Г.А.Л._Изб. раб. по АСКУЭ

Магнитные свойства трансформаторных сталей гостируются только по двум показателям: удельным магнитным потерям РВf (они не должны быть больше некоторой величины Рмакс) и магнитной индукции ВН в выбранной точке кривой намагничивания (она не должна быть меньше некоторой величины Вмин). В частности, для трансформаторных сталей нулевой группы магнитная индукция В100 определяется при напряженности постоянного магнитного поля Н=100 А/м. Например, для стали марки 3408 толщиной 0,3 мм эти показатели должны иметь значения Р1,7/50≤1,20 Вт/кг и В100≥1,74 Тл. Характерная экспериментальная кривая намагничивания образца этой стали, снятая при напряженностях магнитного поля, близких к рабочей области ТТ, приведена на рис.1 (очевидно, что по В100

сталь заведомо удовлетворяет стандарту).

Для трансформаторов класса точности 0,2S и 0,5S необходимо, в частности,

нормировать токовые и угловые погрешности при первичных токах, составляющих 1%

от номинальных: 0,01I1/I1ном (для ТТ без литеры S нормирование проводится при

0,05I1/I1ном). Эта область приходится на самый начальный участке кривой намагничивания. Возможность использования трансформаторной стали конкретного рулона от НЛМК для изготовления сердечников таких ТТ полностью зависит от неконтролируемых изготовителем магнитных свойств своего тонколистового проката в указанной области кривой намагничивания. Эти свойства меняются не только от партии к партии, но и от рулона к рулону и даже между отдельными участками рулона. Поэтому отбор стали для

сердечников ТТ из рулонов НЛМК носит экспериментальный характер с использованием «метода проб и ошибок»: рулон может «пойти» или «не пойти». Хорошо тому изготовителю трансформаторов, который производит помимо ТТ класса 0,2S/0,5S и ТТ класса 0,5 или силовые трансформаторы: «плохой» рулон можно направить на изготовление сердечников таких трансформаторов. А что делать тому изготовителю, который производит только высококлассные ТТ? Куда деть «плохой» рулон? А ведь подряд можно забраковать 5- 10 и более рулонов, пока найдешь рулон с подходящими магнитными свойствами. Этот процесс отбора непредсказуем для трансформаторной стали НМЛК.

Один из выходов предлагает тот же ГОСТ 21427.1, где записано, что «по требованию потребителя сталь изготовляют с нормированием магнитной индукции при других значениях напряженности магнитного поля, кроме указанных…». Хорошо в теории, а

на практике? Например, трансформаторный завод закупает у НЛМК в год несколько тысяч тонн трансформаторной стали и обращается с просьбой сделать для него сталь с контролем магнитной индукции при меньшей напряженности магнитного поля (еще эффективнее был бы контроль в двух точках: по крайним значениям напряженности магнитного поля для рабочего диапазона ТТ!). Какой ответ услышит этот производитель от монополиста? Правильно, его запрос будет проигнорирован. Другое дело, когда китайская компания просит НЛМК поставить 94 тыс. т трансформаторной стали. Здесь уже президент НЛМК заявляет, что «Обеспечение стабильных поставок трансформаторной стали в КНР позволит НЛМК расширять производство своей высокотехнологичной продукции,

постоянно улучшая ее качество» [7]. Для отечественного изготовителя ТТ, а через него и для энергетиков, невозможность обеспечения контроля и гарантии магнитных характеристик трансформаторной стали в области слабых полей (из-за нежелания или неспособности монополиста-сталепрокатчика), порождает те метрологические проблемы, о которых сказано выше.

Необходимо отметить, что дополнительный вклад в эти проблемы вносит и тот пункт ГОСТа 21427.1, в котором коэффициент старения (для сталей типа 3408 он не должен быть выше 2%) магнитных характеристик трансформаторной стали определяется посредством однократной процедуры нагрева образца до 1200С с выдержкой его в течение 5 суток и контролем удельных магнитных потерь до нагрева и после нагрева (а почему при этом одновременно не предусмотрен контроль изменения магнитной индукции?!).

Эффективность однократной процедуры такого «старения» представляется сомнительной. Практика убеждает, что реальное старение сердечников ТТ (по крайней мере по значению магнитной индукции или магнитной проницаемости) происходит гораздо быстрее вследствие медленных многократных циклических процессов нагреванияохлаждения и быстрых процессов тепловых и магнитострикционных ударов, возникающих при КЗ. Именно такие методы старения материала следовало бы использовать и исследовать при испытаниях трансформаторной стали на долговечность ее магнитных характеристик. Стандарты в этом отношении следует усовершенствовать.

Указанные недостатки трансформаторной стали отечественного монополиста заставляют передовых производителей ТТ в СНГ, уделяющих большое внимание качеству своих изделий, обращать свой взор на импортную сталь, которая имеет более стабильные, предсказуемые магнитные характеристики, и на другие, более эффективные материалы

(нанокристаллические сплавы, пермаллой), несмотря на их более высокую цену.

На пути к высококачественным магнитопроводам ТТ

В исследовании [3] для анализа устойчивости ТТ класса 0,5S в сетях 0,4 кВ к хищениям электроэнергии путем намагничивания их сердечников снятие метрологических характеристик ТТ проводилось, вопреки стандарту [1], в намагниченном состоянии их сердечников. Такой, не предусмотренный ГОСТом прием, позволил выявить существенную разницу в свойствах ТТ с сердечниками из электротехнической стали и нанокристаллических

сплавов. Первые после предварительного намагничивания работали в области малых первичных токов с погрешностью в 2-2,5 раза выше допустимой, возвращаясь в класс, в зависимости от конкретного образца ТТ, только при возрастании первичного переменного тока до 15-50% I1/I1ном (такой ток естественным образом производил размагничивание сердечников). Вторые же имели почти линейную зависимость токовой и угловой погрешностей и сохраняли свой класс точности, независимо от предварительного намагничивания, в пределах всего диапазона 1-120% I1/I1ном (размагничивание нанокристаллических сердечников производил уже ток, величиной меньше 1% I1/I1ном).

Выводы того исследования задели некоторых изготовителей ТТ с сердечниками из электротехнической стали. В частности, директор одного предприятия возмущался тем, что

«белорусские энергетики придумали новый способ хищения электроэнергии путем намагничивания сердечников трансформаторов». Как выяснилось впоследствии, первыми

феномен увеличения погрешностей трансформаторов тока за счет намагничивания их сердечников выявили российские энергетики. В частности, в октябре 2005 г. на международной конференции «Будущее систем АСКУЭ. Системы АИИС для рынка электроэнергии», проводимой СП ООО «Эльстер Метроника», мне довелось услышать интересное сообщение Валентина Тубиниса. Он поведал о том, как в одном из подмосковных РЭСов энергетики обратили внимание на странное сезонное изменение точности сведения баланса по электроэнергии: зимой баланс сводился с точностью до одного процента, а летом расходился на несколько процентов. И так на протяжении нескольких лет. Исследования выявили, что причиной этого стал летний рост деревьев,

который приводил к учащению КЗ на линиях 0,4 и 10 кВ, проходивших в лесных чащобах.

Как следствие, намагничивались сердечники ТТ, а поскольку летние нагрузки существенно ниже зимних, то трансформаторы с сердечниками из электротехнической стали оставались в намагниченном состоянии до зимы, когда возрастали нагрузки и происходило за счет возросших токов размагничивание сердечников с восстановлением их нормативной точности. Этот же эффект намагничивания сердечников ТТ токами КЗ рассмотрен и в работе [8].

Напрашивается вывод о тотальном качественном превосходстве (за исключением цены) сердечников из нанокристаллических сплавов над сердечниками из электротехнических сплавов. Однако исследования выявили и слабые места таких сердечников: их чувствительность к перегрузкам первичных и вторичных обмоток [3]. В

частности, при возрастании первичного тока сверх 120-150% I1/I1ном погрешность ТТ резко возрастает. В ТТ же с сердечниками из электротехнической стали возможно повышение первичного тока до 400-500% I1/I1ном без ухудшения их метрологических характеристик. В этой связи говорят еще о том, что у сравниваемых ТТ существенно различны их коэффициенты безопасности: у первых они не превышают 1,5-2, а у вторых могут достигать значений 5-10 [9].

МЭТЗ в своих новых разработках ТТ типа ТОП-0,66-2-0,5S и ТШП-0,66-2-0,5S, представленных в 2007г. на отраслевые испытания, видимо, первым из изготовителей ТТ на постсоветском пространстве объединил в комбинированных сердечниках своих трансформаторов достоинства электротехнической стали (работа в более сильных магнитных полях) с достоинствами нанокристаллических сплавов (работа в более слабых магнитных полях), исключив тем самым их недостатки. В результате созданные ТТ имеют почти линейную зависимость токовых и угловых погрешностей (рис.2) и сохраняют свой класс точности с большим запасом в диапазоне токов 1-120% I1/I1ном (коэффициент безопасности для них равен 3,8-5).

При этом стоимость ТТ с комбинированным сердечником выросла незначительно, поскольку его нанокристаллическая часть составляет в сердечнике не более 20%. Для долговременной защиты сердечников от влияния внешних факторов предприятие заключает их в негорючие корпуса из полипластика с соблюдением всех мер защиты от хищений электроэнергии (пломбирование контактов вторичных токовых обмоток и контакта напряжения, нанесение номинала трансформатора на корпус в виде клейма, использование защищенной таблички и т.п.).

Другой путь для своих литых трансформаторов ТЛП-10 и ТЛО-10 избрало ООО

«Электрощит-К»: основой их сердечников стали высококачественные импортные трансформаторные стали и пермаллои от немецких и итальянских поставщиков (см. фото).

ООО «Электрощит-К» является единственной компанией в России, которая получила лицензию от KWK-Messwandler на производство ТТ по передовой немецкой технологии. Основой лицензии является, в частности, специальная программа расчета всех характеристик ТТ, позволяющая заменить «метод проб и ошибок» при создании ТТ современным автоматизированным проектированием. Но для такого решения необходима стабильность магнитных характеристик материала для магнитопровода, что пока не может обеспечить российский монополист НЛМК (разброс магнитных характеристик в его стали достигает 40 и более процентов). Именно поэтому ставка в повышении качества сердечников была сделана компанией на импортные магнитомягкие материалы.

каждый трансформатор индивидуально зафиксирован в заводском архиве, включая поименно прохождение им всех технологических операций с указанием ответственных лиц, а адресная доставка трансформатора потребителю осуществляется в индивидуальной упаковке с полной системой идентификации изделия и поставщика.

Тайны изоляции

Качество и живучесть ТТ определяется не только характеристиками их магнитопроводов, но и защитной изоляцией сердечника, обмоток и трансформатора в целом. Выше приведена печальная статистика метрологических отказов ТТ, находившихся в эксплуатации длительное время. Не исключено, что многие отказы ТК-20 и Т-0,66У3 вызваны в первую очередь плохой защитой их сердечников от климатических факторов

(некоторые сердечники просто проржавели из-за отсутствия соответствующего защитного покрытия; замечу, что из изготовителей только МЭТЗ защищает сердечники своих ТТ порошковой краской). Нынешние трансформаторы, как правило, «запрятаны» не в бумажные, а пластмассовые корпуса или имеют литую изоляцию, которая одновременно выполняет для изделия и функции его корпуса. В первую очередь это касается ТТ для уровней напряжения 6-10 кВ и выше (на просторах СНГ пока никто не производит литые трансформаторы для сетей 0,4 кВ).

Большинство производителей ТТ для сетей 6-35 кВ используют в своих литых трансформаторах полимерные компаунды на основе термореактивных эпоксидных смол (ЭС). Они служат одновременно как для пропитки деталей (сердечника, обмоток, выводов), так и для заливки – заполнения промежутков между деталями трансформаторов и формирования его корпуса. В процессе отвердения смол (для этого используются наполнители, например, кварцевый песок) образуется малоусадочный высокопрочный электроизоляционный материал. Широта применения эпоксидных смол определяется их относительной дешевизной, хорошими электроизоляционными и механическими свойствами. Вместе с тем они являются экологически вредным продуктом, вызывающим профессиональные заболевания работников, занятых на заливке трансформаторов.

Альтернативой эпоксидным смолам являются более дорогие полиуретаны (в 2-3 раза дороже), но которые, во-первых, экологически безвредны, во-вторых, имеют более быстрый цикл отвердения (45 мин против 24 часов для ЭС) и, в-третьих, позволяют получать более прочную и долговечную изоляцию с меньшим числом частичных разрядов (они зависят от количества пузырьков воздуха в литой изоляции между первичной и вторичной обмотками, которые могут приводить к высоковольтному пробою, появлению внутренних каверн и разрушению ТТ) [2]. В России полиуретановую заливку для всех своих ТТ делает только ООО «Электрощит-К» (см. фото).

История ТФЭ началась в 2000 г. с создания ООО «Электрощит-К», у истоков которого стоял такой известный деятель, как заслуженный машиностроитель, исполнительный директор ОАО «Московский завод «Электрощит», д.э.н. Легостов В.В. К 2003 г. ООО «Электрощит-К» перестроило в п. Бабынино известный в

СССР завод - филиал Московского радиотехнического завода, выпускавший в прошлом малогабаритные телевизоры «Юность», и приступило на заводе к выпуску литых измерительных трансформаторов тока на напряжение 6-10 кВ по передовой технологии и лицензии немецкой фирмы «KWK – Messwandler». В разработке трансформаторов используется автоматизированная система проектирования. Высокое качество изделий ТФЭ определяется применением высокостабильных импортных сплавов для магнитопроводов и полиуретановой заливки, обеспечивающей долговечность изделий в процессе их эксплуатации (на заводе используются две установки для литья компаундов в вакуумной среде немецкой фирмы Hübers). В отличие от других изготовителей, ТФЭ способно разработать новый трансформатор по индивидуальным требованиям потребителя за 3-4 недели. За истекшие пять лет ТФЭ создало много типов и моделей трансформаторов тока на напряжения 6-10, 20-25 и 35 кВ, а суммарный объем выпуска трансформаторов превысил 15 тысяч штук. Потенциальные возможности производства – более 30 тыс. трансформаторов в год.

Справка № 2

ПРУП "Минский электротехнический завод им. В.И.Козлова" (МЭТЗ) - один из крупнейших

(более 3000 сотрудников) производителей электротехнического оборудования на постсоветском пространстве. Его история началась с 1956г. Основная продукция - силовые трансформаторы (сухие и масляные до 2500 кВ А), комплектные трансформаторные подстанции и распределительные устройства (до 2500 кВ А), многоцелевые трансформаторы малой мощности (до 10 кВ А), трансформаторы тока 0,4 кВ. Имеет замкнутый цикл производства трансформаторов, начиная с изготовления их магнитопроводов и оканчивая испытаниями и поверкой. Для производства трансформаторов используется современное технологическое оборудование из Германии, Франции, США, Японии. Витые магнитопроводы изготавливаются на автоматических линиях, а пластмассовые комплектующие детали - на термопластавтоматах. Трансформаторы в сборке пропитываются на установках вакуумной пропитки влагостойким электроизоляционным лаком, на линиях порошковой окраски производится окраска их деталей, а таблички с техническими характеристиками трансформаторов выполняются при помощи лазерного гравирования. Производство измерительных трансформаторов типа Т-0,66У3 начато в 1998 г., а с 2005 г. выпускаются ТТ серии ТОП-0,66 и ТШП-0,66, в которых учтены все дополнительные требования белорусских энергетиков. Завод ежегодно выпускает около 100 тыс. измерительных трансформаторов тока типа Т-0,66У3, ТШП-0,66 на разные номиналы классов точности 0,5 и 0,5S в пластмассовом корпусе и c тороидальными сердечниками из стали 3408,3409. Потенциальные возможности производства – 200 тыс. шт./год. В 2007 г. освоено производство трансформаторов с комбинированными сердечниками.

Справка № 3

ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (НЛМК) – одна из крупнейших в мире (более

50 тыс. сотрудников) металлургических компаний с полным металлургическим циклом по производству чугуна, слябов и листовой стали (холоднокатаной, горячекатаной, электротехнической, оцинкованной, с полимерным покрытием). Занимает в России 3-е место по производству листового проката широкого сортамента: за 2006 г. произведено 9,1 млн. т, или 13% всей российской стали и проката. В 2006 г. НЛМК приобрел сталепрокатное предприятие ООО «ВИЗ-сталь» (г.Екатеринбург), которое специализируется на производстве из горячекатаной рулонной стали (подката) холоднокатаной электротехнической стали с объемами производства до 200 тыс. т/год (по трансформаторной стали 160-180 тыс. т, что при ее мировом производстве в 1,7-2,0 млн. т составляет 9-11% этого производства), и стал монополистом в России по трансформаторной стали. Он вошел также в мировую тройку лидеров по производству электротехнической стали (до 670 тыс. т/год). Объем производства трансформаторной стали на НЛМК (совместно с ВИЗ-Сталь) - 320 тыс. т/год (3,5% объема всей стали НМЛК, но 11% его выручки). Более 60% трансформаторной стали НЛМК – это сталь высшего качества (включая марки 3408 и 3409), использующаяся для изготовления витых сердечников силовых и измерительных трансформаторов. Трансформаторная сталь с термостойким изоляционным покрытием поставляется НЛМК в рулонах весом 4-5 т шириной до 960 мм и толщиной листа 0,23-0,35 мм. Стоимость 1 т трансформаторной стали доходит до 5 тыс.$.

Справка о публикации (фото автора)

Статья опубликована в журналах:

Энергетика и ТЭК, №1, 2008 (Беларусь) Электрические сети и системы, №1, 2008 (Украина) Новости Электротехники, №1, 2008 (Россия)

ОПТИЧЕСКИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТОКА Физические принципы работы, устройство и технические характеристики

Гуртовцев А.Л., к.т.н., ведущий научный сотрудник РУП «БЕЛТЭИ»

Серийные высоковольтные оптические измерительные трансформаторы (ОТТ) и преобразователи (ОПТ) тока уже несколько лет как появились на рынке, открыв новую эру учета электроэнергии в электроэнергетике и в промышленности, причем как для переменных, так и постоянных или импульсных токов. Энергетикам и потребителям в связи с этим предстоит осмыслить и использовать в долговременной перспективе новые и непривычные для себя понятия из области волновой и геометрической оптики, волоконно-оптической техники и оптоэлектроники, цифровой обработки сигналов и данных. Автор статьи уже проделал этот путь и предлагает читателям результаты своего анализа.

Немного истории

Более ста лет в электроэнергетике и промышленности при высоковольтных измерениях переменных токов используют электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ТТ), работа которых основана на явлении и законе электромагнитной индукции, открытом Фарадеем еще в 1831г. Другое явление, открытое им же в 1845 г., - поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света в постоянном магнитном поле [1]. Это явление, названное в честь автора эффектом Фарадея, стало первым доказательством прямой связи оптических и электромагнитных явлений и ждало своего крупномасштабного технического применения более 150 лет.

В СССР первые работы по созданию оптических датчиков тока на основе эффекта Фарадея проводились в ВЭИ им. В.И.Ленина еще в начале 70-хх годов прошлого века. В те же годы в мире появилось и первое промышленное оптическое волокно (ОВ), которое пытались использовать не только для дистанционной передачи оптических сигналов, но, в частности, и в качестве чувствительного элемента волоконно-оптических датчиков тока (ВОДТ), использующих эффект Фарадея. Однако, на то время технология еще не созрела для создания конкурентоспособных промышленных образцов новых ОТТ.

В России первые зарубежные серийные ОТТ были представлены на московской декабрьской выставке «Электрические сети России и ЛЭП - 2006» [2]. Канадская компания NхtPhase Corporation, один из мировых на сегодня лидеров в серийном производстве ОТТ и ОПТ, а также оптических трансформаторов напряжения, представила тогда свой первый высоковольтный ОТТ типа NXCT. Вот что заметил по этому поводу один из авторов обзора

[2]: «Отмечу то единственное, что мне понравилось. Это стенд канадской компании, которая представила оптический трансформатор тока на высокие напряжения. Пускай пока это очень дорогой продукт, но направление крайне интересное. Электромагнитные трансформаторы тока и напряжения – уже устаревшая технология. Пройдет буквально пять лет – и то, что сегодня представили канадцы, будет стоять на половине стендов выставки. Вся измерительная техника в ближайшем будущем станет работать по принципу оптической передачи информации».

Сегодня в России поставкой зарубежных изделий указанного вида и разработкой собственных занимаются несколько организаций. Возможно, лидирующее положение в области собственных разработок принадлежит московской фирме ООО «Уникальные Волоконные Приборы» (ООО «УВП», «UFD» Ltd.), которая недавно анонсировала промышленный выпуск собственного ОТТ на напряжение 110-220 кВ и ток 100-4000А [3-5].

К настоящему времени терминология по устройствам рассматриваемого вида еще окончательно не установилась. В литературе встречаются различные наименования: «оптические», «магнитооптические», «оптоэлектронные», «оптоволоконные», «волоконнооптические», «оптикоэлектрические» и другие подобные определения данных трансформаторов, преобразователей или датчиков тока. Строго говоря, указанные устройства не являются в традиционном смысле трансформаторами тока

(масштабными преобразователями), а относятся скорее к виду передающих преобразователей, преобразующих переменный или постоянный ток большого масштаба в соответствующий ему измерительный сигнал иного рода и/или вида (например,

унифицированный сигнал тока или напряжения, код, цифровой результат и т.п.). Будем называть все эти устройства кратко ОТТ или ОПТ (различия между ними станут ясны ниже из текста).

Достоинства и преимущества ОТТ/ОПТ

Основные достоинства и преимущества ОТТ/ОПТ по сравнению с их электромагнитными аналогами заключаются в следующем:

-возможность масштабного преобразования и измерения как переменного (до 100 кА) так и постоянного или импульсного (до 600 кА) тока различных уровней напряжений (до 800

кВ);

-оптико-электронное малоинерционное преобразование световых сигналов с отсутствием явлений гистерезиса (магнитных потерь), магнитного насыщения и остаточного намагничивания, характерных для электромагнитных аналогов и ограничивающих их динамический диапазон и точность измерений;

-большой динамический диапазон (0,1-200%I1ном) и высокая точность (0,1- 0,2%) для измерений и защиты токовых цепей, достигаемые за счет использования поляризованных световых сигналов и их цифровой обработки; при этом одно и то же изделие, в отличие от электромагнитных аналогов, может использоваться при 10-кратно различающихся первичных номинальных токах за счет электронной перенастройки коэффициентов трансформации;

-широкая полоса пропускания сигналов (не менее 6 кГц), позволяющая производить полный анализ не только количества, но и качества электроэнергии в части гармоник (до 100 гармоник) и переходных процессов (для защиты);

-возможность интеграции в измерительные и информационные системы с использованием различных интерфейсов – аналоговых (по напряжению, по току, по унифицированному токовому сигналу), дискретных (по частоте, коду) и цифровых (с передачей цифровых результатов измерений) – и исключением влияния вторичной нагрузки на процессы измерения, которое характерно для электромагнитных изделий;

-полная эколого-, пожаро-, взрыво- и электробезопасность за счет отсутствия вредных веществ и электропроводящих материалов в ВОДТ, а также за счет использования маломощных световых сигналов, исключающих возможности искрения и возгорания в нештатных ситуациях (например, при обрыве ОВ);

-высокая помехоустойчивость к электромагнитным помехам, позволяющая монтировать изделия в сложной электромагнитной обстановке без ее предварительного анализа и коррекции;

-долговечность, долговременная стабильность и высокая повторяемость метрологических параметров изделий; низкая восприимчивость к вибрациям и изменениям температуры, влияющих обычно на метрологические характеристики;

-малые весогабаритные параметры, упрощающие и облегчающие монтаж, а также позволяющие устанавливать изделия в ограниченном пространстве, в любом положении, с установкой на опору или путем подвешивания к жесткой шине;