CC BY
64
Сведения об авторах Еремич Яна Эдвардовна,
аспирант кафедры «Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника» Санкт-Петербургского Государственного Политехнического Университета Россия, 194251, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.29 эл.почта: [email protected]
Назарычев Александр Николаевич,
ректор Федерального государственного автономного образовательного учреждения дополнительного профессионального образования «Петербургский энергетический институт повышения квалификации», д.т.н., профессор
Россия, 96135, Санкт-Петербург, Авиационная ул., 23 эл.почта: [email protected]
Халилов Фрудин Халилович,
профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, д.т.н. Россия, 194251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29
Ефимов Борис Васильевич,
директор Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, д.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А эл.почта: [email protected]. net. ru
УДК 621.311
Ю.М.Невретдинов, А.В.Бурцев, Г.П.Фастий
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА НЕЙТРАЛИ И СХЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ ОБМОТОК СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА НА ЕГО ИМПУЛЬСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Аннотация
Приведены результаты экспериментальных исследований влияния режима нейтрали обмотки силового трансформатора и схем включения обмоток вторичной стороны на входные параметры трансформатора для грозовых воздействий. Показана недостаточность учета силовых трансформаторов входной емкостью при моделировании грозовых перенапряжений на подстанциях.
Ключевые слова:
силовой трансформатор, нейтраль трансформатора, грозовые волны.
Y.M.Nevretdinov, A.V.Burtsev, G.P.Fastiy
NEUTRAL MODE INFLUENCE AND INCLUSION SCHEMES
OF THE POWER TRANSFORMER WINDINGS ON ITS PULSE CHARACTERISTICS
Abstract
Pilot research results of the neutral mode influence of the power transformer winding and influence of secondary windings inclusion schemes on transformer input parameters for storm influences are given. Insufficiency of the accounting of power transformers by input capacitance when lightning overvoltage modeling on substations is shown.
Keywords:
рower transformer, transformer neutral, lightning waves.
20
Организация молниезащиты подстанций предусматривает защиту от прямых ударов молнии и от грозовых волн, набегающих по линиям. Развитие перенапряжений от набегающих грозовых волн имеет сложный характер, обусловленный переходными и волновыми процессами в распределительном устройстве (РУ) [1]. Мгновенные значения напряжения в разных точках схемы РУ различаются и для их определения необходимо рассчитывать движение волн, их преломления и отражения в узлах разветвления ошиновки и в узлах подключения аппаратов, линий, а также защитных аппаратов с нелинейными характеристиками. Сложность и многообразие указанных процессов исключает аналитический расчет перенапряжений от грозовых волн, приходящих по ЛЭП, поэтому определение параметров грозовых перенапряжений, а также исследования эффективности грозозащиты подстанций и отдельных мероприятий могут быть выполнены с помощью физического моделирования (на АГП) [2] (с ограничениями учета влияющих факторов и точности определения) и в настоящее время (при более точном учете влияющих факторов) - с помощью численного эксперимента на математических моделях [3].
В основе моделирования процессов развития грозовых перенапряжений в РУ с подключенными ЛЭП учитывалось следующее:
- повышение точности учета волновых процессов с помощью включения участков ошиновки и проводов ЛЭП линиями с распределенными параметрами с заданными волновыми сопротивлениями (как в однопроводном, так и в многопроводном исполнении);
- наиболее точный учет схемы и конструктивного исполнения ОРУ и подключенных ЛЭП, т.е. волновой длины каждого отрезка шин, узлов разветвления ошиновки и узлов подключения электрических аппаратов;
- учет нелинейных характеристик защитных аппаратов и изоляции;
- учет отражения и преломлений в узлах подключения электрических аппаратов с помощью замены их входными емкостями, в том числе силовых трансформаторов.
При этом в публикациях, посвященных исследованиям грозозащиты подстанций и методам моделирования, не рассматривается вопрос влияния режимов нейтрали трансформаторов или режимов работы вторичных обмоток трансформатора.
Экспериментальные исследования в действующей сети показали неоднозначность интерпретации входных параметров силовых трансформаторов и характеристик каналов распространения грозовых воздействий в трансформаторе [4]. При этом отмечалась зависимость частотных характеристик входного сопротивления и коэффициентов передачи в нейтраль или вторичную обмотку от формы импульса напряжения на вводе трансформатора. Наличие у трансформатора свойств сосредоточенного элемента и волновых свойств затрудняет аналитическое описание этих параметров.
В статье представлены результаты экспериментальных исследований влияния режимов нейтрали и схем включения вторичной обмотки на примере крупногабаритного трансформатора. Задачами экспериментов являлись также разработка и апробация методики проведения указанных экспериментов на действующих высоковольтных силовых трансформаторах.
В экспериментах использован крупногабаритный трехфазный воздушный трансформатор 380/220 В мощностью 15 кВА, обмотка высокого напряжения (ВН) которого соединена в «звезду», а фазные обмотки низкого напряжении (НН) не связаны гальванически, что позволяет менять схему включения этой обмотки.
Схема импульсных измерений приведена на рис.1.
21
Рис.1. Схема импульсных испытаний входных параметров силового трансформатора
Здесь делитель напряжения Яд и Яда позволяет контролировать импульсное напряжение, подаваемое на ввод фазы А обмотки ВН силового трансформатора. В нейтраль обмотки ВН включен делитель напряжения Ян Ящн. В опытах с изолированной нейтралью (ключ Кн разомкнут) на вход канала С осциллографа подается напряжение, пропорциональное напряжению в нейтрали. В опытах с заземленной нейтралью (ключ Кн замкнут) канал С осциллографа регистрирует напряжение на шунте Ящн, пропорциональное току в заземленной нейтрали. Ключи КФ используются для проведения контрольных опытов, в которых выводы фаз В и С обмотки ВН изолированы.
Полученные осциллограммы систематизированы и согласованы в разных опытах по напряжению на вводе фазы А обмотки ВН трансформатора.
На рисунках 2 и 3 приведено сопоставление осциллограмм на вводе фазы А для выявления влияния режима нейтрали при разных схемах включения обмоток НН.
Рис. 2. Влияние режима нейтрали обмотки ВН трансформатора на напряжение (а и б) и ток (в и г) фазы А трансформатора. Обмотка НН включена по схеме «звезда». (Развертка 10 мкс/дел. - а и в, 1 мкс/дел. - б и г)
22
1.5x10-
в
напряг кение на обмотке 1 ЗН (ФА)
^_hieP траль изс ! а
нейтраг ь заземл зна
1.5x10-
в
2x10 3x10 4x10 с
ток в обмотке ВН (фА) 1 1 1 1 нейтраль изолирована
нейтраль заземлена
6)
А
1.5
н апояжен ие на об йтраль и иотке ВН золиров (ФА) ана
f нейтр
ааль зазе амлена
0 1x10 6 2x10 6 3x10 6 4x10 6 С
ток в оЕ мотке В Н (фА)
ейтраль ЙЗОЛйрО вана
\J не йтральз аземлен а
1x10 J 2x10 3x10 4x10 с
1x10 6 2x10 6 3x10 6 4x10 6 С
Рис.3. Влияние режима нейтрали обмотки ВН трансформатора на напряжение (а и б) и ток (виг) фазы А трансформатора. Обмотка НН включена по схеме «треугольник». (Развертка 10 мкс/дел. - а и в, 1 мкс/дел. - б и г)
Из сопоставления осциллограмм напряжений и токов для выявления влияния режима нейтрали обмотки ВН трансформатора можно отметить следующие принципиальные особенности:
1. При изменении режима нейтрали обмотки ВН формы напряжений практически полностью совпадают в начальной стации до времени около 0.5 мкс. Аналогично совпадают формы токов в начальной стадии, однако время совпадения меньше - примерно
0.4 мкс. Следовательно, для времени до 0.4 мкс эквивалентное входное сопротивление фазы ВН трансформатора «не чувствует» изменение режима нейтрали, что является признаком наличия волновых процессов.
2. На рисунке 2б в режиме включения обмотки НН по схеме «звезда» при времени
0.5 мкс не наблюдается увеличения напряжения на фазе А, которое может быть объяснено влиянием отражения от изолированной нейтрали. Явное увеличение напряжения отмечается при времени более 1.4 мкс.
Для иллюстрации влияния схемы включения обмотки НН сопоставление осциллограмм напряжений и токов дано на рис.4. с разверткой 1 мкс/дел. Здесь же показано изменений осциллограмм тока в заземленной нейтрали обмотки ВН и напряжение на изолированной нейтрали при изменении схемы включения обмотки НН.
Как видно из рис.4а, в, д, в режиме заземления нейтрали обмотки ВН размагничивающее действие тока в обмотке НН при ее включении в «треугольник» приводит к уменьшению входного сопротивления обмотки ВН нейтрали при времени более 0.5 мкс. Одновременно происходит некоторое запаздывание тока в нейтрали в начальной стадии - до 0.5 мкс.
В режиме с изолированной нейтралью ВН (рис.4б, г, д) такого эффекта смещения напряжения в нейтрали в начальной стадии не наблюдается. Напротив, с запаздыванием 0.5 мкс видно значительное изменение формы напряжения в нейтрали.
23
1.5x10-
В
д)
-0.5 .
напр жжение на обмотке ВН (ф/\) 1 .. обмотка НН-звезда
I с ебмотка НН - тре\ /гопьник
1x10 2^10 0 3x10 0 4x10 0 С
ток в обмотке ВН (фА) л!
1 I4- / об мотка НН - треуг опьник
1 \ л У обмотка НН - звезда
1x10 и 2x10 3x10 4x10 с
1—* 0 к— бмотка р= 1Н - треу 'ОЛЬНИК
; ', / обг лотка НН - звезда
ток в нейтрали 1 1
2x10 0 3x10 0 4x10 с
1 5x10"
В
напряжение на обм обмотка НН - звезда зтке ВН < -8
обмотка г НН - тре угольнин
1x10 6 2«10 6 3x10 6 4x10 6 С
1 ОЁ ТОК В 0 мотка Н бмотке Н - треуг ЗН (фА) ельник
'' \у о< мотка Н Н- звезд а
1*10 2x10 3*10 4*10 С
Л V к
А/. обмотка треугол НН- ьник
11
t 7 оомотка нн-/ звезда
напряжение в нейтрал \
1x10 и 2*10 3x10 4*10 с
Рис. 4. Влияние изменения схемы обмотки НН трансформатора на напряжение (а и б) и ток (в и г) фазы А трансформатора, а также на ток (д) и напряжение (е) в нейтрали. Варианты заземленной (а, в, д) и изолированной нейтрали (б, г, е)
Рассмотрим влияние режима нейтрали обмотки ВН и схемы включения обмотки НН на входные параметры обмотки ВН трансформатора. Для этого принято допущение, что силовой трансформатор может быть рассмотрен как элемент с сосредоточенными параметрами [5]. При указанном предположении для эквивалентного входного сопротивления можно применить частотный метод, т.е. для напряжений на фазе ВН и токов в этой фазе получены соответствующие спектры и амплитудо-частотные характеристики (АЧХ). После чего для каждой из гармоник получено сопротивление (АЧХ) и фазо-частотные (ФЧХ) характеристики эквивалентного входного сопротивления обмотки ВН.
Сопоставления АЧХ и ФЧХ входного сопротивления обмотки ВН приведены на рис.5. для иллюстрации влияния режима нейтрали и на рис.6. для оценки влияния схемы включения обмотки НН.
Из приведенных частотных характеристик эквивалентного входного напряжения обмотки ВН следует, что в режиме изолированной нейтрали указанное сопротивление имеет на частоте более 0.5 МГц емкостно-омический характер в обоих вариантах схемы включения обмотки НН.
В режиме заземленной нейтрали характер эквивалентного входного сопротивления неоднократно меняется и наблюдается несколько резонансных явлений. Отметим, что при включении вторичной обмотки в «треугольник» входное сопротивление не принимает чисто емкостной характер (рис.5в). При включении обмотки НН в «звезду» частотный диапазон, в которой трансформатор может быть замещен одной емкостью, весьма ограничен (рис.5г).
24
мплупк входного сопротивления ВН —
_ нейтраль _ Г\ заземлена = 1 нейтраль изолирована^^
vt /
юо1---------------^--------------1---------------1--------------1
0 5x105 1x10s 1.5xlOfi 2x10s
частота, Гц
—- фаза входного сопрот! вления ВН
нейтраль заземлена
/—у
:-4- ^ нейтраль изолирована 1 1
0 5x10s 1x10s 1.5xlOS 2xlOS
частота, Гц
Рис. 5. Влияние режима нейтрали на частотные характеристики эквивалентного входного сопротивления обмотки ВН трансформатора в вариантах включения обмотки НН по схеме «треугольник» (а и в) или по схеме «звезда» (б и г). АЧХнарис. а и б, ФЧХнарис. в и г
200
f 1 фаза входного сопротивления ВН 1 1
х'' ~ обмотка НН - треугольник
/--обмотка НН - звезда : 1 1
0 5xl0S 1x10s 1.5xlOS 2x10б
частота, Гц
модуль входног о сопротивл ения ВН —
1
[\ обмотка НН- = зяезла =
. .
^обмотка НН - ~
1
1001-------------- <------------- я------------^—*-------------1 к
0 5*10 1*10 1.5*10 2x10
частота, Гц
/ фаза входного сопротивг ения ВН
обмотка НН - треугольник
V ^обмотка Н Н- звезда
0 5x10s 1x10s 1.5x10s 2x10s
частота, Гц
Рис.6. Влияние схемы включения обмотки НН на частотные характеристики эквивалентного вхо ного сопротивления обмотки Н трансформатора в вариантах заземления нейтрали обмотки Н (а и в) или изолированной нейтрали обмотки ВН (б и г). АЧХнарис. а и б, ФЧХнарис. в и г
Как видно из полученных частотных характеристик, эквивалентное входное сопротивление имеет сложный характер, существенно меняющийся при изменении режима нейтрали и влияния вторичной обмотки. Из рис.6б и 6г видно, что наименьшее влияние схема включения обмотки НН трансформатора проявляется в режиме изолированной нейтрали. Однако и в этом режиме значения гармоник не позволяют получить чисто емкостную интерпретацию входного сопротивления трансформатора. Более того, в области 1-1.2 МГц наблюдается приближение частотозависимого входного сопротивления к резонансу.
Наиболее понятной является характер эквивалентного входного сопротивления трансформатора с заземленной нейтралью обмотки ВН и включением вторичной обмотки в «треугольник». В этом режиме трансформатор является пассивным элементом, имеющим
25
активно-индуктивный или активно-емкостной характер. В остальных режимах наблюдается увеличение фазы сопротивления более 900 или менее 270 , что не может быть объяснено резонансными явлениями. Возможно, указанное изменение фазы входного сопротивления может являться признаком активного проявления волновых свойств.
Выводы
1. Эксперименты импульсного обследования силового трансформатора выявили значительную зависимость формы напряжения на вводе трансформатора и входных параметров от режима заземления нейтрали обмотки ВН и схемы включения вторичной обмотки.
2. Разземление нейтрали обмотки ВН силового трансформатора может привести к увеличению перенапряжения почти на 20%.
3. Частотное представление эквивалентного входного сопротивления силового трансформатора имеет сложный характер и не объясняет появления отрицательной активной составляющей, несвойственной для пассивных элементов.
4. Полученные экспериментальные данные показывают недостатки интерпретации входного сопротивления силовых трансформаторов емкостью.
Литература
1. Костенко М.В. Грозозащита подстанций и электрических машин высокого напряжения / М.В.Костенко, И.М.Богатенков, Ю.А.Михайлов, Ф.Х.Халилов // Серия «Электрические станции и сети» (Итоги науки и техники). ВИНИТИ. М.: 1987. 13. 112 с.
2. Костенко М.В. Грозозащита электрических сетей в районах с высоким удельным сопротивлением грунта / М.В.Костенко, Ю.М.Невретдинов, Ф.Х.Халилов // Ленинград «Наука» ленинградское отделение - 1984, 112 с.
3. Ефимов Б.В. Моделирование деформации грозовых волн в воздушных линиях с учетом совместного влияния конструкции опор, короны на проводах и потерь в земле / Б.В.Ефимов, Н.И.Гумерова // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2013. Вып.7. - Апатиты, - С. 13-32.
4. Власко Д.И. Грозовые перенапряжения на изоляции нейтрали трансформаторов / Д.И.Власко, А.О.Востриков, Ю.М.Невретдинов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2012. Вып.4. - Апатиты, - С. 38-44.
5. Результаты измерения входной емкости электрооборудования 6-750 кВ / КДВольпов, АВ.Созинов, Ф.Х.Халилов // Электрические станции. - 1982. N° 2, - С. 1-3.
Сведения об авторах Невретдинов Юрий Масумович,
ведущий 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: [email protected]
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]
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: [email protected]
26
