В распределительных сетях 6-10кV на территории Украины в эксплуатации находятся около 100 000 штук измерительных трансформаторов тока (ТТ) с литой изоляцией, в основном производства Свердловского завода трансформаторов тока и ОАО «Самарский трансформатор».

Коммерческий учет электроэнергии по стороне высокого напряжения (6-10кV) строится на основе измерительных ТТ, измерительных трансформаторов напряжения (ТН) и трехфазных счетчиков электроэнергии. Кроме этого большая часть измерительных ТТ имеет дополнительную защитную обмотку с которой подается сигнал на устройства релейной защиты при аварийных ситуациях.

Ежегодная потребность потребителей в высоковольтных измерительных ТТ с литой изоляцией составляет, по нашим оценкам, не менее 10000шт., однако до недавнего времени подобные ТТ в Украине не выпускались.

Нужен ли класс 0,5S? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим график зависимости модуля предельной относительной погрешности ТТ для различных классов точности (Рисунок 1).

/ρ/,%

Рисунок 1. Графики модуля предельной относительной погрешности ТТ.

Из представленного графика видно, что для ТТ класса 0,5S погрешность нормируется начиная с 1% номинального тока и не может превышать 1,5%. Для ТТ класса 0,5 погрешность для 1% номинального тока не нормируется вообще, на 5% Iн составляет 1,5%, и даже на 20% Iн увеличивается до 0,75%. К чему это приводит в коммерческом учете электроэнергии? В условиях спада и существенных колебаний нагрузки потребителей, ТТ значительное время работают в режиме действующего значения тока менее 20% Iн. Поскольку погрешность ТТ на малых токах всегда имеет отрицательное значение, применение ТТ класса 0,5 обязательно приведет к большему недоучету потребленной электроэнергии, чем при использовании ТТ класса 0,5S.

Просчитаем величину этой разности в недоучете электроэнергии для случая трансформатора тока с номинальным током 150А. Примем, что трансформатор тока 10 часов в сутки нагружен менее 20% номинального тока. Для промышленности это как правило время с 22.00 до 7.00, в коммунальном секторе это и ночное время, и время с 9.00 до 17.00. Будем считать, что среднее значение нагрузки в это время составляет 5% от номинальной. Разница погрешностей ТТ класса 0,5 и 0,5S на 5% нагрузки составляет 0,75%. Расчет потребленной электроэнергии для ТТ классов 0,5 и 0,5S проведем по формуле:

W0,5 = U * I * T * 0,985 = 738,750 кВт∙час

W0,5S = U * I * T * 0,9925 = 744,375 кВт∙час

U – напряжение (10кV)

I – ток (7,5А) (5%Iном)

T – 10 часов

∆ Wсут = 5,625 кВт∙час

∆ Wгод = 2053 кВт∙час

Рисунок 2. Расчет потребленной энергии для ТТ классов 0,5 и 0,5S.

Таким образом, за одни сутки недоучет электроэнергии при применении ТТ кл. 0,5 составит 5,625 кВт∙час, а за год – 2053 кВт∙час, что при стоимости 1 кВт∙час 0,25грн. составит 500грн.

Выше отмечено, что на сетях Украины находятся около 100 000 ТТ в основном класса 0,5, то есть, общий недоучет электроэнергии из-за использования ТТ низкого класса может составлять 205 300МВт∙час или 51млн.гривен в год. На самом деле потери энергоснабжающих компаний из-за высокой погрешности измерений существующих ТТ значительно больше, так как по статистике Укрметртестстандарта до 15% предоставляемых на очередную поверку ТТ бракуются; их погрешность не соответствует требованиям даже по классу 0,5.

Погрешность трансформатора тока тем меньше, чем меньше магнитное сопротивление магнитопровода, то есть, чем больше магнитная проницаемость материала, больше сечение сердечника и меньше его длина, а также, чем меньше вторичная нагрузка.

Традиционно для материала сердечников ТТ применяется электротехническая сталь. В трансформаторах тока производства НПП «Укртрансэнерго» измерительные сердечники выполнены из нанокристаллического сплава семейства «Finemet». Такие сплавы начали применяться в конце 80-х годов прошлого столетия в электротехнической промышленности США и Японии. Эти сплавы на основе железа, кремния, бора, ниобия и меди получают путем розлива расплава через тонкую ~25мкм фильеру на поверхность вращающегося с большой скоростью охлаждаемого вала. При высокой скорости охлаждения (до 1 миллиона градусов в секунду) атомы сплава не успевают сформировать крупнокристаллическую решетку. Сплав, таким образом, приобретает аморфный, нанокристаллический характер, когда размеры кристаллов и доменов в тысячи раз меньше обычных и уникальные магнито-электрические свойства.

На рис. 3 представлены типовые петли гистерезиса для электротехнической стали и нанокристаллического сплава.

Рисунок 3. Петля гистерезиса для электротехнической стали и нанокристаллического сплава.

Поскольку ТТ работают в установившемся режиме в малых полях, то для их изготовления необходимо использовать материалы не только с большой магнитной проницаемостью, но и с высокой начальной магнитной проницаемостью.

Сравним характеристики электротехнической стали и нанокристаллического сплава.

Высокая начальная магнитная проницаемость и линейность характеристики намагничивания позволяет обеспечить метрологические характеристики ТТ с магнитопроводами из нанокристаллических сплавов уже в начале диапазона, а высокая максимальная магнитная проницаемость в конце диапазона (120% Iн). Характеристика намагничивания магнитопроводов из электротехнической стали в начале диапазона имеет нелинейный характер, чем и объясняется увеличенная погрешность измерений в диапазоне до 20% Iном.

Значение магнитной индукции насыщения для нанокристаллических сплавов меньше, чем для электротехнической стали, что позволяет снизить коэффициент безопасности.

Очень низкое значение коэрцитивной силы у нанокристаллического сплава практически исключает возможность намагничивания сердечника постоянным током. Полное перемагничивание сердечника при подаче переменного тока происходит уже при напряженности магнитного поля и значениях первичного тока 1-2 процента.

Для сердечников же из электротехнической стали, которые могут намагнититься при аварийных отключениях этого добиться трудно.

За счет высокого удельного сопротивления магнитные вихретоковые потери в нанокристаллических сердечниках в 4-10 раз меньше, чем в сердечниках из электротехнической стали.

Нанокристаллические сплавы сохраняют свои магнитные свойства при нормальной температуре не менее 100 лет, а при температуре +50°С не менее 50 лет, что позволяет увеличивать межповерочный интервал ТТ.

В целом нанокристаллические сердечники характеризуются меньшей материалоемкостью, габаритом и весом по сравнению с сердечниками из электротехнической стали для аналогичных по номиналам ТТ.

Основные технические характеристики ТТ типа ТОЛУ-10 и ТПЛУ-10 приведены на рисунке 4.

Рисунок 4. Основные технические характеристики ТТ типа ТОЛУ-10,ТПЛУ-10.

Класс точности вторичной обмотки для измерений 0,5S, при этом, если нагрузка измерительной обмотки ТТ будет снижена до 5 В∙А, погрешность ТТ будет соответствовать требованиям класса 0,2S.

Номинальная предельная кратность вторичной обмотки для защиты – не менее 5, фактическое значение от 8 до 15 (требование ГОСТ 7746 от 5 до 30). Это значит, что в случае аварийной ситуации на устройства защитной автоматики ТТ выдаст ток 40-75А, что вполне достаточно для срабатывания всех видов релейной защиты.

Номинальный коэффициент безопасности приборов обмотки для измерений не более 5, фактически ~2,5. Это значит, что при аварийной ситуации ток в цепи измерительного сердечника, где как правило включен счетчик электроэнергии для коммерческого учета не превысит 15А.

Для сравнения коэффициент безопасности ТТ ТПЛ-10-М класса 0,5 производства Свердловского завода трансформаторов тока – 15. То есть, при аварийной ситуации ток во входной цепи счетчика электроэнергии может достигать 75А, что приведет к выходу из строя счетчика.

Масса трансформаторов тока ТОЛУ-10 и ТПЛУ-10 не превышает 14кг, масса аналогичных ТТ производства ОАО «Самарский трансформатор» и СЗТТ не менее 19кг. Таким образом, ТТ ТОЛУ-10 и ТПЛУ-10 ничем не уступают, а по отдельным параметрам превосходят ТТ производства предприятий РФ.

Освоение технологии литой высоковольтной изоляции с применением современных эпоксидных компаундов позволяет НПП «Укртрансэнерго» выпускать кроме ТТ и другие изделия.

С 30 сентября 2008 г. ТТ ТОЛУ-10, ТПЛУ-10 были зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений под номером РБ 03 13 3872 08 и допущены к применению в Республике Беларусь.

Нами ведется разработка и подготовка производства измерительных трансформаторов напряжения, высоковольтных обмоток сухих силовых трансформаторов, опорных и проходных изоляторов из эпоксидных компаундов и трансформаторов тока ТОП-0,66 с сердечниками из нанокристаллических сплавов.

(Загрузить PDF)