Применение оптических ТТ серии COSI-CT для определения обрыва фазы резервного ТСН на холостом ходу

Глеб Соколов

В статье предлагается техническое решение проблемы обнаружения обрыва фазы резервного трансформатора собственных нужд на холостом ходу с помощью оптических трансформаторов тока серии COSI-CT производства General Electric.

Последние несколько лет активно обсуждается тема цифровых подстанций. Есть скептические высказывания, есть оптимистичные. Вероятно, истина где-то посередине. Если какое-то новое техническое решение дает экономические или технические преимущества для заказчиков, оно будет применяться — в противном случае оно уйдет с рынка.

Проиллюстрируем данную мысль на примере цифровых (оптических) трансформаторах (Digital Instrumental Transformer, DIT) — измерительных трансформаторах, которые для измерения силы тока или напряжения в проводнике используют альтернативные методы (например, оптический эффект Фарадея) и выдают измеренные значения в цифровом виде в шину процесса в формате стандарта IEC 61850-9.2LE. Еще несколько лет назад к DIT относились как к лабораторной экзотике, хотя они внедряются с 2001 года и только компания GE уже поставила более 12 000 фаз таких трансформаторов. Доводом против обычно также выступает их бóльшая стоимость по сравнению с традиционными измерительными трансформаторами, однако этот аргумент не совсем верен, поскольку разница цен зависит от класса напряжения и явно видна оптимизация стоимости DIT в последнее время. При массовом внедрении DIT их стоимость сравняется с ценой традиционных измерительных трансформаторов.

При этом оптические трансформаторы имеют принципиально лучшие технические характеристики (точность, динамический диапазон, полосу пропускания и т. д.) по сравнению с традиционными трансформаторами, что позволяет решать задачи, бывшие ранее недоступными из-за несовершенства технологии измерения. Одной из таких новых ниш применения DIT стало приложение по созданию систем мониторинга обрыва фазы трансформатора.

Обрыв фазы трансформатора (резервного ТСН) сам по себе относится к ненормальным режимам, способным вести к развивающимся авариям. Проблема заключается в том, что существующими методами (ток нулевой и обратной последовательности) он не диагностируется до момента появления нагрузки. Следовательно, существует вероятность, что резервный контур питания собственных нужд на станции не обеспечит работоспособность потребителей в случае необходимости (например, асинхронные двигатели не могут работать в неполнофазном режиме). К дополнительным факторам риска можно отнести появление несимметричной составляющей, из-за чего возможна ложная работа терминалов РЗА, а также возникновение перенапряжений, способных привести к повреждению первичного оборудование.

Подобных ситуаций на АЭС достаточно много, они происходят по всему миру. Из российских примеров можно назвать аварию 1993 года на Кольской АЭС, когда из-за обрыва питающей линии при урагане и ложной работы терминалов РЗА 1-й и 2-й блоки оставались без энергии в течении 1 часа 40 минут. Для борьбы с такими ситуациями американский регулятор атомной индустрии NRC, например, обязал до 30 января 2019 года оснастить все системы собственных нужд АЭС в США системой определения обрыва фазы (Open Phase Detect, OPD).

Как правило, резервный ТСН имеет эффективное заземление по высокой стороне и изолированную нейтрали по низкой стороне. Определять обрыв фазы необходимо в режиме холостого хода, когда токи, протекающие в фазах, имеют значения на уровне нескольких сотен миллиампер. Новый метод определения обрыва фазы базируется на прямом измерении токов намагничивания в фазах. По сути, ток намагничивания характеризует потери в трансформаторе, при этом было зафиксировано, что при обрыве фазы или ее заземлении происходит падение тока намагничивания. Измеряя этот параметр достаточно точно (до миллиамперов) и сохраняя гармоническую составляющую (проводя гармонический анализ), можно со 100%-ной гарантией зафиксировать ситуацию обрыва фазы резервного ТСН на холостом ходу.

Предлагаемая система (см. рис. 1) состоит из оптического трансформатора серии COSI-CT, у которого сенсорный элемент выполнен в виде кольца, надеваемого на ввод ТСН, а также терминала РЗА P40 Agile P645, фиксирующего обрыв фазы как в ненагруженном, так и в нагруженном состояниях. Также были разработаны специальные (запатентованные) алгоритмы для обработки, фильтрации данных и определения факта обрыва.

В 2012–2014 годах система OPD на базе оптического ТТ COSI-CT тестировалась на нескольких АЭС в США. По полученным результат была подтверждена ее работоспособность и дано разрешение регулятором на ее массовой внедрение. На рис. 2 представлены результаты работы системы при тестировании резервного ТСН 138 кВ на холостом ходу.

Пример системы определения обрыва фазы резервного ТСН хорошо иллюстрирует, что у оптических трансформатором есть будущее. Существуют ниши, в которых такие трансформаторы по соотношению характеристики/стоимость выигрывают у традиционных (например, измерение постоянного тока). С учетом тенденции к оптимизации стоимости оптических трансформаторов можно ожидать в будущем более широкого их применения в передающих и распределительных сетях.

Компания GE, понимая эту тенденции, развивает свою линейку оптических измерительных трансформаторов. На ближайшей сессии СИГРЭ в августе 2018 года будет официально анонсирование появление в линейке новой модели оптического ТТ (модель COSI-CTO), полностью оптического ТН (модель COSI-VTO) на базе ячейки Поккельса и их совмещение в одном конструктиве/колонне (модель COSI-CMO).

Информация по теме доступна здесь:

Дополнительную информацию можно также узнать на сайте компании или по эл. почте [email protected].

По материалам блога компании General Electric.