CC BY
71
Бурцев Антон Владимирович,
Младший научный сотрудник лаборатории высоковольтной энергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН,
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: tonyburt@rambler.ru
Фастий Галина Прохоровна,
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера Учреждения Российской академии наук Кольского научного центра РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл.почта: fastiy@ien.kolasc. net. ru
Смирнов Андрей Анатольевич,
ведущий инженер отдел буро-взрывных работ Управления АО «Апатит»,
Россия, 184250, Мурманская область, г.Кировск, ул.Ленинградская, д.1 Эл. почта: smirnov1104@yandex.ru
УДК 621.311
Б. В. Ефимов, Ю. М. Невретдинов, А. В. Бурцев, Г. П. Фастий, А. А. Смирнов
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭМИССИИ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СИЛОВОМ ТРАНСФОРМАТОРЕ
Аннотация
Представлена методика измерений импульсных напряжений на силовом трансформаторе высоковольтной сети. Приведены первичные результаты исследований процессов развития грозовых перенапряжений в трансформаторе. Ключевые слова:
силовой трансформатор, импульсные напряжения, нейтраль, грозовые перенапряжения.
B. V. Efimov, Y. M. Nevretdinov, A. V. Burtsev, G. P. Fastiy, А. А. Smirnov
THE PILOT STUDIES TECHNIQUE OF STORM OVERVOLTAGE ISSUE IN THE POWER TRANSFORMER
Abstract
The measurement technique of surge voltages on the power transformer has been described. The initial research results of the thunderstorm overvoltages evolvements on the power transformer have been given.
Keywords:
power transformer, surge voltages, neutral, thunderstorm overvoltages.
Наиболее достоверным способом анализа математических моделей, используемых для исследований и прогнозирования грозовых перенапряжений, являются импульсные обмеры элементов высоковольтной сети. Задачей экспериментальных обследований силового трансформатора являются изучение процессов развития грозовых перенапряжений в нейтрали, в обмотках среднего напряжения и подключенной к ним сети, а также характеристик каналов распространения импульсных воздействий в трансформаторе.
40
Импульсный обмер силового трансформатора производится в действующем распределительном устройстве, поэтому методика экспериментов и выбор генераторно-измерительной системы должна соответствовать требованиям безопасности, а также учитывать специфику обследуемого оборудования и условий проведения экспериментов.
Особенностями высоковольтных силовых трансформаторов (с точки зрения генерирования и измерения импульсных процессов) являются:
• большие габариты, затрудняющие создание малоиндуктивных измерительных цепей;
• большое количество точек, в которых необходимы измерения импульсных напряжений (выводы обмоток высокой, средней и низкой сторон трансформатора, нейтрали, а также шунты для измерения импульсных токов). Примеры расположения выводов силовых трансформаторов приведены на рис. 1;
• разнообразие схем включения обмоток, режимов заземления нейтрали, параметров нагрузки и т.п.);
• большое количество каналов распространения электромагнитных воздействий, имеющих электромагнитные связи между собой (рис.1).
а б
шины 6 кВ шины 35 кВ
Рис.1. Примеры расположения выводов двухобмоточного (а) и трехобмоточного (б) силовых трансформаторов
Кроме того, силовые трансформаторы относятся к объектам, имеющим наряду со свойствами сосредоточенных электротехнических элементов волновые свойства элементов с неравномерно распределенными параметрами по направлению распространения воздействия.
Проведение экспериментов в действующем высоковольтном РУ накладывает требования помехозащищенности, необходимости контроля получаемых регистраций с помощью их дублирования, исключения негативных связей по цепям электропитания аппаратуры и измерений, а также требования безопасности. В связи со значительным ограничением времени, выделяемого для проведения экспериментов на выведенном из работы оборудовании, необходимо обеспечение мобильности генераторно-измерительного комплекса, оперативности переключений при изменениях исследуемых режимов [1].
В качестве источника импульсного напряжения использован мобильный ГИН, имеющий автономное исполнение [2], разработанный в лаборатории № 33 ЦФТПЭС КНЦ РАН специально для проведения импульсных обследований в действующей сети [3]. Схема подключения ГИН приведена на рис.2.
41
ГИН
Рис.2. Схема подключения ГИН к вводу силового трансформатора
На выходе ГИН включен делитель напряжения (Rn, ЯГ2), формирующий эквивалентное сопротивление ГИН на выходе (ЯГИН).
В контур ГИН включен также добавочный резистор Яц0б, расположенный непосредственно у ввода одной из фаз обмотки ВН трансформатора, в которой генерируется импульсное воздействие. Добавочный резистор выполняет функцию шунта для определения импульса тока в точке генерирования воздействия на трансформатор. Падение напряжения на добавочном резисторе определяется по разности напряжений, регистрируемых в точке (1) подключения соединительного провода делителя ГИН и резистора Ядоб и в точке (2) на вводе фазы трансформатора (рис.2). Для моделирования импульсного напряжения, набегающего на трансформатор по воздушной линии резистор Ядоб выбирается из условия
R-ГИН + R-доб = ^ВЛ,
где ЪВЛ = 500 Ом - волновое сопротивление фазного провода воздушной линии.
Напряжение на выходе ГИН определяется характеристиками измерительной системы - чувствительностью осциллографа с учетом коэффициента деления блока присоединения измерительного кабеля кд (см. ниже) и требованиями безопасности. При экспериментальном обследовании трансформатора амплитуда импульсного воздействия на трансформатор варьировалась в пределах 7.. .10 кВ.
Измерительный комплекс включает цифровой 4-канальный осциллограф «Актаком» и набор измерительных присоединений с делителями напряжения. Так как измерительные цепи для крупногабаритного трансформатора имеют относительно большую длину, для присоединений использовали высокочастотный кабель RG-6/U ISO 9002 с волновым сопротивлением 75 Ом. Кабельные присоединения выполнены длиной по 10 м с согласованием по концам - в точках подключения к делителю напряжения и в блоке подключения к осциллографу. Схемы подключения измерительных присоединений приведены на рис.2 (в контуре подключения ГИН) и на рис.3 (измерения на вводах высокой (ВН) и низкой (НН) сторон трансформатора).
42
Рис.3. Схема измерения напряжений на вводах ВН и НН трансформатора
На рисунке 4 приведена эквивалентная схема делителя напряжения в точке измерения, учитывающая волновое сопротивление экрана кабеля ЪЭ относительно земли, которая вносит погрешность измерений.
Рис.4. Эквивалентная схема подключения ГИН и делителей напряжения
Коэффициент деления такого делителя определяется из выражения
7 _ Ra + Zy + 0-5 ' Rn
k А
А 0.5 • Rn
По оценкам, волновое сопротивление экрана измерительного кабеля меняется по длине практически от нуля до 500 Ом. Для уменьшения влияния этого параметра и вносимой погрешности необходимо, чтобы сопротивление верхнего плеча делителя Яд значительно превышало 2Э. В опытном варианте
43
измерительного комплекса Яд = 13 кОм соответственно коэффициент деления составил кд ~ 352. Вносимая ЪЭ погрешность не превышает 2 %.
Другим важным условием измерительной системы является равенство длины измерительных кабелей (по условию синхронизации регистраций между собой) и равенство характеристик делителей напряжения. В опытном варианте измерительного комплекса измерительные присоединения выполнены длиной по 10 м.
Регистрации в нейтрали предполагают два варианта: измерение
напряжения на изолированной нейтрали и измерение тока в заземленной нейтрали. Для исключения переключений измерительного кабеля при изменении режима нейтрали использована схема, в которой режим нейтрали и схема измерения меняется одной коммутацией перемычкой К (рис.5).
В варианте изолированной нейтрали сопротивление нижнего плеча делителя определяется резистором Яд2, параллельно включенным цепочке Яш и Яд3, и равно волновому сопротивлению измерительного кабеля 75 Ом. В режиме нейтрали, заземленной через шунт Яш=10 Ом, для согласования измерительного кабеля используется делитель Яд3, Яд2 с коэффициентом деления кд=14.4.
Изучение переходных процессов с сопоставлением большого количества регистраций невозможно без их синхронизации, поэтому при использовании регистратора с ограниченным числом каналов один или несколько каналов используются в качестве опорных для синхронизации по времени. Одновременно регистрации этого канала могут быть использованы для корректировки по амплитуде в случае, если имеется некоторый разброс амплитуды воздействия из-за разброса напряжения или времени срабатывания ГИН. В проводимых экспериментах в качестве основной опорной регистрации использовано напряжение воздействия (на вводе обмотки трансформатора). Например, при исследованиях распространения импульсных напряжений с фазы А высокой стороны трансформатора в качестве опорной регистрации выбраны осциллограммы напряжения на вводе фазы А 110 кВ трансформатора UA. В качестве дополнительного контроля использованы осциллограммы напряжения в точке подключения соединения к добавочному резистору Ядоб на этом же вводе фазы А (Ur).
нейтраль обмотки ВН трансформатора
ьД1 к блоку
присоединения
осциллографа
Рис.5. Схема измерения напряжения на изолированной нейтрали обмотки ВН трансформатора и тока при ее заземлении
44
В программе экспериментального обследования силового трансформатора необходимо предусмотреть следующие режимы:
1. Воздействие импульсного напряжения по аналогии с грозовой волной, набегающей по ВЛ, т. е. выводы обмотки ВН должны быть подключены на согласующее сопротивление, равное волновому сопротивлению фазного провода.
2. Нейтраль обмотки ВН заземлена или изолирована от земли.
3. Варьирование параметров нагрузки на обмотку НН, в т. ч. ненагруженный режим, включение емкостной нагрузки «фаза - земля».
4. При наличии обмотки среднего напряжения, включенной по схеме «звезда» варьирование режима заземления нейтрали - изолированная нейтраль, резистивное заземление, заземление через индуктивность и глухое заземление нейтрали.
Экспериментальная проверка разрабатываемой методики импульсных измерений выполнена при обследовании силового трансформатора 110/6 кВ. В качестве примера на рис.6 и 7 приведены осциллограммы напряжений в изолированной нейтрали, на вводах фаз обмоток ВН и НН трансформатора.
Рис.6. Осциллограммы напряжений в нейтрали и на фазе В обмотки ВН трансформатора
Рис.7. Осциллограммы напряжений на выводах обмотки НН трансформатора
45
Из осциллограмм рис.6 видно, что напряжение в нейтрали достигает максимального значения примерно через 38 мкс после начала воздействия, что соответствует периоду собственных колебаний напряжения в нейтрали около 150 мкс и согласуется с данными [4]. Однако по данным ранее выполненных экспериментов, в ОРУ 110 кВ [5] зарегистрирован максимум напряжения в нейтрали с запаздыванием примерно на 75 мкс от начала импульсного воздействия. Эти данные получены для группы однофазных трансформаторов при длине импульсного напряжения, превышающей воздействие в представленных экспериментах. В связи с этим остается открытым вопрос о зависимости максимума напряжения в нейтрали от формы импульсного воздействия.
Для приведенных осциллограмм следует отметить запаздывание реакции -напряжения на фазах В и С примерно на 5...7 мкс, что свидетельствует об отсутствии влияния процессов на неповрежденных фазах на формирование грозовых перенапряжений на поврежденной фазе в пределах первых 5.7 мкс.
Выводы
1. Представлена методика измерений импульсных напряжений на крупногабаритном элементе высоковольтной сети с полной взаимной синхронизацией полученных регистраций.
2. Первичный анализ подтвердил возможность применения однолинейных моделей распределительных устройств для расчетов первой стадии формирования перенапряжений (по предварительным оценкам до 5 мкс).
Литература
1. Бурцев А. В., Невретдинов Ю. М. Разработка генераторно-измерительного комплекса для обследования импульсных характеристик силовых трансформаторов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып. 7. 2013. С.73-80.
2. Данилин А. Н. Экспериментальные исследования волновых процессов на шинах и заземлителе действующей подстанции / А. Н. Данилин, Б. В.Ефимов, В. В.Колобов, Д. В.Куклин, В. Н.Селиванов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып. 1. 2010. С.17-25.
3. Ефимов Б. В. Численный и экспериментальный анализ развития грозовых перенапряжений на подстанциях / Б. В. Ефимов, Н. И.Гумерова, Т. К.Кузнецов, Д А. Н.анилин, В. Н.Селиванов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып. 5. 2012. С.17-27.
4. Алиев Ф. Г. Перенапряжения в нейтрали силовых трансформаторов 6-220 кВ и методы их ограничения / Ф. Г. Алиев, А. К. Горюнов, А. Н. Евсеев, А. И. Таджибаев. Ф. Х. Халилов. СПб.: ПЭИПК, 2001. 120 с.
5. Власко Д. И. Проблемы и перспективы регистрации грозовых перенапряжений в действующей сети / Д. И. Власко, А. О. Востриков, А. П. Домонов, Ю. М. Невретдинов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып. 5: 2011. С. 54-64.
Сведения об авторах
Ефимов Борис Васильевич,
Директор Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл.почта: efimov@ien.kolasc.net. ru
46
Невретдинов Юрий Масумович,
Ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл.почта: ymnevr@mail.ru
Бурцев Антон Владимирович,
Младший научный сотрудник лаборатории высоковольтной энергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН,
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: tonyburt@rambler.ru
Фастий Галина Прохоровна,
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера Учреждения Российской академии наук Кольского научного центра РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл.почта: fastiy@ien.kolasc.net.ru
Смирнов Андрей Анатольевич,
ведущий инженер отдел буро-взрывных работ Управления АО «Апатит»,
Россия, 184250, Мурманская область, г.Кировск, ул.Ленинградская, д.1 Эл. почта: smirnov1104@yandex.ru
УДК 621.374
А. Ф. Усов, А. С. Потокин, Д. В. Ильин
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ИМПУЛЬСНОГО ТРАНСФОРМАТОРА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО РАЗРУШЕНИЯ
Аннотация
Проведено экспериментальное исследование нагревания импульсного трансформатора в технологическом режиме работы. Предложены решения проблем теплового нагрева.
Ключевые слова:
электроимпульсное разрушение, импульсный трансформатор, магнитопровод, энергопередача, тепловые потери.
A. F. Usov, A. S. Potokin, D. V. Ilin
THE STUDY OF THE THERMAL REGIME OF PULSE TRANSFORMER IN PRODUCTION MODE OF ELECTRIC PULSE DESTRUCTION
Abstract
The experimental study of the heating of pulse transformer in the technological mode of operation was carried out. The solving of the problem is presented.
Keywords
electric pulse destruction, pulse transformer, magnetic circuit, energy transfer, heat losses.
47
