CC BY
76
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
УДК 621.311
А.В.Бурцев, Ю.М.Невретдинов РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАТОРНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОБСЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ*
Аннотация
Показана необходимость разработки генераторно-измерительного комплекса для обследования характеристик каналов эмиссии грозовых перенапряжений в силовых трансформаторах в действующих сетях. Описаны требования к комплексу и с его помощью проведены первичные обследования силового трансформатора 110 кВ.
Ключевые слова:
генераторно-измерительный комплекс, силовой трансформатор, импульсные характеристики.
A.V.Burtsev, Y.M.Nevretdinov DEVELOPMENT OF GENERATOR-MEASUREMENT COMPLEX
FOR SURVEYING POWER TRANSFORMER IMPULSE CHARACTERISTICS
Abstract
Necessity of generator-measuring complex for survey of lightning overvoltages distribution channels characteristics in power transformers in the existing power grids is shown. Requirements to the complex are described. The primary surveys of the 110 kV power transformer have been conducted by instrumentality of this complex.
Keywords:
generator-measurement complex, power transformer, impulse characteristics.
Системы контроля электромагнитных воздействий и диагностирования объектов предполагают наличие известных характеристик, соответствующих контролируемым воздействиям. В частности, для контроля атмосферных перенапряжений на изоляции силовых трансформаторов необходимы соответствующие импульсные характеристики каналов распространения этих воздействий [1]. В настоящее время считается, что для точного описания передаточных функций любого объекта достаточно их представление в виде амплитудо-фазочастотных характеристик (АФЧХ). Например, для канала эмиссии грозовых перенапряжений в сеть, подключенную к обмотке низкой стороны трансформатора, достаточно иметь АФЧХ канала распространения этих воздействий «ввод высокой стороны - ввод низкой стороны». Эта методика используется, в частности, для прогнозирования перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов [2, 3].
Экспериментальная проверка перспективы использования частотного метода выполнена при натурных импульсных испытаниях в действующей сети ряда подстанций. В экспериментах на подключенной ЛЭП генерировался импульс напряжения, а измерения выполнены на вводах силовых трансформаторов и в нейтрали [4, 5].
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11-08-00690).
При проведении экспериментов в действующем ОРУ 330 кВ автотрансформаторы имеют глухое заземление нейтрали. Поэтому контроль реакции на импульсное напряжение был возможен только для тока в неразъемной заземляющей шине. Измерения выполнялись с помощью пассивного электромагнитного датчика (ЭМД) и активного датчика (АДТ), использующего эффект Холла. По результатам измерений датчик на эффекте Холла показал существенное искажение регистрируемого сигнала, что объясняется прохождением сигнала через емкостные связи. Этот вывод подтвержден измерениями этим же датчиком с отключенным питанием.
Расшифровка результатов регистраций с помощью датчика ЭМД показали неоднозначность интерпретации результатов измерений с помощью частотного метода. Проверка прямой и обратной интерпретации частотным методом выполнена благодаря тому, что в экспериментах форма импульсного напряжения на вводах силового трансформатора существенно различалась в зависимости от моделирования действия защитного аппарата [4]. Таким образом, сделан вывод о невозможности применения частотного метода для описания импульсных характеристик автотрансформатора в направлении эмиссии сигнала «ввод 330 кВ - заземленная нейтраль».
По результатам лабораторных исследований импульсных характеристик датчика ЭМД установлено, что его передаточная функция «измеряемый ток - напряжение на выходе» также неудовлетворительно описывается частотным методом. Поэтому выводы экспериментальных исследований в ОРУ 330 кВ нельзя однозначно распространять на передаточные характеристики автотрансформатора. Таким образом, в цитируемом эксперименте показана неоднозначность частотной интерпретации передаточной функции системы «автотрансформатор - датчик тока ЭМД», а не самого автотрансформатора.
Для контроля импульсных характеристик силового трансформатора необходимо обследование с выводом его из работы. С целью проведения контрольных измерений на действующем силовом трансформаторе, временно выведенном из работы, необходима была разработка генераторно-измерительного комплекса (ГИК) и соответствующих требований к нему.
Основными задачами разрабатываемого ГИК являются:
• проведение нестандартизованных исследований характеристик каналов распространения электромагнитных воздействий в силовом электрооборудовании, которое по предварительным данным можно отнести к объектам, имеющим, наряду со свойствами сосредоточенных электротехнических элементов, волновые свойства объектов с неравномерно распределенными параметрами по направлению распространения воздействия;
• выявление областей неоднозначности характеристик и формирование воздействий в выявленной области неоднозначности;
• исследование возможности существенного расширения объема информативности исследований при сокращении времени исследований (эта задача включает возможность обследования одновременно нескольких каналов распространения электромагнитного воздействия, а также выявление областей неоднозначности и их детализацию).
Задачи первого этапа:
• контрольные обследования передаточных функций действующего силового трансформатора для однозначного выявления проблемы неоднозначности характеристик (зависимости от параметров воздействия) и возможности применения частотного метода или его адаптации;
• выявление диапазонов варьирования воздействий, влияющих на объем измерений;
• выявление неоднородностей (резонансов и других явлений), при которых существенно снижается шаг дискретизации параметров воздействия (тестового сигнала) и увеличиваются объем и время обследований;
• выявление возможности автоматизации обследований;
• требования к помехозащищенности и погрешности измерений;
• обобщение требований к безопасности и оперативности обследований.
Спецификой объекта обследования (силовых трансформаторов
и автотрансформаторов) являются:
• нахождение в действующем высоковольтном устройстве (ОРУ, ЗРУ и т.п.), т.е. в зоне действия электромагнитных полей сильноточных электроустановок с возможным коронированием с проводов;
• большие габариты, исключающие создание малоиндуктивных измерительных цепей;
• значительное ограничение времени проведения обследований (вывода объекта из работы);
• большое количество каналов распространения тестовых воздействий (между фазами одной обмотки, между обмотками, фаза - нейтраль) с варьированием режима нейтрали и подключений к обмоткам;
• наличие подключений, которые по условиям работы объекта или по требованиям техники безопасности не могут быть отключены.
Исходя из специфики обследуемого объекта, при разработке ГИК должны быть учтены следующие требования.
1. Возможность одновременных измерений большого числа физических величин (например, напряжений на вводах всех фаз всех обмоток); при невозможности одновременных измерений необходима возможность их согласования по времени.
2. Возможность варьирования числа точек подключения генераторного оборудования, т.е. возможность подачи воздействия на один или несколько из вводов обмотки.
3. Возможность варьирования режима включения объекта: заземление или изоляция нейтрали, изменение схемы и параметров элементов нагрузки на обмотки.
4. Возможность варьирования параметров и формы напряжения или тока генератора.
5. Возможность оперативных переключений точек генерирования и измерений с учетом больших габаритов трансформатора, протяженности измерительных присоединений, а также большого объема опытов и регистраций.
6. Помехоустойчивость определяет требования к мощности тестового воздействия и уровням генерируемых сигналов и реакции на них.
7. Контролируемость воздействий и реакции определяется возможностью дублирования параметров воздействий и регистраций без увеличения объемов и времени обследований.
8. Безопасность при работах в действующей электроустановке. Генераторно-измерительный комплекс не должен представлять опасности для оборудования подстанции (включая автоматику), а также для технического персонала.
9. Мобильность. Комплекс должен быть удобным для транспортировки и размещения на объекте, а также минимизировать затраты времени на подключение и отключение.
10. Автономность предполагает исключение негативной связи с сетью подстанции и контуром заземления или исключение влияния этой связи на результаты регистраций.
Для проведения контрольных экспериментов на первом этапе в ЦФТПЭС РАН разработан вариант генераторно-измерительного комплекса для регистрации воздействий и реакций в каналах эмиссии атмосферных перенапряжений в силовых трансформаторах.
В соответствии с задачами генераторный комплекс должен обеспечить воздействие на фазы обмоток трансформатора периодическим сигналом, а также импульсом и сигналом смешанной формы. Поэтому в генераторный блок комплекса включены генератор периодических сигналов (синусоидальной и специальной формы) Г3-33 и импульсный генератор с устройством формирования колебательного импульса. Достоинством Г3-33 является мощность сигнала и достаточно большой уровень напряжения на выходе (около 30 В). Недостаток - ограничение по частоте.
Апериодический сигнал создается генератором импульсных напряжений (ГИН) с амплитудой до 800 В. В опытах с изменением формы воздействия ГИН дополнен простейшим RLC-контуром для формирования колебаний в начале импульса (рис.1, левый блок).
А а
В Трансформатор ь
С N с
Рис.1. Схема коммутационного блока
Измерительный блок сформирован из многоканального осциллографа «Актаком» и коммутационного блока. Осциллограф позволяет выполнять регистрации одновременно по четырем независимым каналам, что позволяет выделить один или два канала для синхронизации отдельных регистраций. Частота дискретизации осциллографа достигает 100 МГц на канал в режиме реального времени. Этой величины достаточно для перекрытия частотного диапазона грозовых воздействий. В проведенных опытах в качестве опорного сигнала выбрано генерируемое напряжение на вводе трансформатора. В качестве дополнительных (контрольных) регистраций использован один из каналов измерения реакции на одной из фаз. Этот канал варьировался для увеличения числа дублирующих регистраций.
Коммутационный блок состоит из входа для подачи сигнала с генератора, семи трехпозиционных ключей для переключения подачи сигнала на нужные фазы и нейтраль трансформатора и девяти выходов для подключения измерительной аппаратуры. Схема переключений коммутационного блока показана на рис.1. Цифрами от 1 до 9 показаны выходы блока. Девятый выход представляет собой петлю провода, который пропускается через датчик тока, что позволяет контролировать напряжение и ток (при этом стоит учитывать характеристики ДТ).
В качестве источника питания использован бензогенератор с напряжением на выходе 220 В, к которому подключается источник бесперебойного питания (ИБП). Непосредственно к ИБП подключается весь измерительный комплекс.
Контрольные эксперименты на первом этапе проведены на одной из подстанций 110 кВ ОАО «Апатит». Объект обследования - силовой трансформатор ТДН-10000 110/6.0 У/-/Д (рис.2).
Рис. 2. Подготовка ГИК для обследования трансформатора ТДН-10000
Обследование выполнено в два этапа: подача периодического сигнала определенных частот и подача апериодического (импульсного) сигнала. Оба этапа проводились для режимов замкнутой или изолированной нейтрали.
Для всестороннего исследования трансформатора на каждом этапе было проведено несколько измерений, в которых с помощью ключей изменялось направление подачи сигнала с генератора. Работы с переключениями проведены по следующей программе.
1. Подача сигнала с генератора через сопротивление 1 кОм со стороны ВН (во всех ниже приведенных случаях фазы а, Ь и с стороны НН имеют емкость на землю):
• на фазу А, фазы В и С изолированы;
• на фазу А, фазы В и С замкнуты на землю через сопротивление 1 кОм;
• на фазы А и В, фаза С изолирована;
• на фазы А и В, фаза С замкнута на землю через сопротивление 1 кОм;
• на фазы А, В и С.
2. Подача сигнала с генератора через сопротивление 1 кОм в нейтраль N (фазы а, Ь и с стороны НН также имеют емкость на землю, а фазы А, В и С стороны ВН замкнуты на землю через сопротивление 1 кОм).
3. Подача сигнала с генератора через сопротивление 1 кОм со стороны НН (во всех ниже приведенных случаях фазы А, В и С стороны ВН замкнуты на землю через сопротивление 1 кОм):
• на фазу а, фазы Ь и с имеют емкость на землю;
• на фазы а и Ь, фаза с имеет емкость на землю;
• на фазы а, Ь и с.
На первом этапе при использовании генератора периодических сигналов на трансформатор подавались сигналы частотой 1, 10, 100, 200 кГц, а также сигнал с резонансной частотой, которая определялась в ходе эксперимента с помощью измерительного оборудования.
На втором этапе использовался ГИН. На трансформатор сигнал с ГИН подавался как напрямую, так и через дополнительную ЕЪС-схещ, формирующую наложение колебаний на импульс напряжения. Измерения на выходах коммутационного блока проводились через омический делитель напряжения с понижающим коэффициентом 37.
Примеры осциллограмм, отражающих воздействие на различные вводы трансформатора и реакции на эти воздействия, представлены на рис.3-6.
Г
N с і
Г\ гу\
/Д N /Д
/\ ( г' Н ! '
і \\7 1 Ю
V/ \У
\/ V/
/\ 7\
и У /[Д
Г ' г/ ^ а И
V; V/
Рис. 3. Осциллограммы напряжений с выхода генератора Г, на вводах трансформатора со стороны ВН (А, В, С), со стороны НН (а, Ь, с) и в нейтрали N при подаче сигнала с генератора в нейтраль при частоте (кГц): а и б - 1; в - 10; г - 100
б
а
в
г
а
б
п /ґ\
Л /А
А
П с н
1/ \/
г \
А
ОТ/ / вс \Г/
\У \7
Рис.4. Осциллограммы напряжений с выхода генератора Г, на вводах трансформатора со стороны ВН (А, В, С), со стороны НН (а, Ь, с) и в нейтрали N при подаче сигнала с генератора на фазу А со стороны ВН в режиме замкнутой нейтрали при частоте (кГц):
а -1; б -10; в -100; г -10 в режиме изолированной нейтрали
Рис.5. Осциллограммы напряжений с выхода генератора Г, на вводах трансформатора со стороны ВН (А, В) и в нейтрали N при подаче импульсного сигнала с генератора в нейтраль с использованием ЕЬС-контура
в
г
О 2x10 3 4x10 5 6x10 3
Рис.6. Осциллограммы напряжений с выхода генератора Г, на вводах трансформатора со стороны ВН (А, В, С) при подаче импульсного сигнала с генератора на фазы А и В со стороны ВН без использования ЕЬС-контура
Всего объем регистраций составил более 5000 осциллограмм.
По результатам контрольных испытаний выявлено.
1. Частотные обследования требуют больших затрат времени и являются трудоемкими. Это определяется необходимостью поиска резонансных частот и повторенных настроек при регистрации большого числа каналов распространения сигналов. В выполненных экспериментах контролировалось 9 каналов распространения тестовых воздействий.
2. Обработка регистраций показала необходимость дополнительных опытов вблизи резонансной частоты (как в сторону уменьшения частоты, так и в сторону ее увеличения).
3. Целесообразность в области высоких частот (резонансных явлений) выполнить регистрации с наложением нескольких частот в генерируемом сигнале.
4. Необходимость увеличения возможности варьирования формы импульсных и комбинированных сигналов.
5. Формирование сигналов специальной формы с включением резонансных частот.
6. Проведение опыта с включением периодического воздействия и регистраций реакций, соответствующих переходным процессам и времени релаксации.
7. Разработка специальной методики для выявления влияний измерительных подключений достаточно большой длины.
Как видно, основные требования предъявляются на данном этапе к генераторному блоку.
Выводы
1. Разработаны требования к генераторно-измерительному комплексу для обследования характеристик каналов эмиссии грозовых перенапряжений силовых трансформаторов.
2. Экспериментально апробирован вариант ГИК при обследовании действующего силового трансформатора 110 кВ и определены дальнейшие направления совершенствования испытательного комплекса.
Литература
1. Калявин В.П. Надежность и диагностика электроустановок / В.П.Калявин, Л.М.Рыбаков. - Йошкар-Ола: Марийский госуниверситет, 2000. - С. 369.
2. 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.: Изд. ПЭИПК, 2001. - С. 120.
3. Золотых А.В. Выбор ограничителей перенапряжений для защиты нейтрали силовых трансформаторов 110-220 кВ / АВ.Золотых, Ф.Х.Халилов. Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып.6. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2013. - № 2 (15). - С. 76-85.
4. Проблемы и перспективы регистрации грозовых перенапряжений в действующей сети / ДНВласко, АО.Востриков, АПДомонов, Ю.М.Невретдинов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып.5. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2011. - С. 54-64.
5. Власко Д.И. Грозовые перенапряжения на изоляции нейтрали трансформаторов / Д.И.Власко, А.О.Востриков, Ю.М.Невретдинов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып.4. - Апатиты: Изд. КНЦ, 2012. - С. 38-44.
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: [email protected]
Невретдинов Юрий Масумович
ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной энергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, кандидат технических наук
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А эл. почта: [email protected]
УДК 621.311
Д.И.Власко, Ю.М.Невретдинов, Г.П.Фастий ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗМЕЩЕНИЯ ГРОЗОЗАЩИТНЫХ АППАРАТОВ НА ПОДСТАНЦИИ 110 КВ*
Аннотация
Приведены результаты исследований эффективности грозозащиты подстанции 110 кВ при замене вентильных разрядников на нелинейные ограничители перенапряжений. Показана опасность обратных перекрытий изоляции ЛЭП при ударах молнии в опоры и трос на подходах к подстанциям, а также возможность уменьшения длины тросовых подходов.
Ключевые слова:
грозовые перенапряжения, подстанция, грозовые волны, грозозащита, надежность.
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11-08-00690).
