Применение антирезонансных трансформаторов с целью повышения качества электроэнергии



Феррорезонанс — это нелинейный резонанс в электрической цепи, содержащей хотя бы один ферромагнитный элемент [1, с. 63].

Явление феррорезонанса вызывает перенапряжения или сверхтоки, на воздействие которых оборудование не рассчитано и от которых оно не имеет защиты. Особая опасность феррорезонанса в том, что он возникает в одной и той же цепи различных его режимов в ответ на разнообразные возмущения, и длительность его существования неограниченна. Необходимое условие — ёмкость и нелинейная индуктивность в контуре.

Нелинейными электрическими элементами цепи называются элементы, параметры которых зависят от напряжений, токов, магнитных потоков и других величин. В линейных цепях феррорезонанс не встречается. Причина нелинейности индуктивности — материал магнитопровода индуктивного элемента, нелинейно реагирующий на магнитное поле. Магнитопроводы обычно выполняются из ферромагнитных или ферримагнитных материалов.

Рассмотрим Вебер-Амперную характеристику трансформатора напряжения:

,

где — потокосцепление, — ток через индуктивный элемент. График Вебер-Амперной характеристики представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Вебер-Амперная характеристика трансформатора напряжения

Из графика характеристики видно, что её можно условно разделить на три участка:

I — первый линейный участок характеристики, насыщение сердечника не происходит.

II — нелинейный участок, происходит насыщение сердечника.

III — второй линейный участок характеристики, трансформатора работает с насыщенным сердечником.

Стоит отметить, что измерительные трансформаторы напряжения для увеличения класса точности работают на самом верху первого участка, в режиме близкому к режиму холостого хода [2, с. 393].

При различных колебаниях в сети, рабочая точка смещается с первого участка цепи на третий, проходя через нелинейный участок характеристики. При этом изменяется индуктивность, и она может стать равна эквивалентной емкости сети:

,

где — индуктивное сопротивление цепи, — емкостное сопротивление цепи. Схема колебательного контура с обозначением эквивалентной емкости представленная на рисунке 2.

Рис. 2. Схема колебательного контура с обозначением

Сеть входит в состояние феррорезонанса, которое является для трансформаторов напряжения устойчивым. Ток в обмотках трансформатора напряжения значительно возрастает, начинается разрушение изоляции, происходят витковые замыкания.

Режим феррорезонанса может быть основным, субгармоническим, квазипериодическим или хаотическим. В основном режиме колебания токов и напряжений соответствуют частоте системы. В субгармоническом режиме токи и напряжения имеют меньшую частоту, для которой основная частота является гармоникой. Квазипериодический и хаотический режимы встречаются редко. То, какой режим феррорезонанса возникнет в системе, зависит от параметров системы и от начальных условий.

Возникнувший внезапно в электрической сети феррорезонанс вреден, он может полностью вывести из строя электрооборудование, вызывать сбои в работе устройств, привести к пробою изоляции, пожарам, а порой и к взрывам.

Наиболее опасен основной режим феррорезонанса, когда его частота совпадает с основной частотой системы. Субгармонический феррорезонанс на частотах в 1/5 и 1/3 основной частоты менее опасен, поскольку токи оказываются меньше. Так, большое количество аварий в сетях электроснабжения и прочих энергосистемах связаны именно с феррорезонансом, хотя вначале причина может показаться неявной.

Отключения, подключения, переходные процессы, грозовые перенапряжения могут стать причинами возникновения феррорезонанса. Смена режима работы сети или внешнее воздействие либо авария могут инициировать феррорезонансный режим, хотя это может быть и незаметно на протяжении долгого времени.

Повреждения трансформаторов напряжения часто имеют причиной именно феррорезонанс, который приводит к разрушительному перегреву из-за действия превышающих все мыслимые пределы токов.

Сети напряжения 110 кВ работают с эффективно заземленной нейтралью, однако у значительной части силовых трансформаторов она разземлена для уменьшения токов короткого замыкания и упрощения релейной защиты. В этих сетях были замечены три вида устойчивых феррорезонансных явлений:

– гармонический (50 Гц) и субгармонический (16,6 Гц) феррорезонанс между нелинейной индуктивностью трансформаторов напряжения и емкостями конденсаторов, шунтирующих разрывы высоковольтных выключателей;

– субгармонический феррорезонанс при неполнофазных режимах линий электропередачи, когда напряжение попадает на отключенную фазу (вместе с установленным ТН) через междуфазные емкости линии;

– гармонический феррорезонанс при неполнофазных режимах линий электропередачи, когда емкость невключенной фазы резонирует с нелинейной индуктивностью отпаечного силового трансформатора с разземленной нейтралью [3, с 100].

На линии 110 кВ в случае отказа выключателя, разъединителя или из-за обрыва проводов может возникнуть неполнофазный режим. Резонансные напряжения фаза– земля на участках сети с потерей нейтрали могут длительно повышаться относительно номинала в 2,5 раза. Обычные ТН не выдерживают такого большого изменения напряжения. Так же быстро повреждаются и емкостные ТН. Однако антирезонансные ТН-110, устойчивые к такому сверхсильному воздействию, пока еще не созданы.

В сетях с напряжениями 220–750 кВ, при неполнофазном режиме, тоже возможны повышения напряжения основной частоты, но они не столь значительны, как и в сетях 110 кВ. Практическую опасность для электромагнитных ТН часто представляют феррорезонансы с емкостями конденсаторов, шунтирующих разрывы высоковольтных выключателей. Избавиться от шунтирующих конденсаторов удалось только на новых элегазовых выключателях 220 кВ, а на напряжении 330–750 кВ конденсаторы еще остаются.

Результирующая емкость конденсаторов, шунтирующих один полюс выключателя, может быть весьма значительной — более 1000 пФ. Если после отключения выключателя напряжение источника через эти конденсаторы попадет на ТН, то может возникнуть феррорезонанс [4, с 370].

Существуют следующие способы борьбы с возникновением феррорезонанса:

1. Выбор схем электрических соединений, в которых возникновение феррорезонанса исключено.
2. Увеличение емкости системы шин путем подключения к ним батарей конденсаторов связи.
3. Применение емкостных трансформаторов напряжения НДЕ вместо электромагнитных трансформаторов напряжения НКФ.
4. Применение специальных устройств, фиксирующих возникновение феррорезонанса и осуществляющих его подавление и вывод трансформатора напряжения из феррорезонанса.
5. Внедрения в эксплуатацию антирезонансных трансформаторов напряжения. [5, с 10]

Из всех перечисленных способов, наибольшее распространение получил последний, т. е. установка антирезонансных трансформаторов напряжения.

В отличии от других способов, этот обладает рядом преимуществ, а именно:

1. Не создаёт ограничений для конфигурации схемы электрических соединений, тем самым, не уменьшая её надежность.
2. В нём не используются дорогостоящие конденсаторы, имеющие непродолжительный срок службы.
3. Проще и надежнее специальных устройств защиты от феррорезонанса.

Известны несколько способов борьбы с феррорезонансом, на основе которых можно разработать антирезонансный электромагнитный ТН 110–750:

– линеаризация характеристики намагничивания путем размыкания магнитопровода;

– повышение потокосцепления насыщения путем снижения номинальной индукции;

– повышение потерь в меди первичной обмотки;

– повышение потерь в стали магнитопровода. [6, с 45]

Целью данной работы являлось изучение антирезонансного трансформатора напряжения НАМИ-110.

Он представляет собой однофазный электромагнитный масштабный преобразователь некаскадного типа. Имеет первичную, две основных и одну дополнительную вторичные обмотки, изолированные бумажно-масляной изоляцией и помещенные в металический корпус с маслом. Наверху корпуса расположена фарфоровая покрышка с маслорасширителем. Вторичные основные обмотки обеспечивают номинальный коэффициент трансформации 1100, дополнительная — 1100/.

Рис. 3

В качестве поглотителя энергии феррорезонансных колебаний конструкторы НАМИ-110 используют толстолистовую конструкционную сталь, обладающую высокой магнитной проницаемостью, но существенными потерями при большой напряженности магнитного поля. Таким образом, потери в конструкционной стали за счет вихревых токов в толще пластин возрастают с увеличением тока, что и приводит к срыву феррорезонанса. Ограничением при использовании толстолистовой конструкционной стали является необходимость сохранения высокого класса точности измерительного прибора (0,2 и 0,5) [7, с 1].

Испытание ТН 220–750 кВ на устойчивость к феррорезонансу с емкостями конденсаторов, шунтирующих разрывы высоковольтных выключателей, провести на действующей подстанции технически несложно. Значительно труднее его организовать. Поэтому испытывать антирезонансные ТН удобнее в высоковольтном зале завода-изготовителя.

Для этого необходимо соорудить феррорезонансный контур, состоящий из регулируемого высоковольтного источника частоты 50 Гц с номинальным током не менее 1 А, набора высоковольтных конденсаторов, способных выдержать перенапряжения, и испытуемого ТН. Из высоковольтных конденсаторов следует собрать высоковольтный делитель, верхнее плечо которого подключается к источнику и имитирует шунтирующие конденсаторы выключателя, а нижнее плечо — емкость ошиновки, параллельно которой установлен ТН. При желании параллельно верхнему плечу можно установить высоковольтный выключатель, но в нем нет необходимости, так как возбуждать феррорезонанс можно и отключением кратковременного короткого замыкания во вторичных цепях ТН.

Напряжение источника и емкость конденсаторов выбираются так, чтобы эквивалентный контур мог иметь параметры, на которые рассчитана безаварийная работа ТН. Как правило, они должны превышать параметры подавляющего большинства реальных распредустройств.

Цель испытаний — убедиться в том, что при всех возможных сочетаниях эквивалентной емкости и напряжения источника устойчивый феррорезонанс остается субгармоническим и не переходит на частоту 50 Гц. Для этого нужно подбирать параметры так, чтобы можно было проконтролировать все области, вызывающие подозрение. Обычно они расположены у верхней границы напряжения эквивалентного источника.

Первый этап испытаний заключается в многократных попытках возбуждения феррорезонанса в различных контурах. Необходимость в многократности попыток вызвана неоднозначным течением переходного процесса и случайностью его конечного результата. В одном и том же контуре может возникнуть устойчивый феррорезонанс на частоте либо 50, либо 16,6, либо 10 Гц, либо его может совсем не быть. Испытание считается успешным, если ни в одной из попыток не возникал устойчивый гармонический феррорезонанс.

На втором этапе определяется температурная устойчивость ТН к субгармоническому феррорезонансу на частоте 16,6 Гц. Для этого в контуре с предельными параметрами емкости и напряжения возбуждается устойчивый феррорезонанс и выдерживается в течение 6 ч. Каждый час измеряются напряжение и ток ТН и, по возможности, рост температуры отдельных элементов.

Испытание считается успешным, если температура первичной обмотки за время испытания повысилась не более чем на 50°С (для масляных ТН).

В тех случаях, когда ТН состоит из одинаковых отдельных ступеней, можно ограничиться испытанием одной ступени, пересчитав соответственно параметры контура. Емкость конденсаторов нужно увеличить по числу ступеней, а напряжение источника во столько же раз уменьшить.

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:

1. Отключение холостых ошиновок многоразрывными выключателями, оснащенными емкостными делителями напряжения.
2. 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.

Таким образом, одной из наиболее эффективных мер по предотвращению феррорезонанса является изменение конструкции самих ТН с целью придания им антирезонансных свойств. 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.

Литература:

1. Алексеев В. Г., Зихерман М. Х. Феррорезонанс в сетях 6–10 кВ. — Электрические станции, 1978, № 1, с. 63–65.
2. Разевиг Д. В. Техника высоких напряжений. — М.: Энергия. — 1976. — 488 с.
3. Важов В. Л., Лавринович В. А., Лопаткин С. А. Техника высоких напряжений — Томск: ТПУ, 2006–119 с.
4. Базуткин В. В. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах. — М.: Энергоэатомиздат, 1986–464 с.
5. Кадомская К. И., Лаптев О. В. Антирезонансные трансформаторы напряжения эффективность применения // Новости ЭлектроТехники. — № 6(42). — 2006. С. 44–50.
6. СТО 56947007–29.240.10.191–2014. Методические указания по защите от резонансных повышений напряжения в электроустановках 6–750 кв. — ОАО ФСК ЕЭС, 2014. — 33 с.
7. НАМИ-110 трансформаторы напряжения антирезонансные герметичные. Паспорт. URL: http://www.tdtransformator.ru/files/388/nami-110_pasp.pdf (дата обращения: 07.06.2019).