Феррорезонанс в сетях с изолированной нейтралью канд техн наук Поляков В. С. Феррорезонанс в трансформаторе напряжения

Что такое феррорезонанс

В цепях, содержащих катушку со стальным сердечником и конденсаторов, резонансные явления, связанные с нелинейным характером индуктивности, называют феррорезонансным. Скачкообразное изменение тока сопровождается изменением на 180 0 фазы тока по отношению к напряжению (опрокидывание фаз).

После точки резонанса т.е. при напряжениях источника, больших напряжения опрокидывания фаз, напряжение на катушке изменяется мало, что связано с переходом по характеристики намагничивания в область магнитного насыщения. Это используется в практике для стабилизации напряжения.

Таким образом, в последовательной феррорезонансной цепи может возникнуть явление резкого изменения тока при небольшом изменении напряжения на входе цепи, а так же при изменении значения емкости или параметров катушки со стальным сердечником. На подстанциях напряжением 220кВ и выше при оперативных переключениях могут образоваться различные последовательные или последовательно-параллельные схемы соединения индуктивности трансформатора напряжения серии НКФ и активного сопротивления его обмоток с емкостью шин и конденсаторов, шунтирующих контактные разрывы воздушных выключателей. В зависимости от соотношений между реактивными элементами в контуре могут возникнуть опасные феррорезонансные явления, при этом на шинах могут появиться повышенные напряжения, а по обмотке ВН трансформатора напряжения серии НКФ будут проходить недопустимые токи, что приводит к их повреждению.

Феррорезонанс токов возникает в схеме, образованной двумя параллельными реактивными сопротивлениями ХL – индуктивным сопротивлением высоковольтной обмотки ТН(НТМИ) и ХC – емкостным сопротивлением ЛЭП. В процессе эксплуатации при однофазных замыканиях наиболее часто высоковольтные обмотки ТН контроля изоляции (ТНКИ) оказываются под напряжением корень из 3Uф при металлическом замыкании и 2-2,2 Uф при регулярно перемежающейся дуге. Cлучаи приложения напряжения более 2,2 Uф на ВЛ редки. Неблагополучным последствием, которой сопутствует феррорезонансному процессу в нормальном режиме является, как правило при включении силовых трансформаторов на напряжение 6-10кВ. Этот режим характеризуется недопустимыми повышениями фазных напряжений низковольтной обмотки и напряжения на выводах разомкнутого треугольника ТНКИ. Увеличение напряжений на низкой стороне ТН не является следствием перенапряжений в электрической сети 6-10кВ, а происходит за счет прохождения токов феррорезонанса в высоковольтных обмотках ТНКИ. Одним из способов понижения напряжений является включение резистора 25 Ом в обмотку разомкнутого треугольника 3Uо ТНКИ.

Феррорезонанс на ВЛ 10кВ возникает при длине от 40 до 60 км. Это хорошо подтверждают данные эксплуатации ТНКИ. Феррорезонанс в сети 6-10 кВ с изолированной нейтралью часто возникает при перегорании предохранителей, а также при обрывах проводов ВЛ с падением их на землю. Лишенные симметричного трехфазного питания потребительские трансформаторы 6-10 кВ во взаимодействии с емкостями остальной сети переходят в режим феррорезонансного преобразователя однофазного напряжения в трехфазное. Если чередование фаз во вновь образованной системе изменится на обратное, напряжение на одной из фаз сети может достичь трехкратного значения.

Условия возникновения феррорезонанса для КЛ возможны при длине 3-4 км. Повреждение ТНКИ в городских сетях (где длина кабелей превышает 3-4 км) как правило не имеют места. Условия феррорезонанса исключены, а дуговые замыкания практически мгновенно переходят в КЗ между фазами.

Условие резонанса: ХL= ХC

где – ХL = 2пfL Ом ХC = 3180/C Ом , здесь L- индуктивность Гн, С- емкость мкФ, ƒ- частота Гц.

При резонансе ток определяется только напряжением и активным сопротивлением.

www.eti.su

Феррорезонанс напряжений - ТОЭ, РЗА

В цепях с последовательным соединением катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора (рис.1, а) плавное изменение напряжения источника питания  вызвает изменение фазы и амплитуды первой гармоники тока.

Явление изменения знака угла сдвига фаз между первыми гармониками напряжения и гармониками тока при изменении напряжения или тока источника питания, которая обусловлена нелинейностью катушки с ферромагнитным сердечником, называется феррорезонансом напряжений.

В линейной цепи такое явление принципиально невозможно.

Как известно, резонанс напряжений в линейной цепи можно добиться путем изменения емкости конденсатора, индуктивности катушки или частоты напряжения питания. В отличие от цепей с постоянными параметрами резонанс в рассматриваемой цепи может быть достигнут путем изменения значения приложенного напряжения. Индуктивность катушки с ферромагнитным сердечником имеет зависимость от значения тока, и, следовательно, изменится при изменении напряжения всей цепи.

 Анализ феррорезонанса который учитывает несинусоидальность формы кривых сделать довольно трудно, поэтому обычно дают такие допущения:

1) несинусоидальных напряжения и ток заменяют эквивалентными синусоидами, при этом выбрав их равными первым гармоникам действительных кривых, другими словами, пренебрегают наличием высших гармоник;

2) конденсатор и катушку с ферромагнитным сердечником считают такими, что не имеют потерь.

При указанных условиях напряжение на катушке  опережает ток

 на угол 90 °, напряжение на конденсаторе  отстает от тока  на угол 90 °, а приложенное напряжение  (рис.1, б). Зависимость напряжения на катушке от тока задана кривой UL(I), зависимость напряжения на конденсаторе от тока UC(I),  представляет собой наклонную прямую через начало координат (рис.2). Емкость Iс всегда можно подобрать так, чтобы прямая UC(I) пересекала кривую UL(I). Разница ординат кривой UL(I) и прямой UC(I) дает кривую U’(I) которая определяет значение приложенного напряжения при различных значениях тока. Так как действующее значение напряжения UC(I)  - положительная величина, то   и U(I) кривая совпадает с кривой только при значениях I<I0. При значениях I>I0 кривая U(I) представляет собой зеркальное отражение кривой U’(I) (рис.2).

Особая точка характеристики U(I), лежит на оси абсцисс (ток I0), и представляет собой точку резонанса, так как в точке резонанса напряжения ULи UC взаимно компенсируются. Угол сдвига фаз между первой гармоникой напряжения и первой гармоникой тока в этой точке близок к нулю. Участки графика U(I) вблизи точки I0 чисто теоретические. Фактически из-за наличия потерь в стали и потерь в сопротивлении обмоток, а также из-за существования высших гармоник в токе и напряжении, кривая U(I) имеет несколько другую форму (рис.3).

 

Если  цепь питается от источника напряжения, то при увеличении напряжения источника питания от нуля до значения UZ (рабочая точка на рис.3 перемещается от точки 0 через точку 1 и к точке 2), ток по фазе отстает от напряжения (угол  

 индуктивный).

В точке 2 происходит скачок, при котором ток возрастает до величины I4, теперь по фазе ток опережает напряжение (угол - емкостной). Дальнейший рост напряжения вызывает плавное увеличение тока. При уменьшении напряжения до величины U3 (рабочая точка перемещается от точки 5 через точку 4 до точки 3) ток по фазе опережает напряжение. В точке 3 происходит скачкообразное уменьшение тока до значения I1, сопровождается опрокидыванием фазы, угол  становится индуктивным.

Явление резкого изменения тока в цепи при незначительном изменении напряжения на входе называется триггерным эффектом в последовательной феррорезонансной цепи.

При подключении цепи к напряжению в интервале U1-U2, в цепи возниенет один из двух  режимов. Первый режим - положение рабочей точки  между точой 1 и точкой 2, второй - между точкой 3 и точкой 4. То, на каком из двух участков установится рабочая точка влияет характер переходного процесса при включении.

Характеристики U(I) при всех значениях тока получают при питании цепи источником постоянного тока.

На рис. 4 показаны зависимости тока и напряжений на элементах цепи от входного напряжения. Сравнивая кривые UL(U) и UC(U), можно заметить, что при некотором значении входного напряжения, больше так называемой критической напряжения UКР, наклон кривой UL(U) намного меньше, чем наклон кривой UC(U).

Малый наклон характеристики в области более насыщенные стали позволяют осуществить феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Схема простейшего стабилизатора показана на рис.5.

Определив для ряда значений входного напряжения U1 соответствующие значения входного напряжения U2, можно установить значение U1=UКР при превышении которых начинают проявляться стабилизирующие свойства цепи. Коэффициент стабилизации при этом определяется формулой

 ,

где  - изменение напряжения соответственно на входе цепи и при нагрузке.

 

Сущность явления стабилизации в такой цепи заключается в следующем. При увеличении напряжения питания ток в цепи резко возрастает, увеличение тока ведет к уменьшению индуктивности катушки с ферромагнитным сердечником, а емкость конденсатора остается постоянной. Таким образом, относительное изменение напряжения на катушке оказывается значительно меньше, чем на входе цепи.

Вместо конденсатора могут быть использованы реостат или линейная катушка, однако стабилизация при этом ухудшится, так как ток в цепи будет меньше и, следовательно, насыщение стали сердечника не столь большим, как в случае применения конденсатора. Очевидно, что стабилизация будет тем лучше, чем большее насыщение, т.е. чем больше пологой будет конечная часть характеристики катушки.

При включении нагрузки образуется ветвь, параллельная катушке с ферромагнитным сердечником, в результате чего ток в уменьшается, и, следовательно, ухудшаются стабилизирующие свойства цепи.

К недостаткам ферромагнитных стабилизаторов напряжения также следует отнести несинусоиднисть формы выходного напряжения и зависимость стабилизирующих свойств от частоты.

 

Возможно Вам будут интересны следующие статьи по теме:

elekt.com.ua

Феррорезонанс в сети 500 кВ: возникновение, явление, причины, защита

Электромагнитные трансформаторы напряжения (ТН) часто повреждаются из-за возникновения опасных феррорезонансных процессов. В сетях с глухозаземленной нейтралью (110-500 кВ) можно выделить две основные причины возникновения феррорезонанса: отключение холостых ошиновок многоразрывными выключателями, оснащенными емкостными делителями напряжения и неполнофазные режимы, не сопровождающиеся короткими замыканиями, например, обрыв шлейфа на опоре ВЛ или на подстанции, отказ полюса выключателя при коммутации. Повреждения ТН при неполнофазных режимах характерны прежде всего для сетей 110 кВ и связаны с разземлением нейтралей силовых трансформаторов.

В сетях 500 кВ основной причиной феррорезонанса в ТН являются коммутации холостых ошиновок.

Природа феррорезонансных явлений

Режим феррорезонанса возникает в контуре, содержащем источник ЭДС с емкостным внутренним сопротивлением и нелинейную индуктивность. Этот режим является квазистационарным (может продолжаться длительное время), причем резонансные колебания возникают как на основной частоте, так и на субгармониках 1/3 или 1/5 и могут даже носить хаотический характер. В режиме феррорезонанса ток в обмотке ВН ТН существенно возрастает, что приводит к ее перегреву и повреждению трансформатора.

Явление феррорезонанса достаточно хорошо изучено, и защита от него предусмотрена в виде различных организационных и технических мероприятий.

Большинство технических мер по борьбе с феррорезонансом предусматривает постоянное или временное увеличение активных потерь в резонансном контуре. Если эти потери превышают предельную мощность, которую может обеспечить источник ЭДС при определенном напряжении и емкостном сопротивлении, условия существования феррорезонанса нарушаются.

Одной из наиболее эффективных мер по предотвращению феррорезонанса является изменение конструкции самих ТН с целью придания им антирезонансных свойств. Антирезонансные ТН на класс напряжения 500 кВ типа НАМИ-500 выпускаются ОАО РТЗ «Энергия». В основу конструкции этих трансформаторов положен принцип увеличения активных потерь в резонансном контуре. Магнитопровод ТН частично выполняется из толстолистовой конструкционной стали.

Это обеспечивает значительное увеличение активных потерь (за счет вихревых токов) при больших индукциях в магнитопроводе, то есть при насыщении ТН.

Ниже представлены результаты исследований антирезонансных свойств ТН типа НАМИ-500, включая результаты компьютерного моделирования процессов в ТН при отключении холостых ошиновок и результаты испытаний серийных образцов ТН типов НКФ-500 и НАМИ-500, которые были выполнены в ИЦ ОАО «НИИВА» в синтетической схеме, моделирующей работу ТН на условиях феррорезонанса. Даны сравнительная характеристика антирезонансных свойств ТН указанных типов и проведено сопоставление результатов испытаний с результатами компьютерного моделирования.

Математические модели трансформаторов напряжения

При исследовании феррорезонансных процессов ключевую роль играют математические модели ТН. Трансформатор напряжения типа НКФ-500 не имеет конструкционной стали в магнитопроводе и может быть смоделирован при помощи простой схемы замещения, приведенной на рис.1, а. Основной характеристикой ТН в этом случае является его кривая намагничивания (вебер-амперная характеристика). Эта характеристика рассчитывалась на основании геометрии магнитопровода ТН типа НКФ-500 и приведена на рис.1, б. В схеме на рис.1, а: — потокосцепление ТН; i — ток намагничивания ТН; R1 — активное сопротивление обмотки ВН НКФ-500; R0 — активное сопротивление, моделирующее потери в стали ТН. В математической модели ТН типа НАМИ-500 необходимо учитывать, что в толстых листах конструкционной стали электромагнитное поле вытесняется на поверхность листов за счет вихревых токов (магнитный поверхностный эффект). Толщина пластин конструкционной стали — 6 мм. Для учета поверхностного эффекта лист разбивается на слои толщиной 0,5 мм (с учетом симметрии листа всего 6 слоев). Магнитный поток в каждом слое нелинейно связан с напряженностью поля на поверхности листа.

Расчеты этой зависимости, а также зависимости активных потерь в каждом слое от напряженности магнитного поля осуществляются путем численного решения уравнений Максвелла методом конечных элементов в пакете FEMLAB.

Зависимость средней индукции в слоях листа от напряженности магнитного поля на поверхности листа приведена на рис. 2, а. При составлении магнитной схемы замещения магнитопровода НАМИ лист конструкционной стали, с учетом разбиения на слои, представляет собой шесть параллельно включенных нелинейных магнитных сопротивлений.

Эти сопротивления в 12 раз меньше магнитных сопротивлений слоев, так как всего листов конструкционной стали в магнитопроводе шесть и каждый симметричен относительно середины (на слои разбито пол-листа).

Магнитная схема замещения ТН типа НАМИ-500 приведена на рис. 2, б. Электрическая схема замещения приведена на рис. 2, в. В схеме на рис. 2, б: F1 — МДС обмотки ВН ТН; n1 — число витков обмотки ВН; 1 — суммарное потокосцепление в магнитопроводе ТН; ЭС — потокосцепление в электротехнической стали; КС1КС6 — потокосцепления в слоях листа конструкционной стали; RЭС, RКС1-RКС6 — магнитные сопротивления потоку, соответственно, по электротехнической стали и по слоям листа конструкционной стали.

В схеме на рис. 2, в: nM — число последовательно соединенных магнитопроводов в каскаде НАМИ500; RЭС0, RКС01-RКС06 — активные сопротивления, моделирующие потери в электротехнической стали и в слоях листа конструкционной стали; R1, L1 — активное сопротивление и индуктивность рассеивания обмотки ВН ТН. Из зависимостей на рис. 2, а видно, что магнитное поле проникает вглубь листа конструкционной стали лишь на 1-1,5 мм.

Коммутации холостых ошиновок

Выключатели 500 кВ являются многоразрывными. У современных выключателей разрывов обычно два, причем как у воздушных, так и у элегазовых (в т.ч. зарубежных, например, фирмы ABB). Для равномерного распределения напряжения по разрывам параллельно им включаются специальные конденсаторы (делители напряжения). После отключения выключателя отключенный объект (система шин) остается связанным с источником напряжения через эквивалентную емкость делителей на разрывах.

Для полного отключения присоединения требуется коммутация разъединителя. Eмкость конденсаторов, шунтирующих разрывы выключателей, совместно с емкостью ошиновки и подключенного к ней оборудования на землю образуют феррорезонансный контур.

В сетях 110-220 кВ количество одновременно отключаемых выключателей при коммутации ошиновки может быть очень велико.

На ПС 500 кВ обычно присоединений значительно меньше, кроме того, ОРУ-500 обычно проектируются по схемам 3/2 или 4/3. Схема ОРУ-500, выполненная по схеме 3/2, приведена на рис. 3, а. Трансформатор напряжения установлен на секции СШ1. При отключении этой секции параллельно отключаются два выключателя 500 кВ. Eмкости делителей в выключателях 500 кВ изменяются в довольно широких пределах в зависимости от типа выключателя.

Наименьшие емкости у выключателей типа ВНВ — 330 пФ, наибольшая у выключателей типа ВВ — 550 пФ.

Таким образом, суммарная эквивалентная емкость делителей выключателей в схеме на рис. 3, а может составлять 660-1100 пФ. Суммарную емкость на землю можно оценить как емкость ТН (125 пФ), емкость всех разъединителей (2 x 200 пФ), выключателей (2 x 125 пФ) и ошиновки (10 пФ/м ~ 300пФ), то есть 1075 пФ. Расчетная схема для исследования процессов при отключении холостой ошиновки приведена на рис. 3, б. Результаты моделирования отключения холостой ошиновки в схеме с ТН типа НКФ-500 и НАМИ-500 приведены на рис. 4. и рис. 5, соответственно.

Eмкости делителей и ошиновки: C1 = 1100 пФ, C2 = 1075 пФ, напряжение источника 500/v–3 кВ, отключение выключателя происходит в момент максимума напряжения на ТН (0,1 c от начала расчета).

Из компьютерных осциллограмм видно, что в ТН типа НКФ в этом случае возникает устойчивый феррорезонанс, при этом действующий ток составляет 0,73 А. В этом режиме ТН быстро выйдет из строя.

 В эксплуатации известен случай повреждения ТН типа НКФ500 в 1973 г. на Костромской ГРЭС, причем соотношение емкостей ошиновки и выключателей было: 1,1/1,015 нФ. В ТН типа НАМИ также возникает устойчивый процесс, но на субгармонике 1/3 и со значительно меньшим действующим током. Возможность возникновения феррорезонанса в схеме на рис. 3, б (при отключении холостой ошиновки) зависит от двух основных факторов: напряжения источника и величины и соотношения емкостей делителей и ошиновки.

Путем проведения многочисленных расчетов при варьировании этих емкостей (напряжение равно номинальному) можно получить области существования феррорезонанса (области опасных параметров). Эти области для ТН НКФ-500 и НАМИ-500 приведены на рис. 6 (напряжение источника 525/v–3 кВ).

Из этого рисунка видно, что у НКФ при суммарной емкости делителей более 1 нФ (отключение двух и более выключателей) феррорезонанс на основной или субгармонике 1/3 возникает практически при любой емкости ошиновки. Феррорезонанс на основной гармонике сопровождается значительными перенапряжениями (до 3,0 Uф.макс). Коммутация холостой ошиновки с ТН типа НАМИ при определенном соотношении емкостей также приводит к возникновению режима феррорезонанса.

Характерной особенностью является то, что устойчивый процесс возникает только на субгармонике 1/3. Возникающие при этом токи сравнительно невелики, например, даже при больших величинах емкостей С1 = С2 = 4 нФ, IВН.ТН.эфф = 0,32 А.

Результаты экспериментальных исследований

Испытания ТН типов НКФ-500 и НАМИ-500 проводились в синтетической схеме, моделирующей условия натурных испытаний на подстанции при отключении секции шин с установленным на ней ТН многоразрывными выключателями. Принципиальная схема испытаний приведена на рис. 7.

В схеме на рис. 7:

• ИП — источник питания — каскад трансформаторов;
• В — выключатель ВГ-500;
• ДН1, ДН2 — емкостные делители напряжения;
• С1 — батарея конденсаторов ДМРУ-55-0,0033У1, моделирующая суммарную емкость конденсаторов, шунтирующих разрывы выключателей;
• С2 — батарея конденсаторов ДМК-190-3,3УХЛ1, моделирующая емкость ошиновки и подключенного к ней оборудования на землю;
• ИТН — испытуемый трансформатор напряжения;
• Ш — измерительный шунт;
• ЗШ1, ЗШ2 — защитные шары.

Испытания проводились при различных параметрах схемы — соотношениях емкостей С1/С2: 1210/1335, 2350/2855; 3440/4285 пФ в сочетании с варьированием фазы коммутации (отключения) выключателя. В процессе испытаний регистрировались следующие характеристики: im — максимальное значение (пик) тока в первичной обмотке ТН; I — действующее значение тока в первичной обмотке; uтр — максимальное значение (пик) напряжения на ТН.

Результаты испытаний в обобщенном виде представлены в таблице, где приводятся резонансные характеристики ТН, полученные в разных сериях опытов.

Указываются диапазоны значений характеристик, которые были получены при разных углах коммутации выключателя по отношению к максимуму напряжения на источнике от 0 до 80 град. Как следует из представленных данных, при испытании НКФ-500 наблюдался феррорезонанс на основной гармонике, а при испытании НАМИ-500 — феррорезонанс только на субгармонике 1/3.

При этом резонансные характеристики НКФ-500 и НАМИ-500 существенно отличались (отличие по току более чем на порядок). При испытании НКФ-500 наблюдалось существенное повышение напряжения на ТН по отношению к номинальному напряжению, и действующее значения тока в обмотке ТН значительно превышало допустимую величину. При испытании НАМИ-500 напряжение на ТН, напротив, незначительно отличалось от номинального напряжения, и действующее значение тока в обмотке ТН оставалось сравнительно небольшим.Характерные опытные осциллограммы процессов в НКФ-500 и НАМИ-500, полученные при отключении выключателя при соотношении емкостей 1210/1335 пФ приведены на рис. 8, 9. В опыте с НКФ (см. рис. «8») происходило срабатывание защитных шаров ЗШ1 от повышения напряжения на источнике в момент времени 0,2 с. До этого момента наблюдался явный феррорезонанс на ТН.

Опытные осциллограммы хорошо согласуются с результатами компьютерного моделирования (см. рис. 4, 5), что свидетельствует об адекватности используемых математических моделей. Отличие опытных и расчетных данных не превышает при этом 5-7 %. Некоторое несоответствие результатов расчета с опытными данными было получено только во второй серии опытов, где устойчивый процесс феррорезонанса не наблюдался. Причиной этого могли послужить дополнительные неучтенные потери или же случайный дефект схемы испытаний.

Заключение

Применение трансформаторов напряжения типа НАМИ-500 является весьма эффективной мерой по предотвращению феррорезонанса в сетях 500 кВ. Как показывают результаты исследований, возникновение феррорезонанса в схемах с НАМИ-500 при отключении холостых ошиновок возможно только на субгармонике 1/3 (16,7 Гц) при относительно небольшом повышении напряжения на ТН в процессе феррорезонанса и токах в обмотке ТН, не превышающих 0,3 А.

С учетом возможности возникновения феррорезонанса на субгармонике 1/3 весьма важной характеристикой для применения НАМИ-500 могла бы быть зависимость допустимой величины действующего значения тока в первичной обмотке ТН в режиме феррорезонанса от длительности этого режима. Задача экспериментального определения или расчета этой характеристики должна быть следующим этапом исследования антирезонансных свойств ТН типа НАМИ-500.

pue8.ru

Условия феррорезонанса с трансформаторами напряжения в сети 220 кВ / Блог им. wyfinger / Energobook.ru

Электрические станции, 1994, №10Алексеев В.Г., канд.техн.наук, Евдокимов С.А., инж. Оснащение воздушных выключателей 220 кВ и выше конденсаторами, шунтирующими контакты отделителя, создает возможность возникновения феррорезонансных процессов при отключении систем шин с установленными электромагнитными трансформаторами напряжения (ТН). В эксплуатации неоднократно отмечались случаи повреждения ТН по этой причине с возникновением коротких замыканий и пожарами в ОРУ [1-3]. Разработано достаточно много мероприятий, направленных на предотвращение опасных феррорезонансных режимов, однако вопрос остается актуальным до настоящего времени. Причиной этого отчасти является недостаточное исследование условий возникновения в эксплуатации разных видов феррорезонанса, в том числе субгармонического и непериодического. Все мероприятия по предотвращению феррорезонанса с ТН могут быть условно разделены на две категории: оперативные мероприятия, предусматривающие определенную последовательность коммутаций при отключении системы шин или изменение емкости шин на землю, и аппаратные мероприятия, предусматривающие применение специальных устройств для подавления возникшего феррорезонансного режима. Успешность использования оперативных мероприятий требует информации о параметрах сети, при которых возможно развитие и существование феррорезонансного режима. В основном это области значений продольной емкости выключателей и емкости на землю высоковольтных аппаратов, ошиновки и иногда линий. В [1, 3] приведены данные по областям возникновения феррорезонанса на основной гармонике. Однако необходимо рассмотреть также и области возникновения феррорезонанса других видов. Это тем более актуально, что в [1] содержатся рекомендации по устранению феррорезонансного режима путем включения на систему шин дополнительной батареи конденсаторов связи или использованию емкости линии, которая не отключается со стороны шин. В некоторых случаях такие мероприятия могут привести к ликвидации феррорезонанса на основной гармонике, но возникновению субгармонического или непериодического. В частности, следует особо подчеркнуть, что при использовании емкости линии она должна быть обязательно одноцепной. В противном случае ее емкость на находящуюся под напряжением вторую цепь оказывается подключенной параллельно конденсаторам выключателей, что дополнительно усугубляет феррорезонансный режим.

Для оптимального проектирования устройств подавления феррорезонанса необходима информация о характерных признаках возникновения этого режима: значениях напряжений, токов и их гармоническом составе. В данной работе приводятся результаты исследований по определению областей возникновения и существования разных видов феррорезонанса в сети 220 кВ и значений параметров феррорезонансного режима. Исследования проведены методом математического моделирования.

Как известно, феррорезонансный режим возникает при отключении всех выключателей, присоединенных к данной системе шин, если их схема остается не разобранной разъединителями. Такой режим чаще всего имеет место при действии дифзащиты шин, а также при переводе присоединений с одной системы шин на другую. Повреждение ТН при феррорезонансе связано с протеканием по первичной обмотке повышенных по сравнению с нормальным режимом токов, приводящих к обугливанию изоляции обмотки и возникновению многочисленных витковых замыканий. После этого индуктивность ТН резко снижается и феррорезонансный режим может прекратиться. Ток через ТН в феррорезонансном режиме не превышает нескольких ампер, а после повреждения обмотки ограничивается продольной емкостью выключателей и становится еще меньше. При этом внешнее повреждение ТН никак себя не проявляет до момента включения системы шин под рабочее напряжение, после которого внутри ТН возникает короткое замыкание с током в несколько килоампер, приводящее к взрыву ТН и пожару.

Хотя в общем случае феррорезонансный режим является трехфазным, его анализ для сетей с глухозаземленной нейтралью может проводиться в однофазной схеме, поскольку в каждой фазе процесс развивается независимо. Лишь после развития феррорезонанса в одной фазе за счет междуфазных емкостей системы шин симметрия нарушается и оставшиеся нерезонирующие фазы испытывают дополнительное воздействие. Взаимное влияние фаз через вторичную обмотку, соединенную в разомкнутый треугольник, из-за большого сопротивления нагрузки пренебрежимо мало.

Феррорезонансный контур для одной фазы может быть представлен схемой замещения, изображенной на рис. 1. Емкость C1 между источником ЭДС и системой шин представляет собой сумму продольных емкостей конденсаторов, шунтирующих разрывы отделителей всех выключателей, присоединенных к данной системе шин. Емкость C2 между системой шин и землей представляет собой емкость на землю ошиновки, а также суммарную емкость на землю разъединителей, разрядников, трансформаторов тока и напряжения и другой высоковольтной аппаратуры, подключенной к системе шин. Нелинейная индуктивность L замещает индуктивность цепи намагничивания ТН, а сопротивление R1 — активное сопротивление его первичной обмотки. Сопротивление R2 эквивалентирует вторичную нагрузку ТН и потери в магнитопроводе. Когда система шин находится под рабочим напряжением, емкость С1 зашунтирована контактами включенных выключателей. При отключении системы шин эта емкость дешунтируется и источник ЭДС оказывается подключенным к нелинейной индуктивности через емкостный делитель С1 и C2.

Рассмотрим качественно происходящие в контуре процессы. Феррорезонансный процесс может быть представлен как разряд заряженной до момента коммутации емкости C2 на нелинейную индуктивность в присутствии источника ЭДС. Известно, что частота колебаний в контуре, содержащем емкость и нелинейную индуктивность, зависит от заряда на емкости или, что равнозначно, от максимального напряжения на ней. При малом значении С1 и незначительном вследствие этого влиянии источника ЭДС разряд емкости C2 на индуктивность ТН представляет собой затухающие колебания с постоянно увеличивающимся периодом. Затухание определяется активными потерями в сопротивлениях R1 и R2, а возрастание периода колебаний — увеличением среднего значения индуктивности по мере снижения напряжения на ТН.

Поскольку внутреннее сопротивление источника ЭДС близко к нулю, емкость C1 оказывается подключенной параллельно емкости C2 и также участвует в колебательном процессе.

При увеличении емкости С1 на режим феррорезонансного контура все большее влияние начинает оказывать источник ЭДС. Это влияние заключается в том, что источник в некоторые моменты времени может дозаряжать емкости С1 и C2, внося энергию в резонирующий контур и увеличивая тем самым частоту колебаний, а может и разряжать, способствуя затуханию колебаний. В моменты времени, когда ток в контуре и ЭДС совпадают по знаку, амплитудное значение тока через С1 увеличивается, дозаряжая ее, и кроме того, напряжение на С1 суммируется с ЭДС, дозаряжая C2. Если знаки тока и ЭДС противоположны, имеет место обратный процесс с дополнительным разрядом емкостей.

Поскольку частота в резонирующем контуре в начале процесса в общем случае не кратна частоте сети, то первоначально феррорезонансные колебания носят характер хаотического обмена энергией между контуром и источником. Частота колебаний в некоторые моменты времени может возрастать, затем снижаться, вновь возрастать и т.д. Однако феррорезонансный контур обладает свойством самонастройки. Когда частота собственных колебаний оказывается близка к частоте сети либо к кратной ей, через несколько периодов происходит синхронизация колебаний в контуре. При этом энергия, полученная от источника за один период колебаний, целиком поглощается в сопротивлениях R1 и R2 и не происходит ни возрастания, ни снижения частоты колебаний. Феррорезонансные колебания приобретают устойчивость, причем при случайном снижении их частоты фаза тока изменяется таким образом, что емкости С1 и C2 дозаряжаются от источника, восстанавливая частоту. При случайном увеличении частоты происходит обратный процесс.

Такое явление может происходить как при частоте феррорезонансных колебаний, равной частоте источника (феррорезонанс на основной гармонике), так и при частоте колебаний ниже частоты источника в кратное число раз (субгармонический феррорезонанс). Кратность частоты в общем случае может быть и дробным числом. Наибольшей устойчивостью, помимо феррорезонанса на основной гармонике, обладает феррорезонанс на нечетных субгармониках, в частности, на субгармонике 1/3.

Таким образом, в установившемся феррорезонансном режиме фаза основной гармоники тока от источника по отношению к ЭДС управляет режимом контура, обеспечивая баланс потерь и поступления энергии. При малых потерях фазовый угол тока близок к 90°, а при возрастании потерь, например, вследствие увеличения сопротивления R1, фазовый угол уменьшается. Заметим, что максимальное значение и форма кривой тока при этом изменяются незначительно. При достижении углом нулевого значения и дальнейшем увеличении R1 энергия, поступающая от источника, не может компенсировать потерь и феррорезонансный режим срывается.

Количественный анализ рассмотренных процессов произведен методом математического моделирования и численного решения системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих феррорезонансный процесс для схемы замещения рис. 1 при R1, R2 и L(i), соответствующих ТН НКФ-220 без вторичной нагрузки, и при номинальной вторичной нагрузке 400 В•А. При расчете использована вебер-амперная характеристика намагничивания ψiнам, снятая экспериментально для мгновенных значений на нескольких экземплярах ТН и усредненная. Указанная характеристика приведена далее.

ψ/ψном	iнам, мА
0.8	20
0.9	30
1.0	55
1.1	100
1.2	180
1.3	290
1.4	600
1.55	1550
1.7	2600

Сопротивление первичной обмотки ТН R1 составляет 9400 Ом. При расчете сопротивления R2 помимо сопротивления вторичной и связующей обмоток (0,08 Ом) и сопротивления вторичной нагрузки учтены суммарные потери в стали магнитопроводов двух блоков ТН, составляющие при номинальном напряжении 200 Вт.

Определены значения токов, напряжений и их гармонический состав в широком диапазоне изменения емкостей C1 и C2. При проведении расчетов изменялся также угол коммутации выключателя и действующее значение напряжения на шинах в момент коммутации.

Расчеты показали, что наиболее тяжелый переходный процесс с наибольшей вероятностью возникновения устойчивого феррорезонансного режима соответствует напряжению на шинах, равному наибольшему рабочему (242 кВ), углу отключения выключателя в максимум мгновенного значения напряжения и отсутствию вторичной нагрузки ТН. Сопротивление R2 в этих условиях эквивалентирует только потери в стали магнитопровода. Для этого режима в координатах С1 и C2 получены области, соответствующие четырем различным типам феррорезонансного процесса (рис. 2).

К первому типу относится диссипативный процесс, когда через 0,3 с после коммутации имеет место только снижение частоты свободных колебаний и снижение амплитуды тока через ТН. Такой процесс ведет к установившемуся режиму без феррорезонанса и с токами через обмотки, не представляющими опасности для ТН.

Ко второму типу (его область обозначена на рис. 2 символом О) относится процесс, когда после переходного возникает установившийся феррорезонансный режим на промышленной частоте, сопровождающийся повышением напряжения на ТН до 1,5 — 2,5-кратного по отношению к номинальному. В напряжении содержится 20-30% третьей гармоники, что наряду с повышением напряжения может служить характерным признаком феррорезонансного режима: Действующее значение тока через первичную обмотку ТН в установившемся режиме существенно зависит от значения емкостей. Так, при C1 = 2 нФ и C2 — 0,5 нФ оно сотавляет 0,35 А, а при C1 — 20 нФ и C2 = 20 нФ достигает 5,4 А. Такие токи ведут к быстрому повреждению ТН. Максимальное значение потокосцепления первичной обмотки ТН, найденное как интеграл от напряжения на обмотке, составляет от 940 до 1700 Вб, что в 1,6—3 раза превышает номинальное.

При наличии номинальной вторичной нагрузки область возникновения феррорезонансного режима изменяется весьма незначительно. Характерная осциллограмма напряжения на вторичной обмотке ТН (пунктирная линия) и тока первичной обмотки (сплошная линия) при напряжении в сети 242 кВ, С1 = 10 нФ, C2 = 12 нФ и номинальной вторичной нагрузке ТН изображена на рис. 3. Действующее значение тока через первичную обмотку в этом случае составило 2,68 А.

К третьему типу феррорезонансного процесса (его область обозначена на рис. 2 символом ОГ) относится процесс возникновения феррорезонансного режима на субгармонике 1/3. В напряжении ТН составляющая частоты 16,7 Гц достигает значений от 27 до 35 В, напряжение промышленной частоты составляет лишь от 5 до 18% номинального. Ток через первичную обмотку, как и при феррорезонансе на основной гармонике, зависит от значения емкостей. При С1 = 2 нФ и C2 = 16 нФ его действующее значение составляет 0,134 А, а при С1 = 15 нФ и C2 = 70 нФ достигает 0,88 А. Учитывая, что с точки зрения повреждения изоляции обмотки опасными являются токи более 0,25 А, соответствующие плотности тока 5 А/мм2, феррорезонансный режим на субгармонике 1/3 при C2 = 20 нФ представляет непосредственную опасность для ТН.

Максимальное значение потокосцепления первичной обмотки ТН во всем диапазоне изменения емкостей отличается незначительно и составляет от 900 до 1100 Вб. Характерная осциллограмма напряжения и тока ТН при напряжении в сети 242 кВ, С1 = 5 нФ, C2 = 40 нФ и номинальной вторичной нагрузке показана на рис. 4. Действующее значение тока через первичную обмотку в этом случае составило 0,41 А. Следует заметить, что область возникновения феррорезонанса на субгармонике 1/3 является многосвязанной и на рис. 2 приведены только ее внешние границы.

Четвертый тип процесса (его область обозначена на рис. 2 символом Н) представляет режим неустановившегося, хаотического изменения частоты и амплитуды токов в феррорезонансном контуре. Такой режим потенциально неустойчив и феррорезонанс обычно рано или поздно срывается. Однако он может существовать достаточно длительное время и нельзя исключить его переход в субгармонический при разогреве обмотки ТН и увеличении ее активного сопротивления. Действующее значение тока через первичную обмотку ТН в этом режиме сопоставимо с феррорезонансом на субгармонике 1/3. Амплитуда потокосцепления первичной обмотки ТН достигает 1500 Вб. Характерная осциллограмма напряжения и тока ТН при напряжении в сети 242 кВ, С1 = 7,5 нФ, C2 = 14 нФ и номинальной вторичной нагрузке изображена на рис. 5.

Полученные результаты показывают, что наибольшую опасность для ТН представляет феррорезонансный режим на основной гармонике, однако при больших емкостях на землю возникает и опасный субгармонический режим. В частности, это может иметь место и при неправильном выборе емкости батареи конденсаторов связи, дополнительно установленной на шинах с целью борьбы с феррорезонансом, или недостаточной емкости линии, подключенной к шинам с этой же целью в соответствии с рекомендацией [1]. Граница области возникновения феррорезонанса на промышленной частоте хорошо совпадает с данными, приведенными в [1, 3], но полученные данные охватывают существенно больший диапазон изменения С1 и C2.

Выявление режима феррорезонанса на основной гармонике для устройств, обеспечивающих его подавления, целесообразно производить по одновременному наличию двух признаков: повышение напряжения ТН в 1,5—2,5 раза и наличие в напряжении третьей гармоники до 45 — 70% номинального напряжения. Выявление режима субгармонического феррорезонанса может быть произведено по одновременному наличию напряжения субгармоники порядка 60 — 70% номинального и значению напряжения промышленной частоты менее 20% номинального. Для обеспечения работы выявительного органа независимо от порядка субгармоники, что важно при непериодическом феррорезонансе, вместо напряжения субгармоники может быть использован сигнал, пропорциональный потокосцеплению, т.е. интегралу от вторичного напряжения ТН, который во всех феррорезонансных режимах превышает значение нормального режима не менее чем в 1,5 раза.

Список литературы

1. Методические указания по предотвращению феррорезонанса в распределительных устройствах 110-500 кВ с электромагнитными трансформаторами напряжения и выключателями, содержащими емкостные делители напряжения. МУ 34-70-163-87/Антипов К.М., Максимов В.М. и др. М.: Союзтехэнерго, 1987.
2. Павлов В.И., Максимов В.М. Феррорезонанс на шинах в электрических сетях с заземленной нейтралью. — Электрические станции, 1975, № 1.
3. Зихерман М.Х., Максимов В.М. Определение возможности возникновения феррорезонанса в ОРУ 220—500 кВ электростанций и подстанций энергосистем. — Экспресс-информация. Энергетика и электрификация. Серия. Эксплуатация и ремонт электрических сетей, 1979, Вып. 1.

energobook.ru

Феррорезонанс в сетях с изолированной нейтралью канд техн наук Поляков В. С

Феррорезонанс в сетях

с изолированной нейтралью

канд. техн. наук Поляков В.С.1. Анализ причин повреждений оборудования в сетях

с изолированной нейтральюЗначительное число повреждений оборудования в сетях с изолированной нейтралью вызвано феррорезонансом, так как это явление вызывает перенапряжения или сверхтоки, на воздействие которых оборудование не рассчитано и от которых оно не защищено. Кроме того, феррорезонанс возникает чаще, чем другие виды воздействий, и особенно опасен тем, что длительность его существования неограниченна.

Феррорезонанс - это резонанс в цепи, содержащей хотя бы один ферромагнитный элемент.

Ферромагнитными элементами в электрических сетях являются силовые трансформаторы, дугогасящие реакторы, измерительные трансформаторы тока и напряжения, электродвигатели, то есть все аппараты, в которых имеется катушка с ферромагнитным (стальным) сердечником. Особенностью катушки с ферромагнитным сердечником является нелинейная зависимость тока от напряжения (потока).

В обычных условиях в такой цепи нет условий для возбуждения резонанса, то есть незатухающих колебаний. Однако, при воздействиях на ферромагнитный элемент, приводящих к насыщению сердечника, происходит плавное изменение индуктивности этого элемента, что создаёт возможность возникновения резонанса между индуктивностью и ёмкостью.

При этом если в схеме замещения сети ёмкость и индуктивность включены последовательно с источником переменного напряжения, то возникает резонанс напряжений, сопровождающийся существенным увеличением напряжения на ёмкости и на всех элементах сети, соединённых электрически с этой ёмкостью. В этом случае говорят о феррорезонансных перенапряжениях.

В случае, если ёмкость и индуктивность ферромагнитного элемента соединены параллельно с источником переменного напряжения, то возникает резонанс токов, сопровождающийся существенным увеличением в индуктивности и ёмкости сети. В этом случае говорят о феррорезонансных сверхтоках.

как например при неполнофазных режимах. Если же ёмкость и нелинейная индуктивность В обзорах отказов упоминаются повреждения трансформаторов напряжения, электродвигателей, комплектных распределительных устройств наружной установки (КРУН), нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) и вентильных разрядников. Считается, что эти повреждения происходят из-за возникновения внутренних перенапряжений.

Достаточными основаниями для такой квалификации является отсутствие компенсирующих устройств в сети, где необходима их установка согласно требований Правил технической эксплуатации (ПТЭ) [1] , при наличии дугового замыкания или просто любого однофазного замыкания на "землю" в начальной стадии развития повреждения. Столь упрощенный подход не позволяет выявить истинные причины повреждений оборудования, а следовательно, разработать эффективные меры по предотвращению подобных случаев. В ряде случаев повреждения квалифицируются по причине возникновения внутренних перенапряжений в условиях, когда вообще невозможно их возникновение, например, когда события начинаются с междуфазного короткого замыкания (КЗ). Правда, развитие таких повреждений сопровождается перекрытием больших воздушных промежутков, причем не только в комплектных распредустройствах, где все изоляционные промежутки сокращены, но и в закрытых распред­устройствах обычного исполнения с достаточно большими изоляционными расстояниями, что создает впечатление воздействия перенапряжений большой кратности. На самом деле перекрытие таких больших воздушных промежутков вызвано воздействием тока междуфазного КЗ на дефектные контактные соединения.1.1. Развитие повреждений при наличии дефектного

контактного соединенияНаличие дефектного контактного соединения в КРУ или ЗРУ может привести к перекрытию больших воздушных промежутков при воздействии на это контактное соединение тока междуфазного КЗ. При воздействии тока КЗ в любом контактном соединении происходит подплавление контактных площадок. При расчете и конструировании разъемных контактных соединений это явление рассматривается как положительное, так как расплавление контактных площадок приводит к свариванию контактного соединения, и тем самым к уменьшению его переходного сопротивления.

Рис. 1. Схема развития повреждения дефектного контактного соединения при воздействии токов КЗ, сопровождающихся подплавлением контактных площадок и динамическими усилиями, воздействующими на расплавленный металл контакта.

Однако, уменьшение общей площади контактных площадок или контактного давления приводит к увеличению переходного сопротивления контактного соединения, увеличению количества тепла, выделяющегося при протекании тока КЗ и объема расплавленного металла. На этот расплавленный металл, также как и на шины, по которым протекает ток КЗ, воздействуют мощные электродинамические усилия, что приводит к выплескиванию расплавленного металла в междуфазное пространство и перекрытию больших воздушных промежутков в зоне расположения дефектного контактного соединения. Так как время действия релейных защит, отключающих питающий трансформатор, достаточно велико, и составляет одну и более секунд, то возникновение междуфазного КЗ в распредустройстве приводит к большому объему повреждений оборудования, что затрудняет выявление первопричины происшедшего. Выявить первоисточник такого повреждения удается, локализовав повреждение только на том участке, где происходит перекрытие воздушного промежутка из-за выплеска металла из контактного соединения. Для этого необходимо выполнить два мероприятия: покрытие гидрофобной пастой изоляции распредустройства, исключающее перекрытия изоляции по отложившимся на её поверхности продуктам горения дуги, и ускорение действия релейной защиты, например, устройством логической защиты шин, отключающей вводной выключатель при любом перекрытии в распредустройстве. Именно таким путем удалось выявить причину ежегодных перекрытий в КРУН-10 кВ пс N 20 Ленэнерго в 1979 году. На этой подстанции медные наконечники были припаяны оловянисто-цинковым припоем к алюминиевым жилам кабелей. При воздействии токов КЗ этот припой расплавлялся и выплескивался в междуфазное пространство, что приводило к перекрытию воздушных промежутков длиной около 60 см. После замены всех паяных наконечников на опрессованные повреждения полностью прекратились. Необходимо отметить, что на всех восьми секциях 10 кВ этой подстанции ток однофазного замыкания на "землю" составляет от 150 до 200 А и что компенсация отсутствует, однако устранение истинной причины перекрытий привело к надежной работе оборудования и при отсутствии компенсации емкостных токов. Аналогичные наблюдения имеются и по другим подстанциям Ленэнерго и других энергосистем.

Косвенным подтверждением версии о дефектных контактах, как о первопричине повреждения, может служить послеаварийное обследование контактных соединений неповрежденных секций подстанции. Так, на подстанции Южная Липецкэнерго в 1991 году произошло повреждение нескольких ячеек КРУ-6 кВ при повреждении отходящих кабелей сторонней организацией, сопровождавшимся междуфазным КЗ, которое было квалифицировано по причине возникновения перенапряжений. В том же году при обследовании контактных соединений тепловизором на этой подстанции были выявлены перегревы втычных контактов до 160 С при токах меньше номинального. При КЗ на таком присоединении выплавление контактов с последующим перекрытием воздушных промежутков неизбежно.

Если при расследовании повреждения установлено, что в начале событий произошло двух- или трехфазное КЗ на одном из элементов сети, то возникновение перенапряжений, как причина дальнейшего развития повреждения маловероятно, так как КЗ вносит наибольшее из возможных затухание в контур нулевой последовательности сети, в котором происходит развитие резонансных колебаний или накопление зарядов на емкости фаз сети, что исключает развитие перенапряжений. Более вероятно развитие повреждения по рассмотренной схеме, и в этом случае необходимо принимать меры по улучшению состояния контактных соединений, а не меры защиты от перенапряжений.1.2. Развитие повреждений при неполнофазных режимахПо данным отечественных и зарубежных исследований, а также опыта эксплуатации, в сетях с изолированной нейтралью, чаще всего возникновение перенапряжений связано с неполнофазными режимами. Здесь имеется в виду, что неполнофазный режим это не только явный обрыв фазного провода или перегорание предохранителя, но и те случаи, когда отключение ненагруженного понижающего трансформатора или электродвигателя происходит коммутационным аппаратом с неодновременным отключением всех трех фаз. Если неодновременность отключения составляет 0,04 с (2 периода частоты 50 Гц) и более, то за это время успевают развиться перенапряжения опасной величины. При неполнофазных режимах возникают феррорезонансные перенапряжения, которые превышают уровень изоляции электродвигателей. Они опасны для разрядников с шунтирующими сопротивлениями и ОПН, а также для трансформаторов напряжения своей длительностью, так как существуют столько времени, сколько существует неполнофазный режим [2]. Их опасность состоит еще и в том, что при неполнофазных режимах наличие или отсутствие компенсации не влияет на вероятность возникновения и уровень перенапряжений [3-5], при этом установка защитных аппаратов на шинах бесполезна, так как перенапряжения возникают на отделенном от шин участке фазы (за обрывом фазы).

Неполнофазный режим приводит к феррорезонансному преобразованию однофазного напряжения в трехфазное. Направление чередования фаз может быть как прямым, так и обратным. Установление прямого чередования фаз при­водит к длительному повышению напряжения до (2,2 - 2,3)Uф и вызывает пере­горание предохранителей ТН. Приобратном чередовании про­­исходит опро­ки­ды­ва­ние фазы и повышение одного из фазных напряжений до (3,8 - 4,2)Uф, а мало нагруженные двигатели у потребителя начинают вращаться в обратную сто­рону ; при этом происходят повреждения разрядников с шунтирующими сопротивлениями, ОПН и ТН.

Необходимо отметить, что характер и уровни перенапряжений при феррорезонансе понижающих трансформаторов и самопроизвольном смещении нейтрали абсолютно похожи как по величинам перенапряжений, равным 3,8Uф и 4,0Uфв одном случае, и равным 2,2Uф и 2,0Uф при втором виде перенапряжений, так и по возникающим при этом повреждениям сети. То есть речь идёт об одном и том же явлении, называемом разными терминами. Более правильным следует считать термин “феррорезонанс понижающих трансформаторов”, как соответствующий реальному физическому явлению.1.3. Развитие повреждений ТН при ФРПЕжегодно в энергосистемах страны по оценкам ОРГРЭС повреждается до 6-8% от числа установленных ТН в сетях с изолированной нейтралью. Повреждения происходят при воздействии на ТН перемежающейся дуги в тех случаях, когда зажигание и гашение дуги происходит один раз в период или реже, или когда возникает регулярная дуга с зажиганием один раз в период при напряжении только одной полярности. Повреждения ТН от воздействия феррорезонансных перенапряжений происходят практически после каждого случая образования схемы, приводящей к возбуждению ФРП. Повреждения ТН происходят даже при наличии активных сопротивлений, включенных в схему разомкнутого треугольника.

Анализ причин повреждений ТН показывает, что ТН является достаточно надежным аппаратом и не повреждается ни по каким другим причинам, кроме воздействия режимов, на которые он не рассчитан. Таким режимом является длительное протекание по первичной обмотке ТН токов, величина которых значительно превышает величину тока, максимально допустимого по тепловой устойчивости изоляции обмотки. Установлено, что такие токи возникают при феррорезонансных процессах (ФРП) в контуре, образующемся при определенных режимах сети, в которой установлен ТН. Возникновение ФРП становится возможным из-за явлений, вызывающих насыщение стали магнитопровода ТН. Это приводит к плавному изменению индуктивности обмотки ТН и при благоприятном соотношении параметров емкостей элементов сети, включенных последовательно и параллельно с ТН, возникает ФРП.

2. Условия возникновения и существования феррорезонансных

процессов в цепях с трансформаторами напряженияВ цепях с трансформаторами напряжения (ТН) возможность возникновения и существования феррорезонансного процесса (ФРП) определяется следующими тремя условиями :1-ое условие Величина эквивалентной ёмкости сети (СЭКВ) должна находиться в пределах, определяемых пределами изменения индуктивности трансформатора напряжения, т.е.

   1  

2 Lxx

   1  

2 Ls

 СЭКВ  (1)

где Lxx - индуктивность холостого хода хх , Гн;

LS - индуктивность насыщения, Гн;

 - угловая частота напряжения сети, 1/c

Возбуждение ФРП связано с нелинейным изменением индуктивности ТН. Причём, начавшееся плавное изменение индуктивности происходит до тех пор, пока не возникнут условия резонанса L=1/C (такие как в контуре с линейной индуктивностью), что приводит к установившемуся ФРП. Это очевидно т.к. ФРП с одним и тем же ТН возникает в схемах с различной эквивалентной ёмкостью.

Рассматривая процессы намагничивания стального сердечника ТН, можно определить пределы изменения индуктивности ТН: максимальное значение индуктивности равно индуктивности ХХ и может быть вычислено с учетом того, что относительная магнитная проницаемость имеет при этом максимальное значение и равна max = 25000, а максимальное значение индуктивность ТН принимает при достижении насыщения, после чего остаётся неизменной и равной индуктивности обмотки ТН без магнитопровода, т.к. относительная магнитная проницаемость стали при насыщении близка к единице. Правда, как показали исследования [13], индуктивность трансформатора никогда не достигает значения индуктивности обмотки без магнитопровода, а превышает её на 30-50%, что объясняется следующим: при потокосцеплении обмотки 2,0н значительная часть потока внутри обмотки идёт по воздуху, покидая магнитопровод. Поток магнитопровода составляет всего (1,3 - 1,4) н . Если бы этот поток равномерно распределился по всему магнитопроводу, то он бы насытил его полностью, и динамическая магнитная проницаемость упала бы до единицы. В действительности поток распределён неравномерно, и отдельные части магнитопровода остаются неполностью насыщенными. Поэтому средняя магнитная проницаемость стали несколько возрастает, что увеличивает индуктивность насыщения в 1,3-1,4 раза.

С учётом увеличения индуктивности за счёт неполного насыщения в 1,3 раза получена формула для расчёта индуктивности насыщения ТН:(2)где  - число витков первичной обмотки;

d - cредний диаметр обмотки, м;

а - высота обмотки, м;

Ка, К - коэффициенты формы обмотки, принимаемые по табл. 6.2, 6. и 6.6

справочника [16] ;

0 - магнитная проницаемость воздуха.Индуктивность ХХ определим из

Uнф

Iхх

Lxx= (3)

Uнф

100Zk

Zk

  lk

Iхх= lk , (4)

_____________

где Zk=(Ls)2 + R2ВН , а Ls - индуктивность насыщения по (2), получаем выражение для расчета индуктивности хх

Lхх = 100 (5)Данный расчет значений индуктивности ХХ (Lxx) и индуктивности насыщения (Ls ) для ТН ЗНОМ-35 и пределы изменения эквивалентной емкости сети по (I), при которых возможно возбуждение ФРП следующие: Lхх=1330 Гн; Cmin= 7,6 нФ или Ic min= 0,05 А; Ls= 75Гн, Cmax = 6300 нФ или Ic max= 4А.

То есть, при емкости сети 4,0 А и более на один ТН типа ЗНОМ-35 ФРП не возникает.2-ое условиеДля возбуждения ФРП в контуре с параметрами, отвечающими условию (1), необходимо событие, приводящее к изменению индуктивности ТН. Таким событием в сети с изолированной нейтралью является отключение дугового металлического замыкания на землю, при котором напряжение на ТН скачком изменяется от Uл до Uф.

При скачкообразном изменении напряжения на ТН в его магнитопроводе сохраняется остаточный поток, соответствующий величине напряжения до скачка (ост), на который накладывается переменный поток от напряжения, установившегося после скачка (уст). Это хорошо видно на рис. 9. После отключения замыкания в момент напряжения на фазе А после переходного процесса устанавливается практически равным Uл (1,71Uф), а поток той же фазы ТН возрастает от величины л до отключения замыкания до величины (л + ф) после отключения замыкания. Ток первичной обмотки ТН резко возрастает, что соответствует режиму насыщения ТН. ФРП возбудится в контуре с резонансными параметрами после скачка напряжения в том случае, если суммарный поток в магнитопроводе ТН окажется больше потока начального насыщения магнитопровода (нач.нас ), так как это вызывает насыщение магнитопровода и плавное изменение индуктивности ТН:ост + уст   нач.нас (6)В зависимости потока от тока =f(I) ТН нет точки резкого перехода с участка ХХ на участок насыщения, так называемого, “колена”. Однако, анализ этой зависимости показывает, что при индукции в магнитопроводе 1,65 Тл, что соответствует максимальной индукции (BmaxN = 1,1BN = 1,11,5 = 1,65 Тл), эта зависимость имеет четко выраженный линейный характер. Поэтому поток в магнитопроводе при индукции BmaxN = 1,65 Тл может быть принят за поток начального насыщения нач.нас=1,65. Тогда второе условие возбуждения и существования ФРП (6) можно записать в следующем виде ост+ уст 1,65 (7) Величина потока связана с напряжением на ТН соотношением Um = 4,44fm, (8)

с индукцией = ПсNВс10-4, (9)где Пс - сечение стержня магнитопровода, см2;

N - число витков обмотки,

Результаты расчётов по (8) и (9) типа ЗНОМ-35 кВ приведены в табл.1.

Таблица 1

Расчетные значения потока в магнитопроводе ТН

№ п/п	Поток, Вс	НТМИ- 6	НТМИ -10	ЗНОМ-35
1	ф	16	26	92
2	л	27	45	157
3	(л + ф)	43	71	249
4	1,65	32	56	256

Из анализа данных табл.1 следует, что в сетях 6 и 10 кВ суммарный поток после скачка напряжения от линейного до фазного превышает поток начального насыщения, и феррорезонанс возникает даже при отключении металлического замыкания на “землю” при номинальном уровне напряжения в сети.

А в сети 35 кВ при отключении металлического замыкания и при номинальной величине напряжения ФРП не возникает. В то же время при напряжении в сети на 5 % выше номинального второе условие возбуждения ФРП соблюдается и в сети 35 кВ (л+ф = 261BC > 1,65 = 256BC). Это совпадает с опытом эксплуатации и объясняет тот факт, что не каждое отклонение металлического замыкания на землю в сети 35 кВ сопровождается возбуждением ФРП. Необходимо отметить, что расчет выполнен для случая, когда отключение замыкания на землю происходит в момент максимума потока, что создает наилучшие условия для возбуждения ФРП. Если же отключение произойдет при значении потока, близком к 0, то ФРП не возникает. К этому выводу оперативный персонал сетей пришел эмпирически и использует, как один из способов подавления ФРП: если при отключении металлического замыкания на землю возник ФРП, то оператор вновь включает присоединение с замыканием, а затем отключает его, и так до тех пор, пока при очередном отключении ФРП не возникнет.

Второе условие позволяет определить, какое изменение характеристик намагничивания =f(i) ТН необходимо произвести, чтобы ФРП в сетях с изолированной нейтралью вообще не возбуждался. В этом случае магнитопровод ТН должен быть рассчитан так, чтобы при индукции BN=1,5 Тл напряжение на ТН было бы не ( для сети с изолированной нейтралью ), а в 1,8 раза больше. Это означает, что определяющее для расчета ТН произведение ПсW1(сечение стержня магнитопровода Пс на число витков первичной обмотки W1) должно быть в 1,8 раза больше. Оставив один из параметров, например, число витков Wнеизменным, необходимо увеличить сечение стержня Пс в 1,8 раза.

Возможно изменение двух параметров Пс и W, что определяется минимумом затрат на изготовление такого ТН.

В сети с изолированной нейтралью с учетом возможных колебаний напряжения сети ТН необходимо рассчитать так, чтобы

Uн = 1,15(Uл+Uф)  1,8Uл (10)Из этого следует, что ФРП не будет возникать в сети с ТН, характеристики намагничивания которого рассчитаны, исходя из номинальной индукции =0,9 Тл, а не BN = 1,5 Тл, как это принято сейчас.

Кстати, ТН типа НАМИ-10, рекомендуемый для замены ТН типа НТМИ-10 [17], так и рассчитан. У этого ТН обмотка фазы “В”, подключаемая к фазному проводу и земле, рассчитана на длительное приложение линейного напряжения (длительность металлического замыкания не ограничена, дугового - 8 часов) и на полное испытательное напряжение 4Uл=42 кВ для сети с изолированной нейтралью. У трансформатора НТМИ-10 длительность работы на линейном напряжении ограничена четырьмя часами, а испытательное напряжение всего на 30% выше линейного. Правда, уменьшение номинальной индукции привело к увеличению сечения магнитопровода и, соответственно, увеличению массы ТН до 110 кг.3-е условие

3-е условие может быть сформулировано так:

"Величина энергии, поступающей в феррорезонансный контур при каждом изменении параметра (индуктивности ТН), должна быть больше величины потерь в нем.

ФРП относится к параметрическим процессам, так как возникает, когда создаются условия (первое и второе) для изменения одного из параметров контура - индуктивности ТН, которая изменяется скачкообразно от индуктивности хх Lxx индуктивности насыщения Ls. Параметрический резонанс изучен достаточно полно. Известно, что при скачкообразном увеличении индуктивности энергия контура возрастает на величину 0,5(Lxx-Ls)I2c уменьшение индуктивности не вызывает изменение запаса электромагнитной энергии контура, так как на это изменение не затрачивается работа.Частота свободных колебаний тока в параметрическом контуре равна:

______________

g=Ö(1/LC) - (R/2L)2(11)

Эта собственная частота определяется исключительно параметрами L, C, и R контура. Если активное сопротивление мало по сравнению с волновым сопротивлением контура, то с достаточной точностью____

f = 1ÖL/C(12)В этом контуре собственная частота зависит только от индуктивности и емкости контура и совпадает с его резонансной частотой.По мере увеличения активного сопротивления возрастает относительное значение второго члена под корнем в выражении (11) и собственная частота уменьшается, то есть колебания свободного тока становится более медленным. Когда активное сопротивление достигает значения

____

R=2ÖL/C (13)собственная частота обращается в нуль, колебания прекращаются и свободный ток убывает по апериодическому закону, и в этом случае возникновение резонансных колебаний невозможно. Внесение в контур затухания, эквивалентного затуханию, вносимому критическим сопротивлением, предотвращает возбуждение ФРП. Величина резистора, необходимого для подавления ФРП, может быть вычислена по (13), однако наличие нелинейной зависимости L=f(i) усложняет расчеты и требует применения ЭВМ.

Упростим (13), используя тот факт, что при ФРП сохраняется действительным равенство индуктивной и емкостной проводимостей контура, как и при резонансе в линейном контуре, что позволяет выразить индуктивность ТН через эквивалентную емкость контура, которая остается постоянной, то есть не зависит от величины напряжения или тока, как это имеет место для индуктивности ТН. ТогдаL=1/2С, а Rнф=2/Сэкв (14)

Соотношение (14) и является математическим выражением третьего условия существования ФРП. Значения критических сопротивлений, соответствующих пределам изменения резонирующей емкости по 1-ому условию для ЗНОМ-35 равны: Rmax= 835кОм; Rmin= 47кОм.

Определенное значение критического сопротивления позволяет оценить значение потерь, необходимых для подавления ФРП, через затухание в контуре или через значение активной составляющей тока замыкания на "землю".

Сравним полученные значения критического сопротивления, активного тока и затухания по (14) с критерием снижения дуговых перенапряжений, разработанным впервые Петерсеном еще в 1918 году [8]. Формула для выбора сопротивления, ограничивающего перенапряжения, по Петерсену:Iа= (0,4....1,0)Iс (15)

Rн = (1,0.....2,5)/Cэкв (16)

Выразим критическое значение затухания и активного тока для сети через ее сопротивление нулевой последовательности и емкости по (13):

dкр= 1/RC = 0,5, т.к. Rкр= 2/C;

dкр= Iа/Iс= 0,5, т.к. IAкр = 0,5Ic

Как видно, сравниваемые значения практически совпадают, и можно сделать вывод, что защита сети от ФРП критическим сопротивлением по (14), позволяет одновременно защитить ее и от дуговых перенапряжений.

Одновременно, получаемые результаты позволяют объяснить случаи, когда в сети с резонансными характеристиками по соотношению параметров емкости и индуктивности ТН, не всегда возможен ФРП. Это вызвано тем, что собственное затухание сети в момент проведения опыта или при замыкании в сети равно или превышает критическое, равное 0,5, а это вполне вероятное состояние сети. Отсюда следует вывод: перед проведением опыта по оценке эффективности защитных мероприятий обязательно необходимо оценить реальную величину затухания сети, соотнести с величиной, критического для нее, и только в том случае, если эти величины существенно отличаются ( на порядок и более ), можно считать полученные результаты достоверными.

Третье условие (13) позволяет простейшим расчетом оценить достаточность затухания, вносимого тем или иным способом в контур, для подавления ФРП, то есть оценить эффективность любой защитной меры. Широко известно предложение о включении резистора 25 Ом [9] в схему разомкнутого треугольника, оказавшееся неэффективным. Это объясняется тем, что величина резистора выбрана из длительно допустимой мощности ТН, к которому подключен резистор, и составляет 400 ВА :rвт = U2вт/P = 1002/400 = 25 Ом; (Uвт= 100 В; P = 400 Вт)Такое затухание может подавить ФРП только при очень малом значении эквивалентной емкости сети. Пересчитаем значение rвт = 25 Ом, приняв его за критическое, в значение эквивалентной емкости сети, для которого оно будет эффективным средством подавления ФРП. Например, для ТН типа ЗНОМ-35

R1= rвт  K2тр = 25  3502 = 3,06106 Ом

Сэкв=2/R1 = 2,1 нФ или Ic = 0,013 АКак видно, внесение затухания резистором 25 Ом, подключением его в схему разомкнутого треугольника ТН, эффективно лишь при очень малых емкостях сети ( Iс £ 0,013 А). В то же время из опыта эксплуатации известно, что наиболее часто ТН повреждаются от ФРП в сети с Iс = 0,8 - 1,0 А на комплект ТН. Для подавления ФРП в такой сети в схему разомкнутого треугольника необходимо было бы включить резистор rвт = 0,33 Ом, что внесло бы нагрузку на ТН P=3,3 кВт и является недопустимым (максимальная мощность ТН составляет 1200 ВА).

В целом, величина затухания, вносимого в контур подключением к вторичной обмотке ТН резисторов, ограничена максимальной мощностью ТН, составляющей не более 1200 ВА, что в ряде случаев оказывается недостаточным.

Необходимая величина затухания может быть внесена подключением резисторов в первичную цепь. Так в сети с изолированной нейтралью наиболее эффективно подключение резистора к нейтрали сети, например, к нейтрали силового питающего трансформатора.

Определение оптимальных параметров разрядного устройства, способного защитить аппараты сети от воздействия неблагоприятных факторов, сопровождающих практически все изученные виды повреждений с однофазным замыканием на "землю", необходимо производить, исходя из следующих требований:

1. Разрядное устройство должно длительно выдерживать рабочее напряжение сети и отвечать требованиям ПУЭ.

2. Подключение разрядного устройства лишь в минимальной степени должно изменить режим нейтрали сети, то есть не должно сколько-нибудь существенно увеличивать ток замыкания на "землю".

3. Разряд емкости сети через это разрядное устройство должен происходить за время, меньшее половины периода промышленной частоты (t  0,01 с).

4. Затухание, вносимое эквивалентным сопротивлением разрядного устройства в контур, образуемый сетью, должно быть не меньше затухания, вносимого сопротивлением, равным критическому сопротивлению для данного контура.

Разрядное или гасительное устройство, выбранное по этим условиям, соответствует критическому сопротивлению для защищаемой сети. При этом величина резистора, выбранного в соответствии с третьим условием (13) является оптимальным. Как было показано выше, кроме подавления ФРП такой резистор предотвращает и возникновение дуговых перенапряжений. Этот же резистор успевает разрядить сеть и при наиболее неблагоприятном режиме дугового замыкания на "землю", когда дуга замыкается один раз в период и является фактически выпрямителем, что приводит к перевозбуждению индуктивных элементов сети постоянным током. Резистор, подключенный к нейтрали сети, разрядит ее емкость за время, меньшее полупериода, то есть предотвращает неблагоприятное воздействие и этого вида дуги (t = RCэкв = 2Cэкв/Cэкв = 2/  1/150 £ 0,01сек ). Резистор, выбранный по (13), практически не изменяет режим нейтрали сети, так как увеличивает ток замыкания на "землю" всего на 11%

_______ ____________ _____

I = (I2k+I2c) = (0,5Ic) 2 + I2c = Ö1,25Ic @ 1,11Ic Дополнительным положительным фактором заземления нейтрали через активное сопротивление является улучшение условий работы релейной защиты от замыканий на "землю" за счет появления стабильной активной составляющей в токе замыкания на "землю" [10]. Такой способ защиты сетей с изолированной нейтралью рекомендован симпозиумом [11], кроме того похожее техническое решение применяется для защиты сетей СН тепловых и атомных станций [12].

Технические требования к защитным резисторам для ЗЭС приведены в приложении 1.

Выводы по разделу 22.1. Три условия возбуждения и существования ФРП в контуре с ТН позволяют аналитически, не прибегая к решению системы нелинейных уравнений на ЭВМ, оценить возможность возникновения и существования ФРП в сетях с изолированной нейтралью.

2.2. Для предотвращения ФРП в сетях с изолированной нейтралью ТН должен быть рассчитан Uн=1,8Uл, что соответствует снижению номинальной индукции с BN=1,5 Тл до BN=0,9 Тл.

2.3. Наиболее эффективным средством защиты изоляции сети от дуговых перенапряжений следует считать заземление нейтрали через активное сопротивление, оптимальная величина которого равна критическому сопротивлению, выбираемому по третьему условию (13).

2.4. Подключение резисторов к вторичной обмотке ТН с целью внесения необходимого затухания малоэффективно, так как величина вносимого затухания ограничена максимальной мощностью ТН, и в большинстве случаев недостаточна для подавления ФРП.Список литературы1. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. Изд., 13-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1977 (Минэнерго СССР). - 288 с.

2. Алексеев В.Г., Зихерман М.Х. Феррорезонанс в сетях 6 - 10 кВ. - Электрические станции, 1978, № 1, с. 63 - 65.

3. Петров О.А. Смещение нейтрали при пофазных отключениях и обрывах фаз в компенсированной сети. - Электрические станции, 1972, № 9, с. 557 - 61.

4. Халилов Ф.Х. Еще раз о дуговых перенапряжениях в распределительных сетях 6 - 35 кВ . - Промышленная энергетика, 1985, № 2, с. 35 - 37.

5. Халилов Ф.Х. Коммутационные перенапряжения в сетях 6 - 10 кВ. - Промышленная энергетика, 19855, № 11, с. 37 - 41.

6. Калантаров Н.Л., Цейтлин Л.А. Расчёт индуктивностей. Справочная книга, 3-е изд., перераб. и доп. Л.; Энергоатомиздат.1966, с. 288

7. Решение № Э-З/87 Главтехуправления Минэнерго СССР от 25.02.87. О замене измерительных трансформаторов НТМИ-10. М.: Союзтехэнерго

8. Petersen W. Suppression of arcing grounds through neutral resistors and lightning arresters Е.T.Z., 39, 1918, 341.

9. Разъяснения к решению Главтехуправления № Э-18/72 “О защите электроустановок напряжением З-35 кВ от внутренних перенапряжений”.М.: ОРГРЭС /Экспресс-информация, сер. Эксплуатация оборудования энергосистем, 1974, № 31/159

10. Поляков В.С. О режиме нейтрали сетей напряжением 6-35 кВ. В сб. Тезисы докладов симпозиума “Теоретические и Электрофизические проблемы повышения надёжности и долговечности изоляции сетей с изолированной и резонансно-заземлённой нейтралью”.Таллин,1989

11. Решение симпозиума “Теоретические и электрофизические проблемы повышения надежности и долговечности изоляции сетей с изолированной и резонансно-заземлённой нейтралью” Таллинн, 18-19 апреля 1989г ТПИ

12. О защите от замыканий на землю сети 6,3 кВ собственных нужд ТЭС и АЭС. Директивное указание № 2799-Э 29.09.86. М.: Атомтеплоэлектропроект, ГУКС Минэнерго СССР.

13. Беляков Н.Н., Захерман М.Х. Исследование характеристик намагниченных силовых трансформаторов сверхвысокого напряжения., Труды ВНИЭЭ. Выпуск ХХХIV. М.: Энергия, № 3, с.46-58

netnado.ru

Экспериментальное исследование феррорезонансных процессов в синтетических схемах

Измерительные трансформаторы напряжения (ТН) электромагнитного типа подвержены повреждениям из-за возникновения феррорезонансных процессов. В настоящее время наиболее эффективной технической мерой по предотвращению феррорезонанса считается применение антирезонансных ТН. В ГОСТ 1983-2001 на измерительные трансформаторы напряжения нет четкого понятия «антирезонансный ТН». Не указано, что понимается под «антирезонансными свойствами ТН»», и не приводятся способы подтверждения антирезонансных свойств.

При разработке использовался метод математического моделирования в среде MATLAB. На основе результатов математического моделирования была спроектирована физическая модель, включающая в себя трансформатор на напряжение 220 В, для проведения дальнейших исследований, подтверждения и корректировки математической модели.

Разработана методика испытаний трансформаторов напряжения на стойкость к феррорезонансу. Методика испытаний опробована на реальной физической модели. Результаты испытаний в физической модели хорошо согласуются с математической моделью. Предложенная методика испытаний позволяет получить достоверные данные о стойкости трансформаторов напряжения к феррорезонансу, уточнить в процессе испытаний параметры математических моделей испытываемых трансформаторов.

I. Введение

Важной задачей в энергетике является обеспечение бесперебойного питания потребителей. Одной из причин, которая может помешать электроснабжению, является феррорезонанс.

Феррорезонанс - колебательный процесс в контуре, содержащем нелинейную индуктивность и емкость. В случае, когда феррорезонанс возникает в трансфор

маторе напряжения (ТН), в качестве нелинейной индуктивности выступает ТН, а емкость обусловлена наличием емкостных делителей в многоразрывных выключателях и емкостью ошиновок. Электромагнитные ТН часто повреждаются из-за возникновения опасных феррорезонансных процессов, при которых возникают токи и напряжения, превышающие номинальные в несколько раз, что и приводит к повреждению трансформатора. В сетях с глухо заземленной нейтралью

(110 - 500 кВ) основные причины возникновения феррорезонанса:

• отключение холостых ошиновок многоразрывными выключателями, оснащенными емкостными делителями напряжения;

• неполнофазные режимы, не сопровождающиеся короткими замыканиями, например обрыв шлейфа на опоре воздушной линии электропередачи (ВЛ) или на подстанции, отказ полюса выключателя при коммутации.

Основным способом борьбы с феррорезонансом является использование «антирезонансных» ТН, т.е. таких трансформаторов, конструкция которых ограничивает или исключает возникновение этого явления. Большинство российских производителей в настоящее время выпускают именно «антирезонансные» ТН. Новая политика ПАО «Россети» предусматривает применение исключительно «антирезонансных» ТН. Кроме этого, ПАО «Россети» требует подтверждать свойства аттестуемого оборудования испытаниями. В связи с этим возникают такие проблемы, как:

• отсутствие четкого определения «антирезонансный ТН» в ГОСТ 1983-2001;

• отсутствие в ГОСТ методических указаний по испытанию ТН на стойкость к феррорезонансу.

Из-за отсутствия данной нормативной базы заводы- изготовители могут недобросовестно проводить испытания своей продукции. Например, при испытаниях использовать такие емкости, при которых трансформатор заведомо не будет входить в устойчивый феррорезонанс. В связи с этим могут возникать проблемы при эксплуатации оборудования.

II. Цели и задачи

Целью исследования является разработка методики испытаний ТН на стойкость к феррорезонансу.

Задачи:

• разработка программы испытания ТН;

• разработка испытательной схемы;

• разработка защиты ТН при испытаниях;

• разработка измерительных цепей.

III. Программа испытаний ТН на стойкость

К ФЕРРОРЕЗОНАНСУ

испытания ТН на стойкость к феррорезонансу в реальных сетях связаны с риском повреждения оборудования, и поэтому наиболее целесообразно проведение испытаний в синтетических (воспроизводящих реальную сеть в лаборатории) схемах. При этом испытания ТН 110 кВ и выше в целом являются достаточно сложными с точки зрения технической реализации и весьма дорогостоящими. Поэтому для разработки методики испытаний и ее опробования на реальных трансформаторах была выбрана модель сети, основанная на трансформаторе напряжением 0,4 кВ.

Первым этапом предлагаемой методики испытаний является математическое моделирование, включающее в себя составление математической модели ТН и испы-

тательной схемы, а также подбор емкостей, при которых возникает устойчивый феррорезонанс в испытуемом трансформаторе. В качестве испытуемого трансформатора был выбран трансформатор ТІ II1-270-127/220-50, Данный трансформатор был выбран потому, что разработку и апробацию методики испытания ТН можно проводить на трансформаторах любого класса напряжения, а создание и изменение конфигурации испытательной схемы на небольшом напряжении можно производить, затрачивая меньше времени и финансовых ресурсов, На основании геометрических параметров магнитопровода, марки стали, из которой он изготовлен, а также геометрии и количества витков обмоток для исследуемого трансформатора была рассчитана кривая намагничивания, Далее, применяя расчетную схему (рис, 1), путем большого количества компьютерных симуляций была построена область существования феррорезонанса (рис, 2) для испытуемого трансформатора, показывающая, при каких емкостях, моделирующих емкости ошиновок и выключателей, трансформатор будет входить в устойчивый феррорезонанс,

 

Вторым этапом предлагаемой методики является создание и

ingeneryi.info

Антирезонансные трансформаторы напряжения. Перспективы развития

Вопросы устойчивости трансформаторов напряжения к феррорезонансу существовали давно, но приобрели свою значимость только в последние годы, что выразилось во введении в ГОСТ 1983-2001 нового термина «антирезонансный трансформатор напряжения».Обычные электромагнитные ТН не обладают антирезонансностью и часто повреждаются по этой причине. Для повышения их надежности в России разработаны и выпускаются электромагнитные антирезонансные ТН почти на все классы напряжения. Однако и они имеют недостатки, поэтому не следует останавливаться на достигнутом, считает Михаил Хаимович Зихерман. Его материал не только отражает сегодняшний день в производстве антирезонансных ТН, но и ставит задачи на будущее.

Антирезонансные трансформаторы напряжения. Перспективы развития

 

ТН 3–35 кВ

Электроустановки этих классов напряжения в России работают обычно с изолированной нейтралью. Феррорезонансные процессы в таких сетях могут развиваться только в нулевом канале. При этом одновременно резонирует вся сеть. Междуфазные напряжения остаются без изменения, а искажаются только фазные. Для восполнения потерь в нулевом канале необходим источник энергии, который в нормальном симметричном режиме отсутствует. Чтобы этот источник появился, необходима несимметрия – нарушение изоляции, обрывы и замыкания проводов, а также несимметрия проводимостей на землю линий электропередачи или отдельных фаз ТН в разной степени насыщения стали магнитопровода. Повреждениям от феррорезонанса подвержены только заземляемые ТН, контролирующие изоляцию относительно земли. Высокая повреждаемость таких ТН заставила перейти от обычных ТН к антирезонансным с сохранением за ними всех прежних функций. Промышленный выпуск электромагнитных антирезонансных ТН начался в России 20 лет назад с появлением трехфазного масляного трансформатора НАМИ-10-У2. С тех пор ассортимент антирезонансных ТН 3–35 кВ значительно расширился.

В настоящее время выпускаются две разновидности масляных антирезонансных ТН. Первая – это НАМИ-10-95 и НАМИ-35, вторая – НАМИТ-10 [1]. Обе предусматривают наличие в одном баке двух трансформаторов – трехфазного и однофазного. Первичная обмотка однофазного трансформатора включена между нейтралью обмоток трехфазного трансформатора и землей. Отличаются они тем, что у НАМИ вторичная обмотка однофазного ТН всегда разомкнута, а у НАМИТ в нормальном режиме она короткозамкнута. Размыкается она только при феррорезонансе в сети. Механизм размыкания вторичной обмотки у НАМИТ довольно сложен – он состоит из реле обнаружения феррорезонанса и реле дешунтирования обмотки. Для питания обмоток реле требуется оперативный ток. В большинстве случаев набор реле отсутствует и вторичная обмотка постоянно замкнута. Короткозамкнутый однофазный трансформатор превращается, по существу, в разновидность балластного сопротивления в нейтрали группы однофазных ТН. В этом кроется дополнительный источник повреждаемости НАМИТ-10. Однако основной недостаток всех масляных ТН одинаков – это пожароопасность.

Кроме масляных ТН, в России выпускается литая трехфазная группа ТН типа ЗНОЛ.06 напряжением 6–10 кВ. Антирезонансные свойства этой группе придает введение в нейтраль первичной обмотки дополнительного резистора сопротивлением 800–1000 Ом [2]. Использование литой изоляции вместо масляной коренным образом меняет качество изделия в лучшую сторону. Но из-за несовершенства схемы соединения обмоток эти трансформаторы оказались недостаточно надежными. Для защиты от повреждений авторы предлагают снабжать их встроенными предохранителями, которые отсоединяли бы ТН от резонирующей сети. Однако этот метод плох тем, что предохранитель перегорает именно в момент нарушения нормальной работы сети и характер этого нарушения остается невыясненным.

Необходимо объединить положительные качества всех выпускаемых антирезонансных ТН в одну конструкцию и разработать пожаробезопасные литые антирезонансные трансформаторы напряжением 3–35 кВ.

Создавая новые ТН, необходимо обеспечить длительную устойчивость их конструкции к следующим видам феррорезонанса, от которых страдают обычные трансформаторы:

Однофазные замыкания сети на землю через перемежающуюся дугу, поскольку ГОСТ 1983-2001 никак не отделяет дуговые замыкания от металлических, ограничивая их длительность восемью часами, что не соответствует условиям эксплуатации. В реальности на поиск и устранение однофазного замыкания может уйти несколько суток, и, если оно окажется дуговым, антирезонансный ТН должен выдерживать его без повреждения. Обычные ТН в таком режиме повреждаются за несколько десятков минут.

Феррорезонанс ТН с емкостью ненагруженных шин или коротких сетей. Это явление носит название «ложной земли» или «самопроизвольного смещения нейтрали». Колебания напряжения нулевой последовательности происходят обычно на частотах 16,6; 25 или 50 Гц. Новый трансформатор вообще не должен быть подвержен этому явлению, и при симметричном питании небаланс напряжения 3U0 в этих условиях не должен превышать допустимых величин.

Повышение всех фазных напряжений при гармоническом феррорезонансе на частоте 50 Гц, когда одна фаза линии, подходящей к силовому потребительскому трансформатору, обрывается с замыканием на землю со стороны этого трансформатора. Напряжение на «здоровых» фазах сети может повыситься на 15–20% сверх линейного, а на «больной» фазе – до 100%, то есть до 20 кВ в сети 10 кВ. Трехфазные асинхронные двигатели у потребителя вращаются при этом явлении в обратную сторону, а обычные ТН, установленные на шинах в центре питания, повреждаются за 20–30 секунд. После повреждения ТН феррорезонанс срывается и может возобновиться уже только после перегорания предохранителя у ТН. Зафиксировать этот процесс без аварийного осциллографа очень трудно, и причина повреждения ТН остается невыясненной. Такие случаи довольно часто встречаются, и пренебрегать вероятностью их возникновения не следует.

Феррорезонанс «ложной земли», вызванный присутствием в сети обычных ТН, которые не только резонируют сами, но и могут отрицательно воздействовать на соседние антирезонансные ТН.

Новый антирезонансный ТН в процессе проведения квалификационных государственных испытаний должен будет, кроме требований ГОСТ 1983-2001, соответствовать вышеизложенным требованиям. Для проведения дополнительных испытаний на устойчивость к феррорезонансным явлениям потребуется разработка соответствующих методик.

ТН 110 кВ

Сети 110 кВ в России работают с глухозаземленной нейтралью. Поэтому феррорезонансных процессов в нулевом канале здесь возникнуть не может. Однако если отдельный участок сети потеряет нейтраль, такие процессы возможны. Потеря нейтрали может произойти там, где нейтраль всех силовых трансформаторов 110 кВ разземлена. Это делается либо для уменьшения токов при однофазных коротких замыканиях, либо для облегчения работы релейной защиты.

Резонансные напряжения фаза–земля на участках сети с потерей нейтрали могут длительно повышаться относительно номинала в 2,5 раза. Обычные ТН на столь большие повышения напряжения не рассчитаны и повреждаются в считанные минуты. Так же быстро повреждаются и емкостные ТН. Однако антирезонансный ТН-110, устойчивый к такому сверхсильному воздействию, до сих пор не создан, и создавать его, по-видимому, нецелесообразно.

Максимум, что можно сделать без потери конкурентоспособности – это увеличить активное сопротивление первичной обмотки. Так, у антирезонансных ТН типа НАМИ-110 сопротивление первичной обмотки по сравнению с обычными НКФ-110 увеличено в 4 раза. Это помогает подавить субгармонический феррорезонанс на частоте 16,6 Гц, возникающий на одной фазе при ее обрыве на транзитной линии. Энергия в феррорезонансный контур в этом случае поступает через междуфазные емкости проводов [3].

ТН 220–330–500 кВ

Сети 220–330–500 кВ тоже работают с глухозаземленной нейтралью. Нейтрали силовых трансформаторов и автотрансформаторов всегда заземлены. Случаев потери нейтрали не зафиксировано.

Поэтому феррорезонансные процессы возможны здесь только на участках сети небольшой протяженности, например, на перемычках между выключателями или на сборных шинах, где установлены электромагнитные ТН. Индуктивность намагничивания этих ТН может вступать в феррорезонанс с емкостями конденсаторов, шунтирующих разрывы высоковольтных выключателей. Если конденсаторы отсутствуют, феррорезонанс невозможен.

Современные элегазовые выключатели 330–500 кВ выполнены с двумя разрывами на фазу. Конденсаторы, шунтирующие эти разрывы, имеют емкость по 1000 пФ и выше. Элегазовые выключатели 220 кВ одноразрывны, и шунтирующие конденсаторы у них отсутствуют. Однако у воздушных выключателей 220 кВ, находящихся в эксплуатации, конденсаторы сохраняются. Это де- лает актуальной задачу разработки и производства отечественных антирезонансных ТН 220–500 кВ. Они могут быть как емкостными, так и индуктивными. Емкостные ТН 220–500 кВ антирезонансны по своей природе, так как емкость с емкостью не резонирует. К тому же они содержат в своем составе колонну конденсаторов связи. Эти положительные свойства определили широкое распространение этого типа ТН за рубежом. Однако емкостные ТН по сравнению с электромагнитными имеют ряд недостатков:

• неравномерность амплитудно-частотной характеристики, препятствующая достоверному измерению процентного содержания высших гармоник в кривой первичного напряжения, что необходимо для анализа качества электроэнергии. Эта неравномерность вызвана наличием в электромагнитном устройстве компенсирующего реактора, который настраивается в резонанс с емкостью делителя только на основной частоте 50 Гц. На высших гармониках компенсация нарушается;
• влияние на точность измерения соседних токоведущих частей, находящихся под напряжением. Степень этого влияния трудно оценить и учесть, поскольку паразитные емкости, через которые оно происходит, различны в разных распредустройствах. Точность
• коммерческого учета снижается.

К сожалению, одновременно использовать оба положительных свойства емкостных ТН не удается. Устойчивость к феррорезонансу используется только при установке ТН на шинах, а наличие колонны конденсаторов связи – только при установке на линии. В результате на шинах размещается емкостный ТН, а на линии – индуктивный плюс отдельная колонна конденсаторов связи. Электромагнитный ТН необходим для организации точного коммерческого учета электроэнергии и анализа ее качества.

Указанное обстоятельство оправдывает разработку и производство антирезонансных электромагнитных ТН для их установки на шинах, где и организуется точный учет и анализ качества электроэнергии. Емкостный ТН монтируется на линии, что делает излишней установку дополнительной колонны конденсаторов связи.

Электромагнитные антирезонансные ТН типа НАМИ 220–330500 кВ уже разработаны во ВНИИЭ и внедрены в производство на Раменском электротехническом заводе.

При разработке НАМИ 220–330–500 кВ был использован способ подавления феррорезонанса с помощью добавления в обычный магнитопровод пластин из толстолистовой конструкционной стали [4]. Это не мешает работе ТН в обычном режиме, так как нормальный магнитный поток сосредоточен в основном в ненасыщенной тонколистовой электротехнической стали и не попадает в толстые пластины.

Феррорезонанс всегда сопровождается повышением магнитного потока и насыщением тонколистовой электротехнической стали. Избыточный магнитный поток вытесняется из нее и вынужден проходить либо по воздуху, либо по конструкционной стали. Магнитная проницаемость ферромагнитной конструкционной стали намного выше, чем у воздуха, и поток проходит по ней.

Магнитное поле проникает в глубину пластин и создает там потери на вихревые токи.

При разработке конструкции НАМИ 220–500 кВ предварительно рассчитывались параметры пластин и выбиралась марка конструкционной стали. По намагничивающему току, числу витков и длине силовой линии рассчитывалась напряженность магнитного поля на поверхности листа. По этой напряженности определялись необходимая толщина листа и удельные потери. Требуемая мощность потерь в ТН делилась на величину удельных потерь и тем самым находилось минимально возможное количество конструкционной стали. Для закладки в трансформатор выбирался вариант, обеспечивающий наибольшие потери.

Затем производился уточненный расчет феррорезонансных колебаний с выбранными параметрами конструкционной стали. Решалась система нелинейных дифференциальных уравнений, где стальные пластины по толщине разбивались на большое количество тонких слоев (расчеты производились сотрудником ВНИИЭ В.Г. Алексеевым по специально разработанной программе). Каждый слой представлялся характеристикой намагничивания и удельной электропроводностью материала. В результате уточнялся процесс проникновения магнитного поля внутрь листа при попытках возникновения феррорезонанса и проверялась правильность ранее принятых решений.

При проведении уточненного расчета следует учитывать, что напряженность магнитного поля вдоль силовой линии распределена неравномерно. Внутри обмотки, где расположен стержень магнитопровода, она в несколько раз выше, чем снаружи, где расположены ярма. Поэтому толщина пластин в стержне и в ярмах принята различной: в стержне 6 мм, а в ярмах 0,5–1,0 мм. Если правильно выбрать марку конструкционной стали, количество и толщину пластин, то потери энергии в них всегда помогут подавить гармонический феррорезонанс на частоте 50 Гц и не допустить повреждения ТН. Что касается подавления субгармонического феррорезонанса на частотах 16,6 или 10 Гц, то этот способ при больших величинах емкостей может оказаться недостаточно эффективным, так как со снижением частоты потери падают. Однако субгармонический феррорезонанс не так опасен для оборудования, как гармонический, поскольку токи при нем снижаются соответственно в 9 или в 25 раз. Нагрев первичной обмотки ТН и того больше – в 81 или 625 раз.

Тепло выделяется не только в первичной обмотке ТН, но и в пластинах конструкционной стали. Температура нагрева этих пластин зависит как от величины потерь, так и от условий охлаждения. Поэтому возможны случаи, когда перегрев конструкционной стали способен ограничить допустимую длительность субгармонического феррорезонанса. Этот вопрос требует дополнительного изучения, в результате которого должны быть экспериментально определены области применения этих трансформаторов, то есть конкретные границы величин емкостей распредустройств.

Большое значение имеет выбор конструкционной стали. Во-первых, она должна быть ферромагнитной, а во-вторых, иметь высокую удельную электропроводность материала. Чем она выше, тем больше удельные потери. Достаточную удельную электропроводность имеют конструкционные стали с низким (сотые доли процента) содержанием кремния. При высоком содержании кремния (2,5–4,0%) удельная электропроводность падает в несколько раз, и такая сталь не пригодна.

Активная часть каждой ступени размещена в отдельном фарфоровом корпусе. Первичные обмотки всех ступеней соединены по- следовательно. Все ступени связаны между собой связующими низковольтными обмотками. Об этом нельзя забывать при монтаже. У ТН типа НАМИ имеется вторая основная вторичная обмотка класса точности 0,2, предназначенная только для питания цепей коммерческого учета электроэнергии и анализа качества напряжения. Выводы этой обмотки расположены в отдельной коробке, которую можно опломбировать с целью предотвращения несанкционированного доступа.

ВЫВОДЫ

1. Антирезонансные индуктивные трансформаторы напряжения 3–35 кВ пока несовершенны. Необходимо разработать пожаробезопасный трансформатор с литой изоляцией, устойчивый ко всем видам феррорезонанса, и методику дополнительных испытаний.

2. Антирезонансный трансформатор напряжения НАМИ-110 неустойчив к феррорезонансным повышениям напряжения в случае потери нейтрали участком сети. Разработка устойчивого трансформатора только для этого случая нецелесообразна по условиям конкурентоспособности. 3. Антирезонансные индуктивные трансформаторы напряжения НАМИ 220–330–500 кВ по точности измерений превосходят емкостные, успешно эксплуатируются в России и за рубежом. Необходимо дополнительно уточнить область их применения.

Всего комментариев: 0

ukrelektrik.com

---

• 
  Типы трансформаторов тока
• 
  Принцип работы силового трансформатора
• 
  Нейтраль трансформатора
• 
  Трансформаторы напряжения 10 кв
• 
  Монтаж силовых трансформаторов
• 
  Токовый трансформатор
• 
  Испытание трансформатора
• 
  Трансформатор постоянного тока
• 
  Трансформаторы напряжения назначение и принцип действия
• 
  Измерительные трансформаторы тока и напряжения
• 
  Автотрансформаторы устройство и принцип действия