоляции.

Образец лучше мирового уровня по техникоэкономическим показателям (точности, взрывобезопасности, весу, цене и т.д.); передача цифровой информации и высоковольтная изоляция обеспечиваются оптоволокном с интерфейсами по международным стандартам.

Разработка предназначена для цифровых подстанций «умных сетей» будущего, конкурентоспособна по цене с традиционными высоковольтными трансформаторами тока и напряжения, технологичнее в серийном производстве.