Введение. 
Характеристика и принцип действия оптических трансформаторов тока

Традиционные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) применяются в энергетике на всех напряжениях от 6 кВ до 1150 кВ и обеспечивают на станциях и подстанциях информацией о первичном токе и первичном напряжении все системы управления и учета электроэнергии, такие как системы измерения, АСКУЭ, РЗА, ПА и диспетчеризации. В настоящее время в энергетике при измерении первичных токов и напряжений используются преимущественно электромагнитные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН), которые реализуют закон электромагнитной индукции (2-е уравнение Максвелла):

а также емкостные трансформаторы напряжения. Емкостные трансформаторы напряжения содержат емкостный делитель напряжения и тот же электромагнитный ТН, но с меньшим (на коэффициент делителя) первичным напряжением. Трансформаторы тока и напряжения. Конструкции, метрологические характеристики, достоинства и недостатки, причины выхода из строя. Среди требований, предъявляемых к высоковольтным трансформаторам тока и напряжения, выделим главные:

• ? электробезопасность персонала и вторичных цепей всех систем на щите управления станцией или подстанцией, т. е. обеспечение высоковольтной изоляции между первичными и вторичными цепями ТТ и ТН;
• ? точность измерения первичного тока и напряжения (обычно для различных потребителей вторичных токов и напряжений точность разная).

Эти требования предопределяют конструкции электромагнитных ТТ и ТН.

На ОРУ 110, 220, 330, 500 кВ используются три типовые конструкции трансформаторов тока, которые различаются способом обеспечения высоковольтной изоляции (рис. 1).

Рис. 1. Конструкции электромагнитных трансформаторов тока на напряжение 110−220 кВ (систематизация концерна ABB): а — с нижним расположением магнитопровода; б — с расположением магнитопровода в средней части изолятора; в — с верхним расположением магнитопровода

Высоковольтные трансформаторы тока имеют следующие достоинства и недостатки.

Достоинства:

• 1. Высокий класс точности — 0,2−0,5%. В лабораторных ТТ, где нет высоковольтной изоляции, достижим класс точности 0,1% и выше;
• 2. Простота и надежность ТТ в сетях 6−10−35 кВ;
• 3. Температурная стабильность характеристик ТТ.

Недостатки:

• 1. Насыщение магнитопровода электромагнитного ТТ апериодической составляющей тока короткого замыкания (КЗ) и отсутствие передачи информации о первичном токе в первые периоды аварийного переходного процесса, когда эта информация наиболее необходима системам РЗА и ПА для успешной локализации и ликвидации аварии (погрешности трансформации тока электромагнитными ТТ достигают в этом режиме 90%):
  • · Информация о первичном токе фактически перестает поступать по вторичным цепям на системы РЗА и ПА через 10 миллисекунд после начала аварии, причем сильно искажена не только апериодическая составляющая тока КЗ, но и периодическая тоже, примерно на 90% во втором периоде (через 5−10 периодов (100−200 миллисекунд) трансформация первичного тока восстановится);
  • · Информация о первичных процессах фактически отсутствует или сильно искажена. В этих условиях системы защиты (и микропроцессорные и старые) либо не работают, либо работают ложно, либо просто затягивают процесс до появления информации, хотя по регламенту системы РЗА должны за один-два периода определять место аварии и выдавать команды на соответствующие высоковольтные выключатели для локализации и ликвидации аварии в начальной стадии;
  • · Затягивание ликвидации аварии чревато выпадением из синхронизма крупных электрических двигателей и генераторов на заводах и электростанциях, что превращает простую аварию в системную.
• 2. Проблемы с высоковольтной изоляцией, на что указывает неблагоприятная статистика аварий трансформаторов тока класса 110−750 кВ на электростанциях и подстанциях электрических сетей России и Минатома в последние годы;
• 3. Взрывои пожароопасность трансформаторов тока существующих конструкций (рис. 1) принципиально неустранима, не только в маслонаполненных трансформаторах тока. В элегазовых ТТ взрыв также неизбежен при пробое главной изоляции, только разве что без пожара.

Высоковольтные трансформаторы напряжения 110−750 кВ, эксплуатируемые в России, бывают двух типов: электромагнитные и ёмкостные. Электромагнитные ТН (рис. 2) просты по принципу действия и содержат на магнитопроводе первичную обмотку с главной высоковольтной изоляцией и вторичную обмотку.

Емкостные трансформаторы напряжения 110−750 кВ содержат емкостный делитель напряжения и электромагнитное устройство, а по существу электромагнитный ТН на сниженное напряжение (6−35 кВ), подключенный к конденсатору нижнего плеча делителя напряжения.

Обычно емкостные ТН используются также для ВЧ связи по ЛЭП.

Следует отметить, что индуктивность электромагнитного ТН со стороны первичных зажимов значительно больше активного сопротивления, имеет нелинейный характер в соответствии с петлей гистерезиса, т. е. зависит от режима и, взаимодействуя с емкостями элементов ОРУ и линий, может вызвать феррорезонанс со значительным повышением напряжения на ТН, что неизбежно приведет к аварии ТН.

Рис. 2. Принцип действия и конструкция электромагнитного трансформатора напряжения (по материалам концерна ABB)

Анализ протоколов технологических нарушений в работе электромагнитных ТН 110−750 кВ показывает, что основной причиной пробоя главной изоляции ТН являются феррорезонансные явления, сопровождающиеся внутренними перенапряжениями на первичной обмотке ТН (примерно 90% случаев).

Тенденции в электроэнергетике России в настоящее время таковы, что наряду с существующими традиционными системами релейной защиты, противоаварийной автоматики, измерений и учета на станциях и подстанциях внедряются цифровые (микропроцессорные) системы РЗА, ПА, АСКУЭ, измерения и диспетчеризации. А это приводит к росту нагрузки на трансформаторы тока и вследствие этого к ухудшению класса точности ТТ, эксплуатируемых в энергетике России.

Экономические условия функционирования энергопредприятий и энергосистем таковы, что необходимо повысить точность учета электроэнергии, и цифровые (микропроцессорные) системы позволяют это сделать, однако недостаточно высокий класс точности ТТ является тормозом на этом пути.

Перед заводскими конструкторами ставится задача разработать ТТ более высокого класса точности с большей нагрузочной способностью. Удовлетворение этих требований неизбежно приведет либо к росту массогабаритных показателей (больше железа, больше меди и всего остального), что нежелательно по условиям конкуренции, либо к более напряженному использованию высоковольтной изоляции, что, в принципе, снижает надежность и срок службы ТТ, но по законам теории вероятности.

Известные недостатки ТТ и ТН привели к интенсивным научно-исследовательским работам с целью создания взрывобезопасных, высоковольтных, с лучшими метрологическими характеристиками датчиков информации о первичном токе и напряжении для использования на ОРУ станций и подстанций энергосистем.