CC BY
186
ISSN 1992-6502 (P ri nt)_
2016. Т. 20, № 2 (72). С. 106-110
Ъыьмт QjrAQnQj
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.314.22.08
Феррорезонансные явления в цепях ,
включающих измерительные трансформаторы
Д. В. Гусаков1
1 gusakov.den@mail.ru,
1 ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 15.06.2016
Аннотация. В данной статье проанализированы феррорезонансные явления в цепях, включающих измерительные трансформаторы напряжения. Рассмотрены современные антирезонансные трансформаторы напряжения. Магнитопровод моделируемого измерительного трансформатора выполнен группой, состоящей из трех однофазных трансформаторов. Разработана система уравнений измерительного трансформатора при однофазном замыкании. На основании системы уравнений была разработана имитационная модель феррорезонансного явления в цепях, включающих измерительный трансформатор. На основании имитационной модели получены осциллограммы напряжения на зажимах трансформатора, тока в нулевом проводе и напряжения на конденсаторе до насыщения и после насыщения магнитопровода, а также их гармонический состав.
Ключевые слова: феррорезонансные явления; измерительный трансформатор; трехфазная группа однофазных трансформаторов
ВВЕДЕНИЕ
Значительное число повреждений оборудования в сетях с изолированной нейтралью связано с феррорезонансом, так как это явление вызывает перенапряжения или сверхтоки, на воздействие которых оборудование не рассчитано и от которых оно не защищено. Кроме того, феррорезонанс возникает чаще, чем другие виды воздействий, и особенно опасен тем, что длительность его существования неограни-чена. В распределительных сетях с изолированной нейтралью классов напряжения 6-35 кВ, к которым относятся городские, сельские, генераторные сети собственных нужд подстанций, при коммутационных операциях и однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ) зачастую возникают феррорезонансные явления, в цепях электромагнитных измерительных трансформаторов напряжения (ТН) типов НТМИ, 3НОМ, 3НОЛ [1].
Сети с изолированной нейтралью допускают длительную работу с ОЗЗ. Емкостная дуга при ОЗЗ может иметь перемежающийся характер, то есть сопровождается многочисленными
Работа выполнена в рамках гранта государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации (проект НШ-6858.2016.8)
гашениями и зажиганиями. Перемежающаяся дуга создает постоянную составляющую в напряжениях на фазах сети и ТН, что приводит к насыщению магнитопровода ТН. Процесс заряда емкостей сети с их последующим разрядом через обмотки насыщенного ТН повторяется в каждом цикле зажигания-гашения дуги. Чем чаще зажигается и прерывается дуга, тем больше действующее значение тока через ТН и тем быстрее произойдет его тепловое разрушение.
Наиболее эффективным мероприятием по повышению надежности работы ТН и предотвращению их повреждений является применение антирезонансных ТН. Включение резистора мощностью 400 Вт сопротивлением порядка 25 Ом в разомкнутый треугольник ТН слабо влияет на ход процесса замыкания в сети.
Напряжение на неповрежденных фазах не превышает линейного напряжения, которое для сетей 6-35 кВ является наибольшим рабочим напряжением и потому не представляет опасности для изоляции электрооборудования.
Следует учитывать, что при ОЗЗ у ТН нарушается нормированный класс точности, который определяется в нормальном симметричном режиме работы.
Для снижения повреждаемости ТН следует применять антирезонансные конструкции
Д. В. Гусаков • Феррорезонансные явления в цепях, включающих измерительные ТРАНСФОРМАТОРЫ 107
трансформаторов напряжения, которые при любом виде феррорезонанса выдерживают длительные повышения напряжения на одной из фаз до 3,0^н .раб.
Для исключения повреждений ТН 6-35 кВ, работающих в сетях с изолированной нейтралью рекомендуется применение антирезонансных ТН.
К антирезонансным ТН предъявляются следующие требования [2]:
- не вызывать устойчивого феррорезонанса;
- не повреждаться при длительных однофазных замыканиях сети на землю через перемежающуюся дугу;
- не повреждаться при устойчивом ферроре-зонансе емкости сети с нелинейной индуктивностью других трансформаторов (силовых или измерительных).
Антирезонансные свойства у ТН 6-10-35 кВ обеспечиваются следующими способами:
- добавлением в схему активных гасительных сопротивлений;
- повышением потокосцепления насыщения путем снижения номинальной индукции;
- изменением схемы соединения обмоток трехфазных ТН и т.д.
В настоящее время известны следующие типы антирезонансных установок на базе измерительных трансформаторов напряжения: НАМИ 10-35, ЗхЗНОЛП-10, НАЛИ-СЭЩ-6(10), НА-МИТ-10-2. Все эти измерительные трансформаторы, несмотря на заявления производителей, подвержены явлению феррорезонанса [3-5].
Трехфазный стержневой трансформатор НАМИ 10-35 представляет собой два трансформатора (трехфазный и однофазный), расположенные в одном корпусе. Трехфазный трансформатор передает напряжение прямой и обратной последовательностей, а однофазный -только нулевой. Однофазный трансформатор за счет большого количества витков обладает высокой характеристикой намагничивания и большим индуктивным сопротивлением. Антирезонансные свойства НАМИ
обеспечиваются переносом нелинейности ТН в нулевую последовательность, где отсутствует ЭДС источника. Однако он подвержен феррорезонансным явлениям и пожароопасен, так как является масляным.
Трансформатор ЗхЗНОЛП-10 представляет собой трехфазную группу однофазных трансформаторов. В нейтраль обмотки ВН ТН включены резисторы сопротивлением 2,4 кОм мощностью 100 Вт. В нормальном режиме через резисторы протекает ток намагничивания, который составляет несколько мА. При
насыщении магнитопровода ТН увеличивается ток через ТН, напряжение на резисторе и демфирующее действие резистора.
В дополнительные обмотки, соединенные в треугольник, включается резистор
сопротивлением 25 Ом с целью повысить устойчивость трансформатора к феррорезонансу и воздействию перемежающейся дуги. Однако он подвержен феррорезонансным явлениям и к его недостаткам можно отнести увеличенную погрешность.
Магнитопровод трансформатора НАЛИ-СЭЩ-6(10) собран из трехфазной группы однофазных трансформаторов. ТН состоит из четырех трансформаторов, закрепленных на установочной раме: три однофазных трехобмоточных ТН НОЛ-СЭЩ-6(10)-2(4) и трансформатор нулевой последовательности. Как заявляют производители, благодаря наличию трансформатора нулевой
последовательности ТН НАЛИ-СЭЩ-6(10) устойчив к работе при ОЗЗ через перемежающуюся дугу. Но опыт эксплуатации показыввает, что данный тип трансформатора также подвержен феррорезонансным явлениям. Измерение величины фазных напряжений относительно земли этим трансформатором не производится и выполняется лишь контроль величины напряжения смещения нейтрали.
Трехфазный стержневой трансформатор НАМИТ-10-2 представляет собой соединенные конструктивно в единое целое два трансформатора напряжения:
1. ТНКИ - трансформатор напряжения контроля изоляции, трехобмоточный, первичные обмотки которого включены по схеме «звезда». Предназначен для питания цепей измерительных приборов учета электрической энергии, для цепей защиты и контроля изоляции.
2. ТНП - трансформатор нулевой последовательности, двухобмоточный, первичная обмотка которого включена в нейтраль ТНКИ и заземлена, вторичная обмотка замкнута. При появлении феррорезонанса обмотка, замкнутая в треугольник, размыкается автоматически.
Антирезонансные свойства достигаются введением в первичную цепь, связанную с землей, индуктивного сопротивления в виде трансформатора нулевой последовательности (ТНП). Введение этого сопротивления выполняется путем дешунтирования его вторичной обмотки с помощью схемы РЗ. Этот трансформатор подвержен феррорезонансным явлениям. Также к недостаткам относится
ненадежность работы РЗ, «быстрое» насыщение стальных стержней отдельных фаз, что приводит к появлению «ложной земли».
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Для исследования влияния феррорезонанс-ного явления была разработана математическая модель измерительного трансформатора при однофазном КЗ на землю в сети с изолированной нейтралью. Измерительный трансформатор напряжения является трансформаторной группой, состоящей из трех одинаковых однофазных трансформаторов (рис. 1).
Намагничивание трехфазных трансформаторов определяется как параметрами магнитной цепи, так и схемой соединения обмоток. В данной статье принято соединение обмоток 70/7-0.
уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа, будет иметь вид [7]:
Рис. 1. Конструкция магнитопровода, состоящая из группы из трех однофазных трансформаторов
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
При однофазном КЗ на землю в сети с изолированной нейтралью, в фазных напряжениях и токах появляются составляющие нулевой последовательности [6]:
зи0 = и А + и в + ис, (1)
где иА, ив , ис - фазные напряжения (иф) фаз А, В и С соответственно; ио - напряжение нулевой последовательности.
Схема, включающая фазные напряжения, напряжение нулевой последовательности, ток в первичной обмотке, активное сопротивление первичной цепи, индуктивное сопротивление рассеяния первичной цепи, число витков первичной обмотки, магнитные потоки, емкость конденсатора, ток в нулевом проводе, подобна имитационной модели, приведенной на рис. 2.
Запишем дифференциальные уравнения для группы из трех однофазных трансформаторов. Для контура, включающего в себя фазы А, В и С
и = + ^
аф 1
+
1 ро*, (2)
0 А А пА & А & С
ио = ¡вЪ + Кв ^ + +11(3)
& & С -1
ио = С^с + 4с ^ + Жс ^ + 1 I (4)
& ш: С -1
где и - напряжение нулевой последовательности; ^, ¡в, /с - ток в первичной обмотке фазы
A, В, С соответственно; , Яв, Яс - активное сопротивление первичной цепи фаз А, В, С соответственно; ЬаА, , £пС - индуктивное сопротивление рассеяния первичной цепи фаз А,
B, С соответственно; ^, , - число витков первичной обмотки фаз А, В, С соответственно; ф, ф, Фс - магнитные потоки фаз А, В, С соответственно; С - емкость конденсатора; /0 -ток в нулевом проводе.
Так как соединение первичных обмоток Yо, то сумма токов в узле равна соответственно:
(5)
¡А + *В + *С
Уравнения, составленные по второму закону Кирхгофа для магнитной цепи фаз А, В, С имеет вид:
(6)
(7)
(8)
НА1А = ™а'А;
Нв1в = ™в'в;
НС1С = ™С ' С ■
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ
Для исследования феррорезонансных явлений необходимо учесть насыщение магнито-провода трансформатора. Поэтому, на основании уравнений (2-8) была разработана имитационная модель (рис. 2).
Рис. 2. Имитационная модель однофазного КЗ на землю в цепях, включающих измерительный трансформатор напряжения, разработанная в программном пакете Ма1ЬаЬ (SimPowerSystems)
Д. В. Гусаков • Феррорезонансные явления в цепях, включающих измерительные трансформаторы 109
в
Рис. 3. Осциллограммы фазного напряжения на зажимах трансформатора (а), тока в нулевом
проводе (б), напряжения на конденсаторе (в) до насыщения магнитопровода трансформатора
в
Рис. 4. Осциллограммы фазного напряжения на зажимах трансформатора (а), тока в нулевом проводе (б), напряжения на конденсаторе (в) после насыщения магнитопровода трансформатора
На рис. 3 показаны осциллограммы фазного напряжения на зажимах трансформатора, тока в нулевом проводе и напряжения на конденсаторе до насыщения магнитопровода трансформатора. Из рис. 3 видно, что фазное напряжение на зажимах трансформатора до насыщения магнитопровода трансформатора синусоидальное, амплитуда напряжения равна 200 В. Ток в нулевом проводе до насыщения магнитопровода трансформатора синусоидальный, амплитуда тока
равна 0,4 А. Напряжение на конденсаторе до насыщения магнитопровода трансформатора синусоидальное, амплитуда напряжения равна 120 В. Таким образом, UKam -< IIф .
На рис. 4 показаны осциллограммы фазного напряжения на зажимах трансформатора, тока в нулевом проводе и напряжения на конденсаторе после насыщения магнитопровода трансформатора. Из рис. 4 видно, что фазное напряжение на зажимах трансформатора после насыщения магнитопровода трансформатора несинусоидальное, амплитуда напряжения возрастает до 400 В. Ток в нулевом проводе после насыщения магнитопровода трансформатора несинусоидальный, амплитуда тока возрастает до 3 А. Напряжение на конденсаторе после насыщения магнитопровода трансформатора несинусоидальное, амплитуда напряжения возрастает до 500 В. Очевидно, что U >~ U, .
б
в
Рис. 5. Гармонический состав напряжения на зажимах трансформатора (а), тока в нулевом проводе (б), напряжения на конденсаторе (в)
На рис. 5 показан гармонический состав напряжения на зажимах трансформатора, тока в нулевом проводе и напряжения на конденсаторе после насыщения магнитопровода. Видно, что в значительной степени присутствует третья гармоническая составляющая, а также пятая и седьмая. Это объясняется наличием нулевой
последовательности, вследствие феррорезо-нансного явления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В цепях с изолированной нейтралью, включающих трансформаторную группу, состоящую из трех одинаковых однофазных трансформаторов, возникают феррорезонансные явления.
В трансформаторе с таким типом магнито-провода насыщение приводит к значительному увеличению напряжения на конденсаторе, увеличению тока в нулевом проводе и увеличению напряжения на зажимах трансформатора.
После насыщения трансформатора с таким типом магнитопровода, напряжение на конденсаторе становится больше, чем напряжение на зажимах трансформатора и в гармоническом составе появляется третья гармоническая составляющая, а также пятая и седьмая.
Для компенсации феррорезонансных явлений необходимо, чтобы нулевая последовательность в трансформаторе отсутствовала при всех режимах работы. Поэтому наиболее рационально применить такие конструкции, в которых составляющие нулевой последовательности компенсировались бы и, тем самым, уменьшали суммарную индуктивность в стержнях ТН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зихерман М. Х. Антирезонансные трансформаторы напряжения. Технические требования и методы испытаний [Электронный ресурс]. URL: http://www.news.elteh.ru/arh/2011/68/12.php (дата обращения: 13.04.2015). [ M. H. Ziherman. (2015, Apr. 14). Anti-resonance voltage transformers . Technical requirements and test methods [Online], (in Russian). Avaliable: http://www.news.elteh.ru/arh/2011/68/12.php ]
2. СТО 56947007-29.240.10.191-2014. Методические указания по защите от резонансных повышений напряжения в электроустановках 6-750 кВ. М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2014. 33 с. [Guidelines for protection from resonance and to increase relations of voltage in electrical installations of 6-750 kV (in Russian), Standard of the organization 5694700729.240.10.191-2014, Moscow, Open Joint-Stock Company "Federal Grid Company Of Unified Energy System", 2014.]
3. Кадомская К. П., Лаптев О. А. Антирезонансные трансформаторы напряжения. Эффективность применения // Новости Электротехники. 2006. № 6 (42). С. 2-5. [K. P. Kadomskaya, O. A. Laptev. Antiresonance voltage transformers. Efficiency of application (in Russian) in News of Electrical Engineering, no. 6 (42), рр. 2-5, 2006].
4. Лавров Ю. А., Лаптев О. И. Современные антирезонансные трансформаторы напряжения. // Новости Электротехники. 2009. № 5 (59). С. 32-35. [YU. A. Lavrov, O. A. Laptev Modern anti-resonant voltage transformers (in Russian) in News of Electrical Engineering, no. 5 (59), рр. 32-35, 2009].
5. Зихерман М. Х., Львов М. Ю. Об антирезонансных трансформаторах напряжения 6-10-35 кВ. // Энергетик.
2003. № 10. С. 16-18. [M. KH. Zikherman, M. YU. L'vov. Anti-resonant transformers voltage 10/06/35 kV. (in Russian) in Energetik, no. 10, pp. 16-18, 2003].
6. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: учеб. пособие для техникумов. М.: Энергоатоиздат, 1988. 800 с. [N. V. Chernobrovov, V. A. Se-menov, Relay protection of power systems (in Russian). M.: Energoatoizdat, 1988.]
7. Серебряков А.С. Трансформаторы. Учебное пособие. - Княгинино: НГИЭИ, 2010. 300 с. [A. S. Serebryakov, Transformers (in Russian). Knyaginino.: NGIEI, 2010.]
ОБ АВТОРЕ
Гусаков Денис Валерьевич, асп. каф. электромеханики. Дипл. инж.-электроэнерг. (УГАТУ, 2011). Иссл. в обл. измер. трансформ. напряжения, феррорезонансных явлений.
METADATA
Title: Ferroresonance phenomenon in the circuits, including
measuring transformers. Author: D. V. Gusakov1 Affiliation:
1 Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia. Email: 1 gusakov.den@mail.ru. Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 20, no. 2 (72), pp. 106-110, 2016. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: This article describes the ferroresonance phenomenon in the circuits, including voltage measuring transformers. Magnetic core of transformer made by the group, which consists of three single-phase transformers. A mathematical model of a measuring transformer in the moment of single-phase ground fault were made. On the basis of a mathematical model was developed simulation model of ferroresonance phenomenon in the circuits, including measuring transformer. Based on the simulation model obtained oscillograms of the voltage on the terminals of the transformer, the current in the neutral conductor and the voltage on the capacitor before saturation and after saturation of the magnetic circuit, and their harmonic.
Key words: ferroresonance phenomenon; measuring transformer; three-phase group of single-phase transformers About author:
Gusakov Denis Valer'evich, Postgrad. (PhD) Student, Dept. of electromechanical. Dipl. electridty engineer (UGATU, 2011).
