Трансформаторное оборудование

Во время электродинамических испытаний проверяется правильность конструкторско-технологических решений в процессе создания трансформаторного и реакторного оборудования. Важный момент – безопасность эксперимента для испытуемого оборудования.
Для этого необходимо решить задачу быстрого аварийного прекращения опыта КЗ, что позволит уменьшить масштаб повреждения обмоток испытуемого трансформатора. Алексей Алексеевич Кувшинов и Александр Юрьевич Хренников считают возможным решить эту задачу с помощью высоковольтного сильноточного полупроводникового ключа (ВСПК) на базе запираемых тиристоров (IGCT) или биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT).

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ВСПК на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах

Алексей Кувшинов, д.т.н., профессор кафедры «Электроснабжение и электротехника» Тольяттинского государственного университета
Александр Хренников, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник Дирекции электрооборудования и ЛЭП ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», г. Москва

Электродинамические испытания силовых трансформаторов согласно требованиям ГОСТ 20243-88 предусматривают проведение контрольных измерений до и после каждого опыта короткого замыкания (КЗ) [1–5]. Это необходимо для оценки исходного состояния испытуемого силового трансформатора, выявления начальных повреждений и контроля за развитием повреждений в процессе испытаний. К наиболее информативным диагностическим параметрам относится индуктивное сопротивление КЗ, изменение которого позволяет фиксировать осевые и радиальные деформации обмоток, а также изменения взаимного пространственного расположения обмоток испытуемого силового трансформатора [6].

Для практической реализации безопасной технологии электродинамических испытаний мониторинг диагностических параметров силового трансформатора необходим не только до и после проведения каждого опыта КЗ, но и во время опыта КЗ и соответственно под рабочим напряжением. Это позволяет фиксировать начало возникновения аварийного процесса и уменьшить масштабы аварии в случае своевременного отключения испытуемого трансформатора. Информационно-измерительные системы (ИИС) для контроля параметров испытуемого трансформатора во время опытов КЗ рассмотрены в ряде работ [6, 7, 8].

Однако только формирования сигнала аварийного прекращения опыта КЗ недостаточно для обеспечения безопасности электродинамических испытаний силовых трансформаторов. Необходимо минимизировать интервал времени между моментом формирования ИИС аварийного сигнала и моментом аварийного прекращения опыта КЗ путем принудительного прерывания тока КЗ. Только в этом случае можно предотвратить аварийное разрушение обмоток испытуемого силового трансформатора и тем самым повысить безопасность электродинамических испытаний.

Коммутационные аппараты с традиционной контактной системой, например воздушные и элегазовые выключатели, характеризуются временем выключения 0,04–0,08 с. Соответственно и опыт КЗ может быть прерван по аварийному сигналу не ранее чем через 2–4 периода сетевого напряжения после возникновения аварийного процесса [9].

Коммутационные аппараты на базе силовых тиристоров с электрическим и прямым световым управлением теоретически способны прервать опыт КЗ через интервал времени не более 10 мс после возникновения аварийного процесса [10, 11, 12]. Но это возможно только в том случае, если ток КЗ не содержит апериодической составляющей. В противном случае аварийное прекращение опыта КЗ, например в первом периоде, когда амплитуда ударного тока и соответственно вероятность развития аварийного процесса максимальны, может привести к неконтролируемому включению силовых тиристоров и необратимому повреждению полупроводниковых структур.

Таким образом, необходимо обеспечить быстрое аварийное прекращение опыта КЗ, что позволит обеспечить безопасность электродинамических испытаний благодаря уменьшению масштаба повреждения обмоток испытуемого трансформатора. Эту задачу можно решить с помощью высоковольтного сильноточного полупроводникового ключа (ВСПК), созданного на базе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов – запираемых тиристоров или биполярных транзисторов с изолированным затвором.

АВАРИЙНОЕ ПРЕРЫВАНИЕ ОПЫТА КЗ С ПОМОЩЬЮ ВТК

На рис. 1 показана упрощенная схема электродинамических испытаний силового трансформатора ИТ в двухобмоточном режиме при искусственном закорачивании выводов на стороне низкого напряжения (а) и временные диаграммы напряжений и токов в опыте КЗ с воздействием максимальной по величине апериодической составляющей (б). До момента времени t₁ напряжение U_C шин испытательного стенда приложено к силовым тиристорам VS1₍₁₎… VS1_(n) и VS2₍₁₎…VS2_(n) высоковольтного тиристорного ключа (ВТК). В момент времени t₁, когда на силовых тиристорах VS1₍₁₎…VS1_(n) появляется положительное напряжение, начинается опыт КЗ с углом первоначального включения ВТК, равным нулю. Через ВТК протекает ток КЗ, содержащий периодическую i_КЗ(П)(t) и апериодическую i_КЗ(А)(t) (рис. 1б) составляющие:

, (1)

где – амплитуда установившегося тока КЗ на стороне высокого напряжения испытуемого силового трансформатора; E_C – действующее значение фазной ЭДС электрической сети, питающей испытательную сеть; – модуль полного сопротивления контура КЗ; x_C – эквивалентное индуктивное сопротивление электрической сети, питающей испытательный стенд; x_T, r_T – индуктивная и активная составляющие сопротивления КЗ испытуемого силового трансформатора; τ = (x_C + x_T) / ω · r_T – постоянная времени контура КЗ; ω – угловая частота сетевого напряжения.

Рис. 1. Упрощенная схема электродинамических испытаний (а) и временные диаграммы напряжений и токов опыта короткого замыкания (б)

а)
б)

В первом периоде опыта КЗ обмотки испытуемого силового трансформатора ИТ и силовые тиристоры подвергаются воздействию ударного тока с амплитудой:

, (2)

где τ* = τ / T, а T – период сетевого напряжения.

Продолжительность интервала (t₁ – t₂) проводимости силовых тиристоров VS1₍₁₎…VS1_(n) и соответственно ударного тока КЗ составит:

В момент времени t₂ включаются силовые тиристоры VS2₍₁₎ …VS2_(n), через которые будет протекать ток КЗ с амплитудой:

и продолжительностью:

Например, при τ* = 9 амплитуды положительной (2) и отрицательной (4) полуволн тока КЗ равны: I_VS1m = 1,95 · I_Km и I_VS2m = 0,11 · I_Km. Интервалы проводимости (3) силовых тиристоров VS1₍₁₎…VS1_(n) и (5) силовых тиристоров VS2₍₁₎…VS2_(n) составят λ_VS1 ≅ 333,5 эл.гр. и λ_VS2 ≅ 53 эл.гр. соответственно.

При возникновении на интервале (t₁ – t₂) ударного тока КЗ аварийных процессов в обмотках испытуемого силового трансформатора, электродинамические испытания можно прервать либо в момент времени t₂, либо в момент времени t₄.

В первом случае к силовым тиристорам VS1₍₁₎…VS1_(n) до момента времени t₃ будет приложено обратное напряжение, а с момента времени t₃ силовые тиристоры VS1₍₁₎…VS1_(n) должны выдерживать приложение прямого напряжения. Для этого необходимо, чтобы время выключения t_q силовых тиристоров VS1₍₁₎…VS1_(n) удовлетворяло условию:

(6)

при апериодической форме восстанавливающегося напряжения или условию:

при колебательной форме восстанавливающегося напряжения.

(Здесь t_rr – время обратного восстановления силовых тиристоров; f_ВОССТ – частота восстанавливающегося напряжения).

Нарушение условий (6) или (7) приведет к неконтролируемому (без подачи управляющих импульсов) включению ВТК в момент времени t₃ и последующему необратимому пробою всех силовых тиристоров VS1₍₁₎…VS1_(n).

Во втором случае к силовым тиристорам VS1₍₁₎…VS1_(n) на интервале (t₂ – t₄) приложено обратное напряжение, равное падению напряжения на силовых тиристорах VS2₍₁₎…VS2_(n). Величина обратного напряжения на силовом тиристоре VS1₍₁₎, равная падению напряжения на силовом тиристоре VS2₍₁₎, не превысит (1–2) В. Таким образом, восстановление запирающих свойств силовых тиристоров VS1₍₁₎…VS1_(n) будет происходить практически без приложения обратного напряжения. В результате время выключения увеличивается в (1,5–2) раза и должно удовлетворять условию:

, (8)

нарушение которого также приведет к неконтролируемому включению силовых тиристоров VS1₍₁₎…VS1_(n).

Выполнение условий (6)–(8) зависит от параметров испытуемого трансформатора (x_T, r_T), параметров демпфирующих цепей ВТК (на рис. 1а не показаны), характеристик выключения (t_q, t_rr) силовых тиристоров. Следует добавить, что время выключения мощных низкочастотных тиристоров, которые могут использоваться в составе ВТК, достигает значений 600–800 мкс, вполне соизмеримых с временными интервалами (t₂ – t₃) и (t₂ – t₄), показанных на рис. 1. Если условия (6)–(8) не выполняются, то с помощью (1) необходимо определить количество периодов, по истечении которых возможно безопасное для ВТК прерывание опыта КЗ. Соответственно определяется и то минимальное количество периодов опыта КЗ, в течение которых обмотки силового трансформатора даже при наличии аварийной деформации будут подвергаться электродинамическим воздействиям. Это не позволяет в полной мере обеспечить безопасное проведение электродинамических испытаний.

СХЕМА ДЛЯ БЕЗОПАСНЫХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

На рис. 2 представлена упрощенная структурная схема, позволяющая обеспечить безопасность опытов КЗ испытуемого силового трансформатора ИТ путем быстрого прерывания тока КЗ с помощью высоковольтного сильноточного полупроводникового ключа (ВСПК).

Рис. 2. Схема безопасного проведения электродинамических испытаний с контролем состояния испытуемого силового трансформатора

Силовая схема ВСПК содержит цепочку из n последовательно соединенных ячеек, каждая из которых образована встречно-параллельно соединенными ключами S1₍₁₎ – S2₍₁₎…S1_(n) – S2_(n). В качестве последних должны использоваться полностью управляемые силовые полупроводниковые приборы (СПП), например, запираемые тиристоры с кольцевым выводом управляющего электрода и интегрированным устройством управления (IGCT) или мощные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGВT).

В качестве примера в таблице 1 представлены основные параметры трех видов СПП, способных коммутировать указанные токи, различных производителей: ОАО «Электровыпрямитель» (фототиристор типа ТФ183-2000) [13], АВВ Semiconductors (IGCT типа 5SHY35L4510) [14] и IXYS (IGBT типа T1800GA45A) [15]. Выбранные СПП имеют таблеточную конструкцию (корпус press-pack), наиболее удобную для изготовления высоковольтных конструкций, и практически одинаковый диаметр кремниевой пластины (≈ 100 мм).

Табл. 1. Коммутационная способность СПП различного типа

Параметр	Тип прибора
	LTT ТФ183-2000	IGCT 5SHY35L4510	IGBT T1800GA45A
Номинальное напряжение, кВ	UDRM / URRM 6,5 / 7,0	UDRM / URRM 4,5 / 4,5	UCE / UR 4,5 / 0
Номинальный ток, А	ITAV 2115 (70°С)	ITAV / ITQRM 1700 / 4000	IC 1500
Ударный ток, кА	ITSM 40 (10 мс)	ITSM 32 (10 мс)	ICM 3,0 (1,0 мс)
Критическая скорость нарастания напряжения, В/мкс	5000	Не требует ограничения	Не требует ограничения
Заряд восстановления, мкКл	5000	Отсутствует	Отсутствует
Время включения tdon / tr, мкс	5,0 / –	3,5 / 1,0	1,0 / 2,0
Время выключения, мкс	630	tdof / tf 7,0 / 1,0	tdof / tf 2,0 / 1,0
Номинальная коммутационная мощность, МВА	UDRM · ITAV 13,7474	UDRM · ITQRM 18	UCE · IC 6,75
Ударная коммутационная мощность, МВА	UDRM · ITSM 260	UDRM · ITSM 144	UCE · ICM 13,5

Как видно из таблицы 1, по коммутационной способности IGCT и IGВT заметно уступают фототиристорам, а по динамическим параметрам (критическая скорость нарастания напряжения, заряд восстановления, время включения и выключения) существенно превосходят их.

Шкаф управления (ШУ) по сигналу «Пуск» формирует серию управляющих импульсов, которые по световодам передаются на потенциал ВСПК. Количество управляющих импульсов определяет количество положительных i_S1 и отрицательных i_S2 полупериодов тока I_K в опыте КЗ, а начальная фаза первого управляющего импульса относительного сетевого напряжения определит величину апериодической составляющей тока короткого замыкания. По сигналу «Стоп» серия управляющих импульсов прекращается, завершая опыт КЗ. Сигналы трансформаторов напряжения TV и тока TA обеспечивают синхронизацию соответственно моментов включения и выключения ВСПК. При этом нормальное завершение опыта КЗ предусматривает выключение ВСПК только в момент перехода через нулевое значение.

Информационно-измерительная система (ИИС) обрабатывает диагностические сигналы, получаемые от первичных измерительных преобразователей (на рис.2 не показаны), контролирующих текущее состояние ИТ во время опыта КЗ, например среднее за период значение индуктивности КЗ. В случае опасного отклонения контролируемого параметра от первоначального значения ИИС формируется сигнал «Защита», который передается в ШУ. Последний формирует сигнал запирания силовых полупроводниковых приборов ВСПК независимо от текущего значения тока КЗ, осуществляя аварийное прекращение опыта КЗ [13,14,15].

Необходимо иметь в виду, что аварийное прекращение опыта КЗ, не синхронизированное с моментом перехода тока I_K через нулевое значение, будет сопровождаться опасными перенапряжениями как на обмотке высокого напряжения (А–Х) ИТ, так и на выводах ВСПК. Кратность перенапряжений будет определяться величиной энергии, накопленной к моменту выключения ВСПК в магнитном поле индуктивности КЗ ИТ, индуктивностях токопроводов между шинами U_C испытательного стенда и выводом «1» ВСПК, между выводом «2» ВСПК и выводом «А» обмотки высокого напряжения ИТ. Для поглощения энергии магнитного поля и уменьшения уровня перенапряжений при аварийном прерывании опыта КЗ, в схеме испытательного стенда используются ограничители перенапряжений FV1…FV3.

Ограничитель FV3 поглощает энергию магнитного поля индуктивности КЗ ИТ и защищает от перенапряжения обмотку высокого напряжения А-Х . Ограничитель FV2 поглощает энергию магнитного поля токопровода между выводом «2» ВСПК и выводом «А» ИТ и фиксирует потенциал вывода «2» относительно земли. Ограничитель FV1 поглощает энергию магнитного поля внутренней ошиновки ВСПК и фиксирует потенциал вывода 1 относительно «земли». Кроме того, ограничитель FV3 защищает ВСПК от грозовых и коммутационных перенапряжений, поступающих на шины U_C испытательного стенда со стороны питающей сети.

Наиболее тяжелым воздействиям при аварийном прерывании опыта КЗ подвергается ограничитель перенапряжений FV3, поскольку индуктивность КЗ ИТ многократно превышает индуктивность ошиновки испытательного стенда. Наиболее неблагоприятным для аварийного прерывания опыта КЗ с апериодической составляющей является момент максимума ударного тока на первом полупериоде (рис.1), определяемый выражением (2).

В этом случае варисторы ограничителя перенапряжений FV3 после аварийного выключения ВСПК должны поглотить энергию, величина которой равна:

, (9)

где S_НОМ, I_НОМ – номинальная мощность и номинальный ток испытуемого трансформатора; L_K, u_K% – индуктивность и напряжение короткого замыкания испытуемого трансформатора; K_УД – ударный коэффициент, величина которого для мощных трансформаторов может достигать значений (1,8–1,95).
Учитывая, что кратность установившегося тока КЗ равна [11]:

,

и принимая в качестве базисной величины энергию:

выражение (9) можно преобразовать к виду, позволяющему определять величину ударной энергии по паспортным данным испытуемого силового трансформатора:

, (10)

где S^*_C = S_C / S_НОМ; S_C – мощность КЗ питающей сети на шинах испытательного стенда.

Продолжительность процесса поглощения энергии испытуемого трансформатора ИТ при аварийном прекращении опыта КЗ можно оценить, полагая, что остающееся напряжение U_ОСТ ограничителя перенапряжения FV3 сохраняется неизменным

,

где L_К – индуктивность КЗ испытуемого трансформатора; k_З = =(1,6–1,8) – защитный показатель нелинейного ОПН; U_НОМ – номинальное напряжение обмотки высокого напряжения испытуемого трансформатора.

Для количественных оценок гораздо удобнее использовать относительную продолжительность рассматриваемого интервала:

, (11)

которую легко определить по паспортным данным испытуемого трансформатора. Например, при аварийном прерывании опыта КЗ силового трансформатора с номинальной мощностью S_НОМ = 63 МВА относительные значения ударной энергии и продолжительности процесса поглощения накопленной энергии составят W^*_УД ≅ 1,375, Δt ≅ 0,13 (в именованных единицах W^*_УД ≅ 1732,5 кДж, Δt ≅ 2,6 мс соответственно).

Выражения (2), (10) и (11) позволяют определить уровень электрических воздействий на ограничитель перенапряжений FV3 в случае аварийного прекращения опыта КЗ. При необходимости увеличения пропускной способности ограничителя перенапряжений FV3 должны использоваться параллельные колонки варисторов или параллельное соединение нескольких защитных аппаратов. Аналогичным образом, используя результаты измерения индуктивности ошиновки испытательного стенда и ВСПК, можно оценить требования к пропускной способности ограничителей перенапряжений FV1 и FV2.

ВЫВОДЫ

1. Безопасность электродинамических испытаний силовых трансформаторов обеспечивается принудительным прекращением опыта КЗ сразу после формирования сигнала аварийного состояния обмоток испытуемого силового трансформатора при произвольной величине тока КЗ и может быть практически реализована только с помощью ВСПК на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах – IGCT или IGBT.
2. Высоковольтный тиристорный ключ не способен обеспечить аварийное прекращение электродинамических испытаний в первом периоде опыта КЗ с апериодической составляющей тока, когда вероятность развития аварийных процессов в обмотках максимальна из-за воздействия ударного тока, поскольку низкочастотным силовым тиристорам из-за асимметрии интервалов проводимости недостаточно времени приложения обратного напряжения для восстановления запирающих свойств.
3. Аварийное прекращение (за несколько мкс) опыта КЗ возможно, если обеспечено полное поглощение энергии, накопленной в магнитном поле индуктивностей КЗ и ошиновки испытательного стенда, например с помощью нелинейных ОПН, установленных на выводах как ВСПК, так и обмотки высокого напряжения испытуемого трансформатора.
4. Наиболее тяжелым воздействиям подвергается нелинейный ОПН, установленный на выводе обмотки высокого напряжения испытуемого трансформатора, поскольку в случае прекращения опыта КЗ он в момент протекания ударного тока должен поглотить всю энергию магнитного поля, накопленную в индуктивности КЗ испытуемого трансформатора.
   
   

ЛИТЕРАТУРА

1. Хренников А.Ю. Проблема электродинамической стойкости силовых трансформаторов // Промышленная энергетика. 2008. № 9. С. 12–16.
2. Хренников А.Ю., Мажурин Р.В. Мощный испытательный центр в России. Технические и организационные факторы // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 3(75). С. 5–11.
3. Хренников А.Ю., Мажурин Р.В. Электродинамические испытания для повышения надежности трансформаторно-реакторного оборудования (ТРО), существующая испытательная база и возможности испытаний ТРО в будущем // ЭЛЕКТРО. 2012. № 5. С. 41–46.
4. Хренников А.Ю., Кувшинов А.А. Электродинамические испытания силовых трансформаторов на стойкость к токам короткого замыкания на Федеральном испытательном центре // Сборник докладов международной научно-технической конференции «Инновационные решения и современные технологии эксплуатации трансформаторного оборудования высокого напряжения». СПб: ПЭИПК, 2013. С. 13–17.
5. Дементьев Ю.А., Смекалов В.В., Шакарян Ю.Г., Хренников А.Ю., Кувшинов А.А. О создании Федерального испытательного центра. Электродинамические испытания силовых трансформаторов на стойкость к токам КЗ // Новости ЭлектроТехники. 2014. № 1(85). С. 32–37.
6. Хренников А.Ю., Шлегель О.А. Контроль изменения индуктивного сопротивления трансформаторов для определения повреждений в обмотках // Энергетик. 2004. № 2. С. 27–30.
7. Хренников А.Ю. Информационно-измерительные системы контроля и защиты обмоток силовых трансформаторов и реакторов // Научный вестник НГТУ. Новосибирск, 2006, №1(22). С. 123–130.
8. Хренников А.Ю., Гольдштейн В.Г. Техническая диагностика, повреждаемость и ресурсы силовых и измерительных трансформаторов и реакторов. М.: Энергоатомиздат, 2007. ISBN 978-5-283-03270-2, 286 с., ил.
9. Portales E., Filion Y., Mercier A. Transformer-controlled switching taking into account residual flux-modelling transformers for realistic results in system studies // RECIFE. 2011. Р. 68.
10. Кувшинов А.А., Хренников А.Ю. Высоковольтный тиристорный вентиль для электродинамических испытаний силовых трансформаторов // ЭЛЕКТРО. 2014. № 2. С. 42–46.
11. Кувшинов А.А., Хренников А.Ю. Оборудование для электродинамических испытаний трансформаторов. Высоковольтный сильноточный полупроводниковый ключ // Новости ЭлектроТехники. 2014. № 5(89).
12. Кувшинов А.А., Хренников А.Ю. Оборудование для испытаний силовых трансформаторов на стойкость к токам короткого замыкания. Полупроводниковый сильноточный высоковольтный ключ с прямым световым управлением // Новости ЭлектроТехники. 2015. № 4 (94). С. 40–42.
13. Патент РФ № 2041472. Устройство для испытания трансформатора токами короткого замыкания / Хренников А.Ю., Лурье А.И., Шлегель О.А. 1995. // Бюл. № 22, 5 с., ил.
14. Патент РФ № 2136099. Устройство контроля и защиты обмоток трансформаторов от деформации при коротких замыканиях / Хренников А.Ю. // Бюл. № 24, 1999, 10 с., ил.
15. Патент РФ № 2063050. Устройство контроля и защиты трансформаторов от деформации обмоток при коротких замыканиях в процессе эксплуатации / Лурье А.И., Шлегель А.И., Хренников А.Ю. 1996 // Бюл. №18. 5 с., ил.