Делители LANS
Делители LANS: Принцип действия, конструкция и применение в системах учета электроэнергии
Делитель LANS (Low-power Analog Voltage Sensor) представляет собой специализированный масштабный преобразователь напряжения, предназначенный для понижения высокого первичного напряжения до стандартного низкого уровня, безопасного для подключения к измерительным приборам, устройствам релейной защиты и системам сбора данных. В отличие от традиционных электромагнитных трансформаторов напряжения (ТН), делители LANS реализуют резистивно-емкостной или чисто резистивный принцип деления, что позволяет достичь высокой точности в широком диапазоне частот и существенно улучшить массогабаритные показатели. Данные устройства являются ключевым элементом при построении цифровых подстанций и систем коммерческого учета электроэнергии класса точности 0.2S и выше.
Принцип действия и конструктивные особенности
Основу делителя LANS составляет высоковольтная цепь, состоящая из последовательно соединенных прецизионных резисторов и, в ряде конструкций, компенсирующих конденсаторов. Высокое входное напряжение (Uвх) прикладывается ко всей цепи. Низкое выходное напряжение (Uвых) снимается с части этой цепи (нижнего плеча). Коэффициент деления Kд определяется соотношением сопротивлений верхнего (Rв) и нижнего (Rн) плеч: Kд = (Rв + Rн) / Rн = Uвх / Uвых.
Конструктивно делитель включает в себя несколько основных модулей:
- Высоковольтная изолирующая колонна: Корпус из полимерного материала или фарфора, заполненный изоляционным газом (элегазом) или компаундом. Внутри размещена высокостабильная резистивная цепь.
- Емкостный датчик (опционально): Используется в резистивно-емкостных схемах для компенсации частотных характеристик и повышения стабильности.
- Измерительный блок (блок вторичной обработки): Располагается в заземленном металлическом шкафу. Содержит прецизионный операционный усилитель, цепи температурной компенсации, АЦП и, в случае цифрового выхода, микропроцессор для расчета действующих значений и передачи данных по протоколам (IEC 61850-9-2LE, МЭК 60870-5-1).
- Система защиты: Ограничители перенапряжений (варисторы, разрядники) на входе и выходе для защиты электронной схемы от коммутационных и грозовых перенапряжений.
- По типу выходного сигнала: Аналоговые (выходное напряжение 0.1-10 В) и цифровые (с интегрированным АЦП и выходом по оптоволокну).
- По принципу построения измерительной цепи: Резистивные, резистивно-емкостные, емкостные.
- По номинальному первичному напряжению: От 6 кВ до 765 кВ и выше.
- По классу точности: 0.1; 0.2; 0.2S; 0.5; 3P; 5P (для измерений и защиты соответственно).
- Номинальное первичное напряжение (Un): Линейное или фазное напряжение сети, для которого предназначен делитель.
- Номинальное выходное напряжение (Uout): Как правило, 3.25 В, 6.5 В или цифровой поток.
- Коэффициент деления (Kд): Рассчитывается как Un / Uout.
- Класс точности: Определяет максимальную допустимую погрешность в процентах от измеряемого значения в рабочем диапазоне. Класс 0.2S гарантирует высокую точность даже при 1% от Un.
- Номинальная частота: Обычно 50 Гц или 60 Гц.
- Рабочий диапазон температур: От -40°C до +70°C для наружной установки.
- Степень защиты (IP): Для измерительного блока обычно не ниже IP54.
- Полная звезда: Три однофазных делителя, первичные обмотки которых соединены в звезду с заземленной нейтралью. Позволяет контролировать фазные и линейные напряжения, напряжение нулевой последовательности.
- Неполная звезда (V-образная схема): Два делителя на два линейных напряжения (AB и BC). Экономичная схема, но не позволяет измерить фазное напряжение и напряжение нулевой последовательности.
- Открытый треугольник: Применяется для контроля напряжения нулевой последовательности (3U0) в сетях с изолированной нейтралью.
Сравнение с электромагнитными трансформаторами напряжения
Ключевые отличия и преимущества делителей LANS перед традиционными ТН представлены в таблице.
| Параметр | Делитель LANS (резистивно-емкостной) | Электромагнитный ТН |
|---|---|---|
| Принцип действия | Резистивно-емкостное деление напряжения | Электромагнитная индукция |
| Частотный диапазон | Широкий (до нескольких кГц), что позволяет измерять высшие гармоники | Ограничен (50/60 Гц ± несколько Гц), искажения на гармониках |
| Переходная характеристика | Быстрый отклик, отсутствие насыщения магнитопровода, точное воспроизведение апериодических составляющих | Медленный отклик, риск насыщения при сквозных токах КЗ, искажение переходного процесса |
| Масса и габариты | Значительно меньше (в 2-5 раз для напряжений 110 кВ и выше) | Большие, за счет тяжелого магнитопровода и изоляции |
| Пожаро- и взрывобезопасность | Высокая (отсутствие масла, риск внутреннего повреждения сведен к минимуму) | Низкая для маслонаполненных ТН, риск взрыва и пожара при повреждении |
| Выходной сигнал | Низкий уровень напряжения (0.1-10 В) или цифровой поток (Sampled Values) | Стандартизированное напряжение 100/√3 В, 100 В, 110 В |
| Требование к нагрузке (бремя) | Высокоомная нагрузка (> 1 МОм), практически не влияет на точность | Жестко нормируется в ВА, отклонение ведет к потере точности |
Классификация и основные технические характеристики
Делители LANS классифицируются по нескольким признакам:
Основные технические характеристики, подлежащие выбору при проектировании:
Схемы подключения и интеграция в системы учета
Делители LANS применяются в трех основных схемах подключения, аналогичных схемам для ТН:
Интеграция в систему АСКУЭ или цифровую подстанцию требует согласования выходного сигнала делителя с входом счетчика или микропроцессорного терминала. Для аналоговых делителей критично обеспечить высокое входное сопротивление измерительного прибора (>1 МОм). Цифровые делители подключаются напрямую к Merging Unit или коммутатору процесса по оптоволоконному каналу с использованием стандарта IEC 61850-9-2LE.
Поверка, эксплуатация и обслуживание
Поверка делителей LANS осуществляется с использованием высокоточных калибраторов напряжения, способных генерировать сигналы с требуемым коэффициентом деления и гармоническим составом. Проверяются основные и дополнительные погрешности в рабочем диапазоне напряжений (от 1% до 120% от Un) и температур. Особое внимание уделяется проверке на быстрые переходные процессы.
Эксплуатация делителей LANS характеризуется высокой надежностью ввиду отсутствия движущихся частей и элементов, подверженных старению (магнитопровод, масло). Основные мероприятия по обслуживанию включают визуальный осмотр целостности изоляционной колонны, проверку герметичности (для газонаполненных моделей), контроль состояния заземления и периодическую поверку измерительного канала в сборе. Рекомендуется мониторинг выходного сигнала на предмет появления нехарактерных шумов или сбоев.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Вопрос: Можно ли заменить обычный ТН на делитель LANS в существующей релейной защите, рассчитанной на 100 В?
Ответ: Прямая замена невозможна без модификации схемы. Выходное напряжение аналогового делителя LANS составляет единицы вольт. Необходимо либо использовать делитель с цифровым выходом и Merging Unit с последующей интеграцией в цифровую систему защиты, либо применять промежуточный масштабный усилитель, преобразующий низковольтный сигнал в стандартный 100 В. Это требует тщательного расчета и может повлиять на метрологические характеристики.
Вопрос: Как делитель LANS ведет себя при коротком замыкании в контролируемой сети?
Ответ: При КЗ напряжение на шинах снижается. Делитель LANS, благодаря линейной характеристике и отсутствию насыщения, точно отражает это снижение, включая наличие высших гармоник и апериодической составляющей. Это является ключевым преимуществом для устройств защиты, требующих точного измерения в переходных режимах.
Вопрос: Что такое «бремя» для делителя LANS и как его выбрать?
Ответ: Бремя для делителя LANS — это входное сопротивление подключенной к нему нагрузки (счетчика, терминала). В отличие от ТН, где бремя измеряется в ВА и определяет ток нагрузки, для делителя критично минимально допустимое сопротивление нагрузки (обычно 1-10 МОм). Превышение этого значения (т.е. снижение сопротивления) приводит к увеличению тока через нижнее плечо и росту погрешности. Поэтому необходимо использовать измерительные приборы с высокоомным входом.
Вопрос: Каков срок службы делителя LANS и от чего он зависит?
Ответ: Расчетный срок службы современных делителей LANS составляет 25-30 лет. Основными факторами, влияющими на долговечность, являются: стабильность высокоомных резисторов во времени и при изменении температуры, сохранение герметичности изоляционной колонны (для газонаполненных моделей) и отсутствие термических перегрузок. Электронные компоненты в измерительном блоке являются наиболее вероятным местом отказа, но они подлежат легкой замене.
Вопрос: Чем обусловлена более высокая точность делителей LANS на краях диапазона измерений (при 1-5% от Un)?
Ответ: Электромагнитные ТН имеют значительную погрешность при малых первичных напряжениях из-за неидеальности кривой намагничивания и потерь в стали. Делитель LANS, работающий на принципе омического деления, обладает линейной характеристикой во всем диапазоне, от долей процента до 120% и более от номинального напряжения. Это позволяет достигать класса точности 0.2S, что критично для коммерческого учета при низкой нагрузке.
Вопрос: Существуют ли риски при использовании делителей LANS в ОРУ 110 кВ и выше?
Ответ: Риски, связанные с традиционными ТН (взрыв, разлив масла), для LANS минимизированы. Однако присутствуют другие эксплуатационные аспекты: необходимость защиты от прямого грозового удара (входит в стандартную конструкцию), контроль состояния полимерной изоляции от трекинга и эрозии под воздействием УФ и загрязнений, а также обеспечение качественного заземления измерительного блока для отвода наведенных токов и обеспечения безопасности.