Главная | Обратная связь

Глава 1. Проблема феррорезонансных явлений в электрических сетях

Введение

Требования надежного электроснабжения потребителей определяют необходимость исследования режимов работы электрических систем, приводящих к повреждению электрооборудования и недоотпуску электроэнергии, с целью разработки мероприятий по их предотвращению и ликвидации. Одной из причин возникновения таких режимов являются феррорезонансные явления.

Феррорезонансные явления возникают в результате взаимодействия нелинейных индуктивностей намагничивания магнитопроводов трансформаторов с емкостями электрооборудования электрических систем. Они появляются в электрических сетях при оперативных переключениях, неполнофазных включениях и перемежающихся дуговых замыканиях на землю. При протекании феррорезонансных явлений возникают длительные перенапряжения на шинах распределительных устройств, опасные для разрядников и ограничителей перенапряжений, и токовые перегрузки обмоток электромагнитных трансформаторов, под действием которых повреждается изоляция и образуются межвитковые замыкания. Это приводит к взрывам трансформаторов и пожарам в распределительных устройствах электрических станций и подстанций.

Эта проблема всегда была актуальна, поскольку число аварий по причине феррорезонансных явлений, как показывает практика, хотя и сокращается, но все еще несет большие убытки, как и небольшим предприятиям, так и всей Энергосистеме в целом.

Данная работа посвящена проблемам исследования и анализа феррорезонансных явлений в электроэнергетических системах.

В первой главе была приведена классификация феррорезонансных схем по режиму работы электрических сетей, по величине номинального напряжения и способу заземления нейтралей силовых трансформаторов, по электрической схеме и составу оборудования.

В следующей главе приводится обзор и сравнительная оценка существующих методик анализа феррорезонансных, разделенных по классам в соответствии с составом оборудования и электрической схемой соединения:

- в сетях 6-35 кВ при перемежающихся дуговых замыканиях;

- в сетях 6-35 кВ при неполнофазных режимах работы;

- в сетях 110 кВ при неполнофазных режимах работы;

- в РУ 110-500 кВ с воздушными выключателями, содержащими емкостные делители напряжения.

Так же в работе представлены графические и аналитические методы расчета, произведен анализ феррорезонансных схем методами математического моделирования.

Произведен анализ аварий по причине феррорезонансных перенапряжений в Московских и Казанских электрических сетях, а так же приведены рекомендуемые мероприятия по предотвращению феррорезонанса.

 

Глава 1. Проблема феррорезонансных явлений в электрических сетях

В нашей стране проблеме повреждения электрооборудования вэлектрических сетях по причине феррорезонансных явлений уделяется внимание с 30-х годов. Причиной этому послужило увеличение нагрузки потребителей, обусловившее строительство и расширение имеющихся электрических распределительных сетей, в которых возможно возникновение режимов работы, приводящих к феррорезонансным явлениям.

Проблеме анализа феррорезонансных явлений посвящены исследовательские работы, проведенные: Дударевым Л.Е., Зихерманом М.Х., Лихачевым Ф.А., Максимовым В.М., Мироновым Г.А., Панасюк Д.И., Поляковым B.C., Рюденбергом Р., Сиротой И.М.и др. Данная проблема актуальна и сейчас, поскольку число аварий по причине феррорезонансных явлений, как показывает практика, не сокращается. Одной из причин, объясняющей данное положение, является то, что в ранее проведенных исследованиях в ряде случаев проводится только качественный анализ феррорезонансных схем. Количественная оценка возможности возникновения феррорезонансных явлений, получаемая по известным методикам, в некоторых случаях не дает приемлемые на практике результаты.

За рубежом актуальность проблемы повреждения оборудования в электрических сетях из-за феррорезонансных явлений подтверждается исследованиями, проводимыми в США, Канаде, Франции, Германии.

Что такое феррорезонанс

В электрических цепях при последовательном или параллельном соединении нелинейной катушки индуктивности и емкостного элемента при плавном изменении напряжения или тока источника питания наблюдается явление скачкообразного изменения соответственно тока в цепи или напряжения на элементах цепи. В электротехнике такие явления называются феррорезонансными.

В разветвленных цепях с различной схемой соединения нелинейных катушек и конденсаторов возникают более сложные явления, которые невозможно рассматривать отдельно как феррорезонанс напряжений или токов. В общем случае феррорезонансные явления характеризуются скачкообразным переходом из режима сильного насыщения сердечника ферромагнитной катушки индуктивности в слабонасыщенный режим или наоборот. При этом возникают скачки напряжения и тока в обмотке нелинейной катушки. Если обмотка катушки не рассчитана на работу в режиме сильного насыщения, то перенапряжения и протекание через обмотку токов, превышающих предельно допустимый ток, могут привести к тепловому разрушению изоляции обмотки и витковым замыканиям.

Точный анализ феррорезонансных явлений ввиду несинусоидальности формы кривых напряжения и тока представляет значительные трудности. Поэтому, чтобы рассмотреть процессы, протекающие в простейших схемах споследовательным и параллельным соединением катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора, принимаются следующие допущения:

- в исследуемой цепи отсутствуют потери;

- несинусоидальные кривые напряжения и тока заменяются эквивалентными
синусоидами, равными первым гармоникам действительных кривых (то есть
не учитываются высшие гармоники);

- угол сдвига фаз между эквивалентными синусоидами напряжения и тока
катушки.[1]

В электроэнергетике под феррорезонансными понимаются явления, возникающие в электрических сетях при образовании схем сэлектромагнитными трансформаторами и емкостями сети. Такие явления характеризуются длительными перенапряжениями и токовыми перегрузками обмоток трансформаторов, что обусловлено скачкообразным насыщением магнитопроводов. Так как трансформаторы не рассчитаны на длительную работу в режиме сильного насыщения, то происходит их повреждение. Возникающие при этом перенапряжения также опасны для измерительного оборудования и средств защиты силового оборудования.

Феррорезонанс напряжений.

Рассмотрим феррорезонанс в последовательной цепи на основе схемы на рис. 1. Для этого строим (см. рис. 2) прямую зависимости , определяемую соотношением

(1.1)

 

Далее для двух значений сопротивлений ( и ) строим графики зависимостей : для - согласно соотношению (кривая на рис. 2); для - согласно выражению (кривая на рис. 2).

Точка пересечения кривой с прямой соответствует феррорезонансу напряжений. Феррорезонансом напряжений называется такой режим работы цепи , содержащей последовательно соединенные нелинейную катушку индуктивности и конденсатор , при котором первая гармоника тока в цепи совпадает по фазе с синусоидальным питающим напряжением. В соответствии с данным определением при рассмотрении реальной катушки действительная вольт-амперная характеристика (ВАХ) цепи, даже при значении сопротивления последовательного включаемого резистора , в отличие от теоретической (кривая на рис. 2) не касается оси абсцисс и смещается влево , что объясняется наличием высших гармоник тока , а также потерями в сердечнике катушки. С учетом последнего напряжение на катушке индуктивности , где - сопротивление, характеризующее потери в сердечнике, в режиме феррорезонанса не равно напряжению на конденсаторе.

Из построенных результирующих ВАХ цепи видно, что при увеличении питающего напряжения в цепи имеет место скачок тока: для кривой - из точки 1 в точку 2 , для кривой - из точки 3 в точку 4. Аналогично имеет место скачок тока при снижении питающего напряжения: для кривой - из точки 5 в точку 0; для кривой - из точки 6 в точку 7. Явление скачкообразного изменения тока при изменении входного напряжения называется триггерным эффектом в последовательной феррорезонансной цепи. В соответствии с уравнением

(1,2)

на рис. 3 и 4 построены векторные диаграммы для двух произвольных значений тока ( ) в режимах до и после резонанса для обеих ВАХ (для - соответственно рис. 3 , а и 3 , б; для - рис. 4 , а и 4 , б); при этом соответствующие выбранным токам действующие значения напряжений, входящих в (2) , взяты из графиков на рис. 2.

Анализ векторных диаграмм позволяет сделать вывод, что в режиме до скачка тока напряжение на входе цепи опережает по фазе ток, а после скачка - отстает, т.е. в первом случае нагрузка носит индуктивный характер, а во втором - емкостной. Таким образом, скачок тока в феррорезонансной цепи сопровождается эффектом опрокидывания фазы.

Феррорезонанс тока.

Феррорезонанс в параллельной цепи.

Рассмотрим на основе схемы на рис. 5. Для этого, как и в предыдущем случае, строим (см. рис. 6) прямую , определяемую выражением (1.3).

 

Далее, поскольку , в соответствии с соотношением строим результирующую ВАХ цепи.

Точка пересечения кривой с прямой соответствует феррорезонансу токов. Необходимо отметить, что в реальном случае действительная ВАХ цепи в отличие от теоретической не касается оси ординат, что объясняется наличием высших гармоник тока и неидеальностью катушки индуктивности.

Из построенной ВАХ видно, что при увеличении тока источника имеет место скачок напряжения. Явление скачкообразного изменения напряжения при изменении входного тока называется триггерным эффектом в параллельной феррорезонансной цепи.

На рис. 7 для двух (до и после резонанса) значений напряжения ( и ) построены векторные диаграммы; при этом соответствующие выбранным напряжениям действующие значения токов и взяты из графиков на рис. 6.

Анализ векторных диаграмм показывает, что в режиме до скачка напряжения ток источника опережает по фазе входное напряжение (рис. 7,а), а после скачка (рис. 7,б) - отстает, т.е. в первом случае нагрузка носит емкостной характер, а во втором - индуктивный. Таким образом, скачок напряжения связан с эффектом опрокидывания фазы.