Пълно ръководство за проверка на грешките във фазовия ъгъл на трансформаторите на напрежение

Въведение

Когато се въвежда в експлоатация модернизация на мрежата за високо напрежение или остарял трансформатор на напрежение навлиза в средата на жизнения си цикъл, една грешка при измерването тихо подкопава всичко надолу по веригата: грешката на фазовия ъгъл. За разлика от грешката в съотношението, която се вижда веднага при несъответствията в измерванията, грешката във фазовия ъгъл на ПТ/ВТ е невидима за рутинна проверка, но е способна да повреди времето на защитните релета, да изкриви изчисленията на фактора на мощността и да предизвика фалшиви изключвания в цялата подстанция. Грешката на фазовия ъгъл в трансформатора на напрежение е разликата между това къде трябва да бъде вторичната форма на напрежението и къде е в действителност - и в приложенията на мрежата за високо напрежение дори отклонение от няколко минути от дъгата се превръща в измерима загуба на приходи и компрометирана координация на защитата. Настоящото ръководство предоставя на електроинженерите и екипите по поддръжка на мрежата пълна, съгласувана със стандартите методология за проверка, диагностициране и коригиране на грешките във фазовия ъгъл през целия жизнен цикъл на инсталацията PT/VT.

Съдържание

• Какво е грешка на фазовия ъгъл в трансформатор на напрежение и как се определя?
• Как дизайнът на намотката и характеристиките на ядрото определят отклонението на фазовия ъгъл?
• Как да проверяваме грешките на фазовия ъгъл през целия жизнен цикъл на PT/VT в мрежовите приложения?
• Какви грешки при поддръжката ускоряват деградацията на фазовия ъгъл в системите за високо напрежение PT/VT?
• Често задавани въпроси относно грешката на фазовия ъгъл в трансформаторите на напрежение

Какво е грешка на фазовия ъгъл в трансформатор на напрежение и как се определя?

Грешка на фазовия ъгъл - обозначена $\beta$ (beta) в IEC 61869-3 - се определя като фазово изместване в минути на дъгата между първичния фазомер на напрежението и обърнатия вторичен фазомер на напрежението¹ на трансформатор на напрежение. В идеалния ПТ/ВТ тези две фази са точно на 180° една от друга, когато са обърнати, което означава нулево преместване. В реалния трансформатор намагнитващият ток, загубите в сърцевината и реактивното съпротивление при утечка внасят измеримо ъглово изместване.

Тази разлика е от огромно значение за приложенията в мрежите за високо напрежение:

• Точност на измерване: Измервателните уреди за мощност изчисляват активната мощност като $P = V \ пъти I \ пъти \cos(\phi)$. Грешка на фазовия ъгъл в PT/VT измества $\phi$, измерване на пряко повреждащата активна и реактивна мощност² - и следователно изчисленията за фактуриране и балансиране на мрежата
• Координация на защитните релета: Релетата за защита от разстояние, диференциалните релета и насочените релета за свръхток зависят от точните фазови връзки между сигналите за напрежение и ток; грешката във фазовия ъгъл води до изместване на границите на зоните и до потенциални грешки в работата
• Анализ на качеството на електроенергията: Системите за хармоничен анализ и корекция на фактора на мощността разчитат на точни фазови референтни сигнали от PT/VT.

IEC 61869-3 дефинира класове на точност за грешка на фазовия ъгъл, както следва:

Клас на точност	Максимална грешка на съотношението (%)	Максимална грешка на фазовия ъгъл (минути)	Типично приложение
0.1	±0.1	±5	Прецизно лабораторно измерване / измерване на приходите
0.2	±0.2	±10	Измерване на приходите, фактуриране на мрежата
0.5	±0.5	±20	Общо промишлено измерване
1.0	±1.0	±40	Само индикация
3P	±3.0	±120	Клас на защита (не за измерване)

Ключови технически параметри, които определят ефективността на фазовия ъгъл на PT/VT:

• Коефициент на номинално напрежение: 1,2 или 1,9 × Un непрекъснато, което влияе върху поведението на ядрото при насищане
• Оценка на тежестта: ВА, при който се гарантира клас на точност (напр. 25 ВА, 50 ВА)
• Честота: 50 Hz или 60 Hz - грешката на фазовия ъгъл се променя с отклонението на честотата
• Материал на сърцевината: Студено валцувана силициева стомана с ориентирано зърно (CRGO) за ниски загуби в сърцевината и минимално фазово изместване
• Изолационна система: Сух тип епоксидна отливка или маслена, с номинален клас на напрежение на системата (напр. 36 kV, 72,5 kV, 145 kV)

Как дизайнът на намотката и характеристиките на ядрото определят отклонението на фазовия ъгъл?

Разбирането на първопричините за грешката на фазовия ъгъл изисква изследване на електромагнитното поведение на ядрото на ПТ/ВТ и системата на намотката - тъй като в повечето случаи грешката на фазовия ъгъл не е производствен дефект. Тя е предвидимо следствие от физиката на трансформатора, което трябва да се контролира чрез проектиране и да се проверява чрез изпитване.

Грешката на фазовия ъгъл $\beta$ се управлява от намагнитващия клон на еквивалентната верига. По-конкретно:

• Ток на намагнитване (Im): Реактивният компонент на тока на празен ход, който изостава от приложеното напрежение с 90°.³. По-високият Im - причинен от по-нискокачествена стомана или повишена плътност на потока в сърцевината - увеличава грешката на фазовия ъгъл.
• Ток на загуба на сърцевина (Ic): Съпротивителната компонента на тока на празен ход във фаза с приложеното напрежение. Повишените загуби в сърцевината (от стареене, повишена температура или частично размагнитване) изместват фазора на тока на празен ход, като пряко променят $\beta$
• Реактивоспособност при утечка: Токът на утечка на първичната и вторичната намотка внася допълнително фазово изместване при натоварени условия (свързана тежест)
• Коефициент на мощността на натоварването: Високоиндуктивна тежест (нисък фактор на мощността) увеличава приноса на фазовия ъгъл за грешката от реактивността на утечките.

Епоксидни отливки от сух тип спрямо PT/VT, потопени в масло: характеристики на фазовия ъгъл

Параметър	Сух тип епоксидна смола	Маслено потапяне
Изолация на ядрото	Капсулиране с епоксидна смола	Минерално масло / хартия
Стабилност на фазовия ъгъл по време на жизнения цикъл	Отлично - без разграждане на маслото	Умерено - стареенето на маслото засяга изолацията на сърцевината
Топлинна ефективност	Клас F (155°C)	В зависимост от състоянието на маслото
Обхват на напрежението	До 40,5 kV типично	До 550 kV (приложения EHV)
Изискване за поддръжка	Минимална - запечатана система	необходим анализ на разтворените газове
Пригодност за модернизиране на мрежата	Идеален за вътрешно обновяване на GIS/AIS	Стандарт за външно предаване на HV
Риск от изместване на фазовия ъгъл	Нисък	По-висока стойност за 15-20-годишен жизнен цикъл

Случай на клиент за поддръжка на мрежата пряко илюстрира изместването на фазовия ъгъл по време на жизнения цикъл. Оператор на преносна мрежа в Централна Европа се свързва с Bepto по време на планиран проект за модернизация на мрежата, включващ подмяна на апаратурата на подстанция 110 kV. Техните съществуващи маслени PT/VT - 22 години в експлоатация - са преминали рутинни проверки на съотношението в продължение на години. Въпреки това, когато екипът по модернизацията извърши пълно типово изпитване по IEC 61869-3 като част от оценката на жизнения цикъл, три от седемте устройства показаха грешки на фазовия ъгъл от 18-23 минути при номинална тежест от клас 0,2 - значително извън спецификацията от ±10 минути. Основната причина е деградация на маслото, което увеличава изолационното съпротивление на сърцевината и измества фазовия магнитопровод. Измерването на приходите систематично е отчитало недостатъчно потребление на реактивна енергия в продължение на около 4-6 години. Замяната с епоксидни PT/VT от сух тип на Bepto доведе до това, че всички блокове бяха в рамките на ±6 минути при пълно натоварване.

Как да проверяваме грешките на фазовия ъгъл през целия жизнен цикъл на PT/VT в мрежовите приложения?

Проверката на фазовия ъгъл не е еднократно събитие за изпитване - тя е дисциплина от жизнения цикъл. Следната структурирана процедура се прилага за заводски приемни изпитвания, въвеждане в експлоатация на място и периодична проверка за поддръжка на високоволтови PT/VT инсталации в проекти за модернизация на мрежата.

Стъпка 1: Изберете правилния метод за изпитване

За проверка на грешката на фазовия ъгъл се използват два основни метода:

• Метод на калибратор/компаратор на трансформатор (предпочитан IEC 61869-3): Референтен стандарт PT/VT с известна точност (клас 0,05 или по-добър) се свързва паралелно с изпитваното устройство. Калибраторът измерва едновременно разликата в съотношението и фазовия ъгъл между двете устройства. Това е златният стандарт за PT/VT за измерване на приходи.
• Метод на вариране на тежестта: Фазовият ъгъл се измерва при 25%, 50%, 100% и 120% от номиналната тежест, за да се провери съответствието с класа на точност в целия работен диапазон.

Стъпка 2: Създаване на условия за изпитване

• Прилагане на 80%, 100% и 120% от номиналното първично напрежение - IEC 61869-3 изисква съответствие с класа на точност в този диапазон
• Свързване на тежестта при номинална VA и номинален фактор на мощността (обикновено 0,8 изоставане по IEC)
• Стабилизиране на температурата: изпитване при околна температура 20°C ±2°C за приемане в завода; записване на действителната околна температура за изпитвания на място
• Проверете дали честотата на теста съответства на номиналната честота (50 Hz или 60 Hz).

Стъпка 3: Записване и оценка на резултатите

Тестова точка	Напрежение (% Un)	Натоварване (с номинал %)	Грешка на измерения фазов ъгъл	Клас 0.2 Граница	Преминал/непреминал
Леко натоварване	80%	25%	Запис (минути)	±10 мин.	—
Номинален	100%	100%	Запис (минути)	±10 мин.	—
Пълно натоварване	120%	100%	Запис (минути)	±10 мин.	—

Стъпка 4: Прилагане на интервали за поддръжка през целия жизнен цикъл

За високоволтови PT/VT в мрежови приложения проверката на фазовия ъгъл трябва да се планира, както следва:

• Тест за фабрично приемане (FAT): Пълно изпитване тип IEC 61869-3, включително фазов ъгъл във всички точки на натоварване
• Въвеждане в експлоатация на обекта: Проверка на съотношението и фазовия ъгъл при номинално напрежение и номинална тежест
• 5-годишен интервал за поддръжка: Проверка на фазовия ъгъл при номинално натоварване; сравнение с изходното ниво на FAT
• Спусък за обновяване на мрежата: Пълна повторна проверка е задължителна при повишаване на напрежението в системата или при промяна на настройките на защитните релета
• Оценка в края на жизнения цикъл (15-20 години): Повтаряне на пълното изпитване на типа, за да се определи необходимостта от замяна

Стъпка 5: Съобразяване на условията на околната среда и системата

Среда за инсталиране	Препоръчителен тип PT/VT	Клас на фазовия ъгъл
Модернизация на вътрешната мрежа на ГИС, 36 kV	Сух тип епоксидна отливка	0,2 за измерване, 3P за защита
Открита подстанция AIS, 110 kV	Потопена в масло, сърцевина от CRGO	0,2S за измерване на приходите
Крайбрежна мрежа с висока влажност	Сух тип със силиконова капсула	0,2, минимум IP65
Голяма надморска височина (>1000 м)	Деривационен клас на напрежение, потопен в масло	0,2 с корекция на височината

Какви грешки при поддръжката ускоряват деградацията на фазовия ъгъл в системите за високо напрежение PT/VT?

Правилна процедура за поддръжка на целостта на фазовия ъгъл

1. Проверявайте окабеляването на тежестта на всеки интервал за поддръжка - хлабавите или корозирали вторични клеми увеличават ефективното съпротивление на тежестта, като изместват работната точка извън калибрирания диапазон на точност.
2. Измерване на съпротивлението на вторичната верига - общото съпротивление на вторичната верига трябва да бъде в рамките на определения диапазон на натоварване на PT/VT; излишното съпротивление от дълги кабелни трасета влошава точността на фазовия ъгъл.
3. За агрегати, потопени в масло: ежегодно извършвайте анализ на разтворените газове (DGA) - повишаващите се нива на CO и CO₂ показват влошаване на изолацията на хартията, което се отразява пряко върху характеристиките на намагнитване на сърцевината и стабилността на фазовия ъгъл.⁴
4. Размагнитване на сърцевината след събития с инжектиране на постоянен ток - изпитването на защитни релета с инжектиране на постоянен ток може да доведе до частично намагнитване на сърцевината на CRGO, което увеличава магнитния ток и грешката на фазовия ъгъл.
5. Документиране на базовия фазов ъгъл при пускане в експлоатация - без базовия ъгъл при пускане в експлоатация не може да се определи количествено или да се проследи тенденцията на отклонение през жизнения цикъл.

Критични грешки при поддръжката, които ускоряват деградацията на фазовия ъгъл

• Свързване на извънгабаритна тежест: Работата на PT/VT над номиналната му VA тежест увеличава приноса на реактивното съпротивление на утечките към грешката на фазовия ъгъл⁵ - често срещана грешка по време на проектите за модернизация на мрежата, когато към съществуващите вторични вериги PT/VT се добавят допълнителни релета.
• Пренебрегване на условията на вторична отворена верига: Вторичната верига на PT/VT не представлява същата опасност като CT, но продължителната работа без натоварване измества работната точка на сърцевината и ускорява стареенето на изолацията.
• Пропускане на размагнитването след изпитване на релето: Впръскването на постоянен ток от тестови комплекти за релета оставя остатъчен магнетизъм в сърцевината, което осезаемо увеличава грешката на фазовия ъгъл при условия на леко натоварване.
• Смесване на класове на точност във вериги за защита и измерване: Свързването на PT/VT за защита от клас 3P към измервателна верига за приходи е грешка при планирането на жизнения цикъл, която гарантира несъответствие на фазовия ъгъл от първия ден.
• Пренебрегване на температурната корекция в мрежови обекти на голяма надморска височина: Грешката на фазовия ъгъл се увеличава при повишени температури на околната среда; инсталациите на височина над 1 000 м изискват намалени спецификации и записи от изпитвания с температурна корекция

Заключение

Грешката на фазовия ъгъл в трансформатор за високо напрежение е измервателна дисциплина през целия жизнен цикъл, а не еднократна проверка при пускане в експлоатация. От фабричните приемни изпитвания до повторното пускане в експлоатация на модернизираната мрежа и оценката на края на експлоатационния период, систематичната проверка на фазовия ъгъл с помощта на методологията IEC 61869-3 защитава целостта на измерването на приходите, осигурява координацията на защитните релета и предотвратява тихото натрупване на грешки при измерването, които подкопават надеждността на мрежата. Определете правилния клас на точност, проверявайте на всеки етап от жизнения цикъл и третирайте всяко отклонение на фазовия ъгъл като диагностично събитие на системата - а не като допустимо отклонение.

Често задавани въпроси относно грешката на фазовия ъгъл в трансформаторите на напрежение

1. “IEC 61869-3: Инструментални трансформатори - Част 3”, https://webstore.iec.ch/publication/60547. Определя стандартната метрика за изместване на фазите и изискванията за трансформаторите на напрежение. Роля на доказателството: стандартно; Тип на източника: стандартен. Поддържа: Потвърждава, че фазовата ъглова грешка се определя като фазово изместване в минути от дъгата. ↩

2. “Активна, реактивна и видима мощност”, https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/power-quality/active-reactive-apparent-power. Обяснява математическата зависимост на активната мощност от косинуса на фазовия ъгъл. Роля на доказателството: механизъм; Вид на източника: индустрия. Подкрепя: Потвърждава, че грешката на фазовия ъгъл пряко опорочава измерванията на активната и реактивната мощност. ↩

3. “Трансформатор”, https://en.wikipedia.org/wiki/Transformer. Подробности за физическия произход на намагнитващия ток и неговата 90-градусова фазова връзка с приложеното напрежение. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепя: - Включването на магнетизма в електрическата мрежа е свързано с необходимостта от провеждане на изследвания: Обяснява, че реактивната компонента на тока на празен ход изостава от приложеното напрежение с 90°. ↩

4. “Анализ на разтворените газове”, https://en.wikipedia.org/wiki/Dissolved_gas_analysis. Описва как генерирането на въглероден оксид сигнализира за топлинното разрушаване на целулозната изолация. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепя: Потвърждава, че повишаващите се нива на СО и СО2 свидетелстват за разграждане на хартиената изолация, което засяга характеристиките на сърцевината. ↩

5. “Разбиране на трансформаторите на напрежение”, https://electrical-engineering-portal.com/understanding-voltage-transformers. Обсъжда прякото въздействие на импеданса на вторичния товар върху точността на измерване и фазовото изместване. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: индустрия. Подкрепя: - Изграждане на система за управление на измерванията, в която да се използват данни от измерванията, за да се гарантира, че измерванията ще бъдат извършени в съответствие с изискванията за качество: Потвърждава, че експлоатацията на ПТ/ВТ над номиналния му VA товар увеличава приноса на реактивното съпротивление на утечка към грешката на фазовия ъгъл. ↩