Главная | Обратная связь

Емкостные делители напряжения

В этом разделе рассматриваются модели феррорезонансных схем в РУ 110-500 кВ. Данные феррорезонансные схемы возникают при работе дифзащиты шин или оперативных переключениях, которые отключают секции шин с воздушными выключателями и трансформаторами напряжения. При протекании в схемах феррорезонансных явлений возможны повреждения трансформаторов напряжения и разрядников.

В 1998 г. В АО КостромаЭнерго на подстанции Мотордеталь произошла авария, при которой повредился трансформатор напряжения НКФ-220. Схема первичных соединений представлена на рис. 17.

Рис. 17 Схема первичных соединении ОРУ-220 подстанции Мотордеталь. - выключатель включен: - выключатель отключен.

В результате наброса на ВЛ-220 Мотордеталь-Борок дифзащитой была отключена 1-я секция шин, имеющая соединения с другими шинами и автотрансформаторами через воздушные выключатели ВВБ-220. Данная секция шин некоторое время находилась в отключенном состоянии. При осмотре персоналом видимых повреждений не было обнаружено. При включении секции шин на рабочее напряжение через 5 минут произошел взрыв трансформатора напряжения НКФ-220. При анализе аварии было определено, что повреждение трансформатора произошло по причине феррорезонансных явлений.

Повреждение электромагнитных трансформаторов напряжения происходит из-за протекания по первичной обмотке токов, превышающих номинальные в несколько раз. В результате происходит тепловое разрушение изоляции обмотки и возникают витковые замыкания. После повреждения изоляции индуктивность и ток обмотки резко снижаются и феррорезонансный процесс завершается. Внешне повреждение может ничем не проявиться, но при включении системы шин на рабочее напряжение в первичной обмотке трансформатора напряжения возникает короткое замыкание с током в несколько килоампер, приводящее к взрыву трансформатора и пожару.

В общем случае феррорезонансные процессы могут возникать во всех фазах трансформатора напряжения, но для сетей с глухозаземленной нейтралью анализ проводится для одной фазы, так как процессы в каждой из фаз протекают независимо друг от друга. Влияние вторичной нагрузки из-за большого сопротивления пренебрежимо мало.

После отключения последнего выключателя образуется контур из суммарной емкости конденсаторов, шунтирующих контакты полюсов воздушных выключателей, и включенной последовательно с ней нелинейной индуктивности обмотки высокого напряжения трансформатора напряжения, шунтированной суммарной емкостью электрооборудования относительно земли. При определенном сочетании параметров в таком контуре после

размыкания контактов последнего выключателя может возникнуть феррорезонансный процесс.

Исследования Павлова В.И. и Максимова В.М.

В работе приводится случай феррорезонансных явлений в РУ 500 кВ, при котором на секциях шин 220 кВ, при выводе их в ремонт, после отключения воздушных выключателей ВВН-220-15 по причине феррорезонансных явлений повредились две фазы трансформатора напряжения НКФ-220. Авторами представлены осциллограммы развития феррорезонансных процессов. Для оценки перенапряжений используется одноконтурная схема замещения (рис. 18).

Рис. 18 Однофазная схема замещения РУ 220 кВ в режиме отключения секции шин выключателями ВВН-220-15 по [15]: Е- ЭДС сети; С_Ш- емкость системы шип относительно земли; С_ΣВ- суммарная емкость делителей напряжения, шунтирующих контакты отключенных выключателей; L_th- индуктивность ТН; R_гн- активное сопротивление обмотки ТН.

Для исключения феррорезонансных процессов на шинах 220 кВ авторами рекомендуются следующие мероприятия:

- изменение последовательности оперативных переключений (отключение
трансформатора напряжения перед снятием напряжения с шин и включение
после подачи напряжения на шины, снятие напряжения с шин путем
отключения присоединений с противоположных сторон и т.д.);

- установка на шинах конденсаторов связи;

- применение емкостных трансформаторов напряжения НДЕ вместо НКФ. В работе отмечается, что установка активного сопротивления в цепь разомкнутого треугольника трансформатора напряжения неэффективна в связи с развитием феррорезонансных явлений симметрично во всех трех фазах, однако сопротивление несколько снижает насыщение трансформатора.

Исследования Цирель Я.А. и Полякова В.С.

В работе предлагают рассматривать процесс повреждения трансформатора напряжения следующим образом.

1. При отключении последнего выключателя, связывающего шины с
сетью с глухим заземлением нейтрали, возникает феррорезонанс.
увеличивающий на порядок или более ток через ТН. Этот ток вызывает
перегрев обмотки и обугливание изоляции; значительно увеличивается
напряжение на ТН. Но так как передача энергии через емкости выключателей
незначительна (мощность источника ограничена относительно большим
сопротивлением емкостной связи), то видимого повреждения
трансформатора напряжения не происходит.

2. Если вслед за отключением последнего выключателя отключаются и
соответствующие разъединители, то емкостные связи рвутся. При этом, так
как между рассматриваемыми шинами и системой существует связь из
нескольких параллельных емкостей, образованных емкостными делителями
отключенных и находящихся под обратным напряжением выключателей, то
отключение каждого из разъединителей означает отключение одной из
параллельных емкостей с соответствующим увеличением результирующего
сопротивления емкостной связи. В результате, при отключении последнего
шинного разъединителя, т.е. при полном разрыве емкостной связи,
феррорезонанс прекращается.

3. И только при последующем включении фактически уже поврежденного ТН под рабочее напряжение в ходе восстановления начальной схемы подстанции, т.е. через несколько часов или суток после имевших место феррорезонансных явлений, происходит разрушение ТН вследствие внутреннего короткого замыкания.

Авторами проводится расчет схемы замещения по рис. 19 с сосредоточенными параметрами и без учета насыщения ТН. Так как высшие гармоники считались относительно небольшими, то напряжение и ток принимались синусоидальными, что дало возможность при расчете применить символический метод. В результате анализа расчетных данных авторами было выявлено, что увеличение суммарной емкости выключателей и уменьшение емкости шин способствует развитию феррорезонансных явлений.

Рис. 19 Эквивалентная схема замещения РУ 220-500 кВ: L- индуктивность

трансформатора напряжения; R- активное сопротивление обмотки ВН трансформатора напряжения ;С_ЭКВ- эквивалентная емкость: Е_ЭКВ - эквивалентная ЭДС

В работе проведен анализ мероприятий, предотвращающих возникновение феррорезонансных явлений:

- включение активных сопротивлений последовательно или параллельно
обмоткам ТН;

- увеличение емкости шин.[4]

Расчеты, выполненные применительно к параметрам оборудования 220 кВ, показали, что установка последовательно с обмоткой высшего напряжения ТН добавочного сопротивления может дать необходимый эффект только при величине этого сопротивления около 100 кОм. При этом в работу трансформатора напряжения вносятся недопустимые искажения, что практически исключает возможность использования данного мероприятия.

При включении активного сопротивления параллельно обмотке

высшего напряжения ТН - по расчетам авторов феррорезонанс не возникает при сопротивлении 600 кОм; при включении активного сопротивления последовательно с обмоткой низшего напряжения его величина должна составлять десятые доли Ома. В результате авторы делают вывод, что эти варианты также практически неприменимы.

При проверке возможности исключения феррорезонанса путем увеличения емкости шин, например за счет подключения к шинам конденсаторов, расчетами было установлено, что величина емкости должна быть увеличена в 2,5-3 раза по сравнению с существующей. Однако практическое применение данного мероприятия затруднено ввиду сложности создания столь большой емкости шин.

Авторы считают, что кардинальным мероприятием, полностью снимающим проблему феррорезонанса, является применение ТН, конструкция которых основана на использовании емкостных делителей.

Исследования Полякова В.И. и Чертоусова В.М. В работе рассматривают следующие вопросы:

- аналитическое решение задачи установившегося режима с учетом
насыщения стали трансформатора для качественной оценки влияния
параметров схемы на возможность возникновения феррорезонанса;

- исследование переходных процессов для получения области опасных
параметров;

- анализ некоторых мер защиты от феррорезонансных перенапряжений.

Аналитическое решение расчетной схемы замещения при учете только первых гармонических составляющих было получено на основании теоремы об эквивалентном генераторе. Напряжение на трансформаторе определяется по выражению:

(2.9)

где

Х_μ - индуктивное сопротивление шунта намагничивания трансформатора;

- входное сопротивление линейной части схемы при закороченном источнике питания;

- напряжение на трансформаторе при разомкнутой ветви

Е - э.д.с. источника питания.

Кривая намагничивания трансформатора представляется аппроксимирующей формулой

i_μ = qψⁿ (2.10)

где

q - постоянная, определяемая для каждого типа трансформатора
напряжения;

ψ - потокосцепление обмотки трансформатора;

n - нечетное число.

На основании аналитического решения установившихся процессов в цепи авторами качественно рассмотрены причины, при которых улучшаются условия возникновения феррорезонанса.

Для определения граничных параметров схем, при которых возникает феррорезонанс, были проведены расчеты переходных процессов при

величине E=1,1U_Ф. По результатам расчета были построены области

опасных параметров в координатах U_C=U_ЭИС_Ш, позволяющие, по мнению авторов, оценить возможность возникновения феррорезонанса в той или иной конкретной схеме.

В качестве средств защиты от феррорезонансных перенапряжений предлагается изменять емкостные параметры схемы или демпфировать

резонанс посредством включения активного сопротивления последовательно или параллельно с обмоткой напряжения ТН.

В первом случае предлагается:

- увеличивать емкость С_Ш подключением к шинам подстанции

дополнительных емкостей (например, конденсаторов связи) или участков коротких линий, которые должны отключаться выключателями на

противоположном их конце;

- уменьшать емкость С_Вза счет снижения числа выключателей.

подключенных к шинам в момент отключения последнего выключателя, или за счет применения в выключателях шунтирующих конденсаторов меньшей емкости.

В работе приведена количественная оценка величины емкости С_В, с точки зрения предотвращения феррорезонанса, и определено, что ее величина должна быть уменьшена в 5-8 раз по сравнению с существующей. При этом отмечается, что очень малые емкости неприемлемы, поскольку с их уменьшением сильнее влияние «паразитных» емкостей металлических элементов выключателя на распределение напряжения.

При последовательном включении с обмоткой ТН добавочного сопротивления, величина которого должна быть 150-200 кОм, в работу трансформатора напряжения будут внесены искажения, допустимость которых требует специального рассмотрения.

Подключение активного сопротивления параллельно обмотке ТН может быть произведено разъединителем одновременно с отключением последнего выключателя или в момент возникновения резонанса на время существования потенциально-феррорезонансной схемы. Проведена количественная оценка величины этого сопротивления. По расчетам авторов при величине сопротивления R=600 Ом резко сокращается область опасных параметров и, следовательно, предотвращаются феррорезонансные перенапряжения.

Исследования Алексеева В.Г. и Евдокимова С.А.

В работе приведены результаты исследований по определению областей возникновения и существования разных видов феррорезонанса в сети 220 кВ и значения параметров феррорезонансного режима. Феррорезонансный контур для одной фазы представляется расчетной схемой замещения на рис. 20. В отличие от рассмотренных выше схем замещения, в

данной схеме присутствует сопротивление R₂, которое моделирует вторичную нагрузку трансформатора напряжения и потери в магнитопроводе.

Рис. 20. Расчетная схема замещения для расчета феррорезонинса; L - индуктивность трансформатора напряжения; R₁ - активное сопротивление об трансформатора напряжения; C₂- емкость системы шин относительно земли: C₁-

суммарная емкость делителей напряжения воздушных выключателе;R₂ - сопротивление, эквивалентирующее вторичную нагрузку ТН и потери в магнитопроводе.

В работе проведен количественный анализ феррорезонансных явлений с использованием математического моделирования и численного решения системы нелинейных дифференциальных уравнений. Определены значения токов, напряжений и их гармонический состав. По результатам расчета авторами были определены условия для возникновения наиболее тяжелого переходного процесса с наибольшей вероятностью возникновения устойчивого феррорезонансного режима: напряжение на шинах равно наибольшему рабочему (242 кВ) при угле отключения выключателя в максимум мгновенного значения напряжения, отсутствует вторичная

нагрузка ТН. Для этого режима в координатах С₁ и С₂ получены области, соответствующие четырем типам феррорезонансных процессов.

1. Диссипативный процесс, когда после 0,3 с после коммутации
снижается амплитуда тока через трансформатор и устанавливается режим без
феррорезонанса.

2. Процесс, который переходит в феррорезонансный режим на
промышленной частоте и сопровождается повышением напряжения на ТН до
1,5-2,5 — кратного по отношению к номинальному. В напряжении содержится
20-30% третьей гармоники, что с повышением напряжения также может
служить характерным признаком феррорезонансного режима. Действующие
значения тока через первичную обмотку ТН достигают 5,4 А и приводят к
быстрому повреждению обмоток. При подключении номинальной вторичной
нагрузки процесс изменялся незначительно.

3. Процесс, приводящий к возникновению феррорезонансного режима на субгармонике 1/3. В напряжении на первичной обмотке ТН составляющая частоты 16,6 Гц достигает значений от 27 до 35 кВ, напряжение промышленной частоты составляет лишь 5-18% от номинального. Токи через первичную обмотку ТН достигают значения 0,88 А и представляют непосредственную опасность для ТН.

4. Процесс неустановившегося, хаотического изменения частоты и амплитуды тока в феррорезонансном контуре. Такой режим потенциально неустойчив и феррорезонанс рано или поздно срывается. Однако он может существовать длительное время и нельзя исключить его переход в субгармонический феррорезонанс.

Авторы отмечают, что наибольшую опасность представляют феррорезонансные явления на основной гармонике, однако при больших емкостях на землю возникают опасные субгармонические резонансные процессы. В частности, это может иметь место при неправильном выборе емкости батареи конденсаторов связи, дополнительно установленной на шинах для ликвидации феррорезонанса.