CC BY
64
5. Данилин А.Н., Ивонин В.В., Куклин Д.В. Лабораторные исследования процессов искрообразования в увлажненном грунте в зависимости от амплитуды и длительности импульсного напряжения на заземленном устройстве // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып. 4. - Апатиты, 2013. - С. 38-56.
6. Данилин А.Н., Ивонин В.В. Зондовые измерения процессов растекания импульсных токов в увлажненном грунте // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып. 7. - Апатиты, 2014. - С. 31-35.
Сведения об авторах
Данилин Аркадий Николаевич,
заведующий лабораторией высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра
физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А
Эл. почта: danilin@ien.kolasc.net.ru
Ивонин Виктор Владимирович,
аспирант Кольского научного центра РАН
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А
Эл. почта: ivoninviktor@mail.ru
УДК 621.311
А.В.Бурцев, Ю.М.Невретдинов, А.А.Смирнов, Г.П.Фастий
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИССИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ВО ВТОРИЧНУЮ ОБМОТКУ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Аннотация
Приведены результаты экспериментальных исследований эмиссии электромагнитных возмущений в трехфазном силовом трансформаторе. Получены частотные характеристики функции передачи во вторичную обмотку трансформатора. В лабораторных условиях выявлено влияние режима нейтрали и токов во вторичной обмотке на формирование импульсных напряжений на выводах вторичной обмотки.
Ключевые слова:
эмиссия электромагнитных возмущений, импульсные перенапряжения, силовой трансформатор, функции передачи, частотные характеристики.
A.V.Burtsev, Y.M.Nevretdinov, А.А.8т1гпоу, G.P.Fastiy
RESEARCH OF ELECTROMAGNETIC DISTURBANCES EMISSION IN THE POWER TRANSFORMER SECONDARY WINDING
Abstract
Pilot studies results of electromagnetic disturbances emission in the three-phase power transformer secondary winding are given. Transfer function frequency characteristics to a transformer secondary coil are received. The influences of the neutral mode and secondary winding currents on the impulse voltage formation in the LV bushing are revealed.
Keywords:
electromagnetic disturbances emission, power transformer, pulse overvoltages, transfer function, frequency characteristics.
44
Проблемы защиты от грозовых перенапряжений, как правило, рассматриваются для оборудования распределительных устройств (РУ) с подключенными воздушными ЛЭП. Прогнозирование параметров перенапряжений на изоляции обмоток трансформатора низкой и средней сторон и в подключенных к ним сетях отсутствует. Также при моделировании грозовых перенапряжений на подстанции не учитывается обратное влияние подключенной сети на перенапряжения на вводах трансформатора высокой стороны. Основную трудность в таких задачах представляет отсутствие характеристик каналов эмиссии импульсных воздействий в силовом оборудовании (трансформаторы, генераторы). В [1] приведены результаты опытных исследований влияний на перенапряжения на вводах обмотки высокой стороны (ВН) трансформатора. Качественно показано влияние режима нейтрали обмотки ВН и тока вторичной обмотки (НН).
Специфика процессов эмиссии электромагнитных импульсов в силовом трансформаторе определяется волновыми свойствами его обмоток и многообразием емкостных и магнитных связей между обмотками, магнитопроводом и корпусом. Поэтому при постановке экспериментов на силовом трансформаторе необходимо предусмотреть возможность изменений исследуемой системы, в том числе исключение либо ослабление влияния каких-либо факторов, например емкостных или магнитных связей между элементами системы.
К сожалению, большого разнообразия вариаций невозможно выполнить при проведении экспериментов на действующих силовых трансформаторах в условиях эксплуатации. В частности, невозможно изменить схему соединения вторичной обмотки и, таким образом, оценить влияние индуцируемых в ней токов или исключить влияние емкости корпуса на обмотки и их элементы. Это затрудняет выявление специфики процессов формирования перенапряжений и определение передаточных функций каналов их эмиссии.
Указанные вариации в экспериментах возможны на моделях или в лабораторных условиях на трансформаторах аналогичного типа. Поэтому приведенные ниже исследования выполнены на бескорпусном трехфазном двухобмоточном силовом трансформаторе с воздушной изоляцией. Это позволило существенно уменьшить влияние емкости обмоток на заземленные элементы трансформатора, а также с помощью изменения схемы включения вторичных обмоток изучить влияние токов в этих обмотках.
Эксперименты на трансформаторе выполнены с использованием генератора импульсных напряжений (ГИН) без дополнительных схем формирования фронта импульса. Схема экспериментов приведена на рис. 1.
Источником возмущений является генератор ГИН, подключенный к вводу фазы А обмотки высокой стороны (ВН) трансформатора с помощью делителя напряжения на резисторах R1 и R2. Эквивалентное сопротивление источника ГИН в экспериментах составило 330 Ом. Соответственно, согласующие сопротивления обмоток фаз В и С также равны 330 Ом. Для регистраций импульсных напряжений и токов использован цифровой четырехканальный осциллограф.
Контроль напряжения на вводе фазы А обмотки ВН трансформатора (канал А осциллографа) выполнен с помощью делителя напряжения RД1 - RД2: также с помощью делителей напряжения регистрировались напряжения в нейтрали обмотки ВН (канал С осциллографа) и на выводах обмотки низкой стороны (НН) (канал D осциллографа).
45
трансформатор
Рис.1. Схема лабораторных экспериментальных исследований трансформатора
Для измерения импульсных токов, генерируемых в трансформаторе (канал В), использован шунт ЛШ в заземлении ГИН, а для контроля тока в заземленной нейтрали трансформатора (канал С) шунт ЯШН, объединенный с делителем напряжения в нейтрали. Переключения режима нейтрали и, соответственно, схемы измерений с делителем выполняется ключом KN.
Изменение влияния токов во вторичной обмотке выполнено с помощью ключа КНН.
Результаты экспериментов. Влияние режима нейтрали на изменение напряжения на вводе трансформатора и на обмотках НН представлены на рис.2а и б. Представленные осциллограммы соответствуют нормальной схеме включения обмотки НН в «треугольник».
Как видно из рис. 2а, при заземлении нейтрали обмотки ВН трансформатора начиная с 0.5 мкс происходит заметное снижение напряжения на ВН (примерно на 22%), что можно
объяснить влиянием потенциала нейтрали. Отметим, что увеличение напряжения на вводе обмотки ВН прекращается при времени примерно 1.2 мкс и объясняется ограничением потенциала вводов фаз В и С обмотки ВН, заземленных через согласующие сопротивления ЯС. Снижение напряжения на обмотке НН при заземлении нейтрали составляет около 35%, то есть превышает снижение напряжения на вводе ВН.
Спектры приведенных выше осциллограмм даны на рис.3а и б.
Как видно, изменения спектров исходного напряжения - возмущения на обмотке ВН - и реакции - напряжения на обмотке НН - различаются в диапазоне от 20 до 400 кГц. Также наблюдается увеличение гармоник в области 450-800 кГц в режиме изолированной нейтрали. Это может быть вызвано изменением частотных характеристик обмотки фА с подключенными через нейтраль обмотками фВ и фС.
46
Для оценки влияния тока размагничивания, наводимого в обмотке НН, выполнены аналогичные исследования в вариантах разрыва контура из фазных обмоток НН. Аналогичные результаты получены при включении обмотки НН в звезду без нагрузки. Соответствующие осциллограммы напряжений на вводе фА обмотки ВН (возмущений) приведены на рис. 4а. На рис. 4б приведены осциллограммы реакций - напряжений на выводе обмотки НН.
Как видно на рис. 4а, изменение режима нейтрали сказывается существенно меньше, чем в опытах с включением обмотки НН в «треугольник». Следовательно, при отсутствии размагничивающего тока в обмотке НН не выявлено заметного влияния изменения режима заземления нейтрали обмотки ВН на перенапряжения на вводах ВН трансформатора.
Однако режим заземления существенно влияет на напряжение на выводах обмотки НН. Это объясняется тем, что при изолированной нейтрали повышается потенциал элементов обмотки ВН и реакция на стороне НН обусловлена, в основном, емкостной связью между обмотками ВН и НН.
Сопоставление спектров напряжений на вводе ВН и НН при исключении тока в обмотке НН приведено на рис. 5.
а
Рис.2. Влияние режима нейтрали на импульс напряжения на вводе обмотки ВН и выводах обмотки НН трехфазного трансформатора (НН включена в «треугольник»):
а - напряжение на вводе фазы А обмотки ВН; б - напряжение на обмотке НН
47
а
б
Рис.3. Сопоставление спектров возмущения на обмотке ВН трансформатора и реакции на обмотке НН:
а - спектры напряжения на вводе фазы А обмотки ВН; б - спектры реакции - напряжения на вводе обмотки НН
Из сопоставления спектров на рис. 5а видно, что изменение АЧХ возмущения - напряжения на вводе фазы А обмотки ВН при изменении режима нейтрали меняется относительно слабо. АЧХ реакции - напряжения НН меняется практически на порядок в диапазоне 20-400 кГц.
1500
1000-
U тт т> 1 UBH* D изолированная нейтраль
о —1—
заземленная нейтраль/
//
0- // -
//
/у 0— 1 , t.ceK
1x10''
2x10
3x10'1
Рис.4. Влияние режима нейтрали на импульс напряжения на вводе обмотки ВН и выводах обмотки НН трехфазного трансформатора при отсутствии тока в обмотке НН:
а - напряжение на вводе фазы А обмотки ВН; б - напряжение на обмотке НН
а
б
48
а
б
Рис.5. Сопоставление спектров возмущения на обмотке ВН трансформатора и реакции на обмотке НН при отсутствии тока в обмотке НН: а - спектры напряжения на вводе фазы А обмотки ВН; б - спектры реакции - напряжения на вводе обмотки НН
Частотные характеристики канала эмиссии импульса напряжения в обмотку НН. По результатам экспериментов в действующей сети [2, 3] показано влияние формы импульсного воздействия на частотные характеристики канала эмиссии возмущений в нейтраль. В опытах, приведенных в данной статье, форма воздействия на силовой трансформатор была практически одинакова. Поэтому изменения частотных
характеристик функции передачи канала распространения импульса напряжения будут отражать только влияние режима нейтрали обмотки ВН и индуцируемого тока в обмотке НН.
Частотные характеристики передаточных функций получены
следующим образом. Предварительно получены спектры напряжений на вводе обмоток ВН (возмущений) и НН (реакций). АЧХ этих спектров приведены на рис. 3 и 5 для различных режимов нейтрали обмотки ВН трансформатора и режимов обмотки НН - включение в «треугольник» или разрыв контура для исключения тока в обмотке. Гармонические составляющие спектра функции передачи канала «обмотка ВН - обмотка НН» трансформатора
Kвн-нн (f) в комплексном виде рассчитаны по гармоникам напряжения на вводе
ВН gUВН (f) и напряжения на обмотке НН gUНН (f) :
K вн-нн (f )
gUHH (f) gUВН (f )
Влияние режима нейтрали для нормальной схемы соединения обмоток (НН в «треугольник») приведено на рис. 6а. Здесь же на рис. 6б дано сопоставление для опыта с исключением тока в обмотке НН.
49
а
б
1 ^вн-нн| и с лированная неГпр аль
I/
оШИ Ш 11 III 1 III 111 ff > ...[ -J. заземленная не / ' t йтраль f'iyi
и 5х105 1x10й 1,5x10й £ Гц
Рис.6. Изменение АЧХ функции передачи напряжения по каналу «обмотка ВН - обмотка НН» силового трансформатора при изменении режима нейтрали:
а - режим “обмотка НН включена в «треугольник»”; б - режим разрыва контура обмотки НН
Как видно из рис. 6а, влияние режима нейтрали на функцию передачи электромагнитного возмущения канала «обмотка ВН - обмотка НН» имеет сложный характер. Так, при заземлении нейтрали ВН коэффициент передачи по амплитуде для гармоник 40-260 кГц увеличивается до 2 раз, Также увеличивается коэффициент передачи по амплитуде в диапазоне
0.8-1.2 МГц. Однако в диапазоне 0.5-0.76 МГц увеличение коэффициента передачи происходит, наоборот, в режиме изолированной нейтрали. В этом же диапазоне частот наблюдается резонансное явление на частоте около 0.74 МГц с увеличением коэффициента передачи более 1.
Влияние тока, индуцируемого в обмотке НН импульсным воздействием, можно рассмотреть из сопоставления АЧХ функции
передачи ^вН-НН (f) в режимах с заземленной нейтралью обмотки ВН (рис. 6а) и изолированной от земли нейтрали (рис. 7б).
а б
Рис.7. Изменение АЧХ функции передачи напряжения по каналу «обмотка ВН - обмотка НН» силового трансформатора при исключении влияния тока в обмотке НН:
а - режим заземленной нейтрали обмотки ВН; б - режим изолированной нейтрали обмотки ВН
50
Как видно из рис. 7а, в режиме с заземленной нейтралью включение обмотки НН в «треугольник» с появлением тока размагничивания в этой обмотке приводит к увеличению коэффициента передачи по амплитуде
для всех гармоник. Наибольшее увеличение K вн-нн (f) происходит
для гармоник с частотой ниже 200 кГц.
В режиме изолированной нейтрали влияние тока размагничивания имеет
разнообразный характер. Так, коэффициент передачи Kвн-нн(f) уменьшается для гармоник от 100 до 250 кГц и увеличивается для гармоник в диапазоне от 300 кГц до 0.8 МГц. Резонансное явление на частоте 180-200 кГц при заземлении нейтрали смещается на частоту
0. 76.МГц. Это связано с перераспределением емкостных связей при изменении режима нейтрали и увеличением тока в обмотке ВН при заземлении ее нейтрали.
Следует отметить, что представленные результаты получены для бескорпусного трансформатора, то есть с малой емкостью на землю. Конструкция обмоток трансформатора отличается от конструкции трансформаторов, используемых в высоковольтной сети. Соответственно, имеются различия частотных характеристик. Поэтому приведенные результаты качественно отражают процессы эмиссии импульсных напряжений во вторичную обмотку и влияющие факторы.
Выводы
1. Разземление нейтрали обмотки ВН трансформатора создает условия для повышения импульсных перенапряжений на изоляции вторичной обмотки.
2. Выявлено влияние токов во вторичной обмотке, соединенной в «треугольник», на формирование импульсных перенапряжений на силовом трансформаторе и в подключенной сети. Это свидетельствует о необходимости совершенствования модели трансформатора при решении задач грозозащиты подстанций и эмиссии опасных воздействий в подключенную сеть.
3. Изменения режима нейтрали трансформатора сопровождаются качественными изменениями частотных характеристик функции передачи импульсных напряжений в обмотку НН. На характер изменений эмиссии существенно влияет размагничивающий ток вторичной обмотки.
Литература
1. Бурцев А.В., Невретдинов Ю.М., Смирнов А.А. Лабораторные экспериментальные исследования импульсных характеристик силового трансформатора // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып. 9. - 2014. - № 7 (26). - С. 35-40.
2. Власко Д.И., Востриков А.О., Невретдинов Ю.М. Грозовые перенапряжения на изоляции нейтрали трансформаторов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып. 4. - Апатиты, 2012. - С. 38-45.
3. Домонов А.П., Власко Д.И., Невретдинов Ю.М. Проблемы и перспективы
регистраций грозовых перенапряжений на подстанциях // Электроэнергетика глазами молодежи: науч. тр. междунар. науч.-техн. конференции
(Самара, 21-25 ноября 2011 г.). - Самара: СамГТУ. - С. 70-75.
51
Сведения об авторах Бурцев Антон Владимирович,
старший инженер 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
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
Смирнов Андрей Анатольевич,
ведущий инженер отдела буро-взрывных работ Управления ОАО «Апатит»
Россия, 184250, Мурманская область, г. Кировск, ул. Ленинградская, д. 1 Эл. почта: smirnov1104@yandex.ru
Фастий Галина Прохоровна,
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: fastiy@ien.kolasc.net.ru
УДК 621.311
В.В.Колобов, М.Б.Баранник, А.А.Жамалетдинов
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ КНЧ-ГЕНЕРАТОРА «ЭНЕРГИЯ-2»
ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ В ХОДЕ МЕЖДУНАРОДНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА FENICS-2014*
Аннотация
Описан уникальный международный эксперимент FENICS-2014 по глубинным электромагнитным зондированиям с применением двух взаимно ортогональных воздушных ЛЭП. Рассмотрены работы по модернизации КНЧ-генератора «Энегия-2» мощностью 200 кВт. Приведены результаты разработки согласующего устройства для генератора «Энергия-2».
Ключевые слова:
эксперимент FENICS, электромагнитные зондирования, КНЧ-генератор, линии электропередачи, согласующее устройство, продольная компенсация.
V.V.Kolobov, M.B.Barannik, A.A.Zhamaletdinov
OPERATING EXPERIENCE OF ULF-GENERATOR «ENERGY-2»
FOR ELECTROMAGNETIC SOUNDING
DURING THE INTERNATIONAL EXPERIMENT FENICS-2014
Abstract
The world-unique international experiment FENICS-2014 on tensor deep frequency electromagnetic sounding with using of two mutually orthogonal power lines is described. Before the experiment the 200 kW ULF-generator «Energy-2» was upgraded. Electric circuit and construction of the generator are described. The results of electronic circuit design and selection electronic components of capacitive longitudinal compensation unit for «Energy-2» generator are presented.
Keywords:
FENICS experiment, ultra low frequency transmitter, electromagnetic soundings, power lines, matching unit, capacitive longitudinal compensation.
ж
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 13-05-12044).
52
