Lekcija_4

Врезонанс з мережею можуть вступати силові трансформатори 6/0,4 кВ, 10/0,4 кВ під час неповнофазних режимів або в режимах недовантаження. Виникає послідовний ферорезонанс (ферорезонанс напруг) – нелінійна індуктивність силового трансформатора та еквівалентна ємність мережі. Такий ферорезонанс супроводжується значним зростанням напруг відносно землі, що в свою чергу приводить до зростання струмів у первинних обмотках трансформаторів напруг, які є в цій мережі. Значення струмів у первинній обмотці можуть досягати до 2 А, і якщо цей процес буде протікати протягом кількох хвилин, це приведе до термічного руйнування первинної обмотки трансформатора напруги.

Паралельний ферорезонанс (ферорезонанс струмів) може виникати в контурі трансформатор напруги – електрична мережа. Параметричними причинами виникнення цього ферорезонансу є співмірні еквівалентна ємність мережі відносно землі та нелінійна індуктивність вітки намагнічення трансформатора напруги.

Паралельний ферорезонанс в електричних мережах зустрічається значно частіше, ніж послідовний.

Ферорезонанс може виникати на промисловій частоті, вищій від промислової або нижчій від неї. Ферорезонанс на промисловій частоті або на вищих частотах може виникати внаслідок увімкнення силових трансформаторів або трансформаторів напруги на ненавантажені шини. В такому режимі значення струмів в первинних обмотках трансформаторів напруги не перевищують номінального значення. Тому безпосередньої загрози для трансформаторів напруги вони не несуть, але при цьому суттєво зростає напруга фаз відносно землі. Зростають напруги і на вторинних обмотках трансформаторів напруги, збільшується напруга на розімкненому трикутнику, що може привести до хибного спрацювання захисту від однофазних замикань на землю. Такі ферорезонансні коливання, як показав досвід експлуатації, виникають на частотах 50Гц, 100 Гц та 150 Гц.

Особливо небезпечними для трансформаторів напруги є ферорезонансні процеси на субгармонічних частотах. Причиною виникнення таких процесів є збурення в електричних мережах. Особливо небезпечними є режим після вимкнення однофазних замикань на землю. Після вимкнення однофазного замикання на землю можливе виникнення ферорезонансних процесів на частотах 16,6 Гц, 25 Гц, які супроводжуються виникненням значних перенапруг (до 4-х крат від номінального фазного значення), і як наслідок, протікання недопустимих струмів у первинних обмотках трансформаторів напруги, що призводить до їх термічного пошкодження.

Для запобігання виникнення ферорезонансного контуру або його розлаштування можна застосувати наступні заходи.

Можна вимикати джерело живлення. Тривале вимкнення джерела живлення після виникнення ферорезонансного процесу є неприйнятним, тому що втрачається електропостачання всіх споживачів, які живляться від шин підстанції.

Для зриву ферорезонансного процесу шляхом розлаштування ферорезонансного контура можна змінити еквівалентну ємність електричної мережі. Для цього можна вимикати паралельні лінії або вмикати додаткові батареї конденсаторів. Лінії вимикати недоцільно, тому що втрачається електропостачання споживачів. Встановлення додаткових батарей конденсаторів потребує значних коштів, тому цей спосіб не знайшов широкого застосування в електричних мережах.

Впринципі, для зриву феромагнітного перехідного процесу можна вимикати трансформатор напруги, якщо він є причиною його виникнення. Але це достатньо складно зробити, тому що ТН на стороні високої напруги не мають вимикачів. Тому такий спосіб зриву ферорезонансних процесів також не набув застосування в електричних мережах.

Для запобігання виникнення ферорезонансних процесів в мережах з ізольованими нейтралями пропонуються інші методи.

Одним з методів запобігання ферорезонансних процесів є зниження добротності ферорезонансного контуру – уведення в ферорезонансний контур активного опору. Активний опір вводять в контур нульової послідовності, саме цей контур є ферорезонансним,. Активний опір можна вводити як в первинне, так і у вторинне коло. На рис. 4.13 показані схеми ввімкнення активного опору в первинне коло.

6 кВ

R 100 Ом

Рис. 4.13. Схеми ввімкнення активного опору у первинне коло а) трансформатора

напруги; б) силового трансформатора

Для трансформаторів напруги (рис. 4.13 а) цей метод є ефективний, але при цьому він має ряд недоліків, основними з яких є:

–збільшується похибка вимірювання ТН, понижується його клас точності, що є недопустимим з огляду на те, що ТН живлять кола обліку електроенергії;

–не забезпечується ефективність на всьому можливому діапазоні зміни ємнісних струмів;

–складність виконання, оскільки опори повинні встановлюватись в первинному колі трансформатора напруги.

Тому цей метод не знайшов широкого застосування.

В деяких схемах, наприклад, в схемах власних потреб АЕС застосовують спеціальний додатковий трансформатор потужністю 63 кВА, що працює без навантаження, у первинну обмотку якого ввімкнений резистор (рис. 4.13 б). Але такий метод не знайшов широкого застосування в електричних мережах, тому що він потребує встановлення додаткового трансформатора.

Запропонований метод увімкнення активного опору у вторинну обмотку трансформатора напруги, яка з‘єднана в розімкнений трикутник. ПУЕ рекомендує величину цього резистора 25 Ом (рис. 4.14). Щоправда цей опір рекомендується вмикати з метою запобігання самовільного зміщення нейтралі під час вимірювання напруг трансформатором напруги. Але він також погіршує добротність ферорезонансного контуру.

Рис. 4.14. Схема ввімкнення активного опору у вторинне коло трансформатора напруги

Як показали дослідження, увімкнення активного опору 25 Ом у вторинну чи первинну обмотки трансформатора напруги не дає можливості розвиватись ферорезонансним процесам на номінальній частоті або на вищих частотах, але він не може суттєво вплинути на характер ферорезонансного процесу, який відбувається на субгармоніках.

Одним з ефективних методів боротьби з ферорезонансними процесами є впровадження в експлуатацію з 90-х років спеціального антирезонансного трансформатора напруги типу НАМИ. Принципова схема антирезонансного трансформатора наведена на рис. 4.15. В цьому ТН до двох обмоток високої напруги підводяться лінійні напруги UAB та UBC , а третя обмотка високої напруги під‘єднана між фазою В та землею, тобто замість трьох фаз високої напруги, як у традиційних трансформаторів напруги типу НТМИ, ЗНМИ, заземлена лише одна фаза. Крім цього, значно збільшена кількість витків обмоток, що дозволило збільшити активний та індуктивний опори обмоток, а також в 3 рази зменшити індукцію трансформатора. Така конструкція практично виключила можливість виходу з ладу трансформаторів напруги внаслідок послідовного резонансу, а також змістила зону виникнення ферорезонансних процесів в область менших струмів замикання на землю – до 1А. Тому антирезонансні трансформатори на практиці підтвердили свою вищу надійність у порівнянні з традиційними трансформаторами типу НТМИ та ЗНОЛ. Але все ж таки зафіксовані випадки виходу з ладу і цих трансформаторів під час ферорезонансних процесів, особливо на субгармоніках. Таким чином, впровадження в експлуатацію таких трансформаторів напруги не змогло повністю вирішити проблему.

Рис. 4.15. Принципова схема антирезонансного трансформатора напруги типу НАМИ

Впровадження в експлуатацію нерезонуючого трансформатора напруги (НТН), розробленого співробітниками кафедри „Електричні системи та мережі” Національного Університету „Львівська політехніка” найбільш ефективно вирішило проблему протидії виникненню ферорезонансних процесів. Принципова схема нерезонуючого трансформатора напруги НТН-10 наведена на рис. 4.16.

Рис. 4.16. Принципова схема нерезонуючого трансформатора напруги НТН-10

Нерезонуючий трансформатор напруги виконаний на основі двох однофазних трансформаторів напруги TV1 та TV2 та дільника напруги С1 – С2. Високовольтні обмотки трансформаторів напруги увімкнені за схемою неповного трикутника та увімкнені на лінійні напруги UAB та UBC . Між спільною фазою В обох трансформаторів напруги та землею увімкнений ємнісний дільник С1 – С2. Таким чином, високовольтні обмотки трансформатора напруги ізольовані від землі, що унеможливлює виникнення ферорезонансних процесів, тому що ліквідований ферорезонансний контур.

Розрядник VL запобігає проникнення високої напруги у вторинні кола напруги при втраті ємності С2 чи обриві заземлення.

Нерезонуючий трансформатор напруги, як видно з рис. 4.16, дозволяє безпосередньо контролювати напруги uab ,ucb,ub . Тому для отримання решти напруг встановлюється додатковий модуль (вимірювальний пристрій), в якому на основі трьох вищенаведених напруг отримуються решта напруг. Для цього за відповідним алгоритмом реалізуються наступні рівняння:

ua uab ub ;

3u0 ucb uab 3ub .

Перші зразки нерезонуючого трансформатора напруги були отримані внаслідок модернізації пошкоджених серійних трансформаторів напруги типу НАМИ. Експлуатація трансформаторів серії НТН показала їх високу ефективність – за кілька років експлуатації з ладу не вийшов з ладу ні один з цих трансформаторів.

4.5.Особливості режимів трансформаторів напруги в мережах

зефективно заземленою нейтраллю

Ферорезонансні процеси, внаслідок яких пошкоджуються трансформатори напруги, можуть виникати і в мережах з ефективно заземленими нейтралями. Як показав досвід експлуатації, ці явища виникають при умові, коли трансформатор напруги типу НКФ приєднаний до шин, а всі решта приєднань вимкнені, тобто шини знаходяться в неробочому ході. Про те зв‘язок шин з мережею здійснюється через ємнісні дільники вимкнених вимикачів

приєднань. В таких умовах створюється послідовнопаралельний ферорезонансний контур (рис. 4.17). Цей контур створює ємність дільників вимикача, ємність шин та іншого обладнання, приєднаного до цих шин, а також нелінійна індуктивність трансформатора напруги.

Рис. 4.17. Розрахункова схема послідовно-паралельного ферорезонансного контура

На рисунку: REM, LEM –еквівалентний активний опір та індуктивність електричної мережі; RB – активний опір вимикачів у розімкненому стані; CB, – сумарна ємність дільників напруги вимикачів; CШ – еквівалентна ємність шин та під‘єднаного до них обладнання; LТН – нелінійна індуктивність трансформатора напруги; RТН – активний опір обмоток трансформатора напруги.

Як показали проведені дослідження [1], в околі 3-ї та 5-ї гармонік вхідний опір ферорзонансного контура дорівнює активному опору обмоток трансформатора напруги. Тобто поява цих гармонік після вимкнення останнього приєднання до шин призводить до збільшення струму, який протікає через первинну обмотку трансформатора напруги, що в свою чергу викличе збільшення напруги ТН. Це може привести до пошкодження трансформатора напруги та виходу його з ладу.

Існуючі засоби захисту трансформаторів напруги від пошкоджень під час ферорезонансних процесів, такі як введення зустрічної е.р.с., або увімкнення активного опору у вторинну обмотку ТН не завжди є ефективними. Це пояснюється тим, що ці засоби починають діяти лише після виникнення ферорезонансних процесів. Запропонований співробітниками кафедри „Електричні системи та мережі” Національного Університету „Львівська політехніка” спосіб [2] є більш ефективний. Він запобігає виникненню ферорезонансних процесів. Суть цього способу в наступному. Відслідковується вимкнення останнього приєднання до шин. Як тільки поступає сигнал на вимкнення вимикача останнього приєднання, одночасно з ним поступає сигнал на пристрій, який вмикає активний опір у вторинну обмотку трансформатора напруги. Тобто ще тоді, коли трансформатор напруги знаходиться під дією робочої напруги, його вторинна обмотка зашунтовується активним опором. В результаті цього початкова індукція в момент вимкнення останнього приєднання суттєво нижча від номінальної. Після вимкнення останнього приєднання робоча точка на кривій намагнічення ТН починає підніматись до насичення, але при правильному виборі активного опору, вона не досягає точки, при якій виникає стійкий ферорезонансний процес. Активний опір вмикається у вторинну обмотку ТН короткочасно лише на час існування перехідного процесу (до 0,5 сек). Після цього він автоматично вимикається і трансформатор напруги переходить у нормальний режим. Таким чином, гасильний опір приєднується до вторинної обмотки ТН швидше, ніж розімкнуться контакти вимикача останнього приєднання, тим самим запобігається поява перенапруг та надструмів, які можуть викликати пошкодження ТН.

На основі запропонованого принципу був розроблений дослідний взірець, який встановлений на підстанції „Калуш” Західної енергосистеми для захисту від ферорезонансних явищ трансформатора напруги НКФ-220, встановленого на секції шин 220 кВ. Проведені натурні експерименти показали його високу ефективність.