Виникнення ферорезонансу в мережі 500 кв

Виникнення ферорезонансу в мережі 500 кв
Електромагнітні трансформатори напруги (ТН) часто пошкоджуються через виникнення небезпечних ферорезонансним процесів. У мережах з глухозаземленою нейтраллю (110-500 кВ) можна виділити дві основні причини виникнення ферорезонансу: відключення неодружених ошиновок многоразривнимі вимикачами, оснащеними ємнісними делителями напруги і неповнофазного режими, які не супроводжуються короткими замиканнями, наприклад, обрив шлейфу на опорі ПЛ або на підстанції, відмова полюса вимикача при комутації. Пошкодження ТН при неповнофазних режимах характерні насамперед для мереж 110 кВ і пов'язані з розземленою нейтралей силових трансформаторів. У мережах 500 кВ основною причиною ферорезонансу в ТН є комутації неодружених ошиновок.
Режим ферорезонансу виникає в контурі, що містить джерело ЕРС з ємнісним внутрішнім опором і нелінійну індуктивність. Цей режим є квазістаціонарним (може продовжуватися тривалий час), причому резонансні коливання виникають як на основній частоті, так і на субгармонік 1/3 або 1/5 і можуть навіть носити хаотичний характер. У режимі ферорезонансу струм в обмотці ВН ТН істотно зростає, що призводить до її перегріву і пошкодження трансформатора.

Явище ферорезонансу досить добре вивчено, і захист від нього передбачена у вигляді різних організаційних і технічних заходів [1]. Більшість технічних заходів по боротьбі з ферорезонансу передбачає постійне або тимчасове збільшення активних втрат в резонансному контурі. Якщо ці втрати перевищують граничну потужність, яку може забезпечити джерело ЕРС при певній напрузі і місткості опорі, умови існування ферорезонансу порушуються.

Виникнення ферорезонансу в мережі 500 кв
Однією з найбільш ефективних заходів щодо запобігання ферорезонансу є зміна конструкції самих ТН з метою надання їм антирезонансних властивостей. Антирезонансні ТН на клас напруги 500 кВ типу НАМИ-500 випускаються ВАТ РТЗ «Енергія». В основу конструкції цих трансформаторів покладено принцип збільшення активних втрат в резонансному контурі. Магнитопровод ТН частково виконується з товстолистовий конструкційної сталі. Це забезпечує значне збільшення активних втрат (за рахунок вихрових струмів) при великих індукціях в муздрамтеатрі, тобто при насиченні ТН. Нижче ви побачите результати досліджень антирезонансних властивостей ТН типу НАМИ-500, включаючи результати комп'ютерного моделювання процесів в ТН при відключенні неодружених ошиновок і результати випробувань серійних зразків ТН типів НКФ-500 і НАМИ-500, які були виконані в ІЦ ВАТ «НІІВіВ» в синтетичної схемою , що моделює роботу ТН на умовах ферорезонансу. Дано порівняльну характеристику антирезонансних властивостей ТН зазначених типів і проведено зіставлення результатів випробувань з результатами комп'ютерного моделювання.

Математичні моделі ТН.

Виникнення ферорезонансу в мережі 500 кв
При дослідженні ферорезонансним процесів ключову роль відіграють математичні моделі ТН. Трансформатор напруги типу НКФ-500 не має конструкційної сталі в муздрамтеатрі і може бути смод елірован за допомогою простої схеми заміщення [2], наведеної на рис.1, а. Основною характеристикою ТН в цьому випадку є його крива намагнічування (вебер-амперна характеристика). Ця характеристика розраховувалася на підставі геометрії муздрамтеатру ТН типу НКФ-500 [3] і наведена на рис.1, б. У схемі на рис.1, а: - потокосцепление ТН; i - струм намагнічування ТН; R1 - активний опір обмотки ВН НКФ-500; R0 - активний опір, моделює втрати в сталі ТН. У математичної моделі ТН типу НАМИ-500 необхідно враховувати, що в товстих листах конструкційної сталі електромагнітне поле витісняється на поверхню листів за рахунок вихрових струмів (магнітний поверхневий ефект). Товщина пластин конструкційної сталі - 6 мм. Для обліку поверхневого ефекту лист розбивається на шари товщиною 0,5 мм (з урахуванням симетрії листа всього 6 шарів). Магнітний потік в кожному шарі нелінійно пов'язаний з напруженістю поля на поверхні листа.

Розрахунки цієї залежності, а також залежно активних втрат в кожному шарі від напруженості магнітного поля здійснюються шляхом чисельного рішення рівнянь Максвелла методом кінцевих елементів в пакеті FEMLAB. Залежність середньої індукції в шарах листа від напруженості магнітного поля на поверхні листа наведена на рис. 2, а. При складанні магнітної схеми заміщення муздрамтеатру НАМИ лист конструкційної сталі, з урахуванням розбивки на шари, являє собою шість паралельно включених нелінійних магнітних опорів. Ці опору в 12 разів менше магнітних опорів шарів, так як за все листів конструкційної сталі в муздрамтеатрі шість і кожен симетричний щодо середини (на шари розбите пів-аркуша). Магнітна схема заміщення ТН типу НАМИ-500 приведена на рис. 2, б. Електрична схема заміщення приведена на рис. 2, ст. У схемі на рис. 2, б: F1 - МДС обмотки ВН ТН; n1 - число витків обмотки ВН; 1 - сумарне потокосцепление в муздрамтеатрі ТН; ЕС - потокосцепление в електротехнічної сталі; КС1КС6 - потокозчеплення в шарах листа конструкційної сталі; RЕС, RКС1-RКС6 - магнітні опору потоку, відповідно, по електротехнічної сталі і по верствам листа конструкційної сталі.
У схемі на рис. 2, в: nM - число послідовно з'єднаних магнитопроводов в каскаді НАМІ500; RЕС0, RКС01-RКС06 - активні опори, що моделюють втрати в електротехнічної сталі і в шарах листа конструкційної сталі; R1, L1 - активний опір і індуктивність розсіювання обмотки ВН ТН. З залежностей на рис. 2, а видно, що магнітне поле проникає вглиб аркуша конструкційної сталі лише на 1-1,5 мм.

Комутації неодружених ошиновок.
Вимикачі 500 кВ є многоразривнимі. У сучасних вимикачів розривів зазвичай два, причому як у повітряних, так і у елегазових (в т.ч. зарубіжних, наприклад, фірми ABB). Для рівномірного розподілу напруги по розривах паралельно їм включаються спеціальні конденсатори (подільники напруги). Після відключення вимикача відключений об'єкт (система шин) залишається пов'язаним з джерелом напруги через еквівалентну ємність подільників на розривах.
Для повного відключення приєднання потрібно комутація роз'єднувача. Eмкость конденсаторів, шунтуючих розриви вимикачів, спільно з ємністю ошиновки і підключеного до неї обладнання на землю утворюють ферорезонансний контур .У мережах 110-220 кВ кількість одночасно відключаються вимикачів при комутації ошиновки може бути дуже велике. На ПС 500 кВ зазвичай приєднань значно менше, крім того, ОРУ-500 зазвичай проектуються за схемами 3/2 або 4/3. Схема ОРУ-500, виконана за схемою 3/2, наведена на рис. 3, а. Трансформатор напруги встановлений на секції СШ1. При відключенні цієї секції паралельно відключаються два вимикача 500 кВ. Eмкость подільників в вимикачах 500 кВ змінюються в досить широких межах залежно від типу вимикача. Найменші ємності у вимикачів типу ВНВ - 330 пФ, найбільша у вимикачів типу ВВ - 550 пФ. Таким чином, сумарна еквівалентна ємність подільників вимикачів в схемі на рис. 3, а може становити 660-1100 пФ. Сумарну ємність на землю можна оцінити як ємність ТН (125 пФ), ємність всіх роз'єднувачів (2 x 200 пФ), вимикачів (2 x 125 пФ) і ошиновки (10 пФ / м

300пФ), тобто +1075 пФ. Розрахункова схема для дослідження процесів при відключенні холостий ошиновки приведена на рис. 3, б. Результати моделювання відключення холостий ошиновки в схемі з ТН типу НКФ-500 і НАМИ-500 наведені на рис. 4. і рис. 5, відповідно.
Eмкость дільників і ошиновки: C1 = 1100 пФ, C2 = одна тисяча сімдесят п'ять пФ, напруга джерела 500 / v-3 кВ, відключення вимикача відбувається в момент максимуму напруги на ТН (0,1 c від початку розрахунку). З комп'ютерних осцилограм видно, що в ТН типу НКФ в цьому випадку виникає стійкий ферорезонансу, при цьому діючий струм складає 0,73 А. У цьому режимі ТН швидко вийде з ладу. В експлуатації відомий випадок пошкодження ТН типу НКФ500 в 1973 р на Костромській ГРЕС, причому співвідношення ємностей ошиновки і вимикачів було: 1,1 / 1,015 нФ. У ТН типу НАМИ також виникає стійкий процес, але на субгармонік 1/3 і зі значно меншим чинним струмом. Можливість виникнення ферорезонансу в схемі на рис. 3, б (при відключенні холостий ошиновки) залежить від двох основних чинників: напруги джерела і величини і співвідношення ємностей дільників і ошиновки.
Шляхом проведення численних розрахунків при варіюванні цих ємностей (напруга дорівнює номінальній) можна отримати області існування ферорезонансу (області небезпечних параметрів). Ці області для ТН НКФ-500 і НАМІ500 наведені на рис. 6 (напруга джерела 525 / v-3 кВ) .З цього малюнка видно, що у НКФ при сумарній місткості подільників більше 1 нФ (відключення двох і більше вимикачів) ферорезонансу на основний або субгармонік 1/3 виникає практично при будь-якої ємності ошиновки. Ферорезонансу на основній гармоніці супроводжується значними перенапруженнями (до 3,0 Uф.макс). Комутація холостий ошиновки з ТН типу НАМИ при певному співвідношенні ємностей також призводить до виникнення режиму ферорезонансу. Характерною особливістю є те, що стійкий процес виникає тільки на субгармонік 1/3. Виникаючі при цьому струми порівняно невеликі, наприклад, навіть при великих величинах ємностей С1 = С2 = 4 нФ, IВН.ТН.ефф = 0,32 А.

Результати експериментальних досліджень.
Випробування ТН типів НКФ-500 і НАМИ-500 проводилися в синтетичної схемою, що моделює умови натурних випробувань на підстанції при відключенні секції шин з встановленим на ній ТН многоразривнимі вимикачами. Принципова схема випробувань наведена на рис. 7.
У схемі на рис. 7: ІП - джерело живлення - каскад трансформаторів; В - вимикач ВГ-500; ДН1, ДН2 - ємнісні подільники напруги; С1 - батарея конденсаторів ДМРУ-55-0,0033У1, що моделює сумарну ємність конденсаторів, шунтуючих розриви вимикачів; С2 - батарея конденсаторів ДМК-190-3,3УХЛ1, що моделює ємність ошиновки і підключеного до неї обладнання на землю; ІТН - випробуваний трансформатор напруги; Ш - вимірювальний шунт; ЗШ1, ЗШ2 - захисні кулі. Випробування проводилися при різних параметрах схеми - співвідношеннях ємностей С1 / С2: 1210/1335, 2350/2855; 3440/4285 пФ в поєднанні з варіюванням фази комутації (відключення) вимикача. В процесі випробувань реєструвалися наступні характеристики: im - максимальне значення (пік) струму в первинній обмотці ТН; I - діюче значення струму в первинній обмотці; uтр - максимальне значення (пік) напруги на ТН. Результати випробувань в узагальненому вигляді представлені в таблиці, де наводяться резонансні характеристики ТН, отримані в різних серіях дослідів. Вказуються діапазони значень характеристик, які були отримані при різних кутах комутації вимикача по відношенню до максимуму напруги на джерелі від 0 до 80 град. Як випливає з представлених даних, при випробуванні НКФ-500 спостерігався ферорезонансу на основній гармоніці, а при випробуванні НАМИ-500 - ферорезонансу тільки на субгармонік 1/3.
При цьому резонансні характеристики НКФ-500 і НАМИ-500 істотно відрізнялися (відмінність по току більш ніж на порядок). При випробуванні НКФ-500 спостерігалося істотне підвищення напруги на ТН по відношенню до номінальної напруги, і чинне значення струму в обмотці ТН значно перевищувало допустиму величину. При випробуванні НАМИ-500 напруга на ТН, навпаки, незначно відрізнялося від номінальної напруги, і діюче значення струму в обмотці ТН залишалося порівняно небольшім.Характерние досвідчені осцилограми процесів в НКФ-500 і НАМИ-500, отримані при відключенні вимикача при співвідношенні ємностей 1210 / 1 335 пФ наведені на рис. 8, 9. Під час експерименту з НКФ (див. Рис. 8) відбувалося спрацьовування захисних куль ЗШ1 від підвищення напруги на джерелі в момент часу 0,2 с. До цього моменту спостерігався явний ферорезонансу на ТН.
Досвідчені осцилограми добре узгоджуються з результатами комп'ютерного моделювання (див. Рис. 4, 5), що свідчить про адекватність використовуваних математичних моделей. Відмінність досвідчених і розрахункових даних не перевищує при цьому 5-7%. Деяка невідповідність результатів розрахунку з дослідними даними було отримано тільки в другій серії дослідів, де стійкий процес ферорезонансу не спостерігається. Причиною цього могли послужити додаткові невраховані втрати або ж випадковий дефект схеми випробувань.

Висновок.
Застосування трансформаторів напруги типу НАМИ-500 є досить ефективним заходом щодо запобігання ферорезонансу в мережах 500 кВ. Як показують результати досліджень, виникнення ферорезонансу в схемах з НАМИ-500 при відключенні неодружених ошиновок можливо тільки на субгармонік 1/3 (16,7 Гц) при відносно невеликому підвищенні напруги на ТН в процесі ферорезонансу і токах в обмотці ТН, що не перевищують 0, 3 А.
З урахуванням можливості виникнення ферорезонансу на субгармонік 1/3 вельми важливою характеристикою для застосування НАМИ-500 могла б бути залежність допустимої величини діючого значення струму в первинній обмотці ТН в режимі ферорезонансу від тривалості цього режиму. Завдання експериментального визначення або розрахунку цієї характеристики повинна бути наступним етапом дослідження антирезонансних властивостей ТН типу НАМИ-500.


Рекомендуйте цю статтю іншим!