Феррорезонанс – процесс обмена энергией между емкостью и нелинейной индуктивностью – часто становится причиной повреждения стандартных трансформаторов напряжения (ТН). Для уменьшения ущерба от феррорезонанса выпускаются разнообразные антирезонансные ТН, но не все они удовлетворяют требованиям эксплуатации, о чем неоднократно говорилось в нашем журнале.
Михаил Хаимович Зихерман, один из первых разработчиков антирезонансных ТН в России, в своем материале формулирует эти требования и определяет методы испытаний. Он готов к широкому обсуждению предлагаемых методик и приглашает к разговору всех заинтересованных специалистов.

АНТИРЕЗОНАНСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Технические требования и методы испытаний

Михаил Зихерман, к.т.н., инженер, г. Москва

СЕТИ 6–10–35 кВ

Эти сети достаточно многочисленны – генераторные, собственных нужд станций, городские кабельные, сельские воздушные, карьерные и др. Они различаются способом заземления нейтрали, допустимым временем существования однофазных замыканий на землю и т.д., что приводит к большому разнообразию устойчивых феррорезонансных процессов или их возможному отсутствию.

Как показывает практика, наиболее часто обычные ТН 6–10–35 кВ, контролирующие изоляцию, повреждаются в сельских сетях с изолированной нейтралью, в которых однофазные замыкания на землю могут не отключаться сутками.

К антирезонансным ТН, предназначенным для работы в этих сетях, предъявляются следующие требования, основанные на анализе встречающихся феррорезонансных явлений:

• не вызывать самим устойчивого феррорезонанса;
• не повреждаться при длительных однофазных замыканиях сети на землю через перемежающуюся дугу;
• не повреждаться при устойчивом феррорезонансе емкости сети с нелинейной индуктивностью других трансформаторов.

Выполнение этих требований является достаточным условием для нормализации работы ТН в сельских сетях. При работе в других сетях они могут понадобиться только частично или не понадобиться совсем.

Для обеспечения антирезонансных свойств у ТН 6–10–35 кВ применяются несколько способов:

• добавление в схему активных гасительных сопротивлений;
• повышение потокосцепления насыщения путем снижения номинальной индукции;
• изменение схемы соединения обмоток трехфазных ТН и т.д.

Эти способы имеют разную эффективность, и выбор конкретного способа зависит от разработчика.

СЕТИ 110 кВ

Воздушные и реже кабельные распределительные сети работают с эффективно заземленной нейтралью, однако у значительной части силовых трансформаторов она разземлена для уменьшения токов КЗ 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 ТН 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.

Феррорезонанс ТН с шунтирующими конденсаторами на выключателях отмечался в те времена, когда такие конденсаторы там устанавливались. Современные выключатели 110 кВ шунтирующих конденсаторов не имеют.

Субгармонический феррорезонанс на отключенной фазе линии отмечался только один раз более 40 лет назад. Произошло это на очень длинной магистральной линии без отпаек на силовые трансформаторы. С тех пор конфигурация сети 110 кВ изменилась и такие феррорезонансные явления больше не наблюдались.

Неполнофазные режимы ЛЭП 110 кВ случаются либо из-за отказа выключателей или разъединителей, либо из-за обрывов проводов. Отключенная от источника фаза линии не может рассматриваться в качестве элемента сети с заземленной нейтралью. На этой фазе возможны как неотключаемые замыкания на землю, так и длительные феррорезонансные явления, сопровождающиеся, как показывает опыт, 2,5-кратными повышениями напряжения основной частоты. Последние могут возникнуть, если все присоединенные к линии отпаечные силовые трансформаторы окажутся слабонагружены и имеют разземленную нейтраль. ТН 110 кВ повреждается при этом за несколько минут. Таких случаев в России происходит по 10–15 ежегодно.

Разработать антирезонансный ТН 110 кВ для этих случаев можно, но он будет слишком громоздким и дорогим.

Для сохранения электрооборудования в таких случаях можно рекомендовать трехфазное отключение резонирующих силовых трансформаторов от линии выключателями. Отключение должно производиться от дополнительно установленной релейной защиты, реагирующей на повышение напряжения нулевой последовательности на разомкнутом треугольнике дополнительных обмоток ТН 110 кВ с уставкой 150 В и выдержкой времени 3–5 с.

Таким образом, разрабатывать антирезонансные ТН для современной сети 110 кВ нет необходимости.

СЕТИ 220–750 кВ

Это в основном магистральные сети с эффективно заземленной нейтралью, которая у силовых трансформаторов никогда не разземляется. При неполнофазных режимах линий с подключенными к ним силовыми трансформаторами тоже возможны повышения напряжения основной частоты. Но они не столь значительны, как в сетях 110 кВ, быстро отключаются существующей защитой от повышения напряжения.

Как показывает практика, серьезную опасность для электромагнитных ТН 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. Напряжение источника прикладывается к ТН не полностью, а делится между емкостью шунтирующих конденсаторов и емкостью шин, на которых он установлен. Величина напряжения на ТН зависит от соотношения этих емкостей.

Для анализа феррорезонансных процессов реальную схему, содержащую несколько источников и выключателей, ошиновку и ТН, представляют однофазным эквивалентным контуром, состоящим из одного источника, одной эквивалентной емкости и одного ТН. Эквивалентная емкость равна сумме емкостей всех выключателей и ошиновки, а напряжение эквивалентного источника определяется соотношением этих емкостей.

Параметры эквивалентных контуров в реальности очень разнообразны: напряжение варьируется от 10 до 90% от напряжения источника, а емкость может составлять от сотен до десятков тысяч пикофарад. Поэтому и феррорезонансные процессы тоже различны. Меняются не только величины токов и напряжений ТН, но и их частота. Наиболее опасен гармонический феррорезонанс на частоте 50 Гц, сопровождающийся большими токами, при которых для теплового повреждения первичной обмотки ТН достаточно 5–10 мин. Субгармонический феррорезонанс на частоте 16,6 Гц сопровождается в 10 раз меньшими токами, нагревает первичную обмотку ТН в 100 раз медленнее и соответственно менее опасен.

Известны несколько способов борьбы с феррорезонансом, на основе которых можно разработать антирезонансный электромагнитный ТН 220–750:

• линеаризация характеристики намагничивания путем размыкания магнитопровода;
• повышение потокосцепления насыщения путем снижения номинальной индукции;
• повышение потерь в меди первичной обмотки;
• повышение потерь в стали магнитопровода.

Выбор конкретного способа осуществляет разработчик. Здесь, во избежание излишней материалоемкости, допустимо пойти на компромисс и отказаться от требования о неучастии ТН в возбуждении феррорезонанса. Компромисс заключается в согласии эксплуатации мириться с субгармоническим феррорезонансом в обмен на небольшой рост цены и на гарантии производителя об отсутствии повреждаемости ТН при определенных параметрах эквивалентного контура.

ВИДЫ И УСЛОВИЯ ИСПЫТАНИЙ

Испытание ТН на подтверждение антирезонансных свойств должно проводиться по одинаковой методике для всех типов ТН. Только тогда можно говорить о сопоставимости результатов. Каждый производитель должен определить для своего типа антирезонансного ТН степень его устойчивости к каждому виду возможного феррорезонанса и представить потребителю протоколы испытаний. Он может либо делать это сам в присутствии заказчика, либо поручить независимой лаборатории.

Испытание ТН 6–10–35 кВ на отсутствие устойчивого феррорезонанса, вызываемого нелинейностью их характеристик намагничивания, должно проводиться в реальных трехфазных сетях с изолированной нейтралью. Испытание можно осуществлять и на натуральных моделях. Токи однофазного замыкания на землю – 0,03; 0,1; 0,3; 1,0; 3,0 и 10,0 А. Допустимые отклонения ± 20%. Напряжение сети – наибольшее рабочее. ТН нагружен только контрольно-измерительными приборами. Феррорезонанс возбуждается отключением кратковременного КЗ на выводах вторичных обмоток ТН. Предпринимается по 10 попыток возбуждения феррорезонанса при каждом значении тока однофазного замыкания сети на землю, и ни при одной из них он не должен возникнуть устойчиво. К протоколу испытаний должны прикладываться осциллограммы токов и напряжений для всех переходных процессов.

Испытание ТН 6–10–35 кВ на отсутствие повреждений при длительных однофазных замыканиях сети на землю через перемежающуюся дугу должно проводиться либо в реальной трехфазной сети с изолированной нейтралью, либо на натуральной модели. Ток однофазного замыкания на землю – 3,0 А ± 20%.

Механизм повреждения ТН при перемежающейся дуге прост. Во время горения дуги емкость на землю неповрежденных фаз заряжается, а в бестоковой паузе разряжается. Разряд емкости происходит через ТН, сталь которого насыщается, намагничивающий ток возрастает и первичная обмотка перегревается. Поэтому этот вид повреждения отнесен к феррорезонансным.

Чтобы дуга перемежалась, нужно дуговой промежуток обдувать потоком воздуха со скоростью не менее 10 м/с, а чтобы она не погасла совсем, промежуток должен быть небольшим. При этом поток воздуха регулируется так, чтобы дуга не только перемежалась, но и длительность бестоковых пауз была достаточной для разряда емкости через ТН. Испытание проводится при наибольшем рабочем напряжении сети и в отсутствие вторичной нагрузки. Длительность непрерывных испытаний – 1 ч, так как дольше дугу не могут выдержать даже стальные электроды. Контроль за ходом процесса должен производиться по измерительным приборам с осциллографированием токов и напряжений через каждые 5 мин.

Затем методом сопоставления сопротивлений в холодном и в горячем состояниях определяется температура всех первичных обмоток ТН, которая не должна повыситься более чем на 50°С (для масляных ТН). Результаты измерений вместе с осцилло-граммами прикладываются к протоколу испытаний.

Испытание ТН 6-10-35 кВ на отсутствие повреждений при устойчивом феррорезонансе емкости сети с нелинейной индуктивностью других трансформаторов имеет свои особенности.

Феррорезонанс емкости сети с индуктивностью потребительских силовых трансформаторов 6–10 кВ наблюдается только на частоте 50 Гц. Происходит это при обрыве одной фазы линии и падении провода на землю со стороны потребительского трансформатора. Феррорезонанс возникает, если трансформатор имеет трехстержневой магнитопровод, изолированную нейтраль звезды первичной обмотки и небольшую нагрузку. Напряжение оборванной фазы со стороны источника, как показывает опыт, повышается до 12 кВ (в сети 6 кВ) и до 20 кВ (в сети 10 кВ). Процесс длится до тех пор, пока не повредится какое-либо оборудование. Чаще всего это происходит с обычными ТН, установленными на шинах питающей подстанции. Повреждаются они менее чем за 30 с, но после перегорания предохранителей феррорезонанс может возникнуть вновь. В сетях 35 кВ такой вид феррорезонанса отмечен не был.

Проверять ТН 6–10 кВ на устойчивость к таким высоким воздействиям в реальной сети нежелательно из-за риска по-вреждения остального оборудования. Проще это делать в зале и подавать на ТН напряжение от двух последовательно соединенных испытательных трансформаторов. Первый испытательный трансформатор однофазный, а второй – трехфазный. Обмотка первого трансформатора включается между землей и нейтралью звезды обмоток второго трансформатора, создавая на ней смещение нейтрали. Ко второму трансформатору подключаются три фазы, а его нейтральный зажим заземляется.

Испытание заключается в выдержке ТН под совместным напряжением двух трансформаторов в течение 3 ч. ТН нагружается по междуфазным напряжениям номинальной мощностью в классе точности 3,0, а по напряжению нулевой последовательности 3U₀ – сопротивлением 1 кОм (10 ВА). Перед приложением напряжения измеряется омическое сопротивление обмоток ТН в холодном состоянии. Сначала он ставится под номинальное трехфазное напряжение, а затем подается регулируемое напряжение смещения нейтрали. Оно регулируется так, чтобы на одной из фаз ТН напряжение относительно земли достигло 12 кВ (для ТН 6 кВ) или 20 кВ (для ТН 10 кВ). Трансформатор считается выдержавшим испытание, если он не повредился и температура ни одной из его обмоток не повысилась более чем на 50°С (для масляных ТН).

Часто на одном участке сети работают несколько ТН, контролирующих изоляцию. Часть из них может иметь антирезонансные свойства, а другая – нет. Антирезонансные ТН не в силах предотвратить феррорезонанс, вызванный индуктивностью обычных ТН. В этих случаях все ТН подвергаются опасности повреждения, но антирезонансные ТН должны быть устойчивы.

Обычные ТН резонируют на частоте 50 Гц только с небольшими емкостями ненагруженных шин при отсутствии отходящих линий. Это приводит к самопроизвольному смещению нейтрали (ложной земле), но не может повредить даже обычный ТН, не говоря уже о соседнем. Поэтому испытывать антирезонансный ТН на устойчивость к самопроизвольному смещению нейтрали сети не следует. Нет необходимости проверять и устойчивость антирезонансных ТН при совместной работе с обычными ТН в случае перемежающейся дуги.

Другое дело, когда обычный ТН вступает в феррорезонанс с емкостью коротких линий. В этих случаях он носит субгармонический характер. Потокосцепление отдельных фаз вырастает более чем в 2 раза, сталь магнитопровода глубоко насыщается, и намагничивающий ток превышает предельно допустимое значение. Этот вид феррорезонанса доставляет много неприятностей в сетях 35 кВ.

Субгармонический феррорезонанс в сети 35 кВ обычно происходит на частотах 24–26 Гц. Он наблюдается у ТН типов ЗНОМ-35 и ЗНОЛ-35 отечественного производства, а также у ТН 35 кВ некоторых зарубежных фирм. Феррорезонанс иногда срывается, но большей частью приводит к повреждению одной из фаз обычного ТН. Чтобы не произошло повреждения соседнего антирезонансного ТН, нужно его потокосцепление насыщения отстроить от возможного воздействия и для доказательства достаточности принятых мер провести совместные испытания.

Совместные испытания следует проводить на натуральной модели 35 кВ с изолированной нейтралью и током однофазного замыкания на землю 1,1 А± 20%. Это соответствует воздушной сети общей протяженностью линий около 10 км. В качестве обычного ТН следует взять трехфазную группу ЗНОМ-35 или ЗНОЛ-35. Испытание проводится при наибольшем рабочем напряжении и в отсутствие нагрузки на обоих ТН. Возбуждать феррорезонанс можно отключением КЗ во вторичных цепях любого ТН. Процесс осциллографируется и продолжается до повреждения одного из ТН, после чего измеряется температура первичных обмоток у неповрежденных фаз.

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.

ВЫВОДЫ

1. Сформулированы технические требования к антирезонансным ТН всех классов напряжения, которые могут лечь в основу соглашения между производителями и потребителями.
2. Предложена методика испытаний антирезонансных ТН на соответствие этим требованиям.
3. После обсуждения и доработки материал может быть предложен для внесения дополнений в ГОСТ 1983.