CC BY
53
—ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБЪЕКТОВ
АТОМНОЙ ОТРАСЛИ
УДК 621.316
АНАЛИЗ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ ПРОТЕКАНИЯ УСТОЙЧИВОГО ФЕРРОРЕЗОНАНСНОГО ПРОЦЕССА В ЦЕПЯХ 24 КВ ГЕНЕРАТОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ЭНЕРГОБЛОКОВ АЭС
© 2018 С.А. Баран, В.В. Нечитайлов, В.В. Краснокутский
Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета МИФИ, Волгодонск, Ростовская обл., Россия
Сеть генераторного напряжения крупных энергоблоков эксплуатируются с изолированной нейтралью, и однофазное замыкание на землю в данных сетях не является коротким. Чаще всего защита от замыканий на землю действует на сигнал, но в ряде случаев происходит отключение цепи защитами. Анализ причин отключений энергоблоков действием защиты от замыкания на землю показал, что часть из них была ложной и произошла в результате появления в цепи устойчивых феррорезонансных процессов. Протекание феррорезонансных процессов возможно при определенном соотношении параметров электрической цепи. В работе рассматриваются граничные значения суммарной индуктивности и емкости цепи, при которых в цепи может возникнуть устойчивый феррорезонансный процесс, рассчитываются параметры схемы замещения энергоблока АЭС, рассматриваются осциллограммы процессов при однофазном замыкании на землю, производится выбор резистора для эффективного заземления нейтрали.
Ключевые слова: феррорезонанс, генераторное напряжение, изолированная нейтраль, трансформатор напряжения, перенапряжение.
Поступила в редакцию: 11.10.2018
В сети генераторного напряжения АЭС наблюдался ряд аварийных отключений энергоблоков от сети действием защиты от замыкания на землю. Согласно проведенным расследованиям аварийных ситуаций часть из них оказалась ложной. Часто причиной ложных аварий является появление в сети феррорезонансных явлений, вызванных коммутацией нагрузки, кратковременным появлением дугового замыкания, а также рядом других причин [1].
Рассмотрим схему типового энергоблока АЭС на примере блока № 2 Ростовской АЭС.
Турбогенератор с водородно-водяным охлаждением ТВВ-1000 связан через два трансформатора ТЦ-630000/500 с ОРУ 500 кВ, а также с РУ 6 кВ главного корпуса блока 2 через два трансформатора с расщепленными обмотками типа ТРДНС 63000/24/6,3.
Питание трансформаторов осуществляется по экранированному комплектному токопроводу с непрерывной оболочкой и принудительным воздушным охлаждением ТЭКНП.
Важной особенностью системы питания энергоблока №2 Ростовской АЭС на генераторном напряжении 24 кВ является наличие 7 трехфазных групп трансформаторов напряжения.
Две трехфазные группы трансформаторов напряжения типа ^С7 с напряжением
© Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2018
л 24000 ,100 ,100 V/V/A
обмоток —B, соединение обмоток Y/Y/Д в составе генераторного
л/3 л/3 л/3
выключателя НЕС-8. Установлены между обмоткой НН блочных трансформаторов и
генераторным выключателем.
Две трехфазные группы трансформаторов напряжения типа TJC7 с напряжением
24000,100,100 „ v/v/v
обмоток —-j=— /—=/—= B, соединение обмоток Y/Y/Y в составе генераторного
л/3 л/3 л/3
выключателя НЕС-8. Установлены со стороны линейных вводов генератора.
Три трехфазные группы трансформаторов напряжения типа ЗНОЛ.06-24УЗ с
л 24000 ,100 ,100 л V/V/A
напряжением обмоток —-¡=— /—=/—= В, соединение обмоток Y/Y/Д встроены в
л/3 л/3 л/3
генераторный токопровод 24 КВ. Установлены со стороны линейных выводов генератора.
Нейтраль генератора со стороны нулевых выводов заземлена через один
трансформатор напряжения типа ЗНОЛ.06-24УЗ напряжением 24000 /100/100 B.
л/3 л/3
Для наступления феррорезонанса в данной сети должно выполняться условие:
1 < (1)
2 - ^экв - 2 т ю • Ьхх Ю • Ь3
С учетом увеличения индуктивности за счет неполного насыщения в 1,3 раза формула расчета индуктивности насыщения записывается как:
Ь = 1,3-ю2 • ^ • Ка ^ (2)
4 а
где а - число витков первичной обмотки; ё - средний диаметр обмотки, м; а - высота обмотки, м; Ка - коэффициенты формы обмотки [2]; цо - относительная магнитная проницаемость воздуха.
Трансформатор напряжения ЗНОЛ.06-24УЗ имеет следующие параметры обмоток:
число витков первичной обмотки - 21750; внутренний диаметр первичной обмотки - 115 мм; наружный диаметр первичной обмотки - 190 мм; средняя высота обмотки - 96 мм
Коэффициент формы обмотки для трансформатора напряжения типа ЗНОЛ.06-24УЗ составляет ^а=0,5815, тогда
— 1152
Ь, = 1,3 •-• 217502---0,5815 • 4 жЛ0~7 = 54,23 Гн
' 4 96
Индуктивность холостого хода может быть определена по формуле:
U,
Lxx (3)
а ■ *xx
где 1хх - ток холостого хода трансформатора;
Инф - номинальное рабочее фазное напряжение трансформатора.
Рассчитаем индуктивность холостого хода:
= = Ги
314 • 0,26
Тогда граничные условия соответственно:
59,76 нФ < Сэкв< 153,076 нФ
Эти граничные условия соответствуют сети с одним ТН.
Ввиду отсутствия данных и схожести общих конструктивных соображений, примем для оценочного расчета, индуктивность намагничивания и холостого хода ЗНОЛ.06-24УЗ и ТТ С7 равными [3].
Тогда для семи ТН:
418,30 нФ <Сэкв< 1073,56 нФ
При нахождении суммарной емкости сети, близкой к данным значениям, возможно возникновение устойчивых феррорезонансных явлений [4].
Источником питания в рассматриваемой сети является генератор. Индуктивность рассеяния Ьр и активное сопротивление источника питания определяются по номинальным параметрам. Согласно паспортным данным, номинальное активное сопротивление обмотки генератора составляет 0,0011 Ом. При дуговом замыкании по фазам источника протекают свободные составляющие токов зарядных контуров, которые имеют большую частоту (несколько килогерц), поэтому активное сопротивление источника следует увеличить в 2-2,5 раза. Для моделирования переходных процессов сети реактивное сопротивление генератора рассчитывалось исходя из сверхпереходного сопротивления, которое составляет 0,324 о.е.
Генератор моделировался посредством готовых блоков из библиотеки элементов программы АТР ЕМТР [5], для которых задавались активные сопротивления и индуктивности обмоток. Также для рассматриваемых процессов большую роль играют паразитные емкости на землю. Согласно формуле, приведенной в [6], емкость для фазы обмотки статора генератора может быть рассчитана:
С. =-, к •£ , (4)
2 1,2 • л/и • (1 + 0,08 • и )
? V ном \ ? ном у
где к = 0,0187 при 15-20°С;
ином - номинальное напряжение; £ - номинальная мощность.
0,0187-1100 _ ^
С =--== = 2,04 мкФ
1,2 ^ 24 • (1 + 0,08 • 24
Индуктивность обмотки трансформатора определялась следующим образом:
U U 2
т _ к _ном.обм.
обм _ 1 пп 0 (5)
100 S й •ю
ном.обм.
где ик - напряжение короткого замыкания;
ином.обм. - номинальное напряжение обмотки трансформатора; т=100ж;
£ном.обм. - номинальная мощность обмотки трансформатора.
U 2
Кбм = щ • UH°L, (6)
s t
ном
где Рк - потери короткого замыкания траснформатора. Для блочного трансформатора ТЦ-630000/500:
икв= икн= ик/2
14
UkB _ UkH _14 = 7%
^ном.обм. Shom/3
/'Л А
s ном.обм.= — _ 210 МВА
Тогда индуктивность и активное сопротивление обмоток:
7 30312 Lo6Me = — • = 0,0974 Гн
обмв 100 210 • 314
7 242
Lo6mh _---= 6,115 •ю-4 Гн
обмн 100 210 • 314
303 12
Кбмв _ 0,605 • = 1,26 Ом, 242
R = 0,605--= 0,0079 Ом,
обмн ' О 1 /Л 9
2102
Для трансформатора собственных нужд ТРДНС 63000/24/6,3
2
0,01(Ukee - 0,25Ukнн) Uножобм,
Lобмв _ ' V (7)
"в 100 S ,
ном. обм.
L _ 0,05 ^^кнн • U ном.обм. ГЯ^
обмн Л /-Ч/-Ч ^ (8)
s ном.обм.
Активное сопротивление обмотки трансформатора рассчитывается по формуле (3).
Ьобмв
0,01(иквв - 0,25^) и2ом.обм.
100 9 ном.обм.
0,05и и2 ,
т _ ' кнн ном.обм.
-'обмн , „ „ о
ном.обм.
Для блочного трансформатора ТЦ-630000/500:
^ном.обм. 9ном/3
/го
63 — 21 МВА
Тогда индуктивность и активное сопротивление обмоток:
= о,°1(12,7 - 0,25^0) •_3*!_ = 1-5 Гн
обмв 100 21314
0,05-40 6,32
Ь, — —-----— 6"10-6 Гн
100 21314 352
Я — 0,605--— 0,058 Ом,
о бм в 7 2р
6 32
Кбмн — 0,605 •6,32 — 0,0011 Ом, Для расчета входной емкости трансформаторов были взяты формулы:
С„ —
у2 12
С2 + С12
9 0,35
С — 0,07 2ом
С2 —1,3.
и 0,175 в
л/9
и +13 + 0,2 • л/9 г
С1 9 —
12 ив
Для блочного трансформатора ТЦ-630000/500:
6300,35
С — 0,07-— — 0,223 мкФ
1 535°,
С — 1,3-._— 0,776 мкФ
24 +13 + 0,2л/630
^ л/630 — 0,047мкф 12 535
0,776 • 0,047 _
С — —---— 0,266 мкФ
0,776 + 0,047
Для трансформатора ТРДНС-63000/35:
С = 0,07
63
0,35
35
V63
0,175
= 0,16 мкФ
С = 1,3— ,—
6,3 +13 + 0,2 V63
= 0,494 мкФ
л/бЗ
Сл, = -— = 0,226 мкФ 12 35
0,494 • 0,226 __ ^
Сях = —---= 0,315 мкФ
в 0,494 + 0,226
Параметры токопровода рассчитаны при помощи программы АТР ЕМТР. Для расчета заданы реальные параметры материалов и геометрия токопровода. В результате были получены параметры для каждого участка токопровода сети генераторного напряжения.
Генераторный включатель в схеме замещения учитывался емкостью встроенных в него конденсаторов (рис. 1), принятой равной 132 нФ со стороны генератора и 260 нФ со стороны силового трансформатора.
и-"". ■ _ L 1 \ (V) ш ппп
'-! / /5? = -1 \-*- Г UUJ = JB -*-
Рисунок 1 - Схема устройства генераторного выключателя НЕС 8 [Scheme of НЕС 8 generator switcher]
При рассмотрении аварийных режимов требуется учитывать влияния магнитных систем трансформаторов напряжения. В ходе сбора данных были получены данные от производителей о геометрии сердечника, числе витков обмоток, общей конструкции и магнитной характеристике трансформатора. Большое активное сопротивление первичной обмотки ТН является характерной особенностью измерительных трансформаторов напряжения [7-8]. Согласно полученным данным активное сопротивление первичной обмотки было принято для ЗНОЛ.06-24УЗ3 - 3500 Ом, для Т.ГС7 - 3000 Ом.
Нелинейная индуктивность в цепи намагничивания учитывается зависимостью напряжения от тока первичной обмотки ТН типа ^С7 и ЗН0Л.06-24У3, представленных в таблицах 1 и 2 и на рисунках 2 и 3.
Одним из важных факторов в процессе развития и протекания феррорезонансных явлений является вторичная нагрузка ТН. В связи с этим нагрузка задавалась в виде активно-индуктивной нагрузки согласно назначению ТН. Мощность нагрузки задавалась исходя из полной номинальной мощности [9].
Таблица 1 - Кривая намагничивания трансформатора напряжения TJC7 [Magnetization curve of voltage _transformer TJC7]_
I, мА 0,028 0,056 0,084 0,14 0,2 0,28 0,42 0,56 0,84 1,12
U, В 162 325 553 1040 1463 2454 3169 5364 9103 12842
I, мА 1,41 1,95 2,8 3,36 4,2 5,61 7,02 8,41 11,23
U, В 17978 22189 26155 27309 28041 29244 29910 30138 30866
Таблица 2 - Кривая намагничивания трансформатора напряжения ЗНОЛ.06-24У3 [Magnetization curve of _voltage transformer ZNOL.Q6-24UZ]_
I, мА 0,95 1,23 1,26 1,47 1,74 2,08 2,4 2,66 3,04 3,74 6,79 24,74 129,4 184
U, В 11,4 57 60 70 80 90 95 100 105 110 120 130 140 144
Ток первичной обмотки, А
Рисунок 2 - Номинальная кривая намагничивания (сплошная линия) и кривые намагничивания с разбросом (пунктирные линии) трансформатора напряжения TJC7 [Nominal magnetization curve and magnetization curve with a spread of voltage transformer TJC7]
Рисунок 3 - Номинальная кривая намагничивания (сплошная линия) и кривые намагничивания с разбросом (пунктирные линии) трансформатора напряжения ЗНОЛ.06-24У3 [Nominal magnetization curve and magnetization curve with a spread of voltage transformer ZNOL.06-24UZ]
За счет неточного исполнения геометрических размеров сердечника и несоответствия стали магнитопровода номинальным характеристикам намагничивания заводская кривая намагничивания может иметь некоторый разброс [10], поэтому для каждого трансформатора напряжения задается 10 % разброс кривой намагничивания.
После моделирования сети в программной среде АТР ЕМРТ были получены осциллограммы переходных процессов при однофазных замыканиях на землю. Осциллограммы представлены на рисунке 4.
Рисунок 4 - Осциллограммы фазных токов в обмотках ТН при возникновении ОЗЗ в сети генераторного напряжения с изолированной нейтралью [Oscillograms of phase currents in voltage transformer winding for single-phase line-to-ground fault in generator voltage network with isolated neutral]
После прохождения через ноль тока промышленной частоты замыкание ликвидировалось, и в обмотке возник устойчивый феррорезонансный процесс с амплитудой броска тока 0,3 А.
В качестве меры ликвидации опасных последствий феррорезонансного процесса было принято заземление нейтрали сети через активное сопротивление [11-12]. Величина сопротивления была подобрана опытным путем согласно таблице 3 и рисунку 5.
Таблица 3 - Зависимость уровня перенапряжения при однофазных замыканиях от номинального сопротивления резистора в нейтрали [The dependence of the level of overvoltage in single_phase circuits of the nominal resistance of the resistor in the neutral]_
Сопротивление Величина тока ОЗЗ, А Уровень Степень наличия
резистора, Ом перенапряжений ферррорезонанса
10000 24,52 2,79 устойчивый
7500 24,56 2,74 устойчивый
5000 24,64 2,68 неустойчивый
2500 25,11 2,32 отсутствует
1000 28,14 2,31 отсутствует
Рисунок 5 - Осциллограммы фазных токов в обмотках ТН при возникновении 033 в сети генераторного напряжения с резистивным заземлением нейтрали через сопротивление 2500 Ом [Oscillograms of phase currents in voltage transformer winding for single-phase line-to-ground fault in generator voltage network with
grounded through 2500 Ohm resistor neutral]
Исходя из приведенных осциллограмм и табличных данных можно рекомендовать для устранения феррорезонансных процессов заземлить нейтраль через резистор 2500 Ом. Возникновение феррорезонанса в цепях 24 кВ генераторного напряженния энергоблоков АЭС.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баран, С.А. Возникновение феррорезонанса в цепях 24 кВ генераторного напряжения энергоблоков АЭС [Текст] / С.А. Баран, В.В. Нечитайлов, В.В. Краснокутский // Глобальная ядерная безопасность. - 2018. - № 2. - С. 56-65.
2. Калантаров, П.Л. Расчет индуктивностей [Текст] / П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин. -Ленинград: Энергоатомиздат, 1986. - 488 с.
3. Алексеев, В.Г. Феррорезонанс в сетях 6-10 кВ [Текст] / В.Г. Алексеев, М.Х. Зихерман // Электрические станции. - 1978. - № 1. - С. 63-65.
4. Эль-Хатиб, А.И. Феррорезонансные процессы в трансформаторах напряжения систем электроснабжения и способы их предотвращения: автореф. дис. канд. техн. наук [Текст] -А.Е. Эль-Хатиб. - Донецк, 1992. - 28 с.
5. Селиванов, В.Н. Использование программы расчета электромагнитных процессов АТР-ЕМРТ в учебном процессе [Текст] / В.Н. Селиванов // Вестник МГТУ. - 2009. - № 1. - С. 107-112.
6. Иваницкий, В.А. Моделирование перенапряжений в сетях электроснабжения с изолированной нейтралью [Текст] / В.А. Иваницкий, М.Е. Тюленев - Москва: НТП «Вираж-центр». - 2006. -79 с.
7. Петров, О.А. Смещение нейтрали при пофазных отключениях и обрывах фаз в компенсированной сети [Текст] / О.А. Петров // Электрические станции. - 1972. - № 9. -С. 57-61.
8. Халилов, Ф.Х. Еще раз о дуговых перенапряжениях в распределительных сетях 6-35 кВ [Текст] / Ф.Х. Халилов // Промышленная энергетика. - 1985. - № 11. - С. 37-41.
9. Лихачев, Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов [Текст] / Ф.А. Лихачев. - Москва: Энергия, 1971 - 152 с.
10. Халилов, Ф.Х. Перенапряжения в сети 6-35 кВ / Ф.Х. Халилов и др. - Москва: Энергоатомиздат. - 1989. - 192 с.
11. Сирота, И.М. Защита от замыканий на землю на стороне генераторного напряжения блоков генератор-трансформатор, охватывающая нейтраль генератора [Текст] / И.М. Сирота, А.Е. Богаченко. - Киев : Изд-во ИЭД АН УССР, 1972. - 21с.
12. Халилов, Ф.Х. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений [Текст] / Ф.Х. Халилов и др. - Санкт-Петербург : Энергоатомиздат. - 2002. - 216 с.
REFERENSES
[1] Baran S.A., Nechitajlov V.V., Krasnokutskij V.V Vozniknovenie ferrorezonansa v cepyax 24 kV generatornogo napryazheniya e'nergoblokov AE'S [Ferroerezonans Emergency in the 24 kW Generator Voltage Circuits of NPP Units] [Global Nuclear Safety]. 2018. № 2 (27). Р. 56-65 (in Russian).
[2] Kalantarov P.L., Cejtlin L.A. Raschet induktivnostej [Calculation of Inductances]. Leningrad. Pub. Energoatomizdat [Electroatomizdat]. 1986. 488 p. (in Russian).
[3] Alekseev V.G., Ziherman M.H. Ferrorezonans v setyax 6-10 kV [Ferroresonance in 6-10 kW Networks]. [Electric Stations], 1978. №1. P. 63-65. (in Russian).
[4] Jel-Hatib A.I. Ferrorezonansny'e processy' v transformatorax napryazheniya sistem e'lektrosnabzheniya i sposoby' ix predotvrashheniya [Ferroresonance Processes in Voltage Transformers of Power Supply Systems and Ways to Prevent Them]. Dissertacija na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk [Theses of PhD in Engineering]. Donetsk. Pub. Donskoj politehnicheskij institute [Don Polytechnic Institute]. 1992. 28 p. (in Russian).
[5] Selivanov V.N. Ispol'zovanie programmy' rascheta e'lektromagnitny'x processov ATR-EMPT v uchebnom processe [Using the Program for Calculating the Electromagnetic Processes ATP-EMPT in the Education Process] [Herald of the Bauman MSTU]. 2009. №.1. P. 107-112.
[6] Ivanickiy V.A. Modelirovanie perenapryazhenij v setyax e'lektrosnabzheniya s izolirovannoj nejtral'yu [Modeling of Overvoltages in Power Supply Systems with Isolated Neutral] [Moscow: "Virage Center" Scientific Technical Enterprise]. 1986. 488 p.
[7] Petrov O.A. Smeshhenie nejtrali pri pofazny'x otklyucheniyax i obry'vax faz v kompensirovannoj seti [The Neutral Bias for Phase-Out Tripping and Phase Failure in Compensated Network]. Elektricheskie stancii [Electric Stations]. 1972. № 9. P. 57-61. (in Russian).
[8] Halilov F.H. Eshhe raz o dugovy'x perenapryazheniyax v raspredelitel'ny'x setyax 6-35 kV [Once Again about Arc Overvoltages in Distribution Networks 6-35 kW.]. Promyshlennaja energetika [Industrial Power Engineering]. 1985. № 11. P. 37-41. (in Russian).
[9] Lihachev F.A. Zamy'kaniya na zemlyu v setyax s izolirovannoj nejtral'yu i s kompensaciej
emkostnyx tokov [Ground Faults in Networks with Isolated Neutral and with Compensation of Capacitive Currents]. M. Pub. Energija [Energy]. 1971. 152 p. (in Russian).
[10] Gindullina F.A., Goldshtejn V.G., Duzolzon A.A., Halilov F.H. Perenapryazheniya v seti 6-35 kV [Overvoltages in 6-35 kW Network]. M. Pub. Energoatomizdat [Electroatomizdat]. 1989. 192 p. (in Russian).
[11] Sirota I.M., Bogachenko A.E. Zashhita ot zamykanij na zemlyu na storone generatornogo napryazheniya blokov generator-transformator, oxvatyvayushhaya nejtraT generatora [Earth-Fault Protection on the Generator Voltage Side of Generator-Transformer Blocks Covering the Generator Neutral]. Kiev. Pub. IED AN USSR [IED Academy of Sciences of the Ukrainian SSR]. 1972. 21 p. (in Russian).
[12] Halilov F.H., Evdokunin G.A., Poljakov V.S. etc. Zashhita setej 6-35 kV ot perenaprjazhenij [Protection of 6-35 kW Overvoltage Networks]. Sankt-Peterburg. Pub. Energoatomizdat [Electroatomizdat]. 2002. (in Russian).
Analysis of Boundary Conditions of Sustainable Ferrosontic Process Flow in 24 KW Chains of Generator Voltage of NPP Power Units
S.A. Baran, V.V. Nechitajlov, V.V. Krasnokutskij
Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University "MEPhl", Lenin St., 73/94, Volgodonsk, Rostov region, Russia 347360
1 ORCID: 0000-0002-3232-4072 WoSResearcher ID: I-7933-2018
e-mail: [email protected]
2 ORCID: 0000-0002-6795-2458 WoS Researcher ID: J-3646-2018
e-mail: [email protected]
3 ORCID: 0000-0002-4498-2996 WoS Researcher ID: I-4045-2018
e-mail: [email protected]
Abstract - The network generator voltage is operated using with isolated neutral, and line-to-ground fault is not short circuit. Ground-fault protection more often works on signal, but in some cases shutdown network protection occurs. Analysis of the causes of power unit shutdowns by the action of ground-fault protection showed that some of them were false and occurred as a result of the appearance of stable ferroresonance processes in the circuit. Passing of ferroresonance processes is possible at a certain ratio of the parameters of the electrical circuit. The paper deals with the boundary values of the total inductance and capacitance of the circuit, in which a stable ferroresonance process can occur in the circuit, the parameters of the equivalent circuit of the NPP power unit are calculated, the oscillograms of processes in a single-phase ground fault are considered, the resistor is selected for effective grounding of the neutral.
Keywords: ferroresonance, generator voltage, isolated neutral, voltage transformer, overvoltage.
