Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование эффективности антирезонансных трансформаторов напряжения типа нами в сетях 6-35 KB
1.1. Постановка исследований 17
1.2. Общая характеристика трансформаторов напряжения в сетях 6-35 кВ ...21
1.3. Математические модели ТН 26
1.4. Магнитные свойства электротехнической стали 34
1.5. Сравнение опытных кривых намагничивания ТН с расчётными 46
1.6. Математическая модель сети 6-35 кВ 54
1.7. Исследование процессов при однофазных дуговых замыканиях 60
1.8. Исследование процессов при отключении 033 и при возникновении «ложной земли» 71
1.9. Исследование параллельной работы ТН типов НТМИ, ЗНОМ и ТН типа НАМИ 82
1. Ю.Выводы по первому разделу 85
2. Экспериментальное исследование характеристик трансформаторов напряжения 110-500 кв
2.1. Постановка исследований 87
2.2. Общая характеристика ТН, применяемых в сетях 110-500 кВ 90
2.3. Математические модели ТН 97
2.4. Экспериментальное исследование характеристик ТН типов НКФ-110 и НАМИ -110 108
2.5. Сравнение результатов расчетных и экспериментальных характеристик ТННОкВ 118
2.6. Экспериментальное исследование характеристик ТН типов НКФ-500 и НАМИ-500 125
2.7. Сравнение результатов испытаний ТН 500 кВ с компьютерными расчётами 136
2.8. Выводы по второму разделу 148
3. Исследование эффективности антирезонансных тн типа нами в сетях 110-500 кВ
3.1. Постановка исследований 150
3.2. Исследование процессов при коммутациях холостых ошиновок
3.2.1. Обзор схем ПС 110-500 кВ и математическая модель сети 153
3.2.2. Области опасных параметров в зависимости от ёмкости сети 158
3.2.3. Исследование параллельной работы ТН различных типов 166
3.3. Исследование процессов при неполнофазных режимах
3.3.1. Математическая модель сети ПОкВ 170
3.3.2. Математическая модель силового трансформатора 177
3.3.3. Исследование режима «смещения нейтрали» силового трансформатора 182
3.3.4. Исследование режима, вызванного неправильным действием релейной защиты 189
3.3.5. Исследование режимов при обрыве фазы и ненагруженных шинах подстанции 199
3.4. Исследование процессов при отключении одной цепи двухцепной В Л
3.4.1. Математическая модель сети с двухцепной В Л 208
3.4.2. Анализ феррорезонансного контура и обзор различных типов опор ВЛ 210
3.4.3. Исследование процессов при отключении одной цепи 215
3.5. Выводы по третьему разделу 220
Заключение 224
Список использованных источников
- Общая характеристика трансформаторов напряжения в сетях 6-35 кВ
- Исследование процессов при однофазных дуговых замыканиях
- Экспериментальное исследование характеристик ТН типов НКФ-110 и НАМИ
- Исследование процессов при неполнофазных режимах
Введение к работе
Электромагнитные трансформаторы напряжения, являясь одним из важнейших элементов электроэнергетических систем, крайне подвержены повреждениям, связанным с возникновением феррорезонансных явлений. Трансформаторы напряжения (ТН) устанавливаются в узловых точках электрических сетей, на шинах распределительных устройств и системообразующих линиях электропередачи. При этом ТН классов напряжения ПО кВ и выше не имеют со стороны высшего напряжения выключателей и предохранителей. При каждом повреждении ТН, сопровождающемся перекрытием главной изоляции на землю, или витковых замыканиях в обмотке с последующим перекрытием на землю, возникающее короткое замыкание отключается большим количеством выключателей, коммутирующих присоединения соответствующей системы шин. При этом высока вероятность отказа выключателя с последующим полным отключением подстанции ("погашение" подстанции). Последствия такого развития событий наглядно продемонстрированы при аварии на ПС «Чагино» в 2005г.
Феррорезонанс - сложное нелинейное электрическое явление, защита от которого до сих пор остаётся окончательно не решённой. Это явление является чрезвычайно опасным для электротехнического оборудования, так как приводит к возникновению как перенапряжений, так и сверхтоков. К феррорезонансам относят колебательные процессы, возникающие в электрических цепях, содержащих нелинейную индуктивность (магнитопроводы трансформаторов).
Причин возникновения феррорезонанса в сетях с установленными ТН
достаточно много. Это многообразие обусловлено различными режимами
заземления нейтрали для разных классов напряжения и различными
конфигурациями сетей. Вопросам, связанным с исследованием
феррорезонансных явлений как в сетях с изолированной нейтралью, так и в
сетях с глухозаземлённой нейтралью посвящено достаточно большое количество работ ([1-18] и [19-28], соответственно).
В сетях 6-35 кВ феррорезонансные процессы связаны с применением в этих сетях трансформаторов напряжения для контроля изоляции (ТНКИ) [2,4]. Одной из основных функций этих ТН является измерение напряжения нулевой последовательности. Это определяет их конструкцию - это либо трёхфазная группа из трёх однофазных ТН (ЗНОМ, ЗНОЛ), либо три отдельных магнитопровода в корпусе трёхфазного ТН (НТМИ).
Феррорезонансным контуром в сети с изолированной нейтралью является контур нулевой последовательности [1,6,8-9]. Особенности конструкции ТНКИ приводят к появлению в этом контуре нелинейной ветви намагничивания. Для возникновения феррорезонанса необходима какая-либо несимметрия, приводящая к появлению напряжения в контуре нулевой последовательности.
Выделяют следующие причины возникновения феррорезонанса в сетях 6-35 кВ:
однофазные дуговые замыкания (ОДЗ) [4,6,8-11,13];
отключение металлических замыканий на землю (033) [1,10];
повреждения ТН, связанные с «внешним» феррорезонансом. Это устойчивый феррорезонанс на частоте 50 Гц между емкостью нулевой последовательности сети и нелинейной индуктивностью намагничивания трехфазного трехстержневого потребительского силового трансформатора 10(6)/0,4 кВ с изолированной нейтралью обмотки ВН. Режим феррорезонанса возможен при замыкании на землю одной фазы малонагруженного трансформатора 20-400 кВА с последующим перегоранием плавкой вставки предохранителя. Напряжение нулевой последовательности сети при этом может достигать трехкратных значений [8];
в сетях с малой ёмкостью на землю (ненагруженные шины ЦП или РП) может иметь место явление «ложной земли», приводящее к
7 появлению на дополнительной обмотке ТН напряжения нулевой
последовательности. Повреждения ТН в этом режиме, как правило, не происходит [8].
Проблема феррорезонанса в ТН существует за рубежом, в тех странах, где распространены сети с изолированной нейтралью [15-18]. В качестве основных причин также выделяются ОДЗ и отключение металлических замыканий [15]. В [16] исследуется явление «ложной земли» в ТН на ненагруженных обмотках НН силовых автотрансформаторов 400/110 кВ.
При исследовании феррорезонансных процессов используются два подхода. Первый связан с аналитическим решением систем нелинейных уравнений, описывающих процессы в резонансном контуре [4, 16-17]. Этот метод имеет ряд преимуществ, в частности, он позволяет более полно понять физическую картину явления и требует меньших затрат времени. Однако при его применении делается большое количество допущений, что существенно снижает достоверность полученных результатов. Второй подход - численное решение систем нелинейных уравнений при помощи вычислительной техники [1-3, 11-12]. Этот подход позволяет получить весьма точные результаты, однако требует больших временных затрат. Кроме этого, в отличие от аналитических методов, численные расчёты позволяют получить результат только для дискретных «расчётных точек» (совокупности параметров сети, при которых выполняется расчёт), и не дают представления о процессах вне этих точек [17].
Основная проблема при исследовании феррорезонансных процессов связана с моделированием достоверных кривых намагничивания ТН. Как правило, при моделировании используются аппроксимации экспериментальных кривых намагничивания [2-3,11-12]. При этом используемые при аппроксимации выражения часто весьма неточно воспроизводят реальные зависимости, что снижает достоверность результатов. В ряде работ используется расчёт кривых намагничивания, основанный на геометрических параметрах магнитопровода ТН [1, 18].
8 В качестве мер по предотвращению феррорезонанса в сетях 6-35 кВ
авторы исследований выделяют следующие [1, 5, 7,10, 11, 13-16]:
включение активного сопротивления, несколько десятков Ом (в основном - 250м), в дополнительную обмотку ТН, соединённую в открытый треугольник;
включение активного сопротивления величиной несколько кОм последовательно с обмотками ВН каждой фазы;
включение активного сопротивления величиной от 1 до десятков кОм в нейтральную точку соединения обмоток ВН ТН.
Применение активных сопротивлений приводит к демпфированию феррорезонаных колебаний. Эффективность всех предлагаемых мер, как правило, ограничивается требованиями к точности ТН, как измерительного прибора, а также его тепловой стойкостью. На западе, в настоящее время, используются переменные дополнительные активные сопротивления (smart load) в ТН, величина которых изменяется в зависимости от режима работы сети [15,16].
В сетях 220-500 кВ выделяют две основных причины возникновения феррорезонанса:
коммутации холостых ошиновок модульными выключателями, с несколькими разрывами на фазу. Для выравнивания напряжения по разрывам в таких выключателях используются ёмкостные делители напряжения. При отключении выключателя, ёмкостные делители образуют связь между системой и отключаемым участком ошиновки, и в совокупности с ёмкостью последней, образуют резонансный контур с ТН [19-26].
Неполнофазные режимы работы сети с силовым трансформатором НО кВ, эксплуатируемым с изолированной нейтралью. Такие режимы могут иметь место при отказе во время коммутации одного из полюсов выключателя, или при наличии существенного разброса
во временах включения полюсов, а также при обрыве шлейфа на
опоре воздушной линии электропередачи без касания оборванным шлейфом металла опоры [27,28, 45].
Выключатели в сетях НО кВ как правило одноразрывные, и основной причиной возникновения феррорезонанса в этих сетях являются неполнофазные режимы. Тем не менее воздушные выключатели ВВБ-110 и ВВДМ-110 являются двухразрывными и содержат ёмкостные делители напряжения. Подстанций, оснащённых такими выключателями, ещё достаточно много.
В сетях с глухозаземлённой нейтралью феррорезонансным контуром является контур прямой последовательности, так как контур нулевой последовательности шунтируется заземлённой нейтралью [19]. Поэтому применение дополнительного сопротивления, включаемого в цепь разомкнутого треугольника ТН, неэффективно. Процессы при коммутации холостых ошиновок протекают независимо в каждой из фаз, и поэтому практически всегда исследуются в однофазной схеме [19-22,26].
В упомянутых работах были отмечены недостатки математических моделей, применяемых для исследования феррорезонанса в сетях 110-500 кВ, и получаемых на их основе результатов :
попытки линеаризации и аналитического решения нелинейных схем приводит к существенным ошибкам и потере значимой информации [26-27];
аналогичным образом, существенно искажают реальную картину явлений неучёт потерь в стали магнитопровода ТН, а также высших гармоник тока и напряжения [19-21];
при исследовании процессов в неполнофазных режимах не учитывается общая магнитная система силового трансформатора [27];
10 во многих работах функции, аппроксимирующие нелинейную характеристику намагничивания стали, являются слишком грубыми (например ток холостого хода ТН в этих моделях может быть 20-30 мА, т.е на порядок выше, чем реальные токи х.х), что также приводит к ошибочности результатов расчёта [26]; В сетях 110-500 кВ предлагаются следующие меры по предотвращению феррорезонанса:
изменение последовательности оперативных переключений [19];
подключение дополнительной ёмкости (колонок конденсаторов) к шинам подстанции [19, 20, 21, 22, 26];
постоянное подключение высокоомных (600 кОм) активных сопротивлений последовательно с ТН, или включение этих сопротивлений параллельно ТН на время проведения коммутаций [20,26];
Частичное заземление нейтралей силовых трансформаторов через высокоомные (2 кОм) активные сопротивления для предотвращения феррорезонанса в неполнофазном режиме [45];
Применение специальных релейных устройств для предотвращения феррорезонанса [23];
Применение ёмкостных ТН типа НДЕ [19].
Одной из наиболее эффективных мер по предотвращению феррорезонанса является применение антирезонансных ТН. В настоящее время наиболее распространены антирезонансные ТН типа НАМИ, выпускаемые ООО «Энергия» на Раменском электротехническом заводе. ТН выпускаются на классы напряжения 6-500 кВ. Антирезонансные свойства им придаёт особая конструкция. В сетях средних классов напряжения 6-35 кВ ТН типа НАМИ имеют дополнительную компенсационную обмотку, соединённую в замкнутый треугольник, и трансформатор для измерения напряжения нулевой последовательности, включённый в нейтраль обмотки ВН. В сетях 110-500 кВ
конструкция ТН типа НАМИ аналогична конструкциям традиционных ТН типа НКФ, но в магнитопроводе помимо электротехнической применена также и толстолистовая конструкционная сталь.
Цель работы. Разработка математических моделей для исследования ФП в сетях 6-500 кВ как с традиционными, так и с антирезонансными ТН электромагнитного типа. Экспериментальное исследование характеристик антирезонансных ТН с целью определения их параметров и проверки адекватности разработанных математических моделей. Исследование феррорезонансных явлений при широком диапазоне изменения параметров сети. Определение областей существования феррорезонанса и общая оценка эффективности ТН типа НАМИ в различных сетях.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
выполнены эксперименты с реальными ТН типов НКФ и НАМИ, позволившие получить их параметры и проверить адекватность разрабатываемых математических моделей;
разработаны математические модели как традиционных ТН, так и антирезонансных ТН типа НАМИ;
исследованы процессы в ТН, происходящие при ОДЗ и при отключении металлических замыканий на землю в сетях 6-35 кВ, и получены области существования феррорезонанса при установке в сети ТН различных типов;
исследованы процессы в ТН при возникновении явления «ложной земли» и стойкость ТН типа НАМИ к перемежающимся дуговым замыканиям, оценена эффективность применения ТН типа НАМИ в сетях 6-35 кВ;
исследованы процессы в ТН, происходящие при коммутациях холостых ошиновок многоразрывными выключателями в сетях 110-500 кВ;
получены области существования феррорезонанса в сетях 110-500 кВ с традиционными и антирезонансными ТН;
исследованы процессы в ТН при неполнофазных режимах и отключении одной цепи двухцепной ВЛ в сети 110 кВ;
оценена эффективность применения ТН типа НАМИ в сетях 110-500 кВ.
Научная новизна основных положений и результатов работы может быть сформулирована следующим образом:
при помощи аналогии электрических и магнитных цепей разработаны математические модели ТН, построенные на геометрии их магнитных систем и характеристике намагничивания электротехнической стали, а не на экспериментальных кривых намагничивания;
получены области существования феррорезонанса при однофазных дуговых замыканиях и отключении металлических замыканий на землю в сетях 6-35 кВ при установке в них различных типов ТН;
показано, что ТН типа НАМИ, предназначенный для эксплуатации в сетях 6-35 кВ, подвержен явлению «ложной земли» так же, как и ТН традиционного исполнения.
получены области существования феррорезонанса при оснащении сетей 110-500 кВ ТН типа НАМИ, а также при параллельной эксплуатации ТН типа НКФ и НАМИ;
показано, что эксплуатация в сети ПО кВ силовых трансформаторов с изолированной нейтралью может приводить к возникновению феррорезонанса даже при выполнении требований Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭ).
13 Практическая значимость результатов работы:
Разработанные математические модели, позволяют исследовать феррорезонансные процессы в сетях с изолированной и с глухозаземлённой нейтралью, оснащенных как ТН традиционного исполнения, так и антирезонансными ТН типа НАМИ;
Разработанная методика расчёта кривых намагничивания ТН по их конструктивным данным и магнитным свойствам электротехнической стали позволяет проводить исследования феррорезонансных процессов при отсутствии экспериментально определенных кривых намагничивания;
Экспериментально определены характеристики намагничивания и другие параметры некоторых типов ТН, которые могут быть использованы как при моделировании феррорезонансных явлений, так и для проверки адекватности математических моделей ТН;
Получены области существования феррорезонанса, на основании которых можно определить возможность возникновения феррорезонанса в той или иной сети.
Проведенные исследования позволили сформулировать ряд рекомендаций, направленных на повышение надёжности эксплуатации ТН типа НАМИ, которые могут быть использованы как при проектировании, так и в эксплуатации электрических сетей, оснащенных ТН электромагнитного типа.
Достоверность результатов работы основывается на использовании в том числе экспериментальных данных при разработке математических моделей ТН и хорошем согласии результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными.
Апробация работы и публикации. Отдельные результаты работы и работа в целом обсуждались на семинарах кафедры ТиЭВН и факультета Энергетики НГТУ, на Всероссийских конференциях в г. Новосибирске, на VIII
14 симпозиуме «Электротехника 2010» (г.Москва) и на международной конференции IEEE Power Tech 2005 в г. Санкт-Петербурге. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 4 научных статьи, 5 текстов докладов на Всероссийских конференциях и два текста докладов на международных конференциях. В реферируемом журнале опубликована одна статья.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения, приложения и списка использованных источников, содержащего 50 наименований. Объём работы составляет 246 страниц, включая 195 рисунок и 22 таблицы.
Первый раздел посвящен исследованию эффективности применения ТН типа НАМИ в сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью. В разделе приводятся разработанные математические модели ТН, а также методика расчёта их кривых намагничивания. С помощью компьютерного моделирования исследованы процессы в ТН традиционного исполнения и в ТН типа НАМИ при однофазных дуговых замыканиях, перемежающихся дуговых замыканиях, отключении металлических замыканий на землю, явлении «ложной земли». Делается заключение об эффективности применения ТН типа НАМИ для предотвращения опасных феррорезонансных явлений.
Второй раздел посвящен экспериментальному исследованию процессов в ТН 110-500 кВ. Приводятся результаты испытаний ТН 110 кВ, проведенных на кафедре ТВН НГТУ, и результаты испытаний ТН 500 кВ, проведенных в ИЦ НИИВА (Санкт-Петербург) при участии автора работы. Приведены разработанные математические модели ТН типа НАМИ 110-500 кВ. Адекватность моделей проверена сравнением результатов экспериментов с результатами компьютерного моделирования.
В третьем разделе исследуется эффективность применения ТН типа НАМИ в сетях 110-500 кВ. Рассматривается широкий спектр причин возникновения феррорезонансных явлений: коммутации холостых ошиновок,
15 различные неполнофазные режимы, отключение одной цепи двухцепной ВЛ.
Определяются области существования феррорезонанса при коммутации
холостых ошиновок для ТН различных типов. Делается заключение об
эффективности применения ТН типа НАМИ в сетях высокого напряжения.
В приложении 1 приведены опытные осциллограммы, полученные при испытаниях нижних каскадов ТН 220 кВ (НКФ и НАМИ) на кафедре ТВН НГТУ и при испытании ТН 500 кВ в синтетической схеме, моделирующей коммутацию холостых ошиновок, которое проводилось в ИЦ НИИВА.
В приложении 2 приведен акт об использовании результатов диссертационной работы в филиале ОАО Тюменьэнерго «Ноябрьские электрические сети».
Положения, выносимые на защиту:
применение ТН типа НАМИ в сетях с изолированной нейтралью 6-35 кВ полностью предотвращает возникновение феррорезонанса в контуре нулевой последовательности (при ОДЗ и отключении 033);
ТН типа НАМИ подвержен, в некоторых схемах, явлению «ложной земли»;
при коммутациях холостых ошиновок ОРУ 110-500 кВ в схемах с ТН типа НАМИ может возникать субгармонический феррорезонанс на частоте 16.6 Гц, ТН типа НАМИ полностью не обеспечивают защиту от феррорезонанса, требуется предусматривать дополнительные меры защиты;
разземление нейтралей силовых трансформаторов ПО кВ в процессе эксплуатации может приводить к возникновению феррорезонансных процессов даже при соблюдении требований ПТЭ;
применение ТН типа НАМИ для предотвращения феррорезонанса в схемах с изолированной нейтралью силового трансформатора ПО кВ неэффективно;
применение ТН типа НАМИ позволяет предотвратить феррорезонанс, обусловленный наведенным напряжением, в случаях обрыва фазы холостой В Л ПО кВ и отключении одной цепи двухцепной В Л 110-220 кВ;
Параллельная эксплуатация ТН традиционного исполнения и ТН типа НАМИ существенно снижает антирезонансные свойства последних.
Общая характеристика трансформаторов напряжения в сетях 6-35 кВ
Основные характеристики трансформаторов напряжения, применяемых в сетях 6-35 кВ, приведены в таблице 1.1 [29]. Обозначения типов трансформаторов расшифровываются следующим образом: Н - напряжения (трансформатор); О - однофазный; М - масляный;3 - заземляемый ввод; Т -трёхфазный; И - дополнительная обмотка для контроля изоляции сети; К -компенсационная обмотка (схема зигзаг).
Трансформаторы первой группы (типа НОМ) рассчитаны на линейное напряжение и включаются между фазами сети. Феррорезонансных процессов при ОДЗ в таких ТН не возникает.
Трансформаторы второй группы (типа НТМК) служат для измерения напряжения и мощности. Магнитопровод этих трансформаторов -трёхстержневой. Трансформаторы имеют дополнительную обмотку, соединённую с обмоткой ВН по схеме зигзаг. За счёт трёхстержневой конструкции магнитопровода, режим феррорезонанса при ОДЗ в таких ТН не возникает.
К третьей группе в основном относятся трансформаторы напряжения контроля изоляции (ТНКИ). Их основная особенность -однофазная конструкция, с целью измерения напряжения нулевой последовательности. Трансформаторы напряжения типа ЗНОМ(Л) выполняются однофазными, с одним высоковольтным и одним заземляемым вводом, и с магнитопроводом бронестержневого типа. ТН типа НТМИ-6 и НТМИ-10 выполняются трёхфазными, с тремя однофазными магнитопроводами в одном корпусе. ТН типа НТМИ-18 имеет особую конструкцию - трёхстержневой магнитопровод броневого типа (или так называемый пятистержневой магнитопровод).
Магнитопроводы ТН выполняются из листовой электротехнической стали ЭЗЗОА в соответствии с ГОСТ 21427.0-75. Для однофазных ТН преимущественно применяются магнитопроводы бронестержневого типа. Применение таких магнитопроводов целесообразно, так как при этом достаточно иметь лишь один комплект обмоток на центральном стержне. При бронестержневом магнитопроводе несколько увеличивается масса меди обмоток и уменьшается масса стали по сравнению со стержневым магнитопроводом аналогичной конструкции.
На рис. 1.1 приведены конструкции магнитопроводов ТН из таблицы 1.1. В таблице 1.2 приведены геометрические параметры магнитопроводов ТН, которые в дальнейшем будут использоваться при моделировании. Номинальная индукция ТН ном=1Тл. В таблице 1.3 приведены характеристики ТН, используемые при моделировании [3]. Число витков ТН рассчитывается по номинальной индукции (1.2).
Трансформатор напряжения типа НАМИ по конструкции аналогичен трёхфазным ТН типа НТМИ. В корпусе находятся три отдельных магнитопровода для каждой фазы. Кроме этого, в нейтраль ТН включён дополнительный трансформатор с отдельным магнитопроводом. Трансформатор предназначен для измерения напряжения нулевой последовательности. Вторичная обмотка НАМИ, соединённая в треугольник, замкнута накоротко. Принципиальные схемы ТН типов НТМИ и НАМИ приведены на рис. 1.2. Геометрические параметры магнитопроводов ТН типов НАМИ-6 и НАМИ-10 можно принять аналогичными ТН типа НТМИ.
Помимо антирезонансных ТН типа НАМИ в сетях 6-Ю кВ применяются антирезонансные трансформаторы типа НАМИТ. Конструкция этого трансформатора близка к конструкции ТН типа НАМИ. Однако антирезонансные свойства достигаются несколько иным путём. На рис. 1.3 приведена схема ТН типа НАМИТ-10-2 [30].
НАМИТ, очевидно, лишён одного из главных недостатков ТН типа НАМИ - замкнутой накоротко компенсационной обмотки без выводов. Однако наличие релейных цепей отнюдь не увеличивает ни надёжности трансформатора, ни простоты его эксплуатации.
Математические модели ТН, используемые в настоящей работе, представляют собой комбинацию электрической и магнитной схем замещения. Магнитная схема замещения строится по известной аналогии между электрическими и магнитными цепями, согласно которой:
Эквивалентом тока в ветви магнитной схемы является магнитный поток. Ветвью магнитной схемы является некоторый участок магнитопровода, магнитный поток в котором постоянный в любом сечении этого участка;
Эквивалентом напряжения на участке магнитной системы является магнитное напряжение UM = \Hdl - интеграл напряжённости магнитного поля по пути магнитного потока на участке магнитной схемы;
Эквивалентом источника ЭДС является источник магнитодвижущей силы (МДС). МДС образует ток, протекающий по обмотке трансформатора, величина МДС: F = iw, где /-ток в обмотке, w- число витков обмотки.
Основной задачей расчёта магнитной цепи является задача определения величины МДС F (фактически - тока в обмотке ТН), которая необходима для создания требуемой величины магнитного потока. В магнитных цепях, по аналогии с электрическими, существуют два основных закона, которые позволяют составлять уравнения для расчёта этих цепей:
Алгебраическая сумма магнитных потоков в узле магнитной схемы равна нулю, по аналогии с первым законом Кирхгоффа: (рк = 0. Это вытекает из непрерывности силовых линий магнитной индукции.
Сумма падений магнитных напряжений в некотором магнитном контуре равна суммарной МДС этого контура. Это известный закон полного тока: Q Hdl = і - контурный интеграл по напряжённости магнитного поля равен алгебраической сумме токов охваченных этим контуром.
Существуют другие аналогии электрических и магнитных цепей, например аналогия основанная на введении термина «магниный ток смещения» ім =— [31]. Эта аналогия является гораздо более удобной при dt расчёте установившихся режимов схем с электрическими и магнитными цепями, так как позволяет переходить как к полностью электрическим схемам замещения, так и к полностью магнитным без изменения числа уравнений, описывающих схему. Однако при расчете переходных процессов в схемах, содержащих нелинейные магнитные цепи, эта аналогия не даёт никаких преимуществ, по сравнению с используемой в настоящей работе, так как в ней независимыми переменными являются магнитные заряды qM {t) = (pit) по сути являющиеся потоками в ветвях магнитных схем, как и в используемой аналогии. При разработке математической модели ТН приняты следующие допущения: не учитываются ёмкости обмоток ТН (из-за их малой величины); не учитывается вторичная нагрузка ТН, присоединённая к основной (соединённой в звезду) обмотке.
Исследование процессов при однофазных дуговых замыканиях
Нелинейный шунт намагничивания нулевой последовательности образуется вследствие того, что трёхфазный ТН представляет собой три однофазных ТН, и потоки каждой фазы магнитно не взаимодействуют. У ТН типа НТМИ-18 поток нулевой последовательности замыкается по боковым стержням пятистержневого магнитопровода и нелинейный шунт намагничивания нулевой последовательности обусловлен этими стержнями. У трансформатора с трёхстержневым магнитопроводом магнитный поток нулевой последовательности замыкается по воздуху и корпусу трансформатора, и у этого ТН нелинейный шунт L 0 практически представляет собой разрыв.
Из рисунка также видно, что обмотка, соединённая в треугольник, шунтирует ветвь намагничивания нулевой последовательности. Этим обуславливается предотвращение феррорезонанса при включении дополнительного сопротивления в эту обмотку (широко распостранённая
мера - сопротивление 25 Ом). Тем не менее, это сопротивление, приведенное к стороне ВН, значительно превышает сопротивление ветви намагничивания при насыщении, поэтому данная мера далеко не всегда является эффективной. Контур нулевой последовательности ТН типа НАМИ приведен на рис. 1.21. Его можно получить из уравнений (1.4). ді/з 1\/э RN h ІНПППР —і 1—nnfn На рис. 1.21, помимо обозначений, приведенных на рис. 1.20: RN, LN активное сопротивление и индуктивность трансформатора нулевой последовательности (ТНП), включённого в нейтральную точку обмотки ВН. Поскольку вторичная обмотка ТНП, служащая для измерения напряжения нулевой последовательности, разомкнута, трансформатор обладает большим индуктивным сопротивлением.
Нелинейная ветвь намагничивания у ТН типа НАМИ шунтируется компенсационной обмоткой, соединённой в замкнутый треугольник. Токи небаланса в компенсационной обмотке при этом ограничиваются сопротивлением ТНП. Именно то обстоятельство, что дополнительная обмотка шунтирует ветвь намагничивания нулевой последовательности, и определяет антирезонансные свойства ТН типа НАМИ. ТПН здесь играет второстепенную роль, в отличие от ТН типа НАМИТ, у которого феррорезонанс ограничивается именно за счёт большого сопротивления ТНП (при разомкнутой вторичной обмотке ТНП).
В подразделе приведены результаты исследования феррорезонансных процессов, возникающих при ОДЗ и эффективности применения ТН типа НАМИ с целью их предотвращения. Для этого сначала определяются области существования феррорезонанса при установке традиционных ТН типов НТМИ, ЗНОМ. Затем исследуются процессы в схеме с ТН типа НАМИ при параметрах сети находящихся в опасных областях. Рассматривается также условия эксплуатации ТН типа НАМИ при горении в сети перемежающейся дуги, обусловленной в ряде случаев первичным ОДЗ.
Перемежающиеся дуговые замыкания также часто приводят к перегреву и повреждению ТН. Это явление возникает в основном в воздушных сетях, которые характеризуются, во первых, небольшими токами замыкания на землю, и во вторых, влиянием ветра на горение дуги. Всё это способствует при возникновении однофазного дугового замыкания к попеременному зажиганию и погасанию дуги без перехода замыкания в металлическое. В кабельных линиях после нескольких зажиганий/погасаний дуги происходит науглероживание канала замыкания, которое, как правило, переходит в металлическое. Явление же перемежающейся дуги в воздушных сетях может продолжаться до нескольких минут и даже часов, и при каждом зажигании/погасании дуги происходит разрядка ёмкости нулевой последовательности через ТН, что приводит к перегреву его обмоток даже без возникновения установившегося режима феррорезонанса [37].
При ОДЗ в контуре нулевой последовательности появляется напряжение, вызывающее в ТН постоянную составляющую магнитного потока (поток нулевой последовательности). При наложении на эту составляющую рабочего магнитного потока, суммарный поток приводит к насыщению магнитопровода ТН, что может привести к выполнению условия возникновения феррорезонанса (1.1). Возможность возникновения феррорезонанса при ОДЗ главным образом зависит от ёмкости сети и количества ТН в схеме. Существуют некоторые пороговые значения ёмкостей Cmin и Стах, которые ограничивают область существования феррорезонанса при ОДЗ (феррорезонанс возможен только при Cmin Сф Стах). Величины этих ёмкостей в первую очередь являются функцией количества ТН: с увеличением числа ТН они возрастают. Пороговые значения ёмкостей зависят также от напряжения сети, характеристик ТН, уровня перенапряжений при ОДЗ.
На рис. 1.22 приведены компьютерные осциллограммы феррорезонансного процесса в ТН типа НТМИ-6 при возникновении ОДЗ. Ёмкость фазы сети принята равной Сф=0.3 мкФ, междуфазная ёмкость -0.275Сф (соотношение, характерное для КЛ 6 кВ). Напряжение источника (линейное) - 7.2 кВ. Моделировались два зажигания/погасания дуги по гипотезе Петерсена.
В результате исследований было установлено, что моделирование одного зажигания дуги может оказаться недостаточным для возникновения устойчивого феррорезонанса (особенно вблизи порогового значения ёмкости), так как при одном зажигании дуги перенапряжения не достигают максимальных значений. Моделирование большого количества зажиганий может приводить к срыву установившегося феррорезонанса. Компьютерные осциллограммы, подтверждающие эти заключения применительно к рассмотренному выше расчетному случаю, приведены на рис. 1.23 и 1.24.
Экспериментальное исследование характеристик ТН типов НКФ-110 и НАМИ
Проведённые в лаборатории кафедры ТиЭВН НГТУ испытания нижних каскадов ТН типов НКФ-220 и НАМИ-220 позволяют проверить адекватность используемых математических моделей, которые приведены в п.2.3 этого раздела диссертации. Для этого достаточно смоделировать испытательную установку и процесс испытаний на компьютере. При разработке математической модели установки, необходимо учитывать, что в процессе испытаний задействованы как первичная обмотка ТН, так и его вторичная обмотка номинальным напряжением 100В. Это потребовало некоторого изменения математической модели ТН. Схема замещения испытательной установки с ТН типа НКФ приведена на рис.2.31. R2 HZ3—w ис і?! к г-CZ1—"W с=Ь I И„ Дп [К к " с А,: -ФР—1 RC жт ґТ\Е ±r RC Рис.2.31. Схема замещения испытательной установки В схеме на рис.2.31: R\,LX - активное сопротивление и индуктивность рассеивания обмотки ВН; С- ёмкость конденсатора связи; R0 - активное сопротивление, моделирующее потери в стали ТН; L - нелинейная ветвь намагничивания модели ТН; R 2, L 2 - активное сопротивление и индуктивность рассеивания обмотки НН, приведенные к стороне ВН; R RC, C RC - активное сопротивление и ёмкость интегрирующей RC - цепочки; L - индуктивность источника ЭДС (входное сопротивление шин 380В лабораторного щитка);
Уравнения, описывающие процессы в испытательной установке, будут: В уравнениях (2.11): uc ,(0 " напряжение на конденсаторе RC -цепочки; Ч (ґ) - потокосцепление ТН; иц(і) - напряжение на нелинейной ветви намагничивания ТН; і (t) - ток намагничивания ТН, являющийся функцией потокосцепления.
Математическая модель установки отличается от приведенной выше только тем, что нелинейная ветвь намагничивания ТН состоит из нескольких последовательно соединённых секций, каждая из которых отвечает ЭДС самоиндукции и потерям в электротехнической стали и в слоях конструкционной стали (так же, как и на рис.2.18).
Параметры схемы замещения испытательной установки были определены непосредственно в лаборатории: С = 21нФ; 7?,=3.54кОм; І,=38Гн; І2=38Гн; R 2 =0.0856-/ =34.5кОм; R RC = 50000-Я =20ГОм; СдС=20-10"6/ =0.4959пФ. У ТН типа НАМИ: /г,=12.5кОм; Ц = L 2 = 43 Гн. Было сделано допущение, что индуктивности рассеивания обмоток ВН и НН в относительных единицах равны. В расчётах Кт коэффициент трансформации ТН ПО кВ, равный 635. Индуктивное сопротивление источника принято О.Юм (далее также приводится к высокой стороне). Система дифференциальных уравнений была решена в системе MATLAB. Начальные условия в схеме нулевые. Моменты включения и отключения источника ЭДС принимались такими же, как и в эксперименте (рис.2.22).
На рис.2.32 приведены осциллограммы тока и потокосцепления нижнего каскада ТН типа НКФ-220 и напряжения на конденсаторе связи, полученные опытным путём и в результате компьютерного эксперимента.
Опытные и компьютерные осциллограммы тока (а) и потокосцепления вТН (б), и напряжения на конденсаторе связи (в)
На рис.2.33 приведены зависимости мгновенных значений активных потерь в стали от потокосцепления, полученные в натурном и компьютерном экспериментах с НКФ. Зависимости подобного типа анализируются в [42]. Из рис.2.33 видно, что активные потери в модели ТН хорошо согласуются с активными потерями в реальном трансформаторе.
Линии на рисунках соответствуют разным уровням напряжения. На максимуме потокосцепления потери всегда равны нулю, так как в этот момент времени напряжение на шунте намагничивания ТН равно нулю _ ch\i (Ир. 7 ). В [42] приводятся аналогичные зависимости активных потерь от потокосцепления для силового трансформатора (рис.2.34).
На рис.2.35 приведены петли гистерезиса, полученные в эксперименте и в результате компьютерного моделирования. Площадь широкой части петель при соответствующих уровнях напряжения практически одинакова, из чего
Исследование процессов при неполнофазных режимах
Основной причиной возникновения феррорезонанса в ТН являются коммутации холостых ошиновок многоразрывными выключателями, в которых, для выравнивания напряжения по разрывам используются ёмкостные делители напряжения. Ошиновка и подключённые к ней ТН, после отключения остаются электрически связанными с источником ЭДС. Полное отключение наступает только после коммутации разъединителей. Повреждения ТН вследствие коммутаций холостых ошиновок чаще всего являются следствием ошибок эксплуатирующего персонала, так как в руководящих указаниях предусмотрены мероприятия по недопущению опасных коммутаций. Резонансный контур, образующийся после отключения, включает в себя ТН, суммарную ёмкость ошиновки, емкость подключённого к ней оборудования на землю и эквивалентную ёмкость делителей напряжения выключателей. В сетях 110 кВ выключатели, как правило, одноразрывные, однако подстанций, оснащённых выключателями старых типов (ВВБ-110 и ВВДМ-110), оснащенных ёмкостями, ещё достаточно много.
Другой весьма распространенной причиной феррорезонанса в ТН являются неполнофазные режимы. При этом отдельно следует выделить неполнофазный режим эксплуатации силового трансформатора (СТ) на подстанции, нейтраль которого разземлена. Эксплуатация СТ на подстанциях НО кВ допускается с целью уменьшения токов КЗ и улучшения условий работы выключателей. Однако для ТН, установленных на подстанции, такой способ эксплуатации СТ является очень опасным. Возникновение неполнофазного режима, например при отказе полюса выключателя при коммутации, или при обрыве шлейфа на опоре ВЛ, может в таких схемах приводить к феррорезонансу в ТН. Возникает, так называемое, явление смещения нейтрали силового трансформатора. При этом в ПЭЭП указывается, что любые коммутации в таких схемах, должны начинаться с заземления нейтрали СТ. Это может предотвратить повреждения ТН при отказах выключателя, но от обрыва шлейфа на опоре организационные мероприятия не спасают. В эксплуатации есть случаи повреждения ТН, вызванные некорректной работой релейной защиты, которая при возникновении неполнофазного режима отключала СТ с заземлённой нейтралью, оставляя в сети только СТ с изолированной нейтралью. ТН на шинах подстанции при этом повреждался из-за феррорезонанса.
При отключённых силовых трансформаторах обрыв шлейфа на опоре ВЛ может также привести к феррорезонансу в ТН за счёт наведенного напряжения с других, находящихся в работе, фаз. В этом случае резонансный контур образуется собственной ёмкостью оборванной фазы и ёмкостью между ней и другими фазами. Этот режим является маловероятным, однако полностью исключать его нельзя, так как, как показывает практика, релейная защита в неполнофазном режиме может действовать на отключение от шин силового трансформатора.
Отключение одной цепи двухцепной ВЛ может также привести к возникновению феррорезонанса в ТН на отключённой цепи, за счёт наведенного напряжения. Резонансный контур, в этом случае, образуется собственными ёмкостями отключённых фаз и ёмкостями между фазами рабочей цепи и отключённой. Соотношение этих ёмкостей, определяющая возможность возникновения феррорезонанса, зависит от типа (геометрии) опор ВЛ.
Явление феррорезонанса в сетях 110-500 кВ достаточно хорошо изучено [19-28, 34, 45]. Предложено большое количество мер по его предотвращению. Среди технических мер можно выделить следующие: Подключение дополнительной ёмкости (колонок конденсаторов) к шинам подстанции, для устранения резонансных условий; Включение высокоомных (600 кОм) активных сопротивлений последовательно с ТН; Включение высокоомных (400-600 кОм) активных сопротивлений параллельно ТН на время проведения коммутаций; Частичное заземление нейтралей силовых трансформаторов через высокоомные (2 кОм) активные сопротивления для предотвращения феррорезонанса в неполнофазном режиме; Применение различных релейных устройств, фиксирующих и подавляющих феррорезонанс.
Но наиболее эффективной мерой по-прежнему остаётся применение антирезонансных ТН. Эта мера устраняет саму причину феррорезонанса, кроющуюся в конструкции ТН. На классы напряжения 110-500 кВ выпускаются антирезонансные ТН только типа НАМИ, в которых для предотвращения феррорезонанса применяется конструкционная сталь в магнитопроводе. Конструкция и математические модели этих ТН были рассмотрены во втором разделе диссертации.
В настоящем разделе исследуется эффективность применения ТН типа НАМИ в качестве антирезонансных устройств в электрических сетях ВН.
