На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2018     2017  |   2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   2008  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Наука для практики

01.05.2015 Феррорезонансные процессы в сетях с заземленной нейтралью

 

Феррорезонансные процессы в сетях с заземленной нейтралью

 

Одной из важнейших задач современной энергетики является качественное и бесперебойное электроснабжение потребителей. Решение данной задачи существенно зависит от надежности работы электросетей энергосистемы. При этом следует иметь в виду, что схемы сетей, подстанций и т. д. могут изменяться из-за оперативных переключений, ремонтных работ, установки (демонтажа) различного оборудования, возникновения аварийных ситуаций и др.

 

Рассмотрены особенности расчетов феррорезонансных процессов (ФРП) в электрических сетях с заземленной нейтралью. На примере схемы соединений ОРУ 330–220 кВ одной из электростанций (ТЭС) Украины показаны принципы построения расчетных моделей. Установлены условия, при которых будут возникать устойчивые ФРП, предложены способы борьбы с этим явлением и методы предотвращения повреждений трансформаторов напряжения.

 

The features of calculations ferroresonance processes in networks with grounded neutral are considered in the article. For example, the schematic outdoor switchgear 330–220 kV power shows one of the principles of construction of computational models, sets the conditions under which resistant ferroresonance processes will arise. The ways to combat this phenomenon and to prevent damage to voltage of transformers are suggested.

 

Например, из-за включения/отключения выключателей оборудования, подсоединенного к шинам подстанций, возможно возникновение феррорезонансных контуров, в которых могут возникать феррорезонансные процессы. Они сопровождаются перенапряжениями и сверхтоками в обмотках, в первую очередь трансформаторов напряжения (ТН), что и приводит к выходу их из строя. Это чревато значительными убытками как для энергетических предприятий, так и для народного хозяйства в целом. Предпосылками для создания феррорезонансных контуров на электрических подстанциях являются их схемы соединений и параметры соответствующего оборудования [1, 2].

Как известно, воздушные и элегазовые выключатели имеют в своем составе емкостные делители, включенные параллельно контактам, для более равномерного распределения напряжения на разрывах выключателей во время их коммутаций. Оборудование подстанций и их шины имеют определенные емкости и активные проводимости на землю, обусловленные геометрическими размерами оборудования и его расстоянием до земли, несовершенством изоляции, изменением параметров воздуха в зависимости от погодных условий. Трансформатор напряжения характеризуется в первую очередь нелинейной характеристикой намагничивания и незначительным активным сопротивлением. Такой упрощенный феррорезонансный контур в однофазном изображении представлен на рис. 1.

 

 

В связи с довольно частыми повреждениями ТН энергопредприятия вынуждены закупать в резерв до 30 % трансформаторов напряжения от необходимого количества. Поэтому защита последних от повреждений, и прежде всего от феррорезонансных процессов, является актуальной задачей, тем более что от ТН питаются цепи учета электроэнергии, релейной защиты, автоматики и сигнализации.

Один из недостатков электромагнитных трансформаторов напряжения – возможность насыщения их магнитопроводов, что ведет к существенному изменению индуктивности. Это в свою очередь может провоцировать явление феррорезонанса и, как следствие, повреждение ТН.

На рис. 2 показана типичная вольтамперная (веберамперная) характеристика ТН. Зона I соответствует нормальной работе ТН, когда ток намагничивания находится в пределах 1–4 % номинального тока трансформатора и сопротивление (индуктивность его) остается практически неизменным.

 

 

Зона II соответствует глубокому насыщению ТН, характеризуется быстрым и существенным ростом тока намагничивания (значительным уменьшением индуктивности LТН).

Таким образом, при вхождении в зону II сопротивление магнитопровода изменяется в широких пределах и может наступить (наступает) момент, когда индуктивное и емкостное сопротивление становятся равными, в результате чего возможно возникновение феррорезонансного процесса.

Феррорезонанс возникает за счет последовательного включения межконтактной емкости Св выключенного выключателя с нелинейной индуктивностью LТН обмотки ВН ТН и емкости шин.

Расчет номинального режима для такого контура можно провести с помощью метода гармонического баланса [3]. Как показывают результаты расчетов, в таких контурах при определенных соотношениях параметров элементов схемы возникают сверхтоки, как правило, субгармонического характера (относительно промышленной частоты). Это вызвано периодическим глубоким насыщением нелинейной индуктивности LТН. Причем периодичность насыщения магнитной системы ТН задается частотой автоколебаний токов контура. Очевидно, что такие условия возникают, когда энергия WL, запасенная в обмотке ВН ТН при насыщении магнитопровода ТН, сопоставима с энергией WC, накопленной в емкости Св при ненасыщенном магнитопроводе ТН. Тогда для поддержания автопараметрических колебаний требуется незначительная (по сравнению с энергией, накопленной в Св и LТН) энергия от источника е для покрытия активных потерь в сопротивлении RТН.

Емкость Сш, как правило, способствует расстройству последовательного феррорезонансного контура. Как видно из рис. 1, шунтирующая емкость Сш формирует совместно с Св делитель напряжения, в результате чего к нелинейной индуктивности LТН подводится меньшее напряжение (чем при отсутствии Сш), что способствует уменьшению насыщения магнитопровода ТН, тем самым ухудшая условия для возникновения феррорезонанса. Разряд емкости Сш на нелинейную индуктивность представляет собой затухающие колебания с растущим периодом, который зависит от потерь в активных сопротивлениях схемы [4]. Учитывая малое внутреннее сопротивление источника ЭДС, увеличение емкости Сш способствует росту влияния источника ЭДС на развитие ФРП. То есть в определенные моменты источник ЭДС более интенсивно заряжает емкости Св и Сш, добавляя энергию в резонансный контур, увеличивает частоту колебаний или, соответственно, разряжает, способствуя их затуханию. В моменты времени, когда ток Iв в контуре и ЭДС не совпадают по знаку, амплитудное значение тока в емкости Св увеличивается, подзаряжая его. Кроме того, напряжение на Св прилагается к ЭДС, подзаряжая Сш. Если же ток Iв и ЭДС противоположны по знаку, то происходит обратный процесс с разрядом емкости.

В [5] установлено, что недопустимо упрощать расчетную схему к обычному резонансному контуру с сосредоточенными параметрами (рис. 1), в котором даже не учтено влияние других фаз через междуфазные емкости, поскольку здесь исключаются воспроизведения реальных процессов в сложном колебательном контуре. В специальной литературе, например [6], считалось, что феррорезонанс развивается в каждой фазе независимо, а это принципиально неверно. Как оказалось, междуфазные емкости провоцируют появление и развитие резонанса.

Рассмотрим возможности появления феррорезонансных процессов на примере трансформаторов напряжения 220 и 330 кВ типа НКФ. Как известно, эти трансформаторы изготавливаются каскадными (НКФ-220 состоит из двух НКФ-110, а НКФ-330 – из трех). На рис. 3 приведена принципиальная схема соединения обмоток таких трансформаторов напряжения.

 

 

В табл. 1 дана обобщенная веберамперная характеристика ТН с сердечником из трансформаторной стали.

 

Таблица 1

Обобщенная веберамперная характеристика ТН с сердечником из трансформаторной стали

 

1

2

3

4

5

6

7

Y*

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

i*

0,044938

0,0909

0,136373

0,181813

0,227279

0,27272

0,338356

 

8

9

10

11

12

13

14

Y*

0,7877

0,9089

1

1,1

1,2

1,3

1,4

i*

0,396511

0,607983

1

1,813375

3,258261

5,279936

10,920433

Примечание. Y*, i* – относительные значения рабочего потокосцепления и тока намагничивания.

 

В состав каждого блока входит активная часть (магнитопровод с обмотками). На активную часть надевается фарфоровая покрышка, заполненная трансформаторным маслом и закрытая маслорасширителем. Линейный вывод А обмотки ВН находится на крышке верхнего маслорасширителя, а заземленный вывод обмотки высокого напряжения и выводы вторичных обмоток подведены к нижнему каскаду. Электрическое соединение блоков между собой выполняется перемычками панели зажимов, расположенных в коробке основы последнего каскада (соединяющие вводы на крышке маслорасширителя нижнего блока и на дне верхнего блока (рис. 3)) [8].

Расчет параметров расчетной схемы выполним на примере трансформатора напряжения типа НКФ-220 (табл. 2).

 

Таблица 2

Параметры расчетной схемы трансформатора напряжения типа НКФ-220
Параметры каскада первичной обмотки

Параметры вторичной основной обмотки

Параметры вторичной дополнительной обмотки

Параметры связывающей обмотки

rвн к, Ом

Lвн к, Гн

rнн з, Ом

Lнн з, Гн

rнн р, Ом

Lнн р, Гн

rво, Ом

Lво, Гн

4 500

186

0,107

0,44•10–3

0,14

0,58•10–3

0,223

0,918•10–3

Примечание. Rнам = 1,1•1010 Ом – активное сопротивление ветви намагничивания (соответствует потерям в стали сердечника).

 

Коэффициенты трансформации рассчитаем по выражениям:

KT1 = 1;

 

 

где UВН к – напряжение высокой стороны, приходящееся на каскад ТН;

UНН ном – напряжение основной вторичной обмотки;

UНН р – напряжение дополнительной вторичной обмотки;

Uнх во – напряжение холостого хода каскада (уравнительная обмотка);

КТ1 – фиктивный коэффициент трансформации между первичной обмоткой и магнитопроводом;

КТ2 – коэффициент трансформации между первичной и основной вторичной обмотками;

КТ3 – коэффициент трансформации между первичной и дополнительной вторичной обмотками;

КТ3_0 – коэффициент трансформации между первичной и выравнивающей обмотками.

Параметры магнитной цепи, пересчитанные по данным табл. 2, с учетом токов и потокосцепления ТН типа НКФ составляют:

 

 

где Iнх вк – ток холостого хода верхнего каскада;

Iнх нк – ток холостого хода нижнего каскада;

Iнх(вн) – ток холостого хода верхнего каскада, приведенный к низкой стороне;

Iнх(нн) – ток холостого хода нижнего каскада, приведенный к низкой стороне;

Uвн к – номинальное напряжение каскада (высокая сторона);

КТ – коэффициент трансформации;

Yнн к – потокосцепление, которое соответствует номинальному напряжению каскада;

w = 2pf – угловая частота.

Феррорезонансные процессы в схемах возникают после, например, срабатывания дифзащиты шин подстанции, отключения всех присоединений и при питании шин через емкостные делители выключателей (к ТН подводится пониженное напряжение – примерно 0,3–0,5 Uном). Причем на первом этапе видимых повреждений ТН, как правило, не наблюдается. Наряду с этим, во время ФРП токи в первичных обмотках ТН превышают максимально допустимое термическое значение (0,1 А).

Токи в первичных обмотках ТН подгорают, а после восстановления исходной схемы и подачи номинального напряжения трансформатор взрывается.

Исследования возможности возникновения ФРП проведены для схемы электрических соединений ОРУ 330–220 кВ исследуемой ТЭС (рис. 4), для которой на ОРУ 330 кВ установлены шины, выполненные проводом 2АСО-300/39 длиной 260 м, со средним подвесом над землей 14 м и расстоянием между фазами 4,5 м. На ОРУ 220 кВ установлены шины, выполненные проводом 2АСО-480 длиной 210 м, со средним подвесом над землей 12 м и расстоянием между фазами 4,5 м.

 

 

Методом зеркальных отображений были рассчитаны емкости шин между собой и относительно земли, которые составили:

• для 330 кВ – СА = СС = 0,00158 мкФ, СВ = 0,00121 мкФ, САВ = СВС = 0,0013 мкФ, ССА = 0,000586 мкФ;

• для 220 кВ – СА = СС = 0,00174 мкФ, СВ =

= 0,00102 мкФ, САВ = СВС = 0,000604 мкФ, ССА = 0,000321 мкФ.

По существующей схеме электрических соединений ОРУ 330 кВ (рис. 4) имеет две секционированные системы шин с обходной. К каждой присоединен трансформатор напряжения типа НКФ-330. К системам шин I и II может быть добавлено максимум 6 присоединений (только если секционный выключатель выключен). При замкнутых секционных выключателях может расти количество присоединений на одну систему шин. К ОРУ также подсоединен автотрансформатор связи 330/220 кВ. На ОРУ 330 кВ установлены высоковольтные воздушные выключатели серии ВВН-330Б. На каждый полюс установлено по 4 конденсатора типа ДНР-160: два емкостью по 1 100 пФ и два – по 1 400 пФ. Сейчас выполняется реконструкция ОРУ 330 кВ с заменой воздушных выключателей на элегазовые фирмы АВВ типа LTB-420-В1, на которых установлено по два конденсатора емкостью 1 200 пФ и по два емкостью 1 400 пФ.

Представленное на рис. 4 ОРУ 220 кВ имеет две рабочие секционированные системы шин с обходной. К каждой системе шин присоединен трансформатор напряжения типа НКФ-220. К шинам I и II может быть добавлено максимум 20 присоединений. От ОРУ также отходит автотрансформатор связи 220/330 кВ АТ. На ОРУ 220 кВ установлены высоковольтные воздушные выключатели серии ВВН-220Б. На каждый полюс этого выключателя установлено по два конденсатора типа ДНР-160 емкостью по 1 400 пФ. На ОРУ 220 кВ исследуемой ТЭС планируется реконструкция с заменой воздушных выключателей на элегазовые фирмы АВВ типа HPL, в которых установлено по два конденсатора примерной емкостью 1 400 пФ.

Сформированная нами расчетная модель (рис. 5) выполнена в трехфазном исполнении и учитывает фазность схемы, междуфазные емкости электрооборудования сети, каскадное строение трансформаторов напряжения, кусочно-аппроксимированную кривую намагничивания электротехнической стали, влияние погодных условий и др. Влияние погодных условий смоделировано сопротивлением изоляции системы шин, значение которого зависит от потерь на корону, которые в свою очередь определяются погодными условиями.

 

 

Моделирование режима работы ОРУ 330 кВ при отключении последнего выключателя от системы шин для разного количества подключенных выключателей и уровней напряжения показало, что в исследуемой электрической сети существует вероятность возникновения незатухающего ФРП. Эквивалентные емкости как воздушного, так и элегазового выключателей примерно равны 330 пФ. Значит, независимо от комбинации ФРП возникает при одинаковом количестве отключенных выключателей. В частности, если к системе шин подключено больше 8 выключателей, то независимо от уровня напряжения может возникнуть устойчивый ФРП.

Что же касается процессов на ОРУ 220 кВ, то результаты моделирования показали, что устойчивый феррорезонансный процесс может возникнуть уже при отключении трех и более выключателей, независимо от величины напряжения на системах шин.

На рис. 6 показаны осциллограммы переходного процесса при отключении 9 выключателей на ОРУ 330 кВ, а на рис. 7 – при отключении 9 выключателей на ОРУ 220 кВ.

 

 

На осциллограммах (рис. 6 и 7, а также рис. 8 и 9) сверху вниз: Uф4, Uф2, Uф6 – фазные напряжения шин; I18 (I26), I5, I31 (I47) – токи в первичных обмотках ТН фаз А, В, С; U60 (U87) – напряжение 3U0 (в обмотке разомкнутого треугольника).

 

 

 

 

 

 

Как известно, специалистами и научными работниками предлагаются различные средства и способы недопущения (гашения) феррорезонансных процессов, а именно:

• схемно-технические мероприятия, которые основаны на применении схем электрических соединений ОРУ, когда невозможно возникновение феррорезонансных контуров;

• изменение порядка выполнения оперативных переключений для предотвращения возникновения опасных комбинаций параметров электрооборудования;

• изменение схем действия устройств релейной защиты и автоматики (запрет на срабатывание дифзащиты, применение АПВ шин при работе защиты шин, автоматическое отключение разъединителя трансформатора напряжения при срабатывании защиты шин);

• изменение параметров элементов сети (замена электромагнитных ТН на емкостные; применение выключателей без емкостных делителей напряжения; увеличение емкости шин путем установки дополнительных конденсаторов; демпфирование феррорезонансных колебаний путем увеличения потерь активной мощности в ТН);

• использование специальных устройств подавления феррорезонансных процессов (подключение ко вторичной обмотке ТН источника энергии со встречной ЭДС; кратковременное подключение параллельно вторичным обмоткам ТН активных сопротивлений, которые демпфируют феррорезонансные колебания).

Однако все вышеперечисленные мероприятия обладают рядом недостатков и практического применения в энергосистемах не нашли.

С нашей точки зрения, действительно эффективным способом борьбы с ФРП является предотвращение возникновения ФРП за счет подключения демпфирующих сопротивлений. Были рассмотрены различные варианты упреждающего подключения параллельно каждой фазе обмотки разомкнутого треугольника чисто активного сопротивления, активно-индуктивного сопротивления, активно-емкостного сопротивления либо перевод обмотки разомкнутого треугольника ТН в режим замкнутого треугольника. Результаты выполненных расчетов показали, что для эффективного предотвращения развития устойчивого ФРП необходимо:

• подключение активного сопротивления 1,2 Ом на время 0,2 с для ТН 330 кВ и 4 Ом на время 0,5 с для ТН 220 кВ;

• подключение активно-индуктивного сопротивления 0,1 Ом – 3 мГн на время 0,2 с для ТН 330 кВ и 0,1 Ом – 13 мГн на время 0,5 с для ТН 220 кВ;

• применение активно-емкостного сопротивления не обеспечивает надежного срыва ФРП.

На рис. 8 и 9 показан характер переходного процесса при использовании в качестве демпфера активно-индуктивного сопротивления для ТН 330 и 220 кВ соответственно.

Принцип упреждающего подсоединения демпфирующих сопротивлений используется в устройстве недопущения возникновения феррорезонанса типа ЗФР, которое разработано в Национальном университете «Львовская политехника».

Принцип работы устройства ЗФР заключается в следующем. При коротком замыкании на системе шин срабатывает релейная защита и подает сигнал на отключение выключателей присоединений. Одновременно подается команда на включение быстродействующего коммутационного аппарата (оптосимисторы) в устройстве ЗФР, благодаря чему к выводам дополнительной обмотки трансформатора напряжения подключаются гасящие резисторы. Они подключатся быстрее, чем разомкнутся контакты выключателей присоединений. После размыкания контактов выключателей присоединения остаются подключенными к системе шин через емкостные делители выключателей, чем создаются параллельный и последовательный резонансные контуры между емкостью емкостных делителей, собственной емкостью шин и нелинейной индуктивностью ТН. Гасящие резисторы подключаются ко вторичным выводам ТН на короткое время (t < 0,5 с), чем расстраивают резонансные контуры. Феррорезонансный процесс не возникает, и восстанавливается нормальная работа трансформатора напряжения без перенапряжений и сверхтоков. На рис. 10 показана принципиальная схема устройства ЗФР [7].

 

 

На рис. 11 представлены расчетные осциллограммы при отключении системы шин при присоединении 9 выключателей к шинам 330 кВ и подсоединении резистора сопротивлением 1,2 Ом на время 0,3 с параллельно каждой фазе дополнительной обмотки ТН. На рис. 12 приведены расчетные осциллограммы при отключении системы шин при присоединении 7 выключателей к шинам 220 кВ и подсоединении резистора сопротивлением 4 Ом на время 0,3 с параллельно каждой фазе дополнительной обмотки ТН. Как видно из осциллограмм, ФРП не возникает.

 

 

 

 

Выводы

1. Разработаны модели для исследования феррорезонансных процессов в электросетях с заземленной нейтралью, которые позволяют учитывать не только параметры ТН и емкости отключенных выключателей, но и междуфазные емкости, состояние погодных условий и момента размыкания контактов выключателей.

2. На примере ОРУ 330 и 220 кВ одной из ТЭС Украины выполнена оценка возможности возникновения в этой сети ФРП и адекватности разработанных моделей. По результатам расчетов установлено, что на появление незатухающего ФРП значительно влияют количество выключателей и значение напряжения на системе шин, что необходимо учитывать при моделировании.

3. Рассмотрены различные варианты упреждающего подключения параллельно каждой фазе обмотки разомкнутого треугольника чисто активного сопротивления, активно-индуктивного и активно-емкостного сопротивления.

4. Поскольку феррорезонансные процессы могут приводить к повреждению электромагнитных трансформаторов напряжения, предлагается использование устройства недопущения возникновения феррорезонансных процессов в трансформаторах напряжения типа НКФ, разработанного в НУ «Львовская политехника».

 

Анатолий ЖУРАХИВСКИЙ,
доктор технических наук,
профессор,
Андрей ЯЦЕЙКО,
кандидат технических наук, доцент,
Богдан ДМЫТРИК,
студент,
Юрий КИНДЮХ,
студент,
Назарий ЯРЕМА,
студент, Национальный университет «Львовская политехника»

 

(Статья поступила в редакцию 23.04.2015 г.)

 

Литература

1. Павлов В. И., Максимов В. М. Феррорезонанс на шинах в сетях с заземленной нейтралью // Электрические станции. – 1975. – № 1.

2. Цирель Я. А., Поляков В. С. Феррорезонансные явления в сетях с глухозаземленной нейтралью и мероприятия по их предотвращению // Электрические станции. – 1977. – № 3.

3. Бессонов Л. А. Нелинейные электрические цепи. – М.: Высшая школа, 1964. – 635 с.

4. Алексеев В. Г., Евдокимов С. А. Условия феррорезонанса с трансформаторами напряжения в сети 220 кВ // Электрические станции. – 1994. – № 10.

5. Батенько П. В. Захист трансформаторів напруги у розподільчих злагодах напругою 220–330 кВ // Техническая электродинамика. – 2002. – № 35.

6. Руководящие указания по предотвращению феррорезонанса в распределительных устройствах 110–500 кВ с электромагнитными трансформаторами напряжения и выключателями, содержащими емкостные делители напряжения / М-во энергетики и электрификации Украины. – Киев, 1995. – 34 с.

7. Патент на КМ № 45622. Спосіб захисту трансформатора напруги від пошкоджень ферорезонансними процесами в електромережах з ефективно заземленою нейтраллю / Журахівський А. В., Кенс Ю. А., Коновал В. С., Павлишин В. I. / Бюл. № 22 от 25.11.2009 г.

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком