Исследование эффективности антирезонансных трансформаторов напряжения типа НАМИ в электрических сетях высокого и среднего напряжений

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 110 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 2005 г.

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, 3HOJI), 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 635 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 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].

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 110 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 110 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];

• 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 BJ1 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 110 кВ силовых трансформаторов с изолированной нейтралью может приводить к возникновению феррорезонанса даже при выполнении требований Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭ).

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 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.

Основные выводы, относящиеся к существу рассмотренных вопросов, можно сформулировать следующим образом:

• Применение дополнительного сопротивления 25 Ом, включаемого в рассечку дополнительной обмотки ТН 6−35 кВ традиционного исполнения, соединённой в открытый треугольник, не позволяет в ряде схем избежать возникновения феррорезонанса при ОДЗ и при отключении 033.

• При ОДЗ и отключении 033 в сети с изолированной нейтралью, в контуре нулевой последовательности сети с ТН типа НАМИ возникает затухающий колебательный процесс. Устойчивого феррорезонанса при этом не возникает. Компенсационная обмотка НАМИ шунтирует ветвь намагничивания нулевой последовательности ТН и контур нулевой последовательности представляет собой обычный RLC — контур. При этом изменение ёмкости сети в широких пределах приводит лишь к изменению частоты затухающих колебаний в контуре нулевой последовательности.

• ТН типа НАМИ в сетях 6−35 кВ весьма стоек к перемежающимся дуговым замыканиям, при моделировании весьма интенсивных (с интервалом 0.2 с) перемежающихся дуговых замыканий токи в обмотке ТН типа НАМИ-6 не превысили допустимой величины 0.3 А.

В сетях 6−35 кВ с малой суммарной ёмкостью (десятки нанофарад) на землю в ТН может возникать явление «ложной земли», т. е. появления напряжения на дополнительной обмотке, служащей для измерения напряжения нулевой последовательности, при отсутствии 033. ТН типа НАМИ также подвержен этому явлению, в этих ТН напряжение появляется на вторичной обмотке ТНП. При одновременной эксплуатации в сети 6−35 кВ ТН традиционного исполнения и ТН типа НАМИ, лишь последние обладают антирезонансными свойствами. Возмущение в виде ОДЗ или отключения однофазного замыкания на землю в таких сетях может привести к возникновению феррорезонанса в традиционных ТН. Таким образом, установка в сети как ТН традиционного исполнения, так и ТН типа НАМИ, не позволяет избежать возникновения феррорезонансных процессов в ТН традиционного исполнения. Из опытных осциллограмм было установлено, что активные потери в ТН типа НАМИ-500 при номинальном напряжении всего на 40% больше активных потерь в ТН типа НКФ-500. Следовательно, в нормальных режимах работы ТН наличие конструкционной стали в магнитопроводе на метрологических функциях ТН практически не сказывается.

При отключении холостых ошиновок многоразрывными выключателями, оснащёнными выравнивающими ёмкостями, в ТН типа НКФ возникает феррорезонанс. Полученные области существования феррорезонанса в этих ТН охватывают практически весь диапазон изменения ёмкостей ошиновки и делителей выключателя, при этом возникающий режим феррорезонанса имеет частоту 50Гц и значительные (до нескольких ампер) токи в обмотке внтн.

При отключении холостой ошиновки феррорезонанс может возникнуть и в ТН типа НАМИ. Было установлено, что в НАМИ 110 500 кВ может иметь место только феррорезонанс на 1/3 субгармонике, со значительно меньшими, чем в НКФ, кратностями токов (в 4−6 раз) и практически не сопровождающийся перенапряжениями;

Область существования феррорезонанса при коммутациях холостых ошиновок у ТН типа НАМИ значительно меньше, чем у ТН типа НКФ. При этом, если в режиме феррорезонанса ток не превышает 0.1 А, то ТН может эксплуатироваться в этом режиме сколь угодно долго, что также расширяет безопасную область параметров для ТН типа НАМИ. Феррорезонанс, в основном, возникает при величине эквивалентной ЭДС на отключённой ошиновке, близкой к 0.5- Увеличение количества параллельно включённых ТН типа НАМИ приводит к увеличению области существования феррорезонанса в этих ТН при коммутации холостых ошиновок, т. е. их эффективность в качестве антирезонансных устройств снижаетсяПри параллельной работе ТН типа НКФ и ТН типа НАМИ, антирезонансные свойства последнего существенно снижаются. При этом в ТН типа НАМИ может возникать феррорезонанс на частоте 50Гц;

При эксплуатации силового трансформатора с изолированной нейтралью, неполнофазный режим при обрыве фазы или отказе полюса выключателя при коммутации, приводят к феррорезонансу в ТН типа НКФ на отключённой фазе (явление «смещения нейтрали» силового трансформатора), при этом могут возникать значительные перенапряжения (3−4£/фтах, а токи в обмотке ВН ТН могут достигать единиц ампер;

Исследование эксплуатации ТН типа НАМИ в режиме смещения нейтрали силового трансформатора, показало, что этот ТН не эффективен для предотвращения феррорезонанса в этом режиме. Характеристика намагничивания ТН типа НАМИ в этом случае фактически определяется электротехнической сталью, а потери в листах конструкционной стали не оказывают на процессы существенного влияния. Поэтому при разземлении нейтралей силовых трансформаторов 110 и 220 кВ феррорезонансные условия возникают при оснащении сети как ТН типа НКФ, так и ТН типа НАМИ.

Выполнение требований ПТЭ, согласно которым любые коммутации в сети 110 кВ должны начинаться с заземления нейтрали силового трансформатора, не позволяет предотвратить повреждения ТН в неполнофазном режиме при обрыве шлейфа на опоре BJIК возникновению режима «смещения нейтрали» силового трансформатора может приводить неправильная работа релейной защиты, которая не фиксирует неполнофазный режим и подает сигнал на отключение от сети силовых трансформаторов с заземлённой нейтралью по факту превышения током в нейтрали величины уставки РЗ;

Возникновение неполнофазного режима из-за обрыва шлейфа на опоре BJ1 в схеме с холостой BJ1 110 кВ и ТН может привести к возникновению феррорезонанса в ТН типа НКФ на повреждённой фазе за счёт наведенного напряжения. Применение ТН типа НАМИ позволяет предотвратить этот феррорезонансОтключение одной цепи двухцепной BJI может привести к возникновению феррорезонанса в ТН на отключённой цепи за счёт наведенного с других фаз напряжения. Феррорезонанс возникает только на BJI, выполненных на опорах таких типов, которые обеспечивают большую наведенную ЭДС. Применение ТН типа НАМИ позволяет предотвратить феррорезонанс в ТН на отключённой цепи двухцепной BJI.

Сформулированные выше выводы позволяют выдвинуть комплекс рекомендательных мер для проектировщиков и эксплуатирующего персонала. Рекомендации проектировщикам:

• Необходимо учитывать, что ТН типа НАМИ в сетях 6−35 кВ при параллельной эксплуатации с ТН традиционного исполнения (НТМИ, ЗНОМ, 3HOJI) не обеспечивают им антирезонансных свойств.

• Применение ТН типа НАМИ в сетях 110−500 кВ требует проведения предварительных расчётов с целью определения возможности возникновения феррорезонанса на субгармонике 1/3, при которой необходимо предусматривать дополнительные меры по предотвращению феррорезонанса.

• При реконструкции подстанций ВН необходимо сразу все ТН типа НКФ менять на ТН типа НАМИ, так как параллельная работа этих ТН негативно сказывается на анирезонансных свойствах НАМИ.

• На ПС, на которых предполагается разземлять нейтраль силовых трансформаторов для ограничения токов КЗ, нельзя применять ТН типа НАМИ в качестве единственной меры по предотвращению феррорезонанса.

• При проектировании релейной защиты в схемах с промежуточной ПС, на которой силовые трансформаторы эксплуатируются с изолированной нейтралью, необходимо, чтобы устройства РЗ определяли факт неполнофазного режима и отключали повреждённую BJI.

Рекомендации эксплуатирующему персоналу:

• При поиске однофазного замыкания на землю необходимо учитывать, что в ТН типа НАМИ 6−35 кВ при малой ёмкости сети может иметь место явление «ложной земли».

• Избегать разземления нейтрали силовых трансформаторов, либо предусматривать дополнительные технические мероприятия для предотвращения феррорезонанса в неполнофазном режиме.

• При включении секций шин на параллельную работу, по возможности избегать увеличения количества параллельно работающих ТН типа НАМИ.

• Выполнять требования «Методических указаний по предотвращению феррорезонанса в РУ 110−500 кВ» (МУ 34.76−16 387) в том числе и на ПС, оснащённых только ТН типа НАМИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По работе могут быть сделаны выводы как методического характера, так и по существу рассмотренных вопросов.

К основным методическим выводам можно отнести следующие:

• Для достаточно точного расчёта характеристики намагничивания ТН следует учитывать магнитные сопротивления стержней и ярм, а также магнитные сопротивления стыков магнитопровода.

• Предложенные в работе аппроксимации зависимостей В{Н) и В) особенно эффективны для стали ЭЗЗОА, характеризующейся высокой степенью нелинейности характеристики намагничивания.

• Предложена аппроксимация зависимости магнитного сопротивления стыков магнитопровода ТН от индукции.

• Характеристика намагничивания трансформатора напряжения нулевой последовательности ТН типа НАМИ для сетей 6−35 кВ практически линейна, что позволяет моделировать её постоянными значениями индуктивности и активного сопротивления. Эти параметры для антирезонансных ТН НАМИ-6 и НАМИ-10 были определены экспериментально.

• Характеристика намагничивания ТН типа НКФ хорошо аппроксимируется функцией двух арктангенсов с линейными членами. В работе определены коэффициенты аппроксимации характеристик намагничивания ТН типов НКФ-110, НКФ-220, НКФ-330 и НКФ-500.

• Разработанная математическая модель ТН типа НАМИ для сетей 110−500 кВ, основанная на численном решении уравнения Гельмгольца методом конечных элементов, позволяет учитывать промагничивание листов конструкционной стали в их магнитопроводах.

• При проведении экспериментов с ТН 110 кВ и ТН 500 кВ были определены характеристики намагничивания нижнего каскада ТН типа НКФ-220 и ТН типа НКФ-500, активные сопротивления их обмоток ВН, активные сопротивления, моделирующие потери в их магнитопроводах, а также активные сопротивления обмоток ТН типа НАМИ.