ОМИКРОН ОМИКРОН ОМИКРОН
Система Orphus

Антирезонансные трансформаторы напряжения. Эффективность применения

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.

АНТИРЕЗОНАНСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Эффективность применения

Кира Кадомская, профессор, д.т.н.
Олег Лаптев, аспирант
Кафедра техники и электрофизики высоких напряжений Новосибирского государственного технического университета

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

– 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 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.

16 Август, 2008              23511              ]]>Печать]]>
2 / 10 ( Отлично )

Добавить комментарий

Ваше имя

Текст

Контрольный вопрос

Dвa pлюs тpi ? (цифрой)


Вверх страницы