 |
АНТИРЕЗОНАНСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Эффективность применения
Кира Кадомская, профессор, д.т.н.
Олег Лаптев, аспирант
Кафедра техники и электрофизики высоких напряжений Новосибирского государственного технического университета
Электромагнитные трансформаторы напряжения, являясь одним из важнейших элементов электроэнергетических систем, часто подвергаются различного рода повреждениям. Основной причиной этого являются феррорезонансные процессы, приводящие к перегреву и повреждению обмоток трансформаторов напряжения ввиду их малой мощности. С целью защиты от этого явления были разработаны антирезонансные трансформаторы напряжения.
Кира Пантелеймоновна Кадомская и Олег Игоревич Лаптев в своем материале рассматривают процессы, происходящие в электрических сетях 6–220 кВ при использовании антирезонансных трансформаторов напряжения.
Практика эксплуатации трансформаторов напряжения (ТН) электромагнитного типа в электрических сетях разного назначения и различного напряжения показала, что в процессе эксплуатации этих сетей могут возникать ситуации, приводящие к феррорезонансным явлениям в эквивалентных контурах, содержащих емкость электрооборудования сети и нелинейную индуктивность намагничивания ТН. При этом на изоляции электрооборудования могут возникать как перенапряжения на высших гармонических, так и повышенные значения токов в обмотке ВН ТН при возбуждении субгармонических колебаний.
В электрических сетях 6–24 кВ, эксплуатируемых с изолированной нейтралью, такие условия могут возникнуть чаще всего при однофазных дуговых замыканиях на землю (ОДЗ). В электрических сетях с глухим заземлением нейтрали – в разного рода коммутациях и неполнофазных режимах, в которых питание ТН осуществляется от источника с внутренним емкостным сопротивлением (коммутации ошиновок многоразрывными выключателями, оснащенными емкостными делителями напряжения, неполнофазные коммутации в электрических сетях, в которых роль внутреннего емкостного сопротивления играет междуфазная или межцепная емкости). Очевидно, что условия феррорезонанса соблюдаются при определенном соотношении емкостного входного сопротивления и характеристики намагничивания ТН, зависящей от конструкции его магнитопровода на той или иной частоте.
Анализ влияния конструкции ТН 6(10) кВ на условия возникновения опасных феррорезонансных колебаний был, в частности, отражен в [1, 2]. Феррорезонасные явления в сетях с глухим заземлением нейтрали рассматривались в основном при оснащении сети ТН типа НКФ, в конструкции которых не предусмотрены меры, исключающие или уменьшающие вероятность возникновения опасных феррорезонансных явлений в описанных выше коммутациях [3, 4].
Для предотвращения опасного феррорезонанса в сетях, оснащенных ТН типа НКФ, применялись разного рода внешние меры: подключение резисторов и дополнительных емкостей к коммутируемому объекту, программирование последовательности отключения коммутирующей аппаратуры и др. Однако, как и в случае сетей, эксплуатируемых в режиме изолированной нейтрали, наиболее естественным путем является создание антирезонансных ТН.
В настоящей статье на основе компьютерного моделирования анализируются процессы в электрических сетях 6–220 кВ, оснащенных антирезонансными ТН типа НАМИ.
Рис. 1. Принципиальные схемы ТН-6(10) кВ типа НТМИ (а) и НАМИ (б)
СЕТИ 6–35 КВ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
Принципиальные схемы ТН типа НТМИ-10 и НАМИ-6, предназначенных для эксплуатации в сетях с изолированной нейтралью, приведены на рис. 1. Антирезонансный ТН типа НАМИ (рис. 1,б) представляет собой, в сущности, два трансформатора (трехфазный и однофазный), расположенные в одном корпусе. Однофазный трансформатор за счет большого количества витков обладает почти линейной кривой намагничивания и большим индуктивным сопротивлением. Антирезонансные свойства НАМИ в основном обеспечиваются компенсационной обмоткой, соединенной в треугольник и замкнутой накоротко.
Опасные феррорезонансные колебания чаще наблюдаются в электрических сетях, имеющих небольшую протяженность, из-за относительно небольшой емкости этих сетей и соответственно большей вероятности возникновения феррорезонансных условий в контурах, содержащих емкости сети и индуктивности намагничивания фаз ТН.
К таким сетям прежде всего следует отнести распределительные сети, состоящие в основном из воздушных линий (погонная емкость КЛ 6(10) кВ в десятки раз превышает погонную емкость ВЛ этих же классов напряжения). Опасные феррорезонансные колебания могут также наблюдаться в электрических сетях генераторного напряжения блоков электрических станций, и, кроме того, в сетях их собственных нужд, в электрических сетях 6(10) кВ насосных и компрессорных станций магистральных нефте- и газопроводов. В этих сетях вращающиеся электрические машины (генераторы или двигатели) присоединены к повышающим силовым трансформаторам с помощью кабелей относительно небольшой длины, т.е. обладающих сравнительно небольшой емкостью.
Следует отметить, что емкость экранированных токопроводов, применяющихся на генераторном напряжении в мощных блоках, существенно меньше емкости соответствующих кабельных присоединений. Допустимые токи (эффективные значения) в обмотке ВН ТН 6(10) кВ составляют 0,2–0,3 А. Расчеты при ОДЗ в распределительной сети 6 кВ показали, что условия существования феррорезонанса при оснащении сети ТН типа НТМИ соблюдаются при величине емкости, не превышающей примерно 3 мкФ. Такая емкость отвечает протяженности воздушной сети менее 240 км, а кабельной сети – менее 3 км. В случае же оснащения сети ТН типа НАМИ, устойчивого феррорезонанса не наблюдалось при любой протяженности сети (при проведении расчетов индуктивность намагничивания однофазного трансформатора принималась равной 20–30 Гн).
Аналогичные результаты были получены при исследовании процессов, сопровождающих ОДЗ на одной из секций сети собственных нужд 6 кВ ТЭЦ. На рис. 2 приведены компьютерные осциллограммы токов в обмотке ВН ТН при установке на секции ТН типа НТМИ (а) и НАМИ (б). Из этих осциллограмм следует, что при установке на секции ТН типа НТМИ наблюдается установившийся феррорезонанс, причем токи в обмотке ВН ТН превышают допустимый уровень. При установке же ТН типа НАМИ условия существования феррорезонанса нарушаются за счет того, что компенсационная обмотка шунтирует нелинейную индуктивность ТН в контуре нулевой последовательности. Эквивалентная схема нулевой последовательности сети с изолированной нейтралью и ТН типа НАМИ приведена на рис. 3.
Рис. 2. Токи в фазах обмотки ВН ТН при ОДЗ на секции ССН ТЭЦ (3Cф = 3 мкФ) типа НТМИ (а) и НАМИ (б)
Из рис. 3 видно, что нелинейная индуктивность шунтируется компенсационной обмоткой, которая обладает малым активным сопротивлением и индуктивностью. При появлении на емкости напряжения нулевой последовательности (при ОДЗ) емкость разряжается через компенсационную обмотку. При этом в фазах ТН возникает характерный затухающий колебательный процесс (рис. 2, б). Токи в фазах ТН практически одинаковые, так как на токи намагничивания ТН накладывается большой ток нулевой последовательности. Увеличение числа ТН типа НАМИ приведет к увеличению мощности шунта намагничивания нулевой последовательности, но также уменьшится и эквивалентное сопротивление компенсационной обмотки. Таким образом, возникновение феррорезонанса в ТН типа НАМИ полностью исключается даже при параллельной работе нескольких ТН.
Установка ТН типа НАМИ эффективна и в электрических сетях генераторного напряжения. Однако по условиям пожаробезопасности этих сетей (например, сетей АЭС) в них применяются ТН с литой изоляцией типа ЗНОЛ, тогда как в ТН типа НАМИ в качестве изоляционной среды используется трансформаторное масло.
Необходимо отметить, что альтернативным решением для исключения опасных феррорезонансных колебаний в сетях 6–35 кВ является оснащение нейтрали сети высокоомным резистором. Следует, однако, учесть, что применение этой меры в ССН электрических станций, питаемых от трансформаторов СН, с обмотками низшего напряжения, соединенными в треугольник, требует установки на шинах секции специального устройства трансформаторного типа для выделения нейтрали, например ФМЗО. Токи в обмотке ВН ТН типа НТМИ при ОДЗ на шинах секции той же ТЭЦ, для которой были приведены осциллограммы рис. 2, при установке ФМЗО, оснащенного высокоомным резистором в нейтрали (750–1000 Ом), приведены на рис. 4.
Рис. 3. Эквивалентная схема нулевой последовательности сети с изолированной нейтралью и ТН типа НАМИ
CS – суммарная емкость сети;
R1, L1 – активное сопротивление и индуктивность рассеивания обмотки ВН ТН;
RN, LN – активное сопротивление и индуктивность дополнительного трансформатора в нейтрали;
R'2, L'2 – приведенные активное сопротивление и индуктивность компенсационной обмотки;
Lm – нелинейная индуктивность шунта намагничивания нулевой последовательности.
Рис. 4. Токи в фазах обмотки ВН ТН типа НТМИ при ОДЗ на секции ССН ТЭЦ, нейтраль которой оснащена высокоомным резистором
Рис. 5. Расчетная схема при анализе процессов, сопровождающих отключение холостой ошиновки 220 кВ выключателем, оснащенным емкостными делителями
С1 – емкости делителей напряжения по разрывам коммутируемого выключателя;
С2 – суммарная емкость на землю ошиновки, разъединителей, разрядников, выключателей, ТН и другой высоковольтной аппаратуры, подключенной к системе шин;
R1 – активное сопротивление первичной обмотки ТН;
R0 – сопротивление, моделирующее активные потери в магнитопроводе ТН.
Оснащение сетей резисторами в нейтралях позволяет осуществить чувствительную и селективную защиту от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), реагирующую на активный ток нулевой последовательности, протекающий по поврежденному присоединению (фидеру). Следует помнить, что ток ОЗЗ при этом увеличивается, что необходимо учитывать при оценке тепловой стойкости оборудования в случае отказа релейной защиты, действующей на отключение поврежденного присоединения.
Поэтому решение об оснащении сети антирезонансными ТН электрических сетей, содержащих вращающиеся машины, должно рассматриваться при комплексном подходе ко всем функциям этих сетей с учетом надежной эксплуатации электрооборудования сети.
Подстанции 220 кВ
Основной причиной повреждений трансформаторов напряжения в сетях 220–500 кВ являются коммутации холостых ошиновок выключателями, оснащенными емкостными делителями напряжения. Простейшая схема для исследования феррорезонансных процессов при осуществлении этой коммутации приведена на рис. 5. Кривая намагничивания ТН моделировалась выражением:
Аппроксимация кривой намагничивания включает в себя индуктивность рассеивания обмотки ВН Ls  50Гн. Величина активного сопротивления обмотки ВН одинакова для ТН обоих типов и равна 7 кОм. При проведении расчетов принималось, что кривые намагничивания ТН типов НКФ и НАМИ одинаковы.
В качестве поглотителя энергии феррорезонансных колебаний авторы НАМИ-220 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). Расчеты и исследования разработчиков показали, что для соблюдения этого ограничения 70% объема магнитопровода должна занимать электротехническая сталь и 30% – конструкционная. Потери в магнитопроводе ТН НАМИ-220 моделировались нелинейной зависимостью сопротивления R0 от потокосцепления, которая была определена экспериментально.
Наибольшие значения токов в обмотке ВН ТН наблюдаются при отключении ЭДС в момент её максимума. Максимально допустимое значение тока в обмотке ВН ТН 220 кВ составляет 0,22 Аэфф. На рис. 6 приведены компьютерные осциллограммы напряжений на ТН и токов в обмотке ВН ТН при установке на шинах ТН типа НКФ-220(рис. 6, а) и типа НАМИ-220 (рис. 6, б) (С1 = С2 = 5нФ).
Следует отметить, что при определенных соотношениях емкостей возможен феррорезонанс и при установке на шинах ТН типа НАМИ. На рис. 7 приведена зависимость нижней границы возникновения феррорезонанса на субгармонике 1/3 от соотношения емкостей при установке на шинах ТН типа НАМИ-220 (EЭ = E·C1 / (C1 + C2), CЭ = C1 + C2).
Поэтому в ряде схем, характеризующихся малой емкостью, даже при установке ТН типа НАМИ для предотвращения феррорезонанса необходимо устанавливать на шинах дополнительные конденсаторы или производить коммутацию при включенных конденсаторах связи. Однако в большинстве реальных схем установка дополнительных конденсаторов при использовании НАМИ-220 не требуется.
ПОДСТАНЦИИ 110 КВ
Выключатели в сетях 110 кВ, как правило, одноразрывные или оснащены резистивными делителями напряжения. Следовательно, в сетях 110 кВ отключение холостых ошиновок не может являться причиной возникновения опасных феррорезонансных процессов.
Повреждения же ТН, обусловленные феррорезонансными явлениями, в сетях, оснащенных одноразрывными выключателями, могут иметь место в неполнофазных режимах. Неполнофазные режимы на подстанциях (ПС) 110 кВ могут возникнуть, в частности, при одностороннем подключении подстанции к источнику, сопровождающемся разбросом в действии полюсов выключателя, а также при обрыве шлейфа на опоре ВЛ 110 кВ в случае отсутствия связи оборванного шлейфа с землей (такой обрыв, как показывает опыт эксплуатации ВЛ 110 кВ, отходящих от подстанций, является не столь уж редким). Отметим, что ниже приведен анализ процессов, происшедших на одной из подстанций 110 кВ при её подключении в транзит передачи мощности от системы, примыкающей к ПС1 (рис. 8).
Коммутировался В1, затем через 4 минуты включился В2. Через 5 минут после его включения произошло возгорание двух ТН НКФ-110 на ПС2. Нейтраль силового трансформатора была изолирована.
Такая ситуация могла возникнуть, в частности, из-за несрабатывания одного из полюсов выключателя В1. Следует отметить, что, согласно п. 5.11.14 ПТЭ, любая коммутация должна начинаться с заземления нейтрали силового трансформатора на подстанции. Следовательно, в рассматриваемом случае была еще и ошибка эксплуатирующего персонала. На рис. 9 приведена расчетная схема, в которой исследуются процессы в неполнофазных режимах.
В НАМИ-110 нет толстолистовой стали в магнитопроводе, но первичная обмотка ТН имеет в 4 раза большее активное сопротивление по сравнению с первичной обмоткой трансформатора типа НКФ-110. Активное сопротивление первичной обмотки НАМИ-110 равно 17,5 кОм.
Заметим, что в момент технологического нарушения нейтраль силового трансформатора на ПС2 была разземлена (для ограничения токов КЗ). В схеме рис. 8 рассматривались: отказ при включении одного из полюсов выключателя B1 или обрыв фазы ВЛ 110 кВ (т.е. возникновение неполнофазного режима при включении) при заземленной и изолированной нейтрали силового трансформатора ПС2, а также при отключенных от шин ПС2 силовых трансформаторах (подстанция эксплуатируется в транзитном режиме).
Рис. 6. Компьютерные осциллограммы при коммутации холостой ошиновки выключателем 220 кВ, оснащенным емкостным делителем напряжения; а и б – к шинам подключены НКФ-220 и НАМИ-220 соответственно
Рис. 7. Нижняя граница области существования феррорезонанса при установке на шинах ПС НАМИ-220
Рис. 8. Принципиальная коммутируемая схема
В случае разземления нейтралей двух силовых трансформаторов на ПС2 феррорезонасные явления в рассмотренных ситуациях возникают в случае установки на ПС2 ТН как типа НКФ, так и НАМИ. Исследования также показали, что феррорезонансы в неполнофазных режимах рассматриваемой схемы не возникают, если на ПС2 подключен хотя бы один трансформатор при заземлении его нейтрали, а также при неполнофазном включении ПС2 в работу при отключенных силовых трансформататорах.
Условия существования феррорезонанса могут выполняться при неполнофазном включении В1 в процессе ТАПВ или при обрыве шлейфа ВЛ 110 кВ в режиме транзитного использования ПС2, т.е. при отключенных силовых трансформаторах. В этих случаях неполнофазные режимы на ПС2 возникают при ненулевых начальных условиях (в расчетной схеме рис. 9 при заряженных емкостях, моделирующих ошиновку подстанции и присоединенного к ней электрооборудования), что приводит к более интенсивному переходному процессу и соответственно к увеличению вероятности возникновения опасных феррорезонансных явлений.
Физика развития феррорезонанса в рассматриваемой ситуации та же, что и в случае отключения ошиновки выключателем, оснащенным емкостными делителями напряжения: роли емкостей С1 и С2 играют междуфазные емкости и емкость фазы на землю соответственно. На рис. 10 приведены компьютерные осциллограммы при обрыве шлейфа ВЛ (без касания им земли) при установке на шинах ПС2, эксплуатируемой в режиме транзита мощности, ТН типов НКФ-110 (рис. 10, а) и НАМИ-110 (рис. 10, б).
Результаты расчетов показывают, что повышенные потери в обмотке ВН ТН типа НАМИ приводят к срыву опасного феррорезонанса.
Рис. 9. Расчетная схема при анализе процессов, происходящих в принципиальной схеме рис. 8 при коммутациях выключателямии при обрывах фаз ВЛ
Рис. 10. Токи в обмотках ВН ТН НКФ-110 (а) и НАМИ-110 (б) при обрыве линейного шлейфа на транзитной ПС 110 кВ (силовые трансформаторы отключены)
ЛИТЕРАТУРА
1. Степанов Ю. А, Овчинников А. Г. Трансформаторы напряжения контроля изоляции 6–10 кВ. Сравнительный анализ моделей // Новости ЭлектроТехники. – 2003. – № 6(24).
2. Зихерман М.Х. Трансформаторы напряжения для сетей 6–10 кВ. Причины повреждения // Новости ЭлектроТехники. – 2004. –№ 1(25).
3. Борисенко Л.С., Панансюк Д.И., Миронов Г.А. Предотвращение феррорезонанса на ненагруженных шинах РУ 110–330 кВ // Электрические станции. – 1984. – № 3 – С. 51.
4. Алексеев В.Г., Евдокимов С.А. Условия феррорезонанса с трансформаторами напряжения в сети 220 кВ // Электрические станции. – 1994. – № 10. – С. 54–57.
| 
|
