ФЕРРОРЕЗОНАНСНЫЕ ПРОЦЕССЫ БЕЗ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
Эксплуатационные данные

Алексей Емельянцев, главный специалист отдела РЗА Специализи-рованного управления «Леноргэнергогаз» ДОАО «Оргэнергогаз», г. Санкт-Петербург

Согласно ПУЭ и «Правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей» в части защиты от перенапряжений следует принимать меры для предотвращения феррорезонансных явлений и самопроизвольного смещения нейтрали. Например, в сетях с изолированной нейтралью для этого устанавливают антирезонансные трансформаторы.
На примере реального объекта – ЗРУ автономной электростанции, опираясь на собранные данные, в частности на осциллограммы, записанные с помощью цифровых терминалов релейной защиты, Алексей Юрьевич Емельянцев воссоздал реальную картину возникновения и протекания феррорезонансных процессов в сети 10 кВ. Эта работа позволила автору сделать ряд обоснованных выводов, в том числе о недостаточной эффективности существующих антирезонансных ТН. С его заключением полностью согласны специалисты НГТУ, комментарий которых приведен на стр. 37.

На одной из электростанций, работающей автономно, в закрытом распределительном устройстве (ЗРУ) 10 кВ неоднократно наблюдались феррорезонансные процессы (первичная схема ЗРУ приведена на рис. 1).
Несомненно, одной из наиболее эффективных мер для предотвращения феррорезонансных процессов является резистивное заземление нейтрали, однако выполнить его в существующих сетях затруднительно. В данном случае сеть 10 кВ работает с изолированной нейтралью.
Перенапряжения в таких сетях описаны многими авторами [1, 2], причем приводимые ими осциллограммы в большинстве случаев построены с помощью компьютерных моделей. Осциллограммы, иллюстрирующие данный материал, записаны с помощью цифровых терминалов.
В рассматриваемой сети отходящие от шин ЗРУ кабельные линии 10 кВ имеют небольшую протяженность. Суммарный емкостный ток при замыкании на землю в зависимости от режима меняется от 0 до 15 А.
На всех присоединениях установлены указатели напряжения. Они подключены к емкостным делителям напряжения, однако дополнительно включенные емкости не оказывают существенного влияния на суммарную емкость сети.

На шинах ЗРУ установлены антирезонансные трансформаторы напряжения ТН1 и ТН2 типа НАМИТ-10-2, которые имеют защиту от феррорезонансных процессов. Эта защита включает сопротивление в цепь заземления нейтральной точки первичных обмоток ТН, т.е. в резонансный контур, состоящий из емкости сети и индуктивности ТН. Описание НАМИТ-10-2 и защиты от феррорезонансных процессов приведено в [3].
Перенапряжения возникают практически при любой коммутации в сети 10 кВ по схеме рис. 1, при этом всегда появляется напряжение 3U0 (самопроизвольное смещение нейтрали или эффект «ложной земли»).
Впервые перенапряжения наблюдались на холостых шинах (СВ 10 кВ включен), запитанных от Г1, в момент включения разъединителем любого из ТН (или двух ТН).
Следует заметить, что вначале перенапряжения связывали с замыканием на землю шин 10 кВ. Характерная осциллограмма процесса представлена на рис. 2.
Поскольку защиты ТН от феррорезонансных процессов не срабатывали, на них была изменена рекомендуемая заводомизготовителем уставка срабатывания. Вместо 3U_0c.з = 140 В/втор. было выставлено 65 В/втор.
На осциллограмме видно, что при срабатывании защиты процесс прекращается, но после её возврата возобновляется вновь. При этом напряжения ни разу не превысили величин, характерных для замыкания на землю. После 2–7 циклов срабатывания-возврата защиты, напряжения в большинстве случаев приходили в норму, но иногда приходилось отключать ТН, поскольку процесс не прекращался.
Включение в работу ТСН1 с током нагрузки около 10 А/перв. не повлияло на характер процесса.

АНТИРЕЗОНАНСНЫ ЛИ АНТИРЕЗОНАНСНЫЕ ТН?

ГОСТ [4] определяет антирезонансный ТН как «трансформатор, устойчиво работающий при наличии в сети феррорезонансных явлений», т.е. трансформатор не должен повреждаться. Представляется, что данное определение не точное: антирезонансные ТН не только не должны повреждаться при внешних феррорезонансных явлениях, но и сами не должны создавать их.
Трансформатор НАМИТ-10 с точки зрения ГОСТ, возможно, и является антирезонансным, но он не предотвращает феррорезонансные процессы и самопроизвольные смещения нейтрали, как того требуют правила [5]. Так что защита от феррорезонансных процессов в лучшем случае только спасает ТН.
Защита оказалась неэффективной по двум причинам. Во-первых, имеет низкую чувствительность (3U_0c.з=140 В/втор.); во-вторых, после срабатывания защиты напряжение 3U₀ становится близким к 0 и защита возвращается, после чего вновь возникают перенапряжения.
Учитывая вышесказанное, наладочной организацией было принято решение держать защиту ТН от феррорезонансных процессов в постоянно сработанном состоянии. Но это не сняло проблему появления перенапряжений, что видно на представленных осциллограммах. На рис. 3 приведена осциллограмма включения Г1 на холостые шины.
На осциллограмме показано одно фазное напряжение, поскольку другое напряжение мало отличается от него, а третье снизилось примерно до 2 кВ. Действующие значение напряжения фазы С повысилось приблизительно в 2 раза и составило 11,3 кВ, при этом напряжение 3U0 составило примерно 19 кВ/перв. или 110 В/втор.
Зафиксирован ряд случаев, когда при подаче напряжения на холостые шины напряжение 3U₀ не затухало до следующей коммутации, достигая 2,5 кВ/перв.
В ходе переключений по крайней мере один раз произошел пробой ОПН.
Общепринятое мнение о том, что включение нагрузки устраняет феррорезонансные процессы, оказалось верным лишь отчасти. Наличие нагрузки снижает уровень перенапряжений, но не устраняет их. На рис. 4 приведена осциллограмма, записанная цифровым терминалом Г1. Видно, что при номинальной (100%) загруженности генератора на шинах есть напряжение 3U₀. Спектральный анализ дает следующие результаты по составляющим: 50 Гц – 20%; 150 Гц – 46%; 250 Гц – 34%.
При различных коммутациях с различной нагрузкой были зафиксированы напряжения 3U₀ с гармоническими составляющими 25, 50, 100, 150, 200 и 250 Гц, при этом доминирующими были 25, 50, 100 и 150 Гц. Фазные напряжения искажались, а линейные напряжения оставались неизменными. НеодноСпектральный анализ напряжения 3U0 дает следующие результаты по составляющим: 50 Гц – 7%; 100 Гц – 34%; 150 Гц – 36%; 200 Гц – 19%; 250 Гц – 4%.
Случай появления «ложной земли» был несколько раз зафиксирован также в сети 35 кВ после отключения участка сети с замыканием на землю. Осциллограмма приведена на рис. 8. Напряжения показаны во вторичных величинах. Процесс прекращался при изменении конфигурации сети.
Амплитудные значения фазных напряжений повышались на 90% выше номинальных. Спектральный анализ фазных напряжений показывает наличие 1-й и 2-й гармоник. Напряжение 3U₀ частотой 50 Гц (2-я гармоника практически отсутствует) достигало 172 В/втор. или 104 кВ/перв. При замыкании на землю 3U₀ = 3U_ф и составляет 61 кВ/перв. Иначе говоря, произошло смещение нейтрали значительно большее, чем при замыкании на землю.

ПРИЧИНЫ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Основной причиной возникновения рассмотренных перенапряжений является изменение индуктивной проводимости (насыщение) одной из фаз трансформаторов напряжения в том или ином переходном процессе. В ходе его протекания или после окончания, вследствие перезаряда емкостей сети (повышения фазных напряжений) может происходить дальнейшее насыщение трансформаторов напряжения и увеличение их проводимости на землю. При возникновении примерного равенства индуктивной и емкостной проводимостей сети (не обязательно на частоте 50 Гц) происходит дополнительное смещение нейтрали. Повышенное напряжение на нейтрали может затухнуть в течение нескольких периодов, но при определенных соотношениях параметров сети может существовать сколь угодно долго.
Высокие кратности феррорезонансных перенапряжений опасны не только для трансформаторов напряжения, но и для другого оборудования. Например, для вращающихся машин и ОПН. Эти ОПН могут многократно срабатывать с последующим повреждением (рис. 3 и 8).
Срабатывание ОПН, например, при грозовых перенапряжениях в свою очередь может вызывать феррорезонансные процессы (появление и исчезновение замыкания на землю).
Феррорезонансные перенапряжения, проиллюстрированные осциллограммами, не привели к повреждению оборудования, но могло быть иначе.

ВЫВОДЫ

Антирезонансные трансформаторы напряжения пока несовершенны, они участвуют в феррорезонансных процессах, а не предотвращают их. Кроме того, они пожароопасны из-за применения масла (кроме ТН типа ЗНОЛ.06 [6]).
Требуется разработка новых антирезонансных ТН, которые не должны участвовать в феррорезонансных процессах.
Наиболее радикальным мероприятием по исключению феррорезонансных процессов является переход на резистивное заземление нейтрали сети.
Для выполнения требований ПУЭ необходимо разработать мероприятия, предотвращающие появление и протекание феррорезонансных процессов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Евдокунин Г.А., Титенков С.С. Внутренние перенапряжения в сетях 6–35 кВ. СПб: Терция, 2004. 188 с.
2. Кадомская К.П., Лаптев О.А. Антирезонансные трансформаторы напряжения. Эффективность применения // Новости ЭлектроТехники. 2006. № 6(42).
3. Степанов Ю.А, Овчинников А.Г. Трансформаторы напряжения контроля изоляции 6–10 кВ. Сравнительный анализ // Новости ЭлектроТехники. 2008. № 4(52).
4. ГОСТ 1983-2001: Трансформаторы напряжения. Общие технические условия.
5. Правила устройства электроустановок: Раздел 4. Распределительные устройства и подстанции. 7-е изд.
6. Раскулов Р.Ф. Трансформаторы напряжения 3–35 кВ. Методологические функции первичны // Новости ЭлектроТехники. 2006. № 6(42).