Трансформаторы для автоматики
Трансформаторы для автоматики: функциональность, классификация и применение
Трансформаторы для автоматики, или трансформаторы тока и напряжения (ТТ и ТН), являются ключевыми элементами в системах релейной защиты, автоматического управления, учета и контроля электроэнергии. Их основная задача – преобразование первичных токов и напряжений энергосистемы до стандартизированных, безопасных для измерительных приборов и устройств релейной защиты (РЗА) величин, обеспечивая при этом гальваническую развязку цепей высокого напряжения от низковольтного оборудования. Без корректной работы этих устройств невозможны ни селективное отключение поврежденных участков сети, ни точный коммерческий учет, ни стабильное функционирование систем автоматического регулирования.
1. Классификация и типы трансформаторов для автоматики
Трансформаторы для автоматики подразделяются по выполняемой функции, типу установки, конструкции и классу точности.
1.1. Трансформаторы тока (ТТ)
Предназначены для преобразования первичного тока до стандартных вторичных значений (чаще всего 1 А или 5 А). Основные типы:
- Проходные: Устанавливаются в проемах металлических конструкций или стен. Первичная обмотка – шина или провод, проходящий сквозь окно магнитопровода.
- Опорные: Монтируются на плоскую опорную поверхность. Имеют собственную изоляционную конструкцию, рассчитанную на полное рабочее напряжение сети.
- Шинные: Первичной обмоткой является сама токоведущая шина распределительного устройства. Устанавливаются непосредственно на шину.
- Встроенные: Конструктивно встраиваются в другие аппараты (выключатели, трансформаторы, генераторы).
- Разъемные (трансформерные клещи): Магнитопровод размыкается, что позволяет установить ТТ без разрыва токоведущей цепи. Широко применяются для модернизации и в устройствах учета.
- Однофазные и трехфазные: Трехфазные ТН могут быть сгруппированы из трех однофазных или иметь общий магнитопровод.
- Заземляемые и незаземляемые: Заземляемые ТН (типа НОЛ, ЗНОЛ) имеют вывод начала обмотки, предназначенный для заземления, и используются в сетях с изолированной нейтралью для контроля изоляции.
- Каскадные: Применяются для высоких напряжений (110 кВ и выше). Обмотки высокого напряжения распределены по нескольким магнитопроводам, что снижает требования к изоляции каждой ступени.
- Емкостные (ЕТН): Используют емкостный делитель напряжения. Обладают меньшими массо-габаритными показателями на сверхвысоких напряжениях (220 кВ и выше).
- Номинальное первичное и вторичное напряжение: Определяет класс изоляции аппарата.
- Номинальный первичный и вторичный ток: I1н и I2н (1А, 5А).
- Номинальная нагрузка вторичной обмотки (S2н), ВА: Мощность, которую ТТ может отдать во вторичную цепь с сохранением класса точности. Задается в ВА или через сопротивление нагрузки (Ом).
- Класс точности: Определяет допустимую погрешность по току и углу в установленных пределах первичного тока и нагрузки. Для учета – 0.2S, 0.5S; для защиты – 5P, 10P.
- Коэффициент безопасности приборов (KSSC): Для измерительных ТТ. Показывает, во сколько раз вторичный ток при перегрузке превысит номинальный, не вызывая повреждения приборов.
- Номинальный коэффициент предельной кратности (Kalf): Для защитных ТТ (класс P). Определяет, до какого значения кратности первичного тока погрешность не превышает 5% или 10%.
- Ток термической стойкости (Ith) и электродинамической стойкости (Idyn): Характеризуют способность выдерживать токи КЗ.
- Номинальное первичное и вторичное напряжение: U1н / U2н (например, 6000/100 В, 10000/√3 / 100/√3 / 100/3 В).
- Номинальная мощность в классе точности, ВА: Максимальная мощность, при которой гарантируется заявленный класс точности.
- Класс точности: Определяет допустимую погрешность по напряжению и углу. Для учета – 0.2, 0.5; для защиты и автоматики – 1.0, 3.0.
- Число вторичных обмоток и их назначение: Обычно имеют основную обмотку (для измерений и защиты) и дополнительную обмотку (для контроля изоляции в сетях с изолированной нейтралью – обмотка разомкнутого треугольника).
- Для ТТ: Полная звезда (для дифференциальной защиты, МТЗ), неполная звезда (для МТЗ в сетях с изолированной нейтралью), треугольник (для компенсации сдвига фаз в дифференциальных защитах трансформаторов), фильтр токов нулевой последовательности (соединение трех ТТ параллельно).
- Для ТН: Звезда-звезда (для подключения вольтметров, ваттметров, реле напряжения), разомкнутый треугольник (для получения напряжения 3U0), открытый треугольник (резервирование).
- ТТ/ТН с аналоговым выходом: С вторичным выходом в виде сигнала низкого уровня (например, 0..5 В, 4..20 мА) для прямого подключения к аналоговым входам микропроцессорных терминалов.
- Оптические трансформаторы тока (ОТТ): Используют эффект Фарадея (вращение плоскости поляризации света в оптическом волокне под действием магнитного поля). Не имеют магнитного насыщения, обладают широким динамическим диапазоном и высокой точностью.
- Электронные (гибридные) трансформаторы напряжения (ЕТН): Комбинация емкостного или резистивного делителя и электронного усилителя с цифровым или аналоговым выходом.
- ТТ/ТН с цифровым выходом (Merge Unit): Интегрированный измерительный преобразователь, который сразу выдает оцифрованный поток данных по протоколу МЭК 61850-9-2 (Sampled Values). Такие устройства становятся основным источником информации для цифровых терминалов РЗА на объектах нового поколения.
- Обязательное заземление вторичных обмоток: В ТТ заземляется одна точка вторичной обмотки (для предотвращения появления высокого напряжения при пробое изоляции). В ТН заземляется нейтраль вторичной обмотки (или один фазный вывод в незаземляемых ТН).
- Запрет на работу в режиме холостого хода для ТТ: Разомкнутая вторичная обмотка ТТ приводит к резкому росту ЭДС, нагреву, пробою изоляции и опасности для персонала.
- Контроль нагрузки вторичных цепей: Фактическая нагрузка (сопротивление проводов и приборов) не должна превышать номинальную нагрузку в выбранном классе точности.
- Проверка полярности: Крайне важна для корректной работы дифференциальных и направленных защит.
- Периодические испытания: Включают в себя измерение сопротивления изоляции, коэффициента трансформации, снятие характеристик намагничивания, проверку полярности и класса точности.
- I1н). Его задача – сохранять пропорциональность преобразования даже при больших кратностях тока КЗ, чтобы защита корректно сработала.
1.2. Трансформаторы напряжения (ТН)
Предназначены для преобразования первичного напряжения до стандартных вторичных значений (как правило, 100 В или 100/√3 В). Основные типы:
2. Основные технические характеристики и параметры
Выбор трансформатора для систем автоматики определяется комплексом параметров, регламентированных ГОСТ и МЭК.
2.1. Параметры трансформаторов тока
| Класс точности | Допустимая погрешность, % | Основное назначение |
|---|---|---|
| 0.2 / 0.2S | ±0.2 (в расширенном диапазоне для S) | Прецизионный коммерческий учет |
| 0.5 / 0.5S | ±0.5 | Технический учет, контрольные измерения |
| 1.0 | ±1.0 | Общепромышленные измерения |
| 3.0 | ±3.0 | Измерения в некритичных цепях |
| 5P | ±1.0 (по углу – 60 мин) | Релейная защита (токовые отсечки, дистанционная защита) |
| 10P | ±3.0 (по углу – нет нормы) | Максимальная токовая защита, резервная защита |
| TPX, TPY, TPZ | По ГОСТ/МЭК для переходных процессов | Быстродействующая защита (дифференциальная, газовая) в ответственных цепях |
2.2. Параметры трансформаторов напряжения
| Класс точности | Допустимая погрешность, % | Допустимый угол, мин | Основное назначение |
|---|---|---|---|
| 0.2 | ±0.2 | ±10 | Прецизионный коммерческий учет |
| 0.5 | ±0.5 | ±20 | Технический учет, контроль |
| 1.0 | ±1.0 | ±40 | Общепромышленные измерения, питание устройств РЗА |
| 3.0 | ±3.0 | Не нормируется | Сигнализация, питание некритичных цепей |
3. Особенности применения в цепях релейной защиты и автоматики (РЗА)
Требования к трансформаторам в цепях РЗА существенно отличаются от требований в измерительных цепях. Основной акцент делается на поведение аппарата в переходных режимах, особенно при коротких замыканиях.
3.1. Трансформаторы тока для защиты
Главная задача – точно преобразовывать ток в широком диапазоне, от минимального рабочего до максимального тока КЗ, без насыщения магнитопровода, которое может привести к ложному срабатыванию или отказу защиты. Для этого используются ТТ классов P (5P, 10P) и TP (TPX, TPY, TPZ). Защитные ТТ характеризуются номинальной предельной кратностью (Kalf), которая должна быть согласована с уставками защит и ожидаемыми токами КЗ. При выборе необходимо выполнить проверку по кривой 10%-ной кратности (кривой предельных первичных токов), чтобы убедиться, что ТТ не войдет в насыщение при КЗ.
3.2. Трансформаторы напряжения для защиты
Обеспечивают питание цепей напряжения дистанционных защит, направленных защит нулевой последовательности, устройств АПВ. Ключевые требования: стабильность выходного напряжения, точность угла сдвига, способность выдерживать длительные перенапряжения (например, в сетях с изолированной нейтралью). Для цепей контроля изоляции используются ТН с обмоткой разомкнутого треугольника, на которой появляется напряжение 3U0 при однофазных замыканиях на землю.
3.3. Схемы соединения обмоток
4. Современные тенденции и цифровизация
Развитие Smart Grid и цифровых подстанций (стандарт МЭК 61850) привело к появлению новых типов трансформаторов для автоматики.
5. Монтаж, эксплуатация и безопасность
При монтаже и эксплуатации трансформаторов для автоматики необходимо строго соблюдать правила.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
В1: Чем отличается измерительный ТТ класса 0.5 от защитного класса 10P?
Измерительный ТТ класса 0.5 обеспечивает высокую точность (±0.5%) в диапазоне рабочих токов (обычно 5-120% от I1н), но быстро насыщается при токах КЗ, защищая подключенные приборы. Его задача – точность в нормальном режиме. Защитный ТТ класса 10P имеет погрешность до ±3% при токах вплоть до номинального предельного первичного тока (Kalf
В2: Почему вторичную обмотку ТТ нельзя размыкать под нагрузкой?
При разомкнутой вторичной обмотке весь первичный ток становится током намагничивания. Магнитопровод переходит в глубокое насыщение, что вызывает:
1) Резкий рост магнитного потока и, как следствие, рост ЭДС во вторичной обмотке до нескольких киловольт, что опасно для изоляции и жизни персонала.
2) Сильный перегрев магнитопровода из-за увеличения потерь на вихревые токи и гистерезис.
3) Остаточную намагниченность, ухудшающую точность ТТ в дальнейшем.
В3: Как правильно выбрать номинальную нагрузку ТТ (в Омах)?
Необходимо выполнить расчет: Zнагр = Rпр + Rприб + Rконт, где Rпр – сопротивление соединительных проводов (с учетом длины и сечения, для 5А обычно сечение не менее 2.5 мм²), Rприб – сопротивление приборов или реле в цепи, Rконт – переходное сопротивление контактов (обычно 0.05-0.1 Ом). Полученное Zнагр должно быть меньше или равно номинальной нагрузке ТТ в Омах для выбранного класса точности. При этом важно учитывать, что нагрузка для разных классов точности у одного ТТ может быть разной.
В4: Для чего нужна обмотка разомкнутого треугольника в ТН?
Обмотка разомкнутого треугольника (дополнительная обмотка, соединенная последовательно) предназначена для получения напряжения нулевой последовательности (3U0). В нормальном режиме напряжение на этой обмотке близко к нулю. При однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью или компенсированной нейтралью на выводах обмотки появляется напряжение 3U0 (около 100 В для ТН 100/√3 В), которое используется для сигнализации замыкания на землю и в схемах направленных защит от замыканий на землю.
В5: Что такое классы точности ТТ «S» (0.2S, 0.5S) и чем они лучше обычных?
Классы точности «S» (расширенный) предъявляют более жесткие требования к погрешности в диапазоне малых токов (1% и 5% от I1н соответственно). Обычные классы (0.2, 0.5) нормируют погрешность, начиная с 5% от I1н. Это делает ТТ класса S более подходящими для коммерческого учета, где важна точность при малых нагрузках, и для работы в сочетании с современными электронными счетчиками, имеющими широкий динамический диапазон.
В6: Когда необходимо применять ТТ класса TPY или TPZ вместо класса P?
ТТ классов TPY и TPZ (трансформаторы тока для защиты в переходных режимах) применяются в цепях быстродействующих защит, критичных к насыщению ТТ в первые моменты после возникновения КЗ, особенно при наличии апериодической составляющей тока. Это дифференциальные защиты силовых трансформаторов, генераторов, шин, а также линии с УРОВ. Они имеют зазор в магнитопроводе, что снижает остаточную намагниченность и улучшает поведение в переходном процессе, но увеличивает погрешность в установившемся режиме.