Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрооборудование высокого напряжения и его эксплуатация. Учебное пособие
.pdf
4.3. ЯВЛЕНИЕ ФЕРРОРЕЗОНАНСА
В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ
НАПРЯЖЕНИЯ
Под феррорезонансными явлениями, как правило, понимают любые колебательные процессы в электрических сетях, происходящие
в контурах, содержащих емкость электрооборудования и нелинейную
индуктивность намагничивания магнитопроводов трансформаторов.
Феррорезонансные явления могут приводить как к возникновению
перенапряжений, так и к повышенным значениям токов в обмотках
трансформатора. Трансформаторы напряжения (ТН) наиболее подвержены повреждениям из-за
феррорезонанса, поскольку их обмотка вы-
сокого напряжения (ВН) рассчитана на протекание очень малых токов.
Для феррорезонанса характерно наличие резонансного контура,
включающего в себя источник ЭДС, емкость участка сети и нелинейную индуктивность (характеристика магнитопровода ТН). Феррорезонанс возникает при выполнении в контуре условий его возникновения
и является квазистационарным, если мощности
источника ЭДС достаточно для покрытия активных потерь в резонансном контуре. Квазистационарность феррорезонанса и служит основной причиной повреждений трансформаторов, поскольку большие токи протекают в его
обмотке ВН длительное (теоретически – неограниченное) время.
Причины возникновения феррорезонанса в сетях 6–35 кВ с изолированной нейтралью и в сетях 110 кВ и выше с глухозаземленной
нейтралью различны. В сетях с изолированной нейтралью к возникновению феррорезонанса в основном приводят однофазные дуговые замыкания на землю (ОДЗ), а также отключение устойчивых «металлических» однофазных замыканий на землю. Резонансным контуром при
этом является контур нулевой последовательности сети.
В сетях 110–500 кВ с глухозаземленной нейтралью основной причиной феррорезонанса
в ТН являются коммутации холостых ошиновок
многоразрывными выключателями, в которых для выравнивания
напряжения по разрывам используются конденсаторы, включенные
параллельно разрывам. Резонансный контур при этом образуется нелинейной индуктивностью ТН, паразитной емкостью холостой ошиновки и источником ЭДС с емкостным внутренним сопротивлением,
обусловленным конденсаторами на разрывах выключателя.
Явление феррорезонанса достаточно хорошо изучено
, и к настояще-
му времени разработано большое количество различных мер по предот-
91
вращению феррорезонанса как технического, так и организационного
характера. Как правило, технические меры направлены на демпфирование возникших резонансных колебаний. Однако тенденции последних
лет показывают, что наибольшую значимость приобрела мера, направленная на придание самим трансформаторам напряжения антирезонансных свойств путем внесения определенных изменений в конструкцию.
В ГОСТ 1983–2001 эти трансформаторы получили название
«антирезонансные трансформаторы напряжения». Антирезонансными являются
трансформаторы напряжения, сконструированные без использования
электромагнитного преобразования напряжения, – например, емкостные
либо оптикоэлектронные. Наибольшее распространение в настоящее
время получили антирезонансные ТН электромагнитного типа.
С момента появления первых антирезонансных трансформаторов
в начале 90-х годов XX в. на протяжении многих лет их эффективность
именно в качестве антирезонансных устройств
подтверждалась либо
на основании результатов компьютерного моделирования, либо на основании опыта эксплуатации. В ГОСТ 1983–2001 помимо определения
«антирезонансный трансформатор» никаких других требований к антирезонансным ТН сформулировано не было. Впоследствии были попытки регламентировать способы получения информации об антирезонансных свойствах ТН, например на период 2019–2022 годов вводился
в действие новый
стандарт на электромагнитные трансформаторы
напряжения: ПНСТ 319–2018. В этом стандарте, помимо определения
«антирезонансный», устанавливались требования к антирезонансным
ТН и методики экспериментального подтверждения антирезонансных
свойств. В настоящее время стандарт ПНСТ 319–2018 перестал действовать, новый государственный стандарт, в котором будут установлены требования к антирезонансным ТН, пока еще находится на стадии разработки.
Согласно ПНСТ 319–2018 антирезонансный ТН – это трансформатор напряжения, устойчиво работающий при наличии в сети феррорезонансных явлений. Антирезонансные свойства трансформаторов
номинальным напряжением 6–35 кВ должны быть подтверждены
испытаниями в следующих случаях:
• в условиях существования в сети перемежающихся дуговых ОЗЗ;
• при работе на ненагруженных шинах;
• при скачкообразном изменении тока, сопровождающемся измене-
нием фазы тока по отношению к напряжению на 180° (опрокидывание
фазы).
92
Антирезонансные свойства трансформаторов номинальным напряжением 110 кВ и выше должны подтверждаться испытаниями в следующих случаях:
• при отключении выключателей, содержащих емкостные делите-
ли, шунтирующие дугогасительные устройства;
• при неполнофазных режимах работы сети;
• при работе на ненагруженных шинах.
Диапазоны емкостей для определения антирезонансных свойств
ТН согласно ПНСТ 319–2018 приведены в табл. 9.
Таблица 9
Диапазоны емкостей для определения антирезонансных свойств
Номинальное напря-
жение
трансформатора, кВ
6
10
20
35
110–750
Тип конденсатора
Емкость в нейтрали относительно
земли 100…270
Емкость между фазой и землей 100
Емкость в нейтрали относительно
земли 100…110
Емкость между фазой и землей 100
Емкость в нейтрали относительно
земли
Емкость между фазой и землей 100
Емкость в нейтрали относительно
земли 100…1280
Емкость между фазой и землей 100
Суммарная емкость на землю 0,1…4(8*)
Суммарная емкость между контактами выключателя
Емкость
конденсатора, нФ
100…3840
0,1…4(8*)
*Для второго класса антирезонансности по ПНСТ 319–2018.
93
В сетях 110 кВ и выше (с глухозаземленной нейтралью) основной
причиной возникновения феррорезонанса в ТН служат коммутации
холостых ошиновок многоразрывными выключателями, в которых для
выравнивания напряжения по разрывам используются конденсаторы.
На самом деле эта проблема актуальна для сетей 220 кВ и выше, так
как в сетях 110 кВ практически все существующие выключатели имеют
один разрыв на фазу. В сетях 220 кВ также идет активный процесс
замены выключателей старых типов (масляные баковые, воздушные)
на современные элегазовые выключатели, имеющие один разрыв на
фазу. Тем не менее в сетях 220 кВ многоразрывных выключателей еще
довольно много.
В сетях 110–500 кВ с глухозаземленной нейтралью ТН электромаг-
нитного типа (как традиционные,
так и антирезонансные) выполняются по каскадному принципу. Каждый трансформатор состоит из нескольких модулей (каскадов) номинальным напряжением 110 кВ,
включенных последовательно. Такая конструкция принята у традиционных ТН типа НКФ: НКФ-220 состоит из двух каскадов по 110 кВ,
НКФ-330 – из трех. Отличием является лишь НКФ-500, состоящий из
четырех каскадов, рассчитанных на большее
номинальное напряже-
ние – 125 кВ.
Каскадные ТН, по существу, представляют собой несколько трансформаторов с последовательно соединенными первичными обмотками.
При этом изоляция первичной обмотки от магнитопровода должна соответствовать только части первичного напряжения, обратно пропорциональной числу ступеней каскадной схемы. Таким образом, ступенью каскада называется часть первичной обмотки, в соответствии
с
напряжением которой обмотка изолируется от магнитопровода. Однако при этом сам магнитопровод должен быть изолирован от земли в
соответствии с его потенциалом.
Чертеж магнитопровода ТН типа НКФ показан на рис. 43. Стержни
магнитопровода располагаются горизонтально по отношению к земле.
В одном каскаде ТН типа НКФ – один двухстержневой магнитопровод.
На каждом стержне
располагаются обмотки одной ступени ТН. Номинальное напряжение каждой ступени – 32 кВ (фазное). НКФ-110,
таким образом, имеет две ступени; НКФ-220 – четыре; НКФ-330 –
шесть. НКФ-500 имеет восемь ступеней, каждая номинальным напряжением 36 кВ. Схема соединения обмоток каскадного ТН показана
на рис. 44.
94
Рис. 43. Магнитопровод ТН типа НКФ
Рис. 44. Схема соединения обмоток каскадного ТН:
1 – верхний каскад ТН; 2 – нижний каскад ТН; Э – электростатический экран;
A, X – выводы обмотки ВН; a, x, a
каскадов; в – выравнивающие обмотки модулей; с – соединительная выравни вающая обмотка
, хд – выводы обмоток НН; М – магнитопроводы
д
Из рис. 44 видно, что магнитопровод каждого каскада соединен со
средней точкой обмотки ВН каскада, следовательно, при работе на нем
будет напряжение, равное половине номинального напряжения каскада. Для выравнивания напряжения между двумя ступенями каскада,
расположенными на разных стержнях магнитопровода, используется
короткозамкнутая выравнивающая обмотка, расположенная на обоих
стержнях. Для выравнивания напряжения между
каскадами, используется короткозамкнутая соединительная выравнивающая обмотка,
охватывающая верхний стержень магнитопровода нижнего каскада
95
и нижний стержень магнитопровода верхнего каскада. Обмотки НН
E
R
R
R
расположены всегда на нижнем стержне нижнего каскада, из чего следует, что самый нижний каскад и верхние каскады ТН на классы
напряжения 110–500 кВ несколько различаются по конструкции.
При исследовании процессов в ТН, подключенных к отключаемой
холостой ошиновке, как правило, используется однофазная схема за
мещения (рис. 45).
Рис. 45. Схема замещения сети, используемая
для исследования феррорезонансных процес сов при отключениях холостых ошиновок
В схеме на рис. 45:
телей;
– суммарная емкость ошиновки и установленного на ней
С
ш
оборудования (в том числе и самого ТН) на землю;
,
– параметры трансформатора напряжения (индуктивность ТН –
L
т
т
– эквивалентная емкость делителей выключа-
C
в
– источник ЭДС;
1
нелинейная). Эквивалентная схема ТН на рис. 45 обведена пунктиром,
так как является упрощенной. Как правило, при исследовании феррорезонанса в сетях с глухозаземленной нейтралью для моделирования ТН
используется схема замещения, показанная на рис. 46.
В схеме на рис. 46:
ному току;
– сопротивление, моделирующее потери в стали магни-
0
– сопротивление обмотки ВН ТН постоян-
1
топровода ТН. Основной элемент в этой схеме – нелинейная индуктивность ТН, моделируемая зависимостью тока намагничивания от
потокосцепления () ( )it f
. В этой зависимости учитывается также
и индуктивность рассеивания ТН.
96
I
Рис. 46. Схема замещения ТН, при иссле-
довании феррорезонанса в сети с глухоза земленной нейтралью
При расчетах целесообразно пользоваться аппроксимацией кривой
намагничивания ТН с помощью выражения (табл. 10)
arctg , ,
111 1
arctg , ,
222 1
iiiI
iiiI
(70)
где
,,, , , ,I
111 2 2 22
намагничивания ТН;
– коэффициенты аппроксимации;
– потокосцепление обмотки ВН ТН.
i
– ток
Коэффициенты аппроксимации кривых намагничивания ТН типа
НКФ приведены в табл. 10.
Таблица 10
Коэффициенты аппроксимации
кривых намагничивания ТН типа НКФ
А
,
1
Тип ТН
НКФ-110 219,8 465,2 287,5 264,3 47,2 53,5 0,16
НКФ-220 427,4 668,5 784,8 511,5 76,2 88,3 0,1
НКФ-330 638,2 531,4 1243,6 786,9 56,2 139,1 0,1
НКФ-500 1060,7 759,2 3884,5 1574,4 34,1 150,2 0,1
1
Вб
,
1/А
Гн
97
2
Вб
,
1/А
Гн
Процессы в схеме замещения на рис. 45 описываются системой
R
R
дифференциальных уравнений:
di t u t i t R
dt
du t de t
ш 1
dt C C dt C C R R
Lt
дифф
C
вш вш10
Lt
в
11
21
В системе уравнений (71):
напряжение на емкости холостой ошиновки;
ш 1
1
дифф
utitR
ш 1
11
22
1
it
1
22
22
1
it
2
i
– ток намагничивания ТН;
,
1
0
,,
it I
,.
it I
L
– дифференциаль-
дифф
,
(71)
–
u
ш
ная индуктивность ТН (способ представления кривой намагничивания
в модели) для аппроксимации кривой намагничивания ТН выражением
(70). Параметры ТН типа НКФ для моделирования с использованием
системы дифференциальных уравнений (71) приведены в табл. 11.
Таблица 11
Параметры ТН типа НКФ для моделирования
феррорезонансных процессов
Тип
трансформатора
НКФ-110-58 4,8 60
НКФ-220-58 9,36 180
НКФ-330 10,7 200
НКФ-500 25,3 260
R , кОм
1
98
R , МОм
0
Расчетная осциллограмма феррорезонансного процесса в ТН типа
R
НКФ-220 при отключении холостой ошиновки многоразрывным выключателем показана на рис. 46. Расчет сделан для случая емкости
ошиновки
, равной 6 нФ, и емкости делителей в выключателе
С
ш
C
в
равной 4 нФ.
,
Рис. 46. Расчетная осциллограмма феррорезонансного процесса
в ТН типа НКФ-220 при отключении холостой ошиновки
Схема, имитирующая модель сети для проведения испытаний, показана на рис. 47 (ПНСТ 319–2018).
На рис. 47 ИТ – испытательный трансформатор (источник напряжения в испытательной схеме); В – выключатель; СУ – система управления выключателем; ДН – емкостный делитель напряжения; ТН – испытываемый трансформатор напряжения;
– конденсатор или батарея
C
з
конденсаторов, моделирующая паразитную емкость ошиновки на землю;
кость делителей в выключателе;
– конденсатор или батарея конденсаторов, моделирующая ем-
C
в
– шунт для измерения тока.
ш
99
Рис. 47. Схема, имитирующая модель сети для проведения испытаний на феррорезонанс в ТН при коммутациях
холостых ошиновок
Согласно п. 9.19.5.2 ПНСТ 319–2018 к испытуемому трансформатору прикладывают напряжение при включенном выключателе (контакты замкнуты). Оперирование выключателем проводят в максимум
амплитудного значения напряжения ±1 мс. После включения (В) [отключения (О)] выключателя напряжение выдерживают до установившегося значения, выполняют не менее трех циклов О–В для каждого
сочетания емкостей.
В процессе испытаний
ются в протокол испытаний) напряжение на обмотке ВН ТН (с помощью делителя) и ток в обмотке ВН ТН (с помощью токового шунта).
4.4. ИСПЫТАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА
Правильность заводской маркировки выводов трансформатора тока
методом одного амперметра проверяется по схеме рис. 48. В качестве
добавочного сопротивления в этой схеме используется ползунковый
реостат с номинальным током 5 А. Собрав схему по рис. 48, следует
подать входное напряжение и с помощью ЛАТр создать ток в схеме,
примерно равный 4 А (перед включением схемы под напряжение
ходное напряжение ЛАТр должно быть равным нулю). Не изменяя
регулировки ЛАТр, снять напряжение со схемы, отключить вторичную
обмотку от амперметра и закоротить ее выводы И1 и И2. Подать
напряжение на схему. Если показания амперметра увеличатся
контролируется (осциллограммы включа-
вы-
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]