Исследование высокочастотных перенапряжений в измерительных трансформаторах тока

Надежность работы электрических сетей определяется различными факторами, причем одним из важнейших является безаварийная работа изоляции высоковольтных устройств. Выбор изоляции осуществляется на основе анализа воздействий, которым подвергаются эти устройства в процессе эксплуатации. Важнейшие из них:

1. Электрические воздействия (длительно воздействующее рабочее напряжение при нормальных эксплуатационных условиях, внутренние перенапряжения, грозовые перенапряжения).

2. Тепловые воздействия (длительный нагрев в рабочем режиме, перегревы в аварийных и форсированных режимах).

3. Механические воздействия (длительные статические и переменные нагрузки в рабочем режимах, вибрации, ударные механические нагрузки в аварийных и форсированных режимах).

4. Загрязнение окружающей среды, в частности увлажнение электрической изоляции.

Основным фактором из электрических воздействий для выбора электрической изоляции высоковольтных устройств является длительное рабочее напряжение. Допустимый уровень перенапряжений не должен превышать уровень изоляции, который выбран согласно уровню максимально допустимого рабочего напряжения. Поэтому проблема надежной защиты высоковольтной изоляции от перенапряжений, несмотря на достигнутый в этой области прогресс, не теряет своей остроты.

В разработке теории перенапряжений и защиты от них фундаментальные результаты получены в работах советских и российских ученых: Л. Ф. Дмоховской, А. И. Долгинова, К. П. Кадомской, М. В. Костенко, В. П. Ларионова, М. Л. Левинштейна, Д. В. Разевига, Л. И. Сиротинского и многих других.

Характеристики перенапряжений являются предметом тщательного изучения прежде всего потому, что они определяют значение электрической прочности изоляции, необходимое для достижения длительной эксплуатационной надежности электрической сети. Результаты технико — экономического анализа позволяют утверждать, что невозможно создать изоляцию, способную выдержать все без исключения случаи воздействия перенапряжений. Практика показывает, что оптимальные технико — экономические показатели достигаются при допущении некоторого риска отказа изоляционной конструкции при перенапряжениях с наибольшей кратностью, которые возникают редко. Аналогичный подход реализуется и при выборе средств защиты от перенапряжений.

Проблема ограничения перенапряжений впервые была поставлена еще в 20 -30-е годы. К тому же времени относятся и первые попытки разработки методов расчета и устройств защиты от перенапряжений. Примерно в те же годы была выделена группа перенапряжений, получившая название «высокочастотные перенапряжения». К ним принято относить колебания напряжения с частотой от единиц до тысяч килогерц.

В 50 — е годы была в основном завершена работа по выявлению физических процессов возникновения перенапряжений и методов расчета формы и параметров импульсов перенапряжений различной природы. Это позволило осуществлять выбор уровня изоляции электрооборудования. Однако при реализации этого подхода выяснилось, что понимания физики развития перенапряжений и умения рассчитать их параметры при заданных условиях в сети недостаточно. Главным препятствием оказалось многообразие схем и параметров сети, при которых могут возникать перенапряжения. Практически любой вид перенапряжений может изменять свои параметры в широких пределах за счет случайной вариации структуры сети, мощности источников питания, характера нагрузки, погодных условий и т. д. Предсказать как вся эта совокупность случайных факторов будет влиять на статистическое распределение основных количественных характеристик перенапряжений в заданной точке сети оказывается невозможно даже с привлечением современной вычислительной техники.

Функциональная технологическая необходимость изменения схемы электрической сети и возникновение аварийных режимов влекут за собой срабатывание силовых коммутационных аппаратов — выключателей и разъединителей. Эти аппараты (в основном выключатели) осуществляют как рабочие коммутации (включение и отключение), так и аварийные (например, отключение коротких замыканий). В любом случае коммутации сопровождаются переходными процессами, вызывающими повышенные воздействующие на изоляцию напряжения. Величина и форма воздействующих коммутационных перенапряжений определяются как параметрами сети, так и характеристиками выключателей.

Определение характеристик коммутационных перенапряжений включает в себя анализ колебательных свойств сети вообще и ее отдельных участков и анализ процессов в коммутационных аппаратах. При этом необходимо рассматривать работу выключателя как в отдельном цикле включения или отключения, так и в ряде случаев в режиме чередующихся обрывов тока и пробоев (зажиганий) между контактами выключателя.

Интенсивность переходного процесса, или цикла переходных процессов, при коммутации выключателем в электрической сети определяется взаимосвязью переходных процессов, обусловленных колебательными свойствами сети, и начальными условиями, задаваемыми коммутационным аппаратом — с одной стороны, и процессами в выключателе — с другой. Соотношение между переходным восстанавливающимся напряжением (ПВН) и восстанавливающейся электрической прочностью межконтактного промежутка определяет последующее развитие коммутационного процесса. Именно процессы в выключателе при коммутациях в цепи могут быть причиной эскалации переходных процессов с соответствующими изменениями начальных условий и состояний системы. Во многих случаях это может привести к нарастанию переходных напряжений не только между контактами выключателя, но и в дальних точках сети, в том числе и до уровней опасных для изоляции.

Однако, наряду с достигнутым прогрессом в области численных методов расчета переходных процессов и защиты от перенапряжений, осталась недостаточно изученной область высокочастотных процессов. Это было связано с отсутствием необходимых численных методов для расчета такого рода перенапряжений.

В данной диссертации разработан численный метод расчета высокочастотных переходных процессов, который позволил уточнить причины отказа измерительных трансформаторов тока и разработать рекомендации по ограничению опасных высокочастотных перенапряжений.

В первой главе приведен обзор видов высокочастотных перенапряжений, существующих методов их расчета и способов ограничения.

Вторая глава посвящена анализу численного метода, позволяющего рассчитывать высокочастотные переходные процессы в неоднородных цепных схемах. Приводится численная схема расчета переходного процесса в обмотках трансформатора.

В третьей главе проведен анализ переходных процессов, приводящих к возникновению высокочастотных перенапряжений в обмотках измерительных трансформаторов тока многослойной конструкции, проанализированы амплитуды перенапряжений во вторичных обмотках и даны рекомендации по ограничению этих воздействий.

Четвертая глава посвящена рассмотрению переходных процессов в обмотках каскадных трансформаторов тока, проведен анализ воздействующих перенапряжений и предложена схема защиты.

Практической значимостью работы являются:

— создание пакета прикладных программ для расчета высокочастотных переходных процессов в электрических сетях и разработка методики численного расчета, которая может широко применяться для расчета высокочастотных переходных процессов в цепях с распределенными параметрами, обеспечивая необходимую инженерную точность при длительных расчетах;

— расчеты переходных процессов при коммутации вакуумным выключателем, при импульсном подъеме потенциала контура заземления подстанции, при неудаленных коротких замыканиях, позволяющие дать практические рекомендации по защите от высокочастотных перенапряжений и по внесению изменений в конструктивные параметры оборудования;

— результаты исследования перенапряжений в ТТ, подтвердившие необходимость разработки новых требований к испытаниям изоляции этих видов оборудования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— предложен устойчивый численный метод расчета высокочастотных переходных процессов в неоднородных цепных схемах, характерных для сетей, в которых возникают высокочастотные колебания;

— разработан пакет программ для расчета высокочастотных переходных процессов в неоднородных длинных линиях и обмотках трансформаторов;

— выявлены формы и амплитуды перенапряжений, возникающих при коммутациях вакуумным выключателем в сети собственных нужд электростанции, перенапряжений в обмотках ТТвыработаны рекомендации по защите ТТ от высокочастотных перенапряжений.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Литвинов А.Л., Тивиков В. А. Перенапряжения при повторных зажиганиях в вакуумном выключателе. // Межреспубликанская студенческая научно-техническая конференция «Проблемы экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов»: Тез. докл. — Новосибирск, 1990.

2.Базуткин В. В., Литвинов А. Л., Лин Цивень. К вопросу об ограничении перенапряжений, вызванных коммутациями вакуумных выключателей в сетях собственных нужд электростанций (на английском языке) / 9-ая международная конференция по электрическим системам, С Петербург, 4−7 июля 1994, с.636−647.

3.Базуткин В. В., Литвинов А. Л. Импульсные перенапряжения на подстанциях в цепях напряжением до 1000 В.// Вестник МЭИ. № 2, 1996, с.81−84.

4.Базуткин В. В., Литвинов А. Л., Лю Мингуан. Токи через ограничители перенапряжений при их параллельном включении. //Электрические станции. № 6, 1996, с.37−40.

5.Базуткин В. В., Коробков Н. М., Литвинов А. Л. Появление импульсных потенциалов во вторичных цепях при срабатывании вентильного разрядника./ Научно-практическая конференция ОЭС Сибири: современное состояние и перспективы развития. Новосибирск 23−24 мая 1996 г, с. 174−184.

6.Базуткин В. В., Литвинов А. Л. Метод расчета переходных процессов в неоднородных длинных линиях и обмотках трансформаторов. //Электричество. № 11, 1996, с.10−19.

7.Bazutkin V.V., Litvinov A.L., Liu Mingguang. Influence of Lightning Arrester Acting on Secondary Circuit in Substation. //Sichuan Electric Power Technology. 1996, vol.19, № 5, p.5−7.

4.5. Выводы.

1. При появлении импульсов с высокой крутизной можно ожидать импульсных пробоев изоляции вторичных обмоток ТТ, что подтверждается протоколами разборки трансформаторов, проведенными на ЗВА. Комиссия по определению причин выхода из строя ТТ неоднократно отмечала наличие следов обгара и оплавления во вторичной обмотке, а в трансформаторе типа ТФРМ — смещение и деформацию изоляции и нулевой обкладки, причем эти факты никак не связаны с ухудшением характеристик масляной изоляции обмотки.

2. Все типы существующих каскадных ТТ нуждаются в усилении изоляции промежуточной ступени или в ее защите с помощью ЯС — цепочки или ОПН. ч.

Параметры 11С — цепочки, шунтирующей выводы промежуточной ступени ТТ, должны выбираться из условия отсутствия влияния на трансформацию тока промышленной частоты и сильного демпфирования волновых токов. Однако, исходя из таких требований к защите, применение цепочки не всегда возможно. Поэтому представляется более целесообразным использование ОПН. Однако, как и для трансформаторов 35 кВ, защитный аппарат будет ограничивать перенапряжения только по концам обмотки и предохранять от повреждения цепи релейной защиты.

3. Показаны два основных источника возникновения импульсных перенапряжений в ТТ: волновые токи и набегание импульсов напряжения с крутым фронтом. Проанализированы некоторые случаи их возникновения, а также влияние основных параметров на амплитуду перенапряжений, воздействующих на обмотки ТТ. Сделан вывод о превышении амплитуд перенапряжений, появляющихся на промежуточной ступени трансформатора, электрической прочности изоляции промежуточной ступени, составляющей по данным завода — изготовителя 25 кВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проведенных экспериментальных и расчетных исследований можно сделать следующие выводы:

1.Разработан численный метод расчета высокочастотных переходных процессов в неоднородных цепях с распределенными параметрами на основе операторного исчисления, обеспечивающий устойчивость расчета при шаге счета по времени, не зависящем от частоты колебаний высокочастотного контура, и достаточную инженерную точность конечных результатов при длительном расчетном времени.

2.На базе разработанного численного метода создан пакет прикладных программ, позволяющих решать инженерные задачи, связанные с анализом перенапряжений и выбором параметров защитных средств от перенапряжений в электрических сетях и обмотках электрических машин при различных формах воздействия на них.

3.В результате обобщения многочисленных экспериментальных и расчетных данных:

— выявлена возможность импульсного подъема потенциала контура заземления подстанции до значений, превышающих 10−15 кВ, при набегании на подстанцию с В Л импульсов грозовых перенапряжений и срабатывании РВ;

— определена реакция вторичных обмоток трансформаторов тока различных конструкций на воздействие импульсного подъема потенциала контура заземления подстанции, показано, что однослойная конструкция обмотки является наиболее чувствительной к перенапряжениям;

— отмечено, что возникающие в обмотке перенапряжения могут приводить к межслоевому пробою во вторичной обмотке с соответствующим изменением коэффициента трансформации и с возможностью повторного пробоя изоляции между другой парой слоев обмотки;

— даны рекомендации по установке ОПН-0,4 кВ для ограничения высокочастотных перенапряжений во вторичных обмотках трансформаторов тока 35 кВ и защиты цепей релейной защиты;

— проанализированы случаи возникновения импульсных перенапряжений в каскадных ТТ, а также влияние основных параметров на амплитуду перенапряжений, сделан вывод о превышении амплитуд перенапряжений, появляющихся на промежуточной ступени трансформатора, электрической прочности изоляции промежуточной ступени, составляющей по данным заводаизготовителя 25 кВ;

— для защиты обмоток каскадных трансформаторов тока предлагается усиление изоляции вторичных обмоток обеих ступеней, а также установка защитных средств (демпфирующего сопротивления или ОПН) на промежуточной ступени ТТ;

— установка ОПН, шунтирующего выводы вторичной обмотки, не защищает ее полностью, но существенно ограничивает перенапряжения в низковольтных цепях подстанции.