Подшипники NPT

Подшипники NPT: конструкция, применение и особенности в электротехнической и кабельной инфраструктуре

Подшипники NPT (Neutral Point Treatment, также встречается трактовка Neutral Point Terminal) представляют собой специализированные электротехнические устройства, предназначенные для создания и заземления нейтральной точки в трехфазных кабельных системах среднего и высокого напряжения. Их основная функция — формирование искусственной нейтрали в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью, где физический нулевой провод отсутствует. Это критически важный элемент для обеспечения безопасной и стабильной работы энергосистем, защиты оборудования от перенапряжений и организации эффективного заземления.

Принцип действия и конструктивные особенности

Принцип работы подшипника NPT основан на соединении вторичных обмоток трех однофазных трансформаторов напряжения (НТ) или специального трехфазного трансформатора в схему «звезда». Первичные обмотки подключаются к фазам кабельной линии. Вторичные обмотки соединяются в общую нейтральную точку, которая выводится на клеммы для подключения устройств защиты, измерения и заземления. Таким образом, устройство создает низковольтную, гальванически развязанную от силовой цепи, точку, точно отражающую потенциал геометрической нейтрали первичной сети.

Конструктивно подшипник NPT чаще всего представляет собой трехфазный комплект, заключенный в общий заземленный металлический корпус, заполненный изоляционным маслом или эпоксидной смолой. Ключевые компоненты включают:

• Магнитопровод: Собран из электротехнической стали, обеспечивает образование магнитного потока.
• Первичные обмотки: Рассчитаны на линейное напряжение сети (например, 6, 10, 20, 35 кВ).
• Вторичные обмотки: Обычно имеют два выхода: основная обмотка на 100/√3 В для подключения измерительных приборов и дополнительная обмотка на 100 В (разомкнутый треугольник) для подключения реле контроля изоляции.
• Выводы нейтрали: Основной клеммный вывод искусственной нейтрали для заземления через резистор или реактор.
• Встроенные предохранители и разрядники: Для защиты вторичных цепей от перенапряжений.

Основные области применения в энергетике

Подшипники NPT являются неотъемлемой частью следующих систем:

• Сети с изолированной нейтралью (IT-системы): Для создания точки заземления через высокоомное сопротивление с целью контроля уровня изоляции и ограничения тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ).
• Сети с компенсированной нейтралью (резонансно-заземленные): Нейтраль, выведенная от подшипника NPT, заземляется через дугогасящий реактор (Петтерсона) для компенсации емкостного тока ОЗЗ.
• Сети с резистивным заземлением нейтрали: Нейтраль заземляется через низкоомный или высокоомный резистор для ограничения токов КЗ и обеспечения селективности защит.
• Системы релейной защиты и автоматики (РЗА): Обеспечивают сигналы для устройств защиты от замыканий на землю (типа ЗЗН-П, SPAM, SIPROTEC).
• Системы измерения и мониторинга: Питание вольтметров, частотомеров, устройств сбора данных (СКУЭ, АСКУЭ).

Ключевые технические характеристики и параметры выбора

Выбор подшипника NPT осуществляется на основе параметров сети и требований к системе заземления. Основные характеристики приведены в таблице.

Таблица 1. Основные технические параметры подшипников NPT

Параметр	Обозначение / Единица измерения	Типовые значения / Пояснения
Номинальное первичное напряжение	Uн, кВ	6; 10; 20; 35. Должно соответствовать линейному напряжению сети.
Номинальное вторичное напряжение	U2н, В	100/√3 (основная обмотка для измерения); 100/3 (обмотка разомкнутого треугольника для защиты).
Класс точности	—	0.5; 1.0 – для измерительных цепей. 3P, 6P – для цепей защиты.
Номинальная мощность	Sн, ВА	50, 100, 200, 300. Суммарная нагрузочная способность всех вторичных обмоток.
Схема соединения обмоток	—	Первичная: «звезда» с изолированной нейтралью. Вторичная: «звезда» + «разомкнутый треугольник».
Степень загрязнения / Климатическое исполнение	По ГОСТ / МЭК	У3, УХЛ3 (для умеренного/холодного климата); IP54, IP65 для защиты от пыли и влаги.
Длительная термическая стойкость	Ith, кА с	Определяет способность выдерживать токи ОЗЗ в течение заданного времени (обычно 1-8 с).

Схемы подключения и взаимодействие с устройствами заземления нейтрали

Типовая схема включения подшипника NPT предполагает его установку в ячейке КРУ или в отдельном шкафу. Первичные выводы (A, B, C) через высоковольтные предохранители или разъединители подключаются к шинам. Вывод вторичной нейтрали (N) направляется в цепь заземления. Существует несколько стандартных конфигураций:

• С заземлением через дугогасящий реактор (ДГР): Нейтраль NPT соединяется с землей через регулируемую индуктивность ДГР. Это основная схема для сетей 6-35 кВ в РФ.
• С заземлением через резистор: Между нейтралью NPT и землей включается высокоомный (для сигнализации) или низкоомный (для ограничения тока) резистор.
• С прямым заземлением: Нейтраль NPT заземляется напрямую (глухое заземление). В этом случае подшипник работает преимущественно как источник напряжения для измерительных цепей.

Обмотка «разомкнутый треугольник» (выводы a_D, b_D, c_D или开口三角) всегда подключается к реле контроля изоляции или к вольтметру. При нормальном режиме напряжение на ней близко к нулю. При однофазном замыкании на землю в сети на этой обмотке появляется напряжение 100 В, что вызывает срабатывание сигнализации или защиты.

Отличия от трансформатора напряжения (НТМИ, ЗНОЛ) и комбинированных устройств

Часто возникает терминологическая путаница. Необходимо различать:

• Классический трехфазный трансформатор напряжения (НТМИ, НАМИ): Предназначен в первую очередь для измерения напряжения между фазами и относительно земли. Его нейтраль вторичной обмотки может быть заземлена, но он не всегда рассчитан на длительное протекание тока через нейтраль, возникающего при ОЗЗ.
• Подшипник NPT (ЗНОЛ, НДЗЭ): Специализированное устройство, где конструкция и материалы оптимизированы для создания надежной точки нейтрали. Он рассчитан на длительное протекание тока нулевой последовательности (до значения термической стойкости) при замыкании на землю в сети.
• Комбинированный трансформатор (ТЗН, ТЗЛ): Устройство, совмещающее в одном корпусе подшипник NPT и трансформатор тока (ТТ), установленный в его заземляющем выводе. Это компактное решение для организации полного комплекса защиты и измерения по нулевой последовательности.

Нормативная база, стандарты и требования безопасности

Проектирование, выбор, монтаж и эксплуатация подшипников NPT регламентируются следующими основными документами:

• ГОСТ Р 57190-2016 / МЭК 61869-3:2011: Трансформаторы напряжения. Общие технические условия.
• ПУЭ (Глава 1.5, 3.1, 4.2): Правила устройства электроустановок. Определяют требования к заземлению нейтрали, выбору аппаратуры.
• СО 153-34.20.561-2003: Инструкция по выбору и применению электрооборудования в сетях 6-750 кВ.
• РД 153-34.0-20.364-2002: Типовая инструкция по компенсации емкостных токов замыкания на землю.
• Требования к вторичным цепям: Обязательное заземление одного вывода вторичной обмотки и корпуса устройства. Применение сепарации (разделения) цепей защиты и измерения. Установка защитных разрядников и предохранителей во вторичных цепях.

Типовые неисправности, диагностика и обслуживание

Наиболее распространенные проблемы, связанные с подшипниками NPT:

• Перегрев и термическое повреждение: Возникает при длительном превышении тока термической стойкости (например, при неустраненном ОЗЗ или неверном выборе устройства).
• Повреждение изоляции: Старение, увлажнение, пробой из-за перенапряжений. Проявляется повышенными токами утечки, снижением сопротивления изоляции.
• Обрыв или короткое замыкание вторичных обмоток: Приводит к искажению сигналов измерения и ложным срабатываниям защит.
• Нарушение контактов в первичных или вторичных цепях: Вызывает «исчезновение» нейтрали или неверные показания.

Диагностика включает регулярные измерения: сопротивления изоляции мегаомметром (2500 В), коэффициента трансформации, характеристики намагничивания, проверку схемы соединения обмоток. Тепловизионный контроль в эксплуатации является эффективным методом выявления перегрева.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем главное отличие подшипника NPT от обычного трехфазного трансформатора напряжения?

Главное отличие — в назначении и конструктивном исполнении. Обычный НТМИ предназначен для точного измерения фазных и междуфазных напряжений. Подшипник NPT специально разработан для формирования и заземления нейтрали, поэтому его магнитная система и обмотки рассчитаны на длительное протекание тока нулевой последовательности, возникающего при замыкании на землю. Он имеет более высокую термическую стойкость в нейтрали.

Можно ли использовать три однофазных трансформатора напряжения вместо подшипника NPT?

Да, такая схема («звезда-звезда») широко применялась исторически и функционально аналогична трехфазному подшипнику. Однако современный трехфазный NPT-трансформатор, как правило, более компактен, удобен в монтаже и обслуживании, имеет лучшие массогабаритные показатели и часто включает в себя встроенную защиту.

Как выбрать номинальную мощность подшипника NPT?

Номинальная мощность выбирается исходя из суммарной нагрузки всех подключаемых ко вторичным обмоткам приборов: реле защиты, катушек индикации, вольтметров, счетчиков, устройств АСКУЭ. Необходимо составить нагрузочную таблицу для каждой обмотки (основной и дополнительной) и убедиться, что фактическая нагрузка не превышает номинальную при требуемом классе точности. Обязательно учитывается cosφ нагрузки.

Что произойдет, если в сети с компенсированной нейтралью выйдет из строя подшипник NPT?

Отказ подшипника NPT (например, межвитковое замыкание или обрыв в нейтрали) приведет к нарушению цепи заземления нейтрали через ДГР. Сеть фактически перейдет в режим с изолированной нейтралью. Это вызовет срабатывание сигнализации несимметрии (если она есть), повышение напряжения на неповрежденных фазах относительно земли до линейного значения, а также сделает невозможной компенсацию емкостного тока при ОЗЗ, что повышает риск возникновения дуговых перенапряжений и перехода ОЗЗ в междуфазное КЗ.

Как часто необходимо проводить испытания подшипников NPT?

Периодичность регламентируется ПТЭЭП и внутренними регламентами энергопредприятия. Типовой график: измерение сопротивления изоляции — 1 раз в 6 лет; проверка коэффициента трансформации и схемы соединения обмоток — при вводе в эксплуатацию и после капитального ремонта. Визуальный осмотр и тепловизионный контроль рекомендуется проводить не реже 1 раза в год, а также после каждого факта протекания через устройство токов короткого замыкания.

Что означает маркировка «ЗНОЛ-0.66-У3» или «НДЗЭ-10»?

Это отечественные обозначения подшипников NPT:

• ЗНОЛ: Заземлитель нейтрали обмотки низкого напряжения. Цифра (0.66) указывает номинальное напряжение в кВ. У3 — климатическое исполнение.
• НДЗЭ: Напряжение дугогасящее, заземляемый экран. Цифра (10) указывает класс напряжения в кВ. Эти устройства часто имеют экран между обмотками для улучшения характеристик при ОЗЗ.

Оба типа выполняют одну функцию, но могут иметь конструктивные отличия, связанные с способом заземления нейтрали (через ДГР или резистор).