Возникновение феррорезонанса в сети 500 кВ

Электромагнитные трансформаторы напряжения (ТН) часто повреждаются из-за возникновения опасных феррорезонансных процессов. В сетях с глухозаземленной нейтралью (110-500 кВ) можно выделить две основные причины возникновения феррорезонанса: отключение холостых ошиновок многоразрывными выключателями, оснащенными емкостными делителями напряжения и неполнофазные режимы, не сопровождающиеся короткими замыканиями, например, обрыв шлейфа на опоре ВЛ или на подстанции, отказ полюса выключателя при коммутации. Повреждения ТН при неполнофазных режимах характерны прежде всего для сетей 110 кВ и связаны с разземлением нейтралей силовых трансформаторов.

В сетях 500 кВ основной причиной феррорезонанса в ТН являются коммутации холостых ошиновок.

Природа феррорезонансных явлений

Режим феррорезонанса возникает в контуре, содержащем источник ЭДС с емкостным внутренним сопротивлением и нелинейную индуктивность. Этот режим является квазистационарным (может продолжаться длительное время), причем резонансные колебания возникают как на основной частоте, так и на субгармониках 1/3 или 1/5 и могут даже носить хаотический характер. В режиме феррорезонанса ток в обмотке ВН ТН существенно возрастает, что приводит к ее перегреву и повреждению трансформатора.

Явление феррорезонанса достаточно хорошо изучено, и защита от него предусмотрена в виде различных организационных и технических мероприятий.

Большинство технических мер по борьбе с феррорезонансом предусматривает постоянное или временное увеличение активных потерь в резонансном контуре. Если эти потери превышают предельную мощность, которую может обеспечить источник ЭДС при определенном напряжении и емкостном сопротивлении, условия существования феррорезонанса нарушаются.

Одной из наиболее эффективных мер по предотвращению феррорезонанса является изменение конструкции самих ТН с целью придания им антирезонансных свойств. Антирезонансные ТН на класс напряжения 500 кВ типа НАМИ-500 выпускаются ОАО РТЗ «Энергия». В основу конструкции этих трансформаторов положен принцип увеличения активных потерь в резонансном контуре. Магнитопровод ТН частично выполняется из толстолистовой конструкционной стали.

Это обеспечивает значительное увеличение активных потерь (за счет вихревых токов) при больших индукциях в магнитопроводе, то есть при насыщении ТН.

Ниже представлены результаты исследований антирезонансных свойств ТН типа НАМИ-500, включая результаты компьютерного моделирования процессов в ТН при отключении холостых ошиновок и результаты испытаний серийных образцов ТН типов НКФ-500 и НАМИ-500, которые были выполнены в ИЦ ОАО «НИИВА» в синтетической схеме, моделирующей работу ТН на условиях феррорезонанса. Даны сравнительная характеристика антирезонансных свойств ТН указанных типов и проведено сопоставление результатов испытаний с результатами компьютерного моделирования.

Математические модели трансформаторов напряжения

При исследовании феррорезонансных процессов ключевую роль играют математические модели ТН. Трансформатор напряжения типа НКФ-500 не имеет конструкционной стали в магнитопроводе и может быть смоделирован при помощи простой схемы замещения, приведенной на рис.1, а. Основной характеристикой ТН в этом случае является его кривая намагничивания (вебер-амперная характеристика). Эта характеристика рассчитывалась на основании геометрии магнитопровода ТН типа НКФ-500 и приведена на рис.1, б. В схеме на рис.1, а: — потокосцепление ТН; i — ток намагничивания ТН; R1 — активное сопротивление обмотки ВН НКФ-500; R0 — активное сопротивление, моделирующее потери в стали ТН. В математической модели ТН типа НАМИ-500 необходимо учитывать, что в толстых листах конструкционной стали электромагнитное поле вытесняется на поверхность листов за счет вихревых токов (магнитный поверхностный эффект). Толщина пластин конструкционной стали — 6 мм. Для учета поверхностного эффекта лист разбивается на слои толщиной 0,5 мм (с учетом симметрии листа всего 6 слоев). Магнитный поток в каждом слое нелинейно связан с напряженностью поля на поверхности листа.

Расчеты этой зависимости, а также зависимости активных потерь в каждом слое от напряженности магнитного поля осуществляются путем численного решения уравнений Максвелла методом конечных элементов в пакете FEMLAB.

Зависимость средней индукции в слоях листа от напряженности магнитного поля на поверхности листа приведена на рис. 2, а. При составлении магнитной схемы замещения магнитопровода НАМИ лист конструкционной стали, с учетом разбиения на слои, представляет собой шесть параллельно включенных нелинейных магнитных сопротивлений.

Эти сопротивления в 12 раз меньше магнитных сопротивлений слоев, так как всего листов конструкционной стали в магнитопроводе шесть и каждый симметричен относительно середины (на слои разбито пол-листа).

Магнитная схема замещения ТН типа НАМИ-500 приведена на рис. 2, б. Электрическая схема замещения приведена на рис. 2, в. В схеме на рис. 2, б: F1 — МДС обмотки ВН ТН; n1 — число витков обмотки ВН; 1 — суммарное потокосцепление в магнитопроводе ТН; ЭС — потокосцепление в электротехнической стали; КС1КС6 — потокосцепления в слоях листа конструкционной стали; RЭС, RКС1-RКС6 — магнитные сопротивления потоку, соответственно, по электротехнической стали и по слоям листа конструкционной стали.

В схеме на рис. 2, в: nM — число последовательно соединенных магнитопроводов в каскаде НАМИ500; RЭС0, RКС01-RКС06 — активные сопротивления, моделирующие потери в электротехнической стали и в слоях листа конструкционной стали; R1, L1 — активное сопротивление и индуктивность рассеивания обмотки ВН ТН. Из зависимостей на рис. 2, а видно, что магнитное поле проникает вглубь листа конструкционной стали лишь на 1-1,5 мм.

Коммутации холостых ошиновок

Выключатели 500 кВ являются многоразрывными. У современных выключателей разрывов обычно два, причем как у воздушных, так и у элегазовых (в т.ч. зарубежных, например, фирмы ABB). Для равномерного распределения напряжения по разрывам параллельно им включаются специальные конденсаторы (делители напряжения). После отключения выключателя отключенный объект (система шин) остается связанным с источником напряжения через эквивалентную емкость делителей на разрывах.

Для полного отключения присоединения требуется коммутация разъединителя. Eмкость конденсаторов, шунтирующих разрывы выключателей, совместно с емкостью ошиновки и подключенного к ней оборудования на землю образуют феррорезонансный контур.

В сетях 110-220 кВ количество одновременно отключаемых выключателей при коммутации ошиновки может быть очень велико.

На ПС 500 кВ обычно присоединений значительно меньше, кроме того, ОРУ-500 обычно проектируются по схемам 3/2 или 4/3. Схема ОРУ-500, выполненная по схеме 3/2, приведена на рис. 3, а. Трансформатор напряжения установлен на секции СШ1. При отключении этой секции параллельно отключаются два выключателя 500 кВ. Eмкости делителей в выключателях 500 кВ изменяются в довольно широких пределах в зависимости от типа выключателя.

Наименьшие емкости у выключателей типа ВНВ — 330 пФ, наибольшая у выключателей типа ВВ — 550 пФ.

Таким образом, суммарная эквивалентная емкость делителей выключателей в схеме на рис. 3, а может составлять 660-1100 пФ. Суммарную емкость на землю можно оценить как емкость ТН (125 пФ), емкость всех разъединителей (2 x 200 пФ), выключателей (2 x 125 пФ) и ошиновки (10 пФ/м ~ 300пФ), то есть 1075 пФ. Расчетная схема для исследования процессов при отключении холостой ошиновки приведена на рис. 3, б. Результаты моделирования отключения холостой ошиновки в схеме с ТН типа НКФ-500 и НАМИ-500 приведены на рис. 4. и рис. 5, соответственно.

Eмкости делителей и ошиновки: C1 = 1100 пФ, C2 = 1075 пФ, напряжение источника 500/v–3 кВ, отключение выключателя происходит в момент максимума напряжения на ТН (0,1 c от начала расчета).

Из компьютерных осциллограмм видно, что в ТН типа НКФ в этом случае возникает устойчивый феррорезонанс, при этом действующий ток составляет 0,73 А. В этом режиме ТН быстро выйдет из строя.

 В эксплуатации известен случай повреждения ТН типа НКФ500 в 1973 г. на Костромской ГРЭС, причем соотношение емкостей ошиновки и выключателей было: 1,1/1,015 нФ. В ТН типа НАМИ также возникает устойчивый процесс, но на субгармонике 1/3 и со значительно меньшим действующим током. Возможность возникновения феррорезонанса в схеме на рис. 3, б (при отключении холостой ошиновки) зависит от двух основных факторов: напряжения источника и величины и соотношения емкостей делителей и ошиновки.

Путем проведения многочисленных расчетов при варьировании этих емкостей (напряжение равно номинальному) можно получить области существования феррорезонанса (области опасных параметров). Эти области для ТН НКФ-500 и НАМИ-500 приведены на рис. 6 (напряжение источника 525/v–3 кВ).

Из этого рисунка видно, что у НКФ при суммарной емкости делителей более 1 нФ (отключение двух и более выключателей) феррорезонанс на основной или субгармонике 1/3 возникает практически при любой емкости ошиновки. Феррорезонанс на основной гармонике сопровождается значительными перенапряжениями (до 3,0 Uф.макс). Коммутация холостой ошиновки с ТН типа НАМИ при определенном соотношении емкостей также приводит к возникновению режима феррорезонанса.

Характерной особенностью является то, что устойчивый процесс возникает только на субгармонике 1/3. Возникающие при этом токи сравнительно невелики, например, даже при больших величинах емкостей С1 = С2 = 4 нФ, IВН.ТН.эфф = 0,32 А.

Результаты экспериментальных исследований

Испытания ТН типов НКФ-500 и НАМИ-500 проводились в синтетической схеме, моделирующей условия натурных испытаний на подстанции при отключении секции шин с установленным на ней ТН многоразрывными выключателями. Принципиальная схема испытаний приведена на рис. 7.

В схеме на рис. 7:

• ИП — источник питания — каскад трансформаторов;
• В — выключатель ВГ-500;
• ДН1, ДН2 — емкостные делители напряжения;
• С1 — батарея конденсаторов ДМРУ-55-0,0033У1, моделирующая суммарную емкость конденсаторов, шунтирующих разрывы выключателей;
• С2 — батарея конденсаторов ДМК-190-3,3УХЛ1, моделирующая емкость ошиновки и подключенного к ней оборудования на землю;
• ИТН — испытуемый трансформатор напряжения;
• Ш — измерительный шунт;
• ЗШ1, ЗШ2 — защитные шары.

Испытания проводились при различных параметрах схемы — соотношениях емкостей С1/С2: 1210/1335, 2350/2855; 3440/4285 пФ в сочетании с варьированием фазы коммутации (отключения) выключателя. В процессе испытаний регистрировались следующие характеристики: im — максимальное значение (пик) тока в первичной обмотке ТН; I — действующее значение тока в первичной обмотке; uтр — максимальное значение (пик) напряжения на ТН.

Результаты испытаний в обобщенном виде представлены в таблице, где приводятся резонансные характеристики ТН, полученные в разных сериях опытов.

Указываются диапазоны значений характеристик, которые были получены при разных углах коммутации выключателя по отношению к максимуму напряжения на источнике от 0 до 80 град. Как следует из представленных данных, при испытании НКФ-500 наблюдался феррорезонанс на основной гармонике, а при испытании НАМИ-500 — феррорезонанс только на субгармонике 1/3.

При этом резонансные характеристики НКФ-500 и НАМИ-500 существенно отличались (отличие по току более чем на порядок). При испытании НКФ-500 наблюдалось существенное повышение напряжения на ТН по отношению к номинальному напряжению, и действующее значения тока в обмотке ТН значительно превышало допустимую величину. При испытании НАМИ-500 напряжение на ТН, напротив, незначительно отличалось от номинального напряжения, и действующее значение тока в обмотке ТН оставалось сравнительно небольшим.Характерные опытные осциллограммы процессов в НКФ-500 и НАМИ-500, полученные при отключении выключателя при соотношении емкостей 1210/1335 пФ приведены на рис. 8, 9. В опыте с НКФ (см. рис. “8”) происходило срабатывание защитных шаров ЗШ1 от повышения напряжения на источнике в момент времени 0,2 с. До этого момента наблюдался явный феррорезонанс на ТН.

Опытные осциллограммы хорошо согласуются с результатами компьютерного моделирования (см. рис. 4, 5), что свидетельствует об адекватности используемых математических моделей. Отличие опытных и расчетных данных не превышает при этом 5-7 %. Некоторое несоответствие результатов расчета с опытными данными было получено только во второй серии опытов, где устойчивый процесс феррорезонанса не наблюдался. Причиной этого могли послужить дополнительные неучтенные потери или же случайный дефект схемы испытаний.

Заключение

Применение трансформаторов напряжения типа НАМИ-500 является весьма эффективной мерой по предотвращению феррорезонанса в сетях 500 кВ. Как показывают результаты исследований, возникновение феррорезонанса в схемах с НАМИ-500 при отключении холостых ошиновок возможно только на субгармонике 1/3 (16,7 Гц) при относительно небольшом повышении напряжения на ТН в процессе феррорезонанса и токах в обмотке ТН, не превышающих 0,3 А.

С учетом возможности возникновения феррорезонанса на субгармонике 1/3 весьма важной характеристикой для применения НАМИ-500 могла бы быть зависимость допустимой величины действующего значения тока в первичной обмотке ТН в режиме феррорезонанса от длительности этого режима. Задача экспериментального определения или расчета этой характеристики должна быть следующим этапом исследования антирезонансных свойств ТН типа НАМИ-500.