Емкостные трансформаторы напряжения (CVT’s) широко используются в электротехнике уже более сорока лет. Их широкое применение для защиты и измерений обусловлено прежде всего низкой стоимостью по сравнению с индуктивными трансформаторами напряжения, а также техническими особенностями. В данной статье представлен краткий обзор состояния и перспективы применения CVT’s в Северной Америке, где сегодня находится основной рынок емкостных трансформаторов напряжением до 800 кВ. Наличие густой сети линий электропередачи и различные климатические условия – от пустынных до арктических– позволяет наиболее полно получить картину их применения.

Практическая независимость параметров емкостных трансформаторов напряжения от температуры во всем диапазоне их применения, неизменность класса точности в течение всего срока службы (более 30‑40 лет) и высокое качество позволяют применять их как для защиты, так и для коммерческого учета. А учитывая их стоимость по сравнению с индуктивными трансформаторами напряжения, их применение становится наиболее выгодным.

Примерная оценка ситуации в Северной Америке свидетельствует о том, что для классов напряжений до 245 кВ примерно 70-80% от производимых трансформаторов напряжения являются емкостными трансформаторами напряжения. Для более высоких классов напряжений используются практически только емкостные трансформаторы напряжения (95% и более).

Функционируя как трансформатор напряжения, емкостные трансформаторы напряжения обеспечивают напряжение во вторичной цепи, которое практически точно повторяет приложенное напряжение с коэффициентом деления, называемым коэффициентом трансформации. Вторичное напряжение используется для целей защиты, измерения и управления. Трансформатор должен обеспечивать надежную изоляцию от высоковольтной стороны и может использоваться при передаче информации по высоковольтным линиям (ВЧ‑связь).

Благодаря внедрению разработок последних десятилетий, использованию комбинированного диэлектрика (полипропиленовая пленка и крафт-бумага, пропитанная синтетическим маслом) и проведению соответствующих испытаний сегодняшние CVT’s могут использоваться во всех применимых диапазонах температур с требуемым уровнем надежности и точности. Как и для любой другой продукции, здесь важно выбрать изготовителя, обладающего достаточным опытом в области технологии и проектирования. В обеспечении долговременной стабильности параметров ключевую роль играет конструкция высоковольтных конденсаторов. Для сохранения коэффициента заполнения необходимо поддерживать постоянное положительное давление на конденсаторные пакеты. На это давление не должны оказывать заметного влияния ни скачки температуры, ни изменение количества масла в пакетах. Кроме того, важную роль играет соблюдение технологии сборки. Герметичное уплотнение и заполнение исключительно обработанным маслом также является обязательным для обеспечения высокой долговечности и постоянства изоляционных характеристик. Герметичное уплотнение может выдерживать все механические, электрические и температурные напряжения в течение всего срока службы оборудования который составляет более 30 лет.
Важными составляющими также являются используемые материалы и выполняемая механическая обработка. Это отражается на статистике погрешностей. В 1990 г. CIGRE опубликовало статистику отказов за период с 1975 г. по 1985 г. (CIGRE WG 23.07, Results of failure survey on high voltage instrument transformers, 1990). Проведенные подсчеты по всему миру показали, что в диапазоне напряжений от 60 кВ до 500 кВ емкостные трансформаторы напряжения надежнее, чем трансформаторы напряжения других типов. Другое исследование охватывало период с 1985 г. по 1995 г. и 131207 измерительных трансформаторов по всему миру. Интенсивность серьезных отказов емкостных трансформаторов напряжения почти вдвое ниже по сравнению с другими трансформаторами напряжения.

Еще в начале 80‑х годов существовало мнение, что CVT’s непригодны для коммерческого учета электроэнергии. Начиная с первых приборов 20‑х годов и до современного широко применяемого оборудования, емкостные трансформаторы напряжения прошли существенные этапы изменений конструкции в результате появления новых знаний, материалов и технологий. Это развитие можно разделить на две категории: прогресс в конструкции CVT’s и усовершенствование технологии изготовления высоковольтных конденсаторов. В последнее время прогресс в основном касается технологии силовых конденсаторов.

CVT’s можно классифицировать следующим образом:

1. В отношении конструкции конденсатора:

a) Конденсатор втулочного типа (намотка обкладок – цилиндрическая).

Емкостной делитель образован емкостью втулки трансформатора (или исторически конденсатор связи) и внешним или встроенным конденсатором (по выбору). Эта конструкция имеет ограничения по вторичной нагрузке и точности.

b) Разделительный конденсатор несущей частоты
Разделительный конденсатор несущей частоты используется как емкостной делитель.

2. В отношении магнитной цепи:

a) Не резонансного типа
Этот тип как таковой непригоден для применения со стандартизованными вторичными нагрузками, однако он вновь начинает использоваться в сочетании с электронным оборудованием и для измерений гармонических составляющих.

b) Резонансного типа с реактором в первичной цепи понижающего трансформатора
Этот тип пригоден для повышения точности работы CVT’s и широко используется в настоящее время.

c) Резонансного типа с реактором во вторичной цепи понижающего трансформатора.

Этот тип не используется для применения со стандартизованными вторичными нагрузками и высокой точностью. Он может использоваться для емкостных трансформаторов с конденсатором втулочного типа.

CVT’s берут свое начало от разделительного конденсатора 20‑х годов, который использовался для подачи несущего сигнала в высоковольтные линии. К нему добавлялся низковольтный конденсатор, и получавшийся в результате емкостной делитель использовался для индикации напряжения и релейной защиты. Для обеспечения работы с разумными вторичными нагрузками напряжение ответвления должно составлять несколько киловольт. Поэтому добавлялся понижающий трансформатор. Во вторичную цепь понижающего трансформатора вводился реактор с целью компенсации емкостного падения напряжения. Такой тип трансформаторов напряжения на основе разделительного конденсатора используется начиная с середины 30‑х годов. С тех пор на эту тему было несколько публикаций. Эта конструкция CVT демонстрировала стабильность и точность, достаточные для индикации напряжения и релейной защиты. Для синхронизации можно было использовать конденсатор втулочного типа. Интересно, что уже в 30‑х годах были подтверждены экономические преимущества применения емкостных трансформаторов для системных напряжений выше 123 кВ. С точки зрения надежности емкостные и индуктивные трансформаторы считались идентичными. Начиная с 40‑х и до 70‑х годов проводились интенсивные исследования, и было опубликовано много статей. Причиной этого был переход на более высоковольтные классы (от 362 кВ до 800 кВ) линий электропередачи в развитых странах. Сопряжение сетей создает необходимость измерений на этом высоком уровне напряжений. Экономические преимущества CVT’s по сравнению с индуктивными трансформаторами напряжения на этих уровнях напряжений стимулировали разработку CVT’s для измерительных применений.

Основные улучшения конструкции были связаны с перемещением компенсирующего реактора в первичную цепь понижающего трансформатора, повышением емкости батареи конденсаторов и напряжения ответвления. Низковольтный конденсатор стал составной частью батареи конденсаторов. На протяжении многих лет были успешно разработаны различные стратегии подавления феррорезонанса. Все это приводило к повышению точности измерений с помощью CVT’s.

Современный CVT состоит из емкостного делителя, который понижает напряжение линии электропередачи до уровня 10‑20 кВ; компенсирующего реактора для компенсации емкостного падения напряжения и понижающего трансформатора со стандартным вторичным напряжением, обеспечивающим разумные вторичные нагрузки.

Демпфирующая цепь предоттвращает феррорезонанс во вторичной цепи.

В 70‑х годах коммунальные службы Северной Америки провели обширное исследование с целью сбора данных, подтверждающих способность CVT’s сохранять точность измерений без периодической проверки (калибровки). На тот момент времени конструкция не была достаточно совершенной, что вызывало вполне обоснованные сомнения. Основное беспокойство было связано с:

1) влиянием температуры, окружающих элементов и срока службы

2) отсутствием явных признаков неисправности при коротком замыкании отдельных конденсаторов

3) отсутствием подтвержденной точности и стабильности.

Это сравнительное исследование показало, что лучшая фирма-изготовитель в Северной Америке способна выпускать трансформаторы класса точности 0.3 (ANSI) с вторичной нагрузкой 400 ВА и продемонстрировала оборудование на напряжение 170 кВ и 500 кВ, обеспечивающее требуемую точность при изменениях температуры, частоты и уровня загрязнения.

Даже при использовании бумажно-масляной изоляции с минеральным маслом конструкция позволяла выполнять требования класса точности. Батарея конденсаторов и емкость ответвления имели аналогичную конструкцию и размещались в одном кожухе. Коэффициент делителя будет оставаться постоянным при идентичных температурных коэффициентах и общем температурном дрейфе. Равномерное распределение внутреннего нагрева масла обеспечивает дополнительные преимущества конструкции. Эффект расстройки из‑за изменения емкости и уходов фазового угла в результате изменения тангенса угла диэлектрических потерь был намного меньше диапазона, допустимого для класса точности 0.3 (ANSI).

Сильный дождь, туман или загрязнение поверхности фарфорового изолятора могут вызывать токи утечки и приводить к погрешностям выходного сигнала емкостного делителя. Это влияние может быть ограничено выбором формы фарфорового изолятора, повышением емкости и напряжения ответвления. Испытания показывают, что даже под дождем с интенсивностью 300 мм/ч и очень низким удельным сопротивлением характеристика погрешности смещается на очень малую величину. Даже обматывание более 30% поверхности изолятора сверху или снизу алюминиевой фольгой не приводит к выходу трансформатора за пределы его класса точности.

Изменение точности в результате старения должно устраняться выбором параметров конструкции и методов изготовления трансформатора. Старение может возникать в результате:

1) Механической неустойчивости

Изменение размеров конденсаторных пакетов вызывает изменение емкости.

Для устранения этого эффекта конденсаторные пакеты должны закрепляться под давлением. Крепеж не должен выполняться из материала с низким коэффициентом температурного расширения.

2) Химической реакции

Внутренние примеси вызывают изменение диэлектрической проницаемости или повреждение конденсаторного рулона.

Изготовители признали, что при использовании бумажно-масляной изоляции с минеральным маслом напряженность электрического поля необходимо существенно снижать по сравнению с силовыми конденсаторами во избежание возникновения опасных разрядов и их побочных продуктов. Оборудование должно быть надежно герметизировано.

Все конструктивные проблемы трансформатора и реактора можно было считать решенными. Конструкция реактора предусматривала отсутствие влияния температуры и вибрации на величину зазора. Особое внимание должно было уделяться областям полюсных наконечников и их расположению. Более того, конструкция сердечника должна была тщательно разрабатываться и изготавливаться с использованием надлежащей технологии.

Дальнейшие улучшения были возможны только за счет усовершенствования технологии изготовления конденсаторов.

Во второй половине 70‑х годов ведущая европейская фирма-изготовитель внедрила CVT’s класса точности 0.2 с вторичной нагрузкой 100 ВА для системных напряжений до 800 кВ. Характеристики были подтверждены на испытаниях 420 кВ трансформатора, проведенных независимой лабораторией (PTB), обладающей государственным сертификатом, а также опытом эксплуатации. Основные проблемы были связаны с паразитной емкостью, током утечки, рабочим диапазоном температур и долговременной стабильностью. При использовании CVT’s с напряжением 800 кВ для измерений с высокой точностью особое внимание должно уделяться паразитной емкости и токам утечки.

Паразитная емкость. Испытания были проведены в цилиндрической камере диаметром 6,6 м, предназначенной для климатических испытаний. Влияние стенок камеры на коэффициент трансформации составило всего 0,06%.

Диапазон температур. Испытания показали, что при изменении температуры от – 30°C до +45°C максимальный уход коэффициента трансформации составил 0,05%, а сдвига фаз 1,5 минуты.

Долговременная стабильность. Показания CVT сравнивались с показаниями трансформатора напряжения на протяжении примерно трех лет. Изменения погрешностей коэффициента трансформации и фазового угла для емкостного и индуктивного трансформатора напряжения лежали в одном диапазоне. Даже в зимние и летние дни отклонения составляли малую долю от требований класса точности 0.2. Для достижения таких характеристик требуется тщательная разработка конструкции CVT. Хорошие конструкции лучших поставщиков доказали долговременную стабильность в процессе эксплуатации.

Первым из широко распространенных диэлектриков для высоковольтных конденсаторов явилась бумага, пропитанная минеральным маслом. Было доказано, что твердый парафин и вазелин непригодны для высоковольтных применений. Этот вывод основывался на работоспособности, эффективности и опыте эксплуатации. Конденсаторы имеют твердые слои алюминиевой фольги, проложенные бумагой. Вскоре укладку материалов в пачку заменили намоткой. Соединения выполнялись введением отводов по длине электрода. Масло служило диэлектрической и охлаждающей средой. В тридцатые годы стали доступны синтетические хлорированные масла. Более высокая диэлектрическая проницаемость позволила радикально уменьшить размеры и объем масла. Однако конструкцию пришлось изменить, уменьшив расстояние между активными элементами и корпусом и обеспечив адекватный отвод тепла. Дальнейшее улучшение хлорированных масел и замена тряпичной бумаги на бумагу из древесной пульпы (крафт-бумагу) позволили еще значительнее уменьшить размеры и повысить надежность. Однако в семидесятые годы полихлорированные бифенилы (PCB) были запрещены во многих странах по соображениям охраны окружающей среды. С целью снижения диэлектрических потерь была проведена большая работа по уменьшению толщины бумаги, количества наколов, ионных примесей в виде натрия, калия и смесей. Температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь имеет форму седла, при этом меньшие потери при повышенной температуре дают возможность вводить более высокие нагрузки. Рабочая часть всегда остается в виде «масло/бумага». Рабочая часть не только определяет допустимые рабочие нагрузки, но также определяет срок службы. Тангенс угла диэлектрических потерь влияет на внутреннюю рабочую температуру конденсатора.

Несмотря на отработку конструкции и использование бумаги с низкой плотностью случаи температурных отказов или неисправностей CVT повторялись, особенно в жарком климате. Причинами могли быть неподходящая конструкция, повышенное содержание примесей в материалах или низкое качество изготовления. Повышенное содержание примесей в материалах может приводить к значительному сокращению срока службы, потери имеют ионную природу и поэтому зависят от температуры. Пример этому был представлен в 1990 г. Устройства класса напряжения 138 кВ и 330 кВ претерпевали температурные уходы параметров в Австралии после 7‑10 лет службы. Причиной отказа был температурный уход параметров из‑за повышенного тангенса диэлектрических потерь. Другой случай произошел в Таиланде в 1989 г. После года эксплуатации при проверке тепловизором трансформаторов класса напряжения 115 кВ и 230 кВ был обнаружен подъем температуры. Перегрев был вызван олеамидом, содержавшимся в бумаге. Олеамид является компонентом, используемым только для деловой бумаги. Эти случаи связаны с технологией, предшествующей восьмидесятым годам, и их не следует использовать в дальнейшем, чтобы характеризовать CVT. Недостатком бумажно-масляной изоляции, используемой для CVT, была температурная зависимость емкости и тангенса угла диэлектрических потерь. Обе зависимости оказывают влияние на коэффициент деления емкостного делителя и, следовательно, на точность. Коэффициент мощности может меняться в 4 раза в диапазоне от – 50°C до +50°C, а емкость – на 2‑6% в том же диапазоне температур.

В силовых конденсаторах в семидесятые годы стали использоваться смешанные диэлектрики. Цельнобумажные диэлектрики были заменены чередующимися слоями бумаги и полипропиленовой (PP) пленки. Пленка может выдерживать более высокие напряженности электрического поля, чем бумага, и имеет более низкие диэлектрические потери. Это компенсируется более низкой диэлектрической проницаемостью. Бумага действует как фитиль для жидкого пропитывающего вещества и, по замыслу, преодолевает ионизацию, возникающую в случае использования только пластиковых пленок. Что касается термических, химических, относящихся к пропитывающему веществу, и экономических соображений, наибольшую важность приобретает двухосно ориентированная полипропиленовая пленка. Изначально использовалась комбинация двух слоев бумаги и одного слоя пленки. Но с пониманием того, что пропитывающая жидкость проникает также и в пленку и что имеется пленка с текстурированной (т. е. замутненной) стороной, стала использоваться комбинация «алюминиевая фольга – пленка – бумага – пленка – фольга». Диэлектрические потери в такой системе составляют четверть от потерь в бумажно-масляной конструкции. Бумажно-масляные конденсаторы имеют ограничения как по температуре, так и по градиенту напряжения. Следовательно, конструктивные ограничения в отношении диэлектрических потерь устранены. Более низкая, чем у бумаги, проницаемость полипропилена является преимуществом в смешанных диэлектриках, где напряженность электрического поля обратно пропорциональна диэлектрической постоянной. Таким образом, более электрически прочная пленка подвергается более высокой электрической нагрузке, чем бумага. Характеристики частичного разряда более благоприятны для бумажно-масляной изоляции. Характеристики образования пузырьков схожи, однако после образования их интенсивность значительно снижается. Ключевой характеристикой для применения в CVT является изменение емкости от температуры. Поскольку тепловое расширение бумаги и пленки противоположно, может быть сконструирован смешанный диэлектрик со значительно меньшей температурной зависимостью по сравнению с бумажно-масляной изоляцией. В отношении двух ключевых характеристик – температурных зависимостей емкости и тангенса угла диэлектрических потерь – смешанный диэлектрик показывает изменение емкости 0,65% от – 50°C до +50°C и изменение коэффициента мощности в 1,5 раза. Дальнейшими улучшениями являются ожидаемый срок службы и стабильность тангенса угла диэлектрических потерь.

Большая работа была также проведена по пропитывающей жидкости, в особенности после запрета PCB. Главными характеристиками являлись газовыделение и взаимодействие с пленкой. Коэффициент газовыделения соотносится со стойкостью к перенапряжениям. Важными факторами являются насыщение, разбухание и растворимость пленки. В результате были разработаны синтетические жидкости, превосходящие PCB. Современные синтетические жидкости типа SAS 40 сочетают высокую ароматичность с очень низкой вязкостью при низких температурах. Это обеспечивает хорошие характеристики частичного разряда как при низких, так и при высоких температурах.

В восьмидесятые годы был накоплен достаточный опыт в области конструирования, материалов и технологии для успешного применения смешанных диэлектриков в CVT. Чтобы понять задержку по времени, следует поразмышлять о первичных требованиях к измерительным трансформаторам как о надежности, отнесенной к цене и электрическим потерям.

Растущая стоимость энергии мотивировала в конце семидесятых разработку цельнопленочной конструкции. Она была более затратной из‑за применения тех же расчетных нагрузок при более низкой диэлектрической постоянной. При использовании тисненого алюминия и замутненной пленки бумажный фитиль мог быть исключен. Большая работа была проведена с целью повышения допустимого градиента напряжения, особенно на краях алюминиевого электрода. Другая работа была посвящена металлизированным пленкам, герметизированным конденсаторам и улучшению технологии. Было установлено, что однородный коэффициент заполнения (слои масла в рулоне конденсатора) является необходимым условием оптимальных характеристик конденсатора. Эта технология включена только для полноты. В настоящее время применение технологии для CVT ограничено или не дает преимуществ при данных обстоятельствах. Как указано выше, очень важно минимизировать зависимость емкости от температуры, это лучше всего достигается при использовании смешанного диэлектрика. Для CVT нет экономической необходимости минимизировать потери в цепи. Требования к емкости могут быть удовлетворены внутри пространства, требуемого механической прочностью изоляционного столба и разрядным промежутком. Поэтому электрическая нагрузка может поддерживаться на низком уровне и теоретический срок службы изоляции намного превышает ожидаемые 30‑50 лет. В добавление, это оставляет широкие рамки для устойчивости материалов и производства. Бумажный клин ускоряет цикл пропитки и помогает в определении коэффициента заполнения.

Правильно выбранная конструкция и типовые испытания лишь отчасти гарантируют высокое качество оборудования. Только строгие контрольные испытания могут обеспечить качество такой сложной конструкции, как CVT. Между тем, периодические измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь, экстраполированные испытания на срок службы (испытания на выдерживаемое напряжение на промышленной частоте), измерение частичных разрядов и импульсные испытания должны являться частью контрольных высоковольтных испытаний. Это требует тщательного отбора материалов и квалификации персонала. Главным шагом в этом отношении стало появление в конце 70‑х «мостовой балансной системы детекторов» (Balanced Bridge Detector System) Вместо измерений коронного разряда измерителем интенсивности шума (который мог быть вызван крепежом внутреннего диэлектрика) изготовитель приобретал возможность испытать диэлектрик с высокой чувствительностью. Другими важными испытаниями являются контрольные импульсные испытания. Отказы при испытаниях, которые были вызваны пробоями рулонов, обычно происходят на импульсных испытаниях. Ускоренные испытания на срок службы не дают информации о качестве продукции.

CVT являются жизнеспособной альтернативой индуктивным трансформаторам напряжения и явно доминируют на рынке Северной Америки. Преимущества в конструкции, материалах и промышленной технологии делают оборудование пригодным для серийного применения. Кроме особенностей, которые должны быть учтены при применении, например, точность воспроизведения переходных процессов и возможность феррорезонанса во вторичной цепи, устройство имеет следующие преимущества: более низкая цена, особенно при высоких уровнях напряжения, отсутствие феррорезонанса системы, простота транспортировки и установки, способность выдерживать короткие замыкания во вторичной цепи в течение длительного времени, способность выдерживать высокие перенапряжения, улучшение изоляционных характеристик подстанций и применение как ВЧ носителя. Проблемы и сомнения, возникшие в отношении их применения, часто носят исторический характер. Современная конструкция доказала свою пригодность начиная с 80‑х годов.