Условия феррорезонанса с трансформаторами напряжения в сети 220 кВ

Электрические станции, 1994, №10
Алексеев В.Г., канд.техн.наук, Евдокимов С.А., инж.

Оснащение воздушных выключателей 220 кВ и выше конденсаторами, шунтирующими контакты отделителя, создает возможность возникновения феррорезонансных процессов при отключении систем шин с установленными электромагнитными трансформаторами напряжения (ТН). В эксплуатации неоднократно отмечались случаи повреждения ТН по этой причине с возникновением коротких замыканий и пожарами в ОРУ [1-3]. Разработано достаточно много мероприятий, направленных на предотвращение опасных феррорезонансных режимов, однако вопрос остается актуальным до настоящего времени. Причиной этого отчасти является недостаточное исследование условий возникновения в эксплуатации разных видов феррорезонанса, в том числе субгармонического и непериодического.

Все мероприятия по предотвращению феррорезонанса с ТН могут быть условно разделены на две категории: оперативные мероприятия, предусматривающие определенную последовательность коммутаций при отключении системы шин или изменение емкости шин на землю, и аппаратные мероприятия, предусматривающие применение специальных устройств для подавления возникшего феррорезонансного режима. Успешность использования оперативных мероприятий требует информации о параметрах сети, при которых возможно развитие и существование феррорезонансного режима. В основном это области значений продольной емкости выключателей и емкости на землю высоковольтных аппаратов, ошиновки и иногда линий. В [1, 3] приведены данные по областям возникновения феррорезонанса на основной гармонике. Однако необходимо рассмотреть также и области возникновения феррорезонанса других видов. Это тем более актуально, что в [1] содержатся рекомендации по устранению феррорезонансного режима путем включения на систему шин дополнительной батареи конденсаторов связи или использованию емкости линии, которая не отключается со стороны шин. В некоторых случаях такие мероприятия могут привести к ликвидации феррорезонанса на основной гармонике, но возникновению субгармонического или непериодического. В частности, следует особо подчеркнуть, что при использовании емкости линии она должна быть обязательно одноцепной. В противном случае ее емкость на находящуюся под напряжением вторую цепь оказывается подключенной параллельно конденсаторам выключателей, что дополнительно усугубляет феррорезонансный режим.

Для оптимального проектирования устройств подавления феррорезонанса необходима информация о характерных признаках возникновения этого режима: значениях напряжений, токов и их гармоническом составе. В данной работе приводятся результаты исследований по определению областей возникновения и существования разных видов феррорезонанса в сети 220 кВ и значений параметров феррорезонансного режима. Исследования проведены методом математического моделирования.

Как известно, феррорезонансный режим возникает при отключении всех выключателей, присоединенных к данной системе шин, если их схема остается не разобранной разъединителями. Такой режим чаще всего имеет место при действии дифзащиты шин, а также при переводе присоединений с одной системы шин на другую. Повреждение ТН при феррорезонансе связано с протеканием по первичной обмотке повышенных по сравнению с нормальным режимом токов, приводящих к обугливанию изоляции обмотки и возникновению многочисленных витковых замыканий. После этого индуктивность ТН резко снижается и феррорезонансный режим может прекратиться. Ток через ТН в феррорезонансном режиме не превышает нескольких ампер, а после повреждения обмотки ограничивается продольной емкостью выключателей и становится еще меньше. При этом внешнее повреждение ТН никак себя не проявляет до момента включения системы шин под рабочее напряжение, после которого внутри ТН возникает короткое замыкание с током в несколько килоампер, приводящее к взрыву ТН и пожару.

Хотя в общем случае феррорезонансный режим является трехфазным, его анализ для сетей с глухозаземленной нейтралью может проводиться в однофазной схеме, поскольку в каждой фазе процесс развивается независимо. Лишь после развития феррорезонанса в одной фазе за счет междуфазных емкостей системы шин симметрия нарушается и оставшиеся нерезонирующие фазы испытывают дополнительное воздействие. Взаимное влияние фаз через вторичную обмотку, соединенную в разомкнутый треугольник, из-за большого сопротивления нагрузки пренебрежимо мало.



Феррорезонансный контур для одной фазы может быть представлен схемой замещения, изображенной на рис. 1. Емкость C1 между источником ЭДС и системой шин представляет собой сумму продольных емкостей конденсаторов, шунтирующих разрывы отделителей всех выключателей, присоединенных к данной системе шин. Емкость C2 между системой шин и землей представляет собой емкость на землю ошиновки, а также суммарную емкость на землю разъединителей, разрядников, трансформаторов тока и напряжения и другой высоковольтной аппаратуры, подключенной к системе шин. Нелинейная индуктивность L замещает индуктивность цепи намагничивания ТН, а сопротивление R1 — активное сопротивление его первичной обмотки. Сопротивление R2 эквивалентирует вторичную нагрузку ТН и потери в магнитопроводе. Когда система шин находится под рабочим напряжением, емкость С1 зашунтирована контактами включенных выключателей. При отключении системы шин эта емкость дешунтируется и источник ЭДС оказывается подключенным к нелинейной индуктивности через емкостный делитель С1 и C2.

Рассмотрим качественно происходящие в контуре процессы. Феррорезонансный процесс может быть представлен как разряд заряженной до момента коммутации емкости C2 на нелинейную индуктивность в присутствии источника ЭДС. Известно, что частота колебаний в контуре, содержащем емкость и нелинейную индуктивность, зависит от заряда на емкости или, что равнозначно, от максимального напряжения на ней. При малом значении С1 и незначительном вследствие этого влиянии источника ЭДС разряд емкости C2 на индуктивность ТН представляет собой затухающие колебания с постоянно увеличивающимся периодом. Затухание определяется активными потерями в сопротивлениях R1 и R2, а возрастание периода колебаний — увеличением среднего значения индуктивности по мере снижения напряжения на ТН.

Поскольку внутреннее сопротивление источника ЭДС близко к нулю, емкость C1 оказывается подключенной параллельно емкости C2 и также участвует в колебательном процессе.

При увеличении емкости С1 на режим феррорезонансного контура все большее влияние начинает оказывать источник ЭДС. Это влияние заключается в том, что источник в некоторые моменты времени может дозаряжать емкости С1 и C2, внося энергию в резонирующий контур и увеличивая тем самым частоту колебаний, а может и разряжать, способствуя затуханию колебаний. В моменты времени, когда ток в контуре и ЭДС совпадают по знаку, амплитудное значение тока через С1 увеличивается, дозаряжая ее, и кроме того, напряжение на С1 суммируется с ЭДС, дозаряжая C2. Если знаки тока и ЭДС противоположны, имеет место обратный процесс с дополнительным разрядом емкостей.

Поскольку частота в резонирующем контуре в начале процесса в общем случае не кратна частоте сети, то первоначально феррорезонансные колебания носят характер хаотического обмена энергией между контуром и источником. Частота колебаний в некоторые моменты времени может возрастать, затем снижаться, вновь возрастать и т.д. Однако феррорезонансный контур обладает свойством самонастройки. Когда частота собственных колебаний оказывается близка к частоте сети либо к кратной ей, через несколько периодов происходит синхронизация колебаний в контуре. При этом энергия, полученная от источника за один период колебаний, целиком поглощается в сопротивлениях R1 и R2 и не происходит ни возрастания, ни снижения частоты колебаний. Феррорезонансные колебания приобретают устойчивость, причем при случайном снижении их частоты фаза тока изменяется таким образом, что емкости С1 и C2 дозаряжаются от источника, восстанавливая частоту. При случайном увеличении частоты происходит обратный процесс.

Такое явление может происходить как при частоте феррорезонансных колебаний, равной частоте источника (феррорезонанс на основной гармонике), так и при частоте колебаний ниже частоты источника в кратное число раз (субгармонический феррорезонанс). Кратность частоты в общем случае может быть и дробным числом. Наибольшей устойчивостью, помимо феррорезонанса на основной гармонике, обладает феррорезонанс на нечетных субгармониках, в частности, на субгармонике 1/3.

Таким образом, в установившемся феррорезонансном режиме фаза основной гармоники тока от источника по отношению к ЭДС управляет режимом контура, обеспечивая баланс потерь и поступления энергии. При малых потерях фазовый угол тока близок к 90°, а при возрастании потерь, например, вследствие увеличения сопротивления R1, фазовый угол уменьшается. Заметим, что максимальное значение и форма кривой тока при этом изменяются незначительно. При достижении углом нулевого значения и дальнейшем увеличении R1 энергия, поступающая от источника, не может компенсировать потерь и феррорезонансный режим срывается.

Количественный анализ рассмотренных процессов произведен методом математического моделирования и численного решения системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих феррорезонансный процесс для схемы замещения рис. 1 при R1, R2 и L(i), соответствующих ТН НКФ-220 без вторичной нагрузки, и при номинальной вторичной нагрузке 400 В•А. При расчете использована вебер-амперная характеристика намагничивания ψiнам, снятая экспериментально для мгновенных значений на нескольких экземплярах ТН и усредненная. Указанная характеристика приведена далее.

ψ/ψномiнам, мА
0.820
0.930
1.055
1.1100
1.2180
1.3290
1.4600
1.551550
1.72600


Сопротивление первичной обмотки ТН R1 составляет 9400 Ом. При расчете сопротивления R2 помимо сопротивления вторичной и связующей обмоток (0,08 Ом) и сопротивления вторичной нагрузки учтены суммарные потери в стали магнитопроводов двух блоков ТН, составляющие при номинальном напряжении 200 Вт.

Определены значения токов, напряжений и их гармонический состав в широком диапазоне изменения емкостей C1 и C2. При проведении расчетов изменялся также угол коммутации выключателя и действующее значение напряжения на шинах в момент коммутации.

Расчеты показали, что наиболее тяжелый переходный процесс с наибольшей вероятностью возникновения устойчивого феррорезонансного режима соответствует напряжению на шинах, равному наибольшему рабочему (242 кВ), углу отключения выключателя в максимум мгновенного значения напряжения и отсутствию вторичной нагрузки ТН. Сопротивление R2 в этих условиях эквивалентирует только потери в стали магнитопровода. Для этого режима в координатах С1 и C2 получены области, соответствующие четырем различным типам феррорезонансного процесса (рис. 2).



К первому типу относится диссипативный процесс, когда через 0,3 с после коммутации имеет место только снижение частоты свободных колебаний и снижение амплитуды тока через ТН. Такой процесс ведет к установившемуся режиму без феррорезонанса и с токами через обмотки, не представляющими опасности для ТН.

Ко второму типу (его область обозначена на рис. 2 символом О) относится процесс, когда после переходного возникает установившийся феррорезонансный режим на промышленной частоте, сопровождающийся повышением напряжения на ТН до 1,5 — 2,5-кратного по отношению к номинальному. В напряжении содержится 20-30% третьей гармоники, что наряду с повышением напряжения может служить характерным признаком феррорезонансного режима: Действующее значение тока через первичную обмотку ТН в установившемся режиме существенно зависит от значения емкостей. Так, при C1 = 2 нФ и C2 — 0,5 нФ оно сотавляет 0,35 А, а при C1 — 20 нФ и C2 = 20 нФ достигает 5,4 А. Такие токи ведут к быстрому повреждению ТН. Максимальное значение потокосцепления первичной обмотки ТН, найденное как интеграл от напряжения на обмотке, составляет от 940 до 1700 Вб, что в 1,6—3 раза превышает номинальное.

При наличии номинальной вторичной нагрузки область возникновения феррорезонансного режима изменяется весьма незначительно. Характерная осциллограмма напряжения на вторичной обмотке ТН (пунктирная линия) и тока первичной обмотки (сплошная линия) при напряжении в сети 242 кВ, С1 = 10 нФ, C2 = 12 нФ и номинальной вторичной нагрузке ТН изображена на рис. 3. Действующее значение тока через первичную обмотку в этом случае составило 2,68 А.



К третьему типу феррорезонансного процесса (его область обозначена на рис. 2 символом ОГ) относится процесс возникновения феррорезонансного режима на субгармонике 1/3. В напряжении ТН составляющая частоты 16,7 Гц достигает значений от 27 до 35 В, напряжение промышленной частоты составляет лишь от 5 до 18% номинального. Ток через первичную обмотку, как и при феррорезонансе на основной гармонике, зависит от значения емкостей. При С1 = 2 нФ и C2 = 16 нФ его действующее значение составляет 0,134 А, а при С1 = 15 нФ и C2 = 70 нФ достигает 0,88 А. Учитывая, что с точки зрения повреждения изоляции обмотки опасными являются токи более 0,25 А, соответствующие плотности тока 5 А/мм2, феррорезонансный режим на субгармонике 1/3 при C2 = 20 нФ представляет непосредственную опасность для ТН.



Максимальное значение потокосцепления первичной обмотки ТН во всем диапазоне изменения емкостей отличается незначительно и составляет от 900 до 1100 Вб. Характерная осциллограмма напряжения и тока ТН при напряжении в сети 242 кВ, С1 = 5 нФ, C2 = 40 нФ и номинальной вторичной нагрузке показана на рис. 4. Действующее значение тока через первичную обмотку в этом случае составило 0,41 А. Следует заметить, что область возникновения феррорезонанса на субгармонике 1/3 является многосвязанной и на рис. 2 приведены только ее внешние границы.

Четвертый тип процесса (его область обозначена на рис. 2 символом Н) представляет режим неустановившегося, хаотического изменения частоты и амплитуды токов в феррорезонансном контуре. Такой режим потенциально неустойчив и феррорезонанс обычно рано или поздно срывается. Однако он может существовать достаточно длительное время и нельзя исключить его переход в субгармонический при разогреве обмотки ТН и увеличении ее активного сопротивления. Действующее значение тока через первичную обмотку ТН в этом режиме сопоставимо с феррорезонансом на субгармонике 1/3. Амплитуда потокосцепления первичной обмотки ТН достигает 1500 Вб. Характерная осциллограмма напряжения и тока ТН при напряжении в сети 242 кВ, С1 = 7,5 нФ, C2 = 14 нФ и номинальной вторичной нагрузке изображена на рис. 5.



Полученные результаты показывают, что наибольшую опасность для ТН представляет феррорезонансный режим на основной гармонике, однако при больших емкостях на землю возникает и опасный субгармонический режим. В частности, это может иметь место и при неправильном выборе емкости батареи конденсаторов связи, дополнительно установленной на шинах с целью борьбы с феррорезонансом, или недостаточной емкости линии, подключенной к шинам с этой же целью в соответствии с рекомендацией [1]. Граница области возникновения феррорезонанса на промышленной частоте хорошо совпадает с данными, приведенными в [1, 3], но полученные данные охватывают существенно больший диапазон изменения С1 и C2.

Выявление режима феррорезонанса на основной гармонике для устройств, обеспечивающих его подавления, целесообразно производить по одновременному наличию двух признаков: повышение напряжения ТН в 1,5—2,5 раза и наличие в напряжении третьей гармоники до 45 — 70% номинального напряжения. Выявление режима субгармонического феррорезонанса может быть произведено по одновременному наличию напряжения субгармоники порядка 60 — 70% номинального и значению напряжения промышленной частоты менее 20% номинального. Для обеспечения работы выявительного органа независимо от порядка субгармоники, что важно при непериодическом феррорезонансе, вместо напряжения субгармоники может быть использован сигнал, пропорциональный потокосцеплению, т.е. интегралу от вторичного напряжения ТН, который во всех феррорезонансных режимах превышает значение нормального режима не менее чем в 1,5 раза.

Список литературы

  1. Методические указания по предотвращению феррорезонанса в распределительных устройствах 110-500 кВ с электромагнитными трансформаторами напряжения и выключателями, содержащими емкостные делители напряжения. МУ 34-70-163-87/Антипов К.М., Максимов В.М. и др. М.: Союзтехэнерго, 1987.
  2. Павлов В.И., Максимов В.М. Феррорезонанс на шинах в электрических сетях с заземленной нейтралью. — Электрические станции, 1975, № 1.
  3. Зихерман М.Х., Максимов В.М. Определение возможности возникновения феррорезонанса в ОРУ 220—500 кВ электростанций и подстанций энергосистем. — Экспресс-информация. Энергетика и электрификация. Серия. Эксплуатация и ремонт электрических сетей, 1979, Вып. 1.

0 комментариев

Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.