CC BY
93
Сведения об авторах Куклин Дмитрий Владимирович,
младший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А эл.почта: kuklindima@gmail.com
Селиванов Василий Николаевич,
заместитель директора по науке Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А эл.почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru
УДК 622.311.1:658.26 В.В.Ярошевич, А.С.Карпов
ВЛИЯНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Аннотация
Выполнен анализ условий формирования перенапряжений силовых трансформаторов, токовых воздействий и данных регистрации показателей качества электроэнергии. Выявлен источник наиболее опасных токовых воздействий, имеющих ударный несимметричный характер с наложением переходных смещений и сверхнизкочастотных процессов. Представлены предложения по ограничению электромагнитных воздействий на силовые трансформаторы.
Ключевые слова:
силовой трансформатор, перенапряжения, подстанция, качество электроэнергии, надежность, электромагнитная совместимость.
V.V.Yaroshevich, A.S.Karpov
INFLUENCE OF NONSTATIONARY ELECTROMAGNETIC EFFECT ON POWER TRANSFORMERS
Abstract
The analysis of the formation conditions of surge power transformers, current impacts and registration data the quality of electricity. Identified the source of the most dangerous impacts of current having a stroke unbalanced character superimposed over transient displacement and low-frequency processes. Presented proposals to limit electromagnetic interference on power transformers.
Keywords:
power transformer, voltage, substation, power quality, reliability, electromagnetic compatibility.
Воздействие на силовые трансформаторы возможно как со стороны энергосистемы (в виде перенапряжений при различных режимах работы сети), так и со стороны потребителей, обладающих мощными приемниками с нелинейными характеристиками, в виде электромагнитного влияния. Для подробного исследования исходными данными являются результаты экспериментов на действующей подстанции, где зафиксированы характеристики перетоков мощности и токов, а также подробная техническая информация о силовом оборудовании для моделирования конкретной схемы в программной среде.
Исследуемая подстанция 110/10 кВ (рис.1) находится в промышленной зоне города. Основным потребителем подстанции является машиностроительное предприятие. По ряду отходящих фидеров 10 кВ питаются городские потребители.
54
Рис.1. Принципиальная схема подстанции
На момент измерений трансформатор Т-2 был выведен из работы. Системы шин 10 кВ запитаны от трансформатора Т-1, поэтому секционные выключатели находились во включенном состоянии. Таким образом, системы шин I с.ш. и II с.ш., а также Ш с.ш. и IV с.ш. были попарно гальванически связаны через секционные выключатели (рис.1). Первоочередной причиной повышенного износа силовых трансформаторов является «некачество» электроэнергии [1-5]. Регистрации показателей качества электроэнергии (ПКЭ) выполнены на трансформаторах токов вводных (рис.1 № 1-4) и секционных выключателей (рис. 1 № 5, 6) сертифицированными приборами серии «Парма».
Результатом регистраций ПКЭ стали выводы о присутствии искажений со стороны 10 кВ в виде отклонения напряжения от норматива и несинусоидальности по ряду гармоник. По характеру искажений видно, что негативное влияние оказывают мощные установки, которые могут находиться лишь на промышленном предприятии. Однако в данной схеме измерения ПКЭ по напряжению оказалось недостаточно для локализации источника искажений [6-9]. Тем не менее, результаты таких экспериментов представляют общую картину качества электроэнергии на данной подстанции и позволяют сузить область возможных влияний на силовые трансформаторы.
Для исследуемой схемы рассмотрены возможные варианты перенапряжений, которые негативно влияют на трансформаторы и являются причиной повышенного износа силовых трансформаторов. Были проведены исследования атмосферных, коммутационных и дуговых перенапряжений.
Формирование атмосферных перенапряжений на оборудовании подстанции обусловлено прорывами молнии на ошиновку при разрядах в подстанцию, а также набегающими по ЛЭП грозовыми волнами. Появление опасных грозовых волн возможно при прорывах ударов молнии на фазные провода мимо тросовой защиты в пределах подходов ЛЭП к подстанции и при ударах молнии в опоры или трос на подходах ЛЭП с последующими обратными перекрытиями их изоляции. Увеличение вероятности обратных перекрытий в пределах тросовых подходов характерно для районов с высоким удельным сопротивлением грунта, где имеются проблемы практической реализации заземлений опор в соответствии с требованиями ПУЭ. Рассматриваемый район не относится к указанным, поэтому нормативные требования по молниезащите достаточны.
55
На подстанции защита от атмосферных перенапряжений обеспечивается системой стержневых молниеотводов (защита от прямых ударов молнии в ошиновку подстанции), защитой подходов ЛЭП и разрядниками типа РВМГ-110М. Защитные аппараты установлены в непосредственной близости от силовых трансформаторов в соответствии с требованиями ПУЭ. Защита изоляции обмоток 10 кВ выполнена разрядниками РВП-10, установленными также в непосредственной близости от выводов 10 кВ силовых трансформаторов.
В сети 110 кВ используется частичное разземление нейтралей силовых трансформаторов. На подстанции нейтрали обмоток 110 кВ Т-1 и Т-2 разземлены. Изоляция нейтралей Т-1 и Т-2 защищена разрядниками РВС-35 и РВС-15. Молниезащита на ПС выполнена в полном соответствии с требованиями ПУЭ, следовательно, молниезащита силовых трансформаторов обеспечивает нормативную надежность.
Условия формирования атмосферных перенапряжений на обоих силовых трансформаторах одинаковы. Поэтому воздействиями атмосферных перенапряжений нельзя объяснить разную степень расходования ресурса и износа Т-1 и Т-2.
Возникновение коммутационных перенапряжений в схеме 10 кВ подстанции возможно лишь при операциях выключателями присоединений, секционными и вводными выключателями. В РУ-10 кВ установлены масляные выключатели типа ВМП-10, ВМПЭ и ВМПП, которые допускают повторные зажигания дуги при коммутациях больших токов замыканий. Однако влияние емкости подключенных кабелей существенно сглаживает коммутационные перенапряжения. Таким образом, появление коммутационных перенапряжений большой кратности практически исключено.
Перенапряжения при отключениях ненагруженных трансформаторов или машин могут возникать на присоединениях со стороны коммутируемого оборудования, поэтому для силовых трансформаторов Т-1 и Т-2 они опасности не представляют.
Изучение процессов, сопровождающих наиболее вероятные случаи однофазных замыканий на землю, выполнено на модели, схема которой приведена на рис.2. При приведении расчетной модели к условиям работы силовых трансформаторов Т-1 и Т-2 выполнен учет гальванической развязки сети 110 кВ и 10 кВ, режима заземления нейтрали на стороне 110 кВ, подключения дугогасящего реактора через 4ДК и через трансформатор присоединения ТМ 4ДК, влияния магнитной связи обмоток 10 кВ, шунтирующего влияния нагрузки на междуфазные емкости.
Наличие дугогасящих реакторов в значительной степени предотвращает повышение интенсивности дуговых перенапряжений. Их использование позволяет скомпенсировать емкостную составляющую токов однофазных замыканий на землю, повышает вероятность самогашения дуги при неустойчивых перекрытиях изоляции элементов сети 10 кВ, а также существенно снижает частоту повторных зажиганий дуги и перенапряжений при повреждениях изоляции [10-12].
Воздействие на силовые трансформаторы в виде повышения напряжения на неповрежденных фазах наблюдается как в момент замыкания, так и после ликвидации или промежуточного гашения дуги в месте повреждения.
При нарушениях точности настройки дугогасящих реакторов, обусловленных ограниченным числом переключений параметров реактора и схемными изменениями подключенной сети, возможно возникновение низкочастотных колебаний напряжения при самоликвидации однофазных замыканий с повышением напряжения на неповрежденных фазах выше линейного. Расчетные напряжения на поврежденной и неповрежденной фазах при гашении дуги (самоликвидации) короткого замыкания в случае расстройки реактора на 5% (К=0.95) приведены на рис.3. Кратность повышения напряжения на неповрежденной фазе при перекомпенсации емкостного тока К=1.06.
56
Рис.2. Схема расчетной модели для анализа перенапряжений и переходных процессов при однофазных замыканиях на землю в сети 10 кВ подстанции
Рис.3. Расчетные осциллограммы напряжений на поврежденной фазе А (а) и неповрежденной фазе В (б) при ликвидации однофазного короткого замыкания. Коэффициент перекомпенсации К=1.06
57
Таким образом, кратность повышения напряжения не является опасной для изоляции электрических машин. Так, случаи замыгканий на землю за время исследований не зарегистрированы. С учетом запаса электрической прочности изоляции трансформатора повышения напряжения на неповрежденных фазах при самоликвидации неустойчивых замыканий на землю не представляют опасности для изоляции обмоток 10 кВ Т-1 и Т-2.
Возбуждение перенапряжений при обрыве тока в дугогасящих реакторах ДК, например, при отключениях двухфазных замыканий на землю, исключено, так как изменение емкости сети, подключенной к шинам с реакторами ДК, меняется после коммутации несущественно.
Коммутационные перенапряжения, сопутствующие отключениям ненагруженных трансформаторов Т-1 или Т-2 на стороне 110 кВ, возникают за счет энергии, накопленной в индуктивности намагничивания трансформатора. Факторами, определяющими величину перенапряжения, являются величина индуктивности намагничивания, емкость аппаратов (включая трансформатор) и шин, подключенных к трансформатору, а также величина тока ненагруженного трансформатора (мгновенное значение), при котором происходит обрыв тока в коммутационном аппарате. Величина тока холостого хода установленных трансформаторов типа ТРДНМ-63000/1Ш/Ш/Ш составляет около 2.8 А. Индуктивность намагничивания - около 72 Гн. Емкость элементов сети, подключенной к трансформатору после отключения, оценивается величиной порядка 1600...1800 пкФ. Кратность максимально возможных перенапряжений будет зависеть от отключающей способности коммутационного аппарата. Трансформаторы Т-1 и Т-2 на стороне 110 кВ отключаются отделителями, имеющими низкую отключающую способность. При вышужденном обрыгве тока с мгновенным значением 0.3 А и потерями энергии в дуге до 50% перенапряжения могут быть 4-х кратными.
Таким образом, атмосферные, дуговые и коммутационные перенапряжения не могут быть причиной возникновения электромагнитных воздействий большой интенсивности. Кратность перенапряжений при отключениях ненагруженных трансформаторов на стороне 110 кВ зависит от последовательности операций и отключающей способности отделителей.
Помимо перенапряжений, существенное электромагнитное влияние на силовые трансформаторы может оказать нагрузка, подключенная к шинам 10 кВ. Ранее, при исследованиях ПКЭ отмечалось, что такое влияние оказывается, поэтому необходимо выявить источник нагрузки с целью анализа сети в моменты максимального влияния этой нагрузки.
Для выявления характеристик нагрузки выполнены регистрации перетоков мощности - построены графики изменения нагрузки на трансформаторы, а также графики изменения токов в обмотках трансформаторов. Для изучения влияния нагрузки на искажения ПКЭ предусмотрена регистрация напряжения на шинах подстанции.
Для контроля потоков мощности и показателей качества электроэнергии использовались сертифицированные средства измерения, рекомендованные в Методических указаниях Министерства энергетики Российской федерации [1]. К ним относятся регистраторы напряжения и тока «Парма» РК6.05 и «Парма» РК3.01.
В процессе проведения регистраций с помощью указанных приборов не удалось получить достаточно полных данных для исследования негативного влияния нагрузки машиностроительного предприятия. В первую очередь это обусловлено методикой автоматизированной обработки, заложенной в приборах «Парма». При обработке выполняется вывод усредненной информации за интервал времени 1 минута, что не позволяет выявить субгармоники и графики мгновенных значений токов и напряжений. Помимо этого регистратор «Парма» РК3.01 производит анализ только напряжений трех фаз. При этом в связи с ограниченным объемом внутренней памяти накопление детальной информации за большой интервал времени невозможно. Поэтому для регистрации
58
переходных процессов и получения более детальной информации дополнительно был использован измерительный комплекс, разработанный в ЦФТПЭС КНЦ РАН. Измерительный комплекс (ИК) на основе ПК, внешнего модуля АЦП/ЦАП L-Card Е-140 и блока датчиков (БД) позволяет вести длительную запись по 10-ти каналам с дискретизацией по времени от 100 мкс на канал. Блок датчиков имеет четыре датчика напряжения (LV 25-P) и шесть датчиков тока (LTS 6-NP). Все датчики LEM работают на основе эффекта Холла. Блок-схема измерительного комплекса приведена на рис.4.
Входные сигналы по I
Блок датчиков тока и напряжения LV 25-P LTS 6-NP
АЦП/ЦАП L-Card E-140
Рис.4. Блок-схема измерительного комплекса
- управление АЦП;
- сбор и регистрация;
- визуализация
По мониторинговым данным систематически регистрируются искажения синусоидальности напряжения с появлением большого числа четных и нечетных гармоник. Так на объединенных Ш с.ш. и IV с.ш. зарегистрировано постоянное наличие гармоник до 40-й. Величина гармоник составила десятые или сотые (26-я гармоника и выше) доли процента. Превышают 1% 3-я, 5-я и 7-я гармоники. Превышение нормально допустимого уровня зарегистрировано для 15-й и 21-й гармоник с выходом менее 2% от времени регистрации. Превышений предельно допустимого уровня не отмечено.
По данным длительной регистрации после разделения шин гармонический состав искажений напряжения на III с.ш. и IV с.ш. не изменился.
В режиме раздельной работы регистрация на I с.ш. показала повышение суммарного коэффициента искажения синусоидальности напряжения до 3%. Однако выход превышений нормально допустимого уровня для всех гармоник равен нулю.
Регистрации на II с.ш. также показали увеличение суммарного коэффициента искажения синусоидальности напряжения до 3%. В распределении искажений по гармоникам зафиксировано превышение нормально допустимого уровня для 28-й гармоники (выходы более 5% от времени регистрации) и для 30-й гармоники (выходы до 1.5%).
Таким образом, гармонические искажения напряжения, превышающие нормально допустимые уровни, зарегистрированы для 15-й и 21-й гармоник на III с.ш. и IV с.ш. и для 28-й и 30-й гармоник на II с.ш. Выходы превышений составляют 2.. .5% от времени регистрации.
Зарегистрированные искажения синусоидальности вызывают увеличение потерь намагничивания и некоторое увеличение потерь электроэнергии, но не являются опасными для силовых трансформаторов. Поэтому специальных мероприятий по снижению гармонических искажений с целью уменьшения негативных влияний на силовые трансформаторы не требуется. Локализация источников искажений синусоидальности в связи с отсутствием опасности для силовых трансформаторов не требуется. Можно отметить, что источники искажений подключены ко II с.ш., III с.ш. и IV с.ш. 10 кВ подстанции.
Зарегистрированные искажения (превышение нормально допустимого уровня) могут быть основанием для предъявления претензий к ПКЭ со стороны потребителей. Для предотвращения таких претензий необходимо подключение фильтров силовых высших гармоник на присоединениях потребителей с электроустановками, генерирующими высшие гармоники (например, тиристорные преобразователи, электропечи и т.п.). Фильтры должны быть присоединены на стороне искажающих установок потребителей и должны находиться на их балансе.
59
Измерительный комплекс на основе контроллера L-Card, разработанный в ЦФТПЭС, позволяет производить длительные измерения с высокой частотой дискретизации на большом числе присоединений. Это позволило зафиксировать токи нагрузки на секции 10кВ. Регистрации токов нагрузки выполнены в цепях трансформаторов тока вводных выключателей (полный ток нагрузки на одну из обмоток 10 кВ силового трансформатора), секционных выключателей (в ремонтном режиме работы с одним силовым трансформатором), а также выключателей присоединений к каждой из систем шин 10 кВ. Результаты регистрации показали, что токи нагрузки I с.ш. и II с.ш. имеют медленно меняющийся характер и достигают 780..860 А. Токи III с.ш. с IV с.ш. достигают 500 А и более. Зарегистрированы резкие повышения тока нагрузки III с.ш. и IV с.ш., величиной до 600 А. По данным регистратора РК 6.05 ударные изменения повторяются с высокой интенсивностью и сопровождаются значительным увеличением колебательных отклонений частоты.
Появление ударных токов происходит преимущественно после 17-ти часов и в ночное время. Отсутствие таких воздействий отмечено в выходные дни. Это свидетельствует о нахождении источника на промышленном предприятии. Проведенные регистрации позволили исключить нагрузку, подключенную к I с.ш. и II с.ш., из состава источников интенсивной ударной нагрузки.
Регистрации первого этапа (в режиме совместной работы Ш с.ш. и IV с.ш.) позволяют выполнить сопоставление токов нагрузки III с.ш. и IV с.ш. (ТТ вводного выключателя МВ-10-III) и тока нагрузки IV с.ш. (ТТ секционного выключателя СМВ-10-34). Фрагменты осциллограмм фазных токов приведены на рис.5. На представленных фрагментах видно появление резких изменений токов нагрузки, причем характер изменения может быть различным как по длительности, так и частоте изменений. Характер фазных токов в СМВ-10-34 полностью соответствует токам в МВ-10-Ш. Ударная составляющая нагрузки IV с.ш. полностью соответствует ударной составляющей нагрузки обеих систем шин. Различие обусловлено наложением медленно меняющейся нагрузки Ш с.ш.
Рис.5. Осциллограммы токов ТТ от МВ-10-Ш. Фрагмент регистрации (длительность 14.4 с)
60
Таким образом, локализован источник ударных токовых воздействий на силовой трансформатор, которым является нагрузка IV с.ш
В результате регистраций выявлено, что при относительно небольших отклонениях ПКЭ по напряжению возможны опасные токовые воздействия, повышающие износ силового оборудования, в том числе ударные изменения силы тока, а также изменения частоты и синусоидальности тока.
Выводы
Исследования на действующей подстанции ПС-110/10/10 кВ позволили:
1) выявить причины электромагнитного воздействия на силовые трансформаторы, что существенно снижает срок их службы;
2) рассмотреть возможность воздействия на трансформаторы различных перенапряжений, которые могут возникать в сети, а также электромагнитного влияния других силовых установок;
3) разработать методику по регистрации перетоков мощности и токов с возможностью измерения ударных токов и перенапряжений;
4) отработать на практике методику по определению источника искажений со стороны нагрузки без наличия детальной информации о характере нагрузки.
На примере анализа действующей подстанции получено, что не только перенапряжения и отклонение качества электроэнергии влияет на высоковольтное силовое оборудование. Как выяснилось - существенное воздействие на силовые трансформаторы оказывают резкие токовые колебания, характеризующиеся высоковольтными установками со стороны нагрузки, что приводит к повышенному износу трансформаторов.
Литература
1. ГОСТ 13109-97. «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
2. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической энергии. РД 153-34.0-15.502-2002.
3. Карпов А.С., Невретдинов Ю.М., Кабеев И.Е., Бурцев А.В. Анализ влияния несимметричных режимов и гармонических составляющих тока нагрузки на условия работы гидрогенераторов ГЭС-3 каскада Нивских ГЭС / Сборник научных трудов «Электрофизические проблемы надежности эксплуатации высоковольтных сетей». - Апатиты, 2006 г. 84-90 с.
4. Карпов А.С., Веселов А.Е., Невретдинов Ю.М., Кабеев И.Е. Разработка рекомендаций по уменьшению влияния нагрузки ОАО «Кандалакшский алюминиевый завод» на генераторы ГЭС-3 Нивского каскада / Сборник научных трудов «Электрофизические проблемы надежности эксплуатации высоковольтных сетей». - Апатиты, 2006 г. 78-84 с.
5. Карпов А.С., Невретдинов Ю.М., Кабеев И.Е., Веселов А.Е., Неклюдов Ю.В., Ярошевич В.В., Токарева Е.А., Сенюшина Л.В. Анализ влияния несимметричных режимов нагрузки на условия работы гидрогенераторов каскада Нивских ГЭС / В журнале «Вестник МГТУ», Труды Мурманского государственного технического университета. - Мурманск. - том 10, N° 4, 1007 г. 519-523 с.
6. Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П., Ярошевич В.В. Анализ регистрации показателей качества электроэнергии на шинах питающих подстанций / Вестник МГТУ, том 12, № 1, 2009 г. 58-64 с.
61
7. Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П., Ярошевич В.В. Исследование возможности локализации источника гармонических искажений напряжения на питающих подстанциях / Сборник научных трудов ЦФТПЭС КНЦ РАН «Моделирование переходных процессов и установившихся режимов высоковольтной сети» Апатиты 2008 г., 140-147 с.
8. Карпов А.С., Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П., Ярошевич В.В. Проблемы локализации источников искажений электроэнергии и определение вклада подключенных потребителей в искажение или нормализацию качества электроэнергии / Труды КНЦ РАН. Энергетика. - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра, 2011 г. 126-139 с.
9. Карпов А.С., Ярошевич В.В., Карпова О.М.. Оценка эффективности мониторинговых исследований качества электроэнергии по ГОСТ 13109-97 в высоковольтной сети 6-150 кВ / Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика (выпуск 7). Апатиты. Изд-во КНЦ РАН, 2013, № 2.
10. Ярошевич В.В., Невретдинов Ю.М., Токарева Е.А., Фастий Г.П., Сенюшина Л.В. Развитие дуговых перенапряжений в сети 10 кВ. / Сборник «Технико-экономические и электрофизические проблемы развития энергетики севера». - Апатиты, 2007 г., 100-112 с.
11. Ярошевич В.В., Невретдинов Ю.М., Токарева Е.А., Веселов А.Е. Выбор защиты от дуговых перенапряжений в сети 35 кВ / Сборник «Технико-экономические и электрофизические проблемы развития энергетики Севера». - Апатиты, 2007 г., 112-122 с.
12. Ефимов Б.В., Кузнецов Н.М., Невретдинов Ю.М., Ярошевич В.В., Фастий Г.П. Дуговые перенапряжения при переходе однофазных замыканий на землю в двойные / В журнале Электрика N° 5 2о08 г., 8-11 с.
Сведения об авторах
Карпов Алексей Сергеевич,
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: asc_apatity@mail.ru
Ярошевич Вера Васильевна,
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: yaroshevich@ien.kolasc.net.ru
УДК 621.311
О.В.Залесова, М.В.Якубович
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ РЕЛЬСОВ НА ОДНОПУТНОМ УЧАСТКЕ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ В ЗОНЕ ВЫСОКООМНЫХ ГРУНТОВ
Аннотация
Выполнено экспериментальное и расчетное исследование защитного действия рельсов на однопутном участке железной дороги в зоне высокоомных грунтов. Определен коэффициент защитного действия рельсов при движении по участку одного и двух составов.
Ключевые слова:
электромагнитное влияние, электрифицированная железная дорога, коэффициент защитного действия рельсов, воздушные линии электропередачи.
62
