Антирезонансное трансформаторное измерительное устройство

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и предназначена для защиты трансформаторов напряжения с функцией контроля изоляции от перенапряжений при феррорезонансе и перемежающихся дуговых замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью.

Техническим результатом является повышение точности и надежности работы трансформаторов напряжения в сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью в нормальных и аварийных режимах при одновременном снижении массогабаритных показателей и полного исключения вспомогательного релейного оборудования, требующего ухода, настройки и источников питания.

Указанная цель достигается за счет того, что в устройство, содержащее трехфазный трансформатор, высоковольтные обмотки которого соединены в звезду и подключены выводами к сети, а низковольтные обмотки соединены в звезду с выведенной нейтралью и однофазный двухобмоточный трансформатор, дополнительно введены два однофазных двухобмоточных трансформатора, высоковольтные обмотки всех трех однофазных двухобмоточных трансформаторов соединены в звезду с заземленной нейтралью и подключены выводами к сети, низковольтные обмотки соединены по схеме разомкнутого треугольника и параллельно каждой из них подключены антирезонансные сопротивления, а нейтраль трехфазного трансформатора напряжения изолирована.

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и предназначена для защиты трансформаторов напряжения с функцией контроля изоляции от перенапряжений при феррорезонансе и перемежающихся дуговых замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью.

Известно устройство «Антирезонансная группа трансформаторов НАЛИ-СЭЩ-6 (10)» (заявка на изобретение 2008102548 от 22.01.2008).

Устройство состоит из четырех однофазных трансформаторов, три из которых соединены по трехфазной схеме звезды с выведенной нейтралью, обмотки высокого напряжения присоединены к сети, а низковольтная обмотка соединена по схеме звезды с выведенной нейтралью. Высоковольтная обмотка четвертого однофазного трансформатора нулевой последовательности включена последовательно между нейтралью высоковольтных обмоток и землей, а низковольтная обмотка разомкнута.

Функция контроля изоляции возложена на однофазный трансформатор нулевой последовательности, т.к. при однофазном замыкании сети на выводах этого трансформатора появляется напряжение нулевой последовательности. Для устранения возможности возникновения феррорезонанса служит индуктивность высоковольтной обмотки трансформатора нулевой последовательности.

Недостатком аналога является низкая точность измерения в режиме короткого замыкания сети, длительность которого может достигать 8 часов и более. Другой недостаток заключается в том, что при неизменной индуктивности трансформатора нулевой последовательности, которая постоянно включена в нейтраль высовольтной обмотки, емкостные параметры сети могут оказаться такими, что условия соотношения параметров резонансного контура окажутся благоприятными для возникновения феррорезонанса. На это указывается в информационных источниках [1], что имеют место случаи выхода из строя трансформаторов из-за неустраненного феррорезонанса.

Известно «Устройство гашения феррорезонансных процессов в сетях с изолированной нейтралью» (Патент RU 2 016 458 Н02Н 9/00. 15.07.1994).

Устройство состоит из трехфазного трансформатора напряжения, высоковольтная обмотка которого подключена к сети, а к основной обмотке низкого напряжения с помощью коммутационного аппарата подключается звезда из сопротивлений с заземленной нейтралью. Дополнительная обмотка низкого напряжения соединена по схеме разомкнутого треугольника, к выводам которой подключены сопротивления и схема управления, состоящая из релейной защиты. В устройстве предусмотрен дугогосящий трехфазный трансформатор, высоковольтная обмотка которого подключена к сети, а низковольтная соединена по схеме разомкнутого треугольника. К его выводам присоединен реактор и разъединитель.

Недостатками устройства являются очень большие массогабаритные показатели, сложная и поэтому ненадежная схема управления и низкая точность в аварийных режимах.

Известно «Устройство для защиты от резонансных перенапряжений трансформатора напряжения в сети с изолированной нейтралью» (Авторское свидетельство SU 1319158, Н02Н 9/04. Б.И. 23, 1987), принятое за прототип и состоящее из трехфазного трехобмоточного трансформатора, высоковольтная обмотка которого соединена в звезду, а ее нейтраль заземлена через высоковольтную обмотку однофазного трансформатора, предназначенного для устранения феррорезонанса. Основная вторичная низковольтная обмотка трехфазного трансформатора соединена звездой и служит для измерения напряжения. Дополнительная вторичная обмотка, соединенная в разомкнутый треугольник, служит для контроля изоляции сети. Вторичная обмотка однофазного трансформатора замкнута накоротко контактом реле, которое при нарушении изоляции сети и возникновения феррорезонанса получает сигнал на размыкание от блока контроля феррорезонанса с зажимами для подключения к дополнительной вторичной обмотке трехфазного трехобмоточного трансформатора. Размыкание вторичной обмотки однофазного трансформатора приводит к резкому увеличению сопротивления первичной обмотки и процесс феррорезонанса устраняется.

Недостатком является низкая точность измерения напряжения в режиме короткого замыкания сети. Другой недостаток заключается в том, что имеют место случаи выхода из строя трансформаторов в результате неустраненного феррорезонанса из-за недостаточной надежности работы защиты. Недостатком является необходимость использования блока релейной защиты, который требует ухода, настройки и источника питания, что понижает надежность устройства. Недостатком является также сравнительно большие массогабаритные показатели из-за необходимости занижать электромагнитные нагрузки на сердечник и катушки ввиду разных требований к ним, с одной стороны для обеспечения трансформатором необходимой точности измерения напряжения, а с другой - для обеспечения контроля изоляции.

Основной задачей, на решение которой направлен заявляемый объект является создание устройства, позволяющего надежно измерять напряжение в сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью с необходимой точностью при одновременно надежном контроле изоляции сети.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой полезной модели, является повышение точности и надежности работы трансформаторов.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее трехфазный трансформатор, высоковольтные обмотки которого соединены в звезду и подключены выводами к сети, а низковольтные обмотки соединены в звезду с выведенной нейтралью и однофазный двухобмоточный трансформатор, дополнительно введены два однофазных двухобмоточных трансформатора, высоковольтные обмотки всех трех однофазных двухобмоточных трансформаторов соединены в звезду с заземленной нейтралью и подключены выводами к сети, низковольтные обмотки соединены по схеме разомкнутого треугольника и параллельно каждой из них подключены антирезонансные сопротивления, а нейтраль трехфазного трансформатора напряжения изолирована.

Технический результат достигается разделением функций измерения напряжения сети и контроля изоляции сети между разными трансформаторами, что предотвращает их взаимное влияние друг на друга, приводящее к указанным выше недостаткам.

Трехфазный трансформатор напряжения с изолированной нейтралью высоковольтной обмотки имеет только одну вторичную обмотку, к которой подключается измерительная аппаратура. Благодаря изоляции нейтрали однофазные замыкания в сети не сказываются на его работе и не влияют на точность измерения напряжения.

В трех однофазных двухобмоточных трансформаторах, предназначенных для контроля изоляции сети, высоковольтные обмотки соединены звездой с заземленной нейтралью, а вторичные обмотки соединены в разомкнутый треугольник. Из-за заземленной нейтрали в этих трансформаторах есть опасность возникновения феррорезонанса, который обычно приводит к перенапряжениям и выходу из строя трансформаторов. Для устранения этой опасности параллельно каждой обмотке подключено антирезонансное сопротивление, величина которого подобрана так, чтобы обеспечить настолько низкую добротность резонансного контура, что феррорезонанс становится невозможным.

Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата, получаемого при осуществлении полезной модели, в виде надежной работы по преобразованию высоковольтного напряжения сети по величине и измерению его с заданной степенью точности, и по обнаружению нарушения изоляции сети.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявляемого антирезонансного трансформаторного измерительного устройства, отсутствуют, следовательно, заявленное устройство соответствует условию «новизна».

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена электрическая схема предлагаемого устройства и введены следующие обозначения:

1. - Трехфазный трансформатор напряжения.

2. - Питающая высоковольтная сеть.

3, 4, 5 - Однофазные двухобмоточные трансформаторы.

6, 7, 8 - Антирезонансные сопротивления.

Устройство содержит трехфазный трансформатор напряжения 1, высоковольтная обмотка которого соединена в звезду и присоединена к питающей сети 2, а нейтраль этой обмотки изолирована, вторичная низковольтная обмотка соединена по схеме звезды с выведенным нулевым проводом, три однофазных двухобмоточных трансформатора 3, 4, 5, высоковольтные обмотки которых присоединены к сети 2 и соединены по схеме звезды с заземленной нейтралью, а его вторичные низковольтные обмотки, соединены по схеме разомкнутого треугольника и параллельно каждой из них подключены антирезонансные сопротивления 6, 7, 8.

Устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме трехфазный трансформатор напряжения 1 преобразует высокое первичное напряжение в низкое напряжение требуемой величины с точностью, которая определяется его классом точности. Благодаря тому, что нейтраль трансформатора 1 изолирована, короткие однофазные замыкания сети не влияют на точность преобразования напряжения, а феррорезонанс невозможен, т.к. он вызывается токами нулевой последовательности, которые могут замыкаться только через заземленную нейтраль.

Контроль изоляции питающей высоковольтной сети 2 (обнаружение короткого замыкания сети), осуществляется тремя однофазными двухобмоточными трансформаторами 3, 4, 5. В нормальном симметричном режиме напряжение на выводах разомкнутого треугольника низковольтной обмотки близко к нулю. При коротком замыкании фазы сети на землю вывод высоковольтной обмотки соответствующей фазы группового трансформатора замкнут с нейтралью, т.е. обмотка этой фазы закорочена. Так как линейный провод сети из-за короткого замыкания фазы сети замкнут на землю, то к двум другим фазам высоковольтной обмотки приложены линейные напряжения, которые трансформируясь в напряжения низковольтной обмотки разомкнутого треугольника сигнализируют о нарушении изоляции в сети 2.

В этом режиме в фазах трех однофазных двухобмоточных трансформаторов 3, 4, 5 появляются напряжения нулевой последовательности, которые вызывают ток нулевой последовательности в колебательном контуре, в который входят высоковольтные обмотки этих трансформаторов, нейтральный провод и емкости проводов сети. При резонансном соотношении индуктивности высоковольтных обмоток трех однофазных двухобмоточных трансформаторов и емкостей проводов сети возникает явление феррорезонанса. При высокой добротности контура токи нулевой последовательности в контуре достигают большой величины, что приводит к перенапряжениям на обмотках трансформатора и к выходу его из строя. Возникающие при феррорезонансе перенапряжения на емкостях сети могут привести к нарушению изоляции проводов сети и к аварии. Поэтому предотвращение феррорезонанса является необходимым условием создания работоспособного, надежного устройства преобразования напряжения.

В предлагаемом устройстве феррорезонанс предотвращается путем понижения добротности колебательного контура путем подключения, например, низкоомных, антирезонансных сопротивлений 6, 7, 8. Величина этих сопротивлений никак не влияет на точность работы трехфазного трансформатора напряжения 1 и добротность контура может быть снижена до необходимой величины.

Разделение функций между разными трансформаторами позволило снизить массу и габариты трансформаторов за счет повышения расчетной магнитной индукции в сердечнике трехфазного трансформатора напряжения 1 и увеличения плотности тока в обмотках трех однофазных двухобмоточных трансформаторов 3, 4, 5 до величины, ограниченной только их нагревом.

Дополнительный технический результат заключается в том, что в условиях эксплуатации при большом количестве измерительной аппаратуры необходимо устанавливать несколько трансформаторов напряжения 1, а благодаря разделению функций, достаточно установить при этом только один комплект трансформаторов 3, 4, 5. В результате уменьшаются расходы на приобретение оборудования и монтаж предлагаемого устройства.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного устройства выполняются следующие условия:

- средство, воплощающее предлагаемое устройство при его осуществлении, предназначено для использования в области электротехники, а именно, при осуществлении измерительных и контрольных функций в сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных до даты подачи заявки средств;

- средство, воплощающее устройство при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Источники информации:

1. Зихерман М.X. Антирезонансные трансформаторы напряжения, перспективы развития // Новости Электротехники. 2007. 2(44).

Антирезонансное трансформаторное измерительное устройство, содержащее трехфазный трансформатор, высоковольтные обмотки которого соединены в звезду и подключены выводами к сети, а низковольтные обмотки соединены в звезду с выведенной нейтралью, и однофазный двухобмоточный трансформатор, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит два однофазных двухобмоточных трансформатора, высоковольтные обмотки всех трех однофазных двухобмоточных трансформаторов соединены в звезду с заземленной нейтралью и подключены выводами к сети, низковольтные обмотки соединены по схеме разомкнутого треугольника и параллельно каждой из них подключены антирезонансные сопротивления, а нейтраль трехфазного трансформатора напряжения изолирована.