СОВРЕМЕННЫЕ АНТИРЕЗОНАНСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Подготовил Валерий Журавлев, «Новости ЭлектроТехники»

Юрий Лавров, к.т.н, зав. кафедрой


Олег Лаптев, к.т.н., доцент

Кафедра «Техника и электрофизика высоких напряжений» ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»

Одной из наиболее существенных проблем, связанных с эксплуатацией электромагнитных трансформаторов напряжения (ТН), является повреждение или нарушение их нормальной работы вследствие возникновения разного рода феррорезонансных процессов. В прошлом номере нашего журнала (www.news.elteh.ru – Ред.) Алексей Емельянцев поставил под сомнение эффективность работы так называемых антирезонансных ТН и привел примеры, когда ТН не только не предотвращают феррорезонансные процессы, но и сами вызывают их появление.
В материале Юрия Анатольевича Лаврова и Олега Игоревича Лаптева приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных на кафедре «Техника и электрофизика высоких напряжений» Новосибирского ГТУ, по анализу эффективности антирезонансных свойств некоторых конструкций ТН.

Анализ эффективности работы

Современные антирезонансные трансформаторы различных типов, их эффективность и особенности эксплуатации уже рассматривались в ряде публикаций [1–5]. В последние годы появилось много различных конструкций антирезонансных ТН, выпускаемых отечественными производителями. В частности, для сетей 6–35 кВ можно выделить: НАМИ (ОАО «Раменский электротехнический завод «Энергия»), НАМИТ (ОАО «Самарский трансформатор»), НАЛИ-СЭЩ (ГК «Электрощит-Самара»), трехфазные антирезонансные группы ЗНОЛ.06 и ЗНОЛП (ОАО «Свердловский завод трансформаторов тока»). Для сетей 110 кВ и выше (до 500 кВ включительно) антирезонансные ТН электромагнитного типа выпускает Раменский электротехнический завод «Энергия» (ТН типа НАМИ).
В качестве воздействий, которые могут приводить к повреждениям или к нарушению нормальной эксплуатации ТН в сетях 6–35 кВ, в этой публикации рассматриваются: однократное появление земли («клевок» земли), отключение однофазных металлических замыканий на землю (ОЗЗ), горение перемежающейся дуги, коммутации в сетях с очень маленькой емкостью фазы на землю (приводящие к явлению «ложной земли») [2, 4, 5]. В сетях 110 кВ и выше основной причиной феррорезонанса являются коммутации холостых ошиновок многоразрывными выключателями.

Трансформатор напряжения типа НА МИ-10-95

Принципиальная схема соединения обмоток ТН типа НАМИ-10-95 приведена на рис. 1а. Этот трансформатор напряжения имеет трехстержневой магнитопровод, в отличие от традиционных заземляемых ТН 6–35 кВ [3]. Для измерения 3U₀ используется дополнительный трансформатор в нейтральной точке соединения обмоток ВН, так называемый трансформатор нулевой последовательности (ТНП). ТН также содержит замкнутую накоротко дополнительную компенсационную обмотку. Антирезонансные свойства ТН обусловлены трехстержневой конструкцией магнитопровода, при котором магнитный поток нулевой последовательности вынужден замыкаться по воздуху и корпусу ТН. При этом индуктивность нулевой последовательности ТН очень мала и практически линейна. Контур нулевой последовательности сети с НАМИ приведен на рис. 1б.
ТНП также имеет особую конструкцию, характеризующуюся пониженной рабочей индукцией, вследствие чего его характеристика намагничивания практически линейна. Поскольку нелинейные элементы в контуре нулевой последовательности отсутствуют, в этом контуре невозможно существование устойчивого колебательного процесса (т.е. феррорезонанса). При однократном появлении земли или отключении ОЗЗ в схеме нулевой последовательности сети возникает затухающий колебательный процесс с частотой, обусловленной параметрами контура. Компьютерные осциллограммы напряжения и тока в одной из фаз ТН при однократном появлении земли приведены на рис. 1в.
НАМИ является более стойким к перемежающимся дуговым замыканиям, чем другие типы трансформаторов, что обусловлено применением ненасыщающегося ТНП с большим реактивным сопротивлением (300–600 кОм).
Коммутации в сетях с очень маленькой емкостью фазы на землю могут приводить к возникновению явления «ложной земли» в ТН [2, 4, 5]. При этом явлении за счет несимметрии фазных напряжений на вторичной обмотке ТН традиционной конструкции, соединенной в открытый треугольник, появляется напряжение, достигающее в зависимости от параметров сети 60–80 В. «Ложная земля» может возникнуть, например, при включении ненагруженных шин с ТН.
Исследования показали, что НАМИ-10-95 подвержены явлению «ложной земли», при этом возникает напряжение на вторичной обмотке ТНП. Компьютерная осциллограмма напряжения на вторичной обмотке ТНП, соединенной в открытый треугольник, при коммутации в непротяженной сети, оснащенной ТН этого типа, приведена ниже (рис. 5а). О том, что случаи «ложной земли» в сетях с НАМИ имеют место в эксплуатации, говорится, в частности, в [1, 4, 5]. В [1] также отмечается существенный недостаток НАМИ-10-95 – укрытая в корпусе компенсационная обмотка, что противоречит нормам ГОСТ 1983-2001 в части контроля состояния этой обмотки.

ТРЕХФАЗНАЯ АНТИРЕЗОНАНСНАЯ ГРУППА ТН ТИПА ЗНОЛ.06 И ЗНОЛП

В конструкции этих трехфазных групп, для придания им антирезонансных свойств, используется дополнительное сопротивление величиной 800–1000 Ом, включаемое в нейтраль обмоток ВН (рис. 2а). Конструкция однофазных ТН типа ЗНОЛ.06 и ЗНОЛП отличается только наличием в цепи обмотки ВН у ЗНОЛП плавкого предохранителя. Контур нулевой последовательности сети с рассматриваемыми ТН приведен на рис. 2б.
На рис. 2б обозначения элементов схемы замещения аналогичны обозначениям, принятым в схеме рис. 1б. Элемент R_N – это сопротивление резистора, включенного в нейтральную точку соединения обмоток ВН группы ТН. Принцип действия этого сопротивления следующий: сопротивление R_N образует делитель напряжения с активным и индуктивным сопротивлением нулевой последовательности ТН. В нормальном режиме индуктивное сопротивление ТН очень велико и падение напряжения на сопротивлении R_N незначительно. При насыщении индуктивность ТН резко снижается, токи в обмотках ТН значительно увеличиваются, но при этом увеличивается и падение напряжения на добавочном резисторе, приводя к демпфированию резонансных колебаний. На напряжении 6 кВ в нейтраль ТН включается резистор сопротивлением 1000 Ом, на напряжении 10 кВ – 800 Ом.
Поскольку в контуре нулевой последовательности сохраняется нелинейная индуктивность L_μ0, феррорезонанс в сети с ТН типа ЗНОЛ.06 (ЗНОЛП) может иметь место. В результате компьютерных расчетов такая возможность нашла подтверждение и были получены области существования феррорезонанса в сетях с рассматриваемыми ТН. Компьютерные осциллограммы напряжений на фазах сети и токов в обмотках ВН трехфазной антирезонансной группы ТН типа ЗНОЛ.06 (ЗНОЛП) после отключения ОЗЗ приведены на рис. 3а. На рис. 3б приведена зависимость действующего значения тока в установившемся после отключения ОЗЗ режиме от емкости сети (при наличии в сети двух антирезонансных групп ТН типа ЗНОЛ.06). Резкое возрастание действующего значения тока при определенных значениях емкости сети свидетельствует об установившемся режиме феррорезонанса. Области существования устойчивого феррорезонанса при однократном появлении земли или отключении ОЗЗ, в зависимости от емкости сети и количества ТН (групп ТН), для НТМИ-6 и трехфазной группы ЗНОЛ.06-6 приведены на рис. 3в. Из рисунка следует, что при определенной емкости сети устойчивый феррорезонанс в сети с ЗНОЛ.06 (ЗНОЛП) возможен, токи при этом составляют 0,2–0,3 А. Однако области существования феррорезонанса в сетях, оснащенных этими ТН, по сравнению с сетями с традиционными ТН существенно меньше.
Дополнительное применение активного сопротивления 25 Ом, включаемого во вторичную обмотку антирезонансной группы, позволит полностью предотвратить существование устойчивого феррорезонанса.

В результате компьютерных расчетов было установлено, что группа ЗНОЛ.06 (ЗНОЛП) также подвержена явлению «ложной земли» в сетях с малой емкостью на землю. Применение дополнительного сопротивления 25 Ом во вторичной обмотке, соединенной в треугольник, позволяет предотвратить это явление. Перемежающиеся дуговые замыкания могут привести к перегреву ТН этого типа. Для существенного ограничения тока, протекающего в обмотках ВН ТН при разряде через ТН емкости сети, требуется очень большое сопротивление (порядка 300 кОм) в нейтрали обмотки ВН.
Наличие области устойчивого феррорезонанса, очевидно, является главным недостатком рассмотренной трехфазной антирезонансной группы. Включение сопротивления 25 Ом во вторичную обмотку ТН не всегда допустимо по условиям эксплуатации ТН. В настоящее время производители ТН этого типа предлагают установку добавочного сопротивления 25 Ом во вторичную обмотку для повышения антирезонансных свойств трехфазной группы ТН.
Альтернативной мерой могло бы быть увеличение сопротивления, включаемого в нейтраль обмотки ВН до 4–7 кОм, но это недопустимо по условию изоляции заземляемого вывода обмотки ТН (ТН типа ЗНОЛ). Включение дополнительных активных сопротивлений последовательно с обмоткой ВН (так же, как и увеличение сопротивления обмотки ВН) тоже неэффективно, т.к. в этом случае величины сопротивлений должны составлять 12–21 кОм (втрое больше, чем в нейтрали), что отрицательно скажется на метрологических характеристиках ТН. Наличие плавких предохранителей в обмотке ВН делает ЗНОЛП весьма чувствительными к броскам токов намагничивания при переходных процессах [2].

ТН ТИПА НАЛИ-СЭЩ-6(10)

Антирезонансная группа ТН типа НАЛИ-СЭЩ была разработана на основе уже существующей конструкции антирезонансного ТН типа НАМИТ [1]. Принципиальная схема соединения обмоток НАЛИ-СЭЩ приведена на рис. 4. Антирезонансные свойства как НАМИТ, так и НАЛИ достигаются путем включения дополнительного трансформатора (ТНП) в нейтраль обмотки ВН. При этом в нормальном режиме работы вторичная обмотка ТНП замкнута и он имеет относительно небольшое реактивное сопротивление. При появлении напряжения 3U₀ срабатывают реле KV₀ и KV_ф, вторичная обмотка ТНП размыкается контактами KL, и его реактивное сопротивление возрастает до 300 кОм. Очевидно, что при эксплуатации ТН этого типа требуется наличие соответствующих цепей релейной защиты.
ТН типа НАЛИ-СЭЩ – это трехфазная группа однофазных ТН типа НОЛ-СЭЩ с литой изоляцией. НОЛ имеют два вывода обмотки ВН, изолированных на полное напряжение (в отличие от ЗНОЛ), что позволяет установить в нейтрали обмотки ВН дополнительный трансформатор.

Схема нулевой последовательности сети с НАЛИ близка к схеме, приведенной на рис.1а, т.к. конструкции ТН типа НАМИ и НАЛИ во многом схожи. Отличие заключается лишь в параметрах вторичной обмотки, соединенной в треугольник, и в параметрах индуктивности ТН по нулевой последовательности.
При разомкнутой вторичной обмотке ТНП его активное сопротивление и индуктивность существенно увеличиваются и колебания в контуре нулевой последовательности демпфируются.
Применение НАЛИ-СЭЩ позволяет полностью предотвратить феррорезонансные процессы при однократном появлении земли или отключении ОЗЗ. Однако ТН этого типа также подвержены явлению «ложной земли». На рис. 5б приведена компьютерная осциллограмма напряжения на вторичной обмотке НАЛИ-СЭЩ, соединенной в треугольник, при подаче напряжения в сеть с емкостью фазы 10 нФ и одним НАЛИ. При этом также моделировалось размыкание через 0,1 с вторичной обмотки ТНП. Как видно из осциллограммы, включение полного реактивного сопротивления ТНП в контур нулевой последовательности к ликвидации «ложной земли» не приводит.
Путем применения дополнительных активных сопротивлений можно решить проблему существования явления «ложной земли» в сетях с НАЛИ.
При горении в сети перемежающейся дуги в обмотках ВН НАЛИ могут возникнуть недопустимые токи. Это связано с тем, что в отличие от ТН типа НАМИ индуктивность ТНП и нелинейная индуктивность нулевой последовательности НАЛИ – насыщающиеся и, как следствие, могут существенно снижаться с увеличением тока нулевой последовательности.

ТН ТИПА НАМИ-500

Этот ТН является последним в линейке антирезонансных ТН типа НАМИ для сетей 110 кВ и выше с глухозаземленной нейтралью, выпускаемых Раменским электротехническим заводом. Эффективность НАМИ в сетях 110–220 кВ рассматривалась в [3]. НАМИ-500 также имеет каскадную конструкцию (аналогично традиционным ТН типа НКФ), и для достижения антирезонансных свойств его магнитопровод частично выполняется из толстолистовой конструкционной стали.
Для исследования процессов в сетях с глухозаземленной нейтралью с НАМИ была разработана математическая модель, учитывающая проникновение магнитного поля в расположенные в магнитопроводе ТН листы конструкционной стали и связанные с этим активные потери. Для исследования процессов при коммутациях холостых ошиновок была принята схема замещения, приведенная на рис. 6а. На рис. 6б и 6в приведены компьютерные осциллограммы тока в обмотке ВН и напряжения на фазе при отключении холостой ошиновки с НАМИ. Из этих рисунков видно, что при рассматриваемой коммутации в сети с НАМИ-500 может возникать устойчивый феррорезонансный процесс. Было установлено, что в сетях с НАМИ возможен только субгармонический феррорезонанс на частоте 16,6 Гц. Этот факт объясняется тем, что активные потери в стали зависят в том числе и от частоты и на высоких частотах мощности источника не хватает для обеспечения потерь в феррорезонансном контуре (в толстолистовой конструкционной стали магнитопровода ТН).
Наиболее существенными параметрами при исследовании процессов при коммутациях холостых ошиновок являются емкости: C₁ – суммарная емкость делителей коммутируемых выключателей, C₂ – емкость ошиновки. Величины и соотношение этих емкостей определяют возможность возникновения и вид феррорезонансного процесса. При помощи большого количества компьютерных расчетов, варьируя эти параметры, можно получить области существования феррорезонанса при коммутации холостых ошиновок для ТН любого типа. Эти области для ТН НКФ-500 и НАМИ-500 приведены на рис. 7 (напряжение источника в схеме замещения – 525 / √3 кВ).
Из рисунка видно, что у НКФ при суммарной емкости делителей более 1 нФ (отключение двух и более воздушных выключателей 500 кВ) феррорезонанс на основной или субгармонике 1/3 возникает практически при любой емкости ошиновки. Феррорезонанс на основной гармонике сопровождается значительными перенапряжениями (до 3U_ф.макс). Коммутация холостой ошиновки с НАМИ при определенном соотношении емкостей также приводит к возникновению режима феррорезонанса. Характерной особенностью является то, что устойчивый процесс возникает только на субгармонике 1/3, при этом возникающие токи невелики, например C₁ = C2 = 4 нФ, I_{ВН.ТН.эфф} = 0,32 А. Однако и эти величины токов при длительном существовании режима феррорезонанса могут привести к повреждению ТН. Для полного предотвращения феррорезонанса в схемах с НАМИ можно установить дополнительную емкость на шины (конденсаторы связи), при этом параметры схемы выходят из области существования феррорезонанса.
Испытания ТН типа НАМИ-500, проводившиеся в 2006 г. в испытательном центре ОАО «НИИВА» [6, 7], позволили подтвердить достоверность разработанных математических моделей НАМИ. Испытания проводились в синтетической схеме, моделировавшей отключение холостой ошиновки. Опытные осциллограммы приведены на рис. 8.
Хорошее совпадение результатов моделирования и эксперимента, приведенных на рис. 6 и рис. 8 соответственно, свидетельствует о достоверности разработанной математической модели (величины емкостей C₁ и C₂ в обоих случаях одинаковы).

ВЫВОДЫ

1. Основные требования к антирезонансному трансформатору для сетей 6–35 кВ были сформулированы в работе [2] М.Х. Зихерманом: литая изоляция, предотвращение феррорезонанса и стойкость к перемежающимся дуговым замыканиям и к явлению «ложной земли». Рассмотренные конструкции антирезонансных ТН 6–35 кВ достаточно эффективны в предотвращении феррорезонансных явлений при ОЗЗ и однократном появлении земли. Но в части предотвращения явления «ложной земли» или стойкости к перемежающимся дуговым замыканиям, ни один из рассмотренных выше антирезонансных ТН не является достаточно эффективным.
2. Трансформатор напряжения НАМИ-500 является весьма эффективным устройством по предотвращению феррорезонанса. Исследования показывают, что при коммутациях холостых ошиновок в схемах с НАМИ-500 может иметь место лишь феррорезонанс на частоте 16,6 Гц с небольшими токами. Полного предотвращения феррорезонанса при любых параметрах сети можно добиться путем установки на шинах подстанции дополнительной емкости (например, конденсаторов связи).

ЛИТЕРАТУРА

1. Овчинников А.Г. Степанов Ю.А. Трансформаторы напряжения контроля изоляции 6–10 кВ. Сравнительный анализ моделей // Новости ЭлектроТехники. 2003. № 6(24).
2. Зихерман М.Х. Антирезонансные трансформаторы напряжения. Перспективы развития // Новости ЭлектроТехники. 2009. № 3(57).
3. Кадомская К.П., Лаптев О.И. Антирезонансные трансформаторы напряжения. Эффективность применения // Новости ЭлектроТехники. 2006. № 6(42).
4. Емельянцев Ю.А. О феррорезонансных процессах без замыкания на землю в сетях 6–35 кВ // Новости ЭлектроТехники. 2009. № 4(58).
5. Кадомская К.П., Лаптев О.И. Предотвращение феррорезонансных процессов – задача для разработчиков ТН // Новости ЭлектроТехники. 2009. № 4(58).
6. Гайворонский А.С., Кадомская К.П., Лаптев О.И. Экспериментальные и теоретические исследования условий возникновения феррорезонанса в сети 500 кВ с трансформаторами напряжения типов НКФ и НАМИ / Сб. докл. IX Междунар. симп. «Электро- техника 2030». Перспективные технологии электроэнергетики (ТРАВЭК), 28 мая – 1 июня, 2007, Москва.
7. A. Gayvoronsky, L. Darian, Ju. Goryushin, Yu.Dementyev, I. Arkhipov, G.Agafonov, B.Berlin, K.Kadomskaya, O.Laptev, A. Akopyan. Analysis of the antiresonant 220–500 kV voltage transformers application efficiency/ // CIGRE-2008. A3-303. Paris.