Электротехнический комплекс для ликвидации феррорезонансного процесса в сети

Аннотация. Значительное число повреждений оборудования в сетях 6-35 кВ 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 неограничена. Для решения данной проблемы автрами предлагается для диагностики ФРП в сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью использовать комплекс взаимосвязаных электротехнических устройств – электротехнический комплекс, состоящий из измерительного трансформатора напряжения, измерительных приборов и блока управления.
Ключевые слова: электротехнический комплекс, феррорезонансный процесс, измерительный трансформатор, блок управления, сеть с изолированной нейтралью. 

Сети номинального напряжения 6-35 кВ работают с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостного тока замыкания на землю. В сетях      6-35 кВ с изолированной нейтралью при наличии однофазного замыкания на землю возможен феррорезонанс индуктивности трансформатора напряжения (ТН) с емкостью сети. Повреждениям от феррорезонанса подвержены только ТН с заземленной обмоткой высокого напряжения, контролирующие изоляцию сети относительно земли.

Феррорезонанс ТН с емкостью сети возможен в схемах, работающих с изолированной нейтралью при самопроизвольном смещении нейтрали в схемах с малыми емкостными токами; при субгармоническом феррорезонансе в схемах с относительно небольшими емкостями коротких линий 6-35 кВ; при однофазных замыканиях на землю через перемежающуюся дугу; при однофазных замыканиях на землю. Наиболее эффективным мероприятием по повышению надежности работы ТН и ликвидации их повреждений является применение антирезонансных ТН [1].

В настоящее время разработчики пытаются добиться антирезонансных свойств либо подключением активного споротивления в нейтраль обмотки высокого напряжения трансформатора, либо добавлением трансформатора нулевой последовательности к трехфазному трансформатору, магнитопровод которого выполнен группой однофазных трансформаторов или трехфазным стержневым. Однако, ряд работ российских и зарубежных ученых [2-6] показывает, что эти методы полностью не исключают возникновение ФРП в сети с изолированной нейтралью. К тому же, из-за подключения активного сопротивления в нейтраль трансформатора, увеличивается погрешность измерений. Поэтому вопрос исследования возможности диагностирования и предотвращения возникновения ФРП в сети с изолированной нейтралью остается открытым.

Автрами предлагается электротехнический комплекс (рис. 1), состоящий из измерительного трансформатора напряжения, измерительных приборов и блока управления. Блок управления построен на базе микроконтролера и его задачей является автоматизированный сбор и оценка информации получаемой от трансформатора напряжения с возможностью передачи команд в цепи релейной защиты. В блоке управления закладывается оригинальный алгоритм оценки степени развития феррорезонансного процесса, полученный на основе исследований автора. 

Рисунок 1 – Структурная и функциональная схемы исследуемого ЭТК 

Электротехнический комплекс работает следующим образом. Трансформатор напряжения подсоединяется к сети и с помощью вольтметра замеряет амплитуду, гармонический состав и форму сигнала напряжения. С вольтметра информация поступает на блок управления. Блок управления сравнивает параметры напряжения с номинальными и в случае скачка амплитуды напряжения, изменения гармонического состава и изменения формы сигнала передает сигнал на цепи релейной защиты и в систему диспетчерского управления. Цепи релейной защиты, в свою очередь, отключают трансформатор от сети и феррорезонансный процесс не развивается.

Таким образом, с помощью разработанного электротехнического комплекса появляется возможность диагностики феррорезонансного процесса и его немедленной ликвидации.

Для исследования влияния феррорезонансного явления была разработана схема замещения протекания токов нулевой последовательности в трехфазной сети с изолированной нейтралью при однофазном КЗ на землю, включающей трехфазный измерительный трансформатор напряжения (рис. 2). На основании схемы замещения была составлена система уравнений, описывающая работу сети.

При однофазном КЗ на землю в сети с изолированной нейтралью, в фазных напряжениях и токах появляются составляющие нулевой последовательности [7]





Рисунок 7 – Гармонический состав кривых, полученных при моделировании электромагнитных процессов при феррорезонансе в сети с изолированной нейтралью и измерительным трансформатором напряжения, магнитопровод которого выполнен трехфазной группой однофазных трансформаторов:

а – магнитный поток по прямой и обратной последовательности; б – магнитный поток по нулевой последовательности; в – ток по прямой и обратной последовательности; г – ток по нулевой последовательности; д – напряжение на емкостном элементе; е – напряжение на индуктивном элементе.

На рисунках 6, 7 представлены результаты имитационного моделирования электромагнитных процессов в сети с изолированной нейтралью и трехфазным измерительным трансформатором напряжения, магнитопровод которого выполнен трехфазной группой однофазных трансформаторов при повышении напряжения до 10,1 кВ. Как видим, магнитный поток по прямой и обратной последовательности несинусоидальный, амплитуда составляет  0,06 Вб (рис. 6, а), в гармоническом составе присутствует третья гармоническая (рис. 7, а), магнитный поток по нулевой последовательности синусоидальный, амплитуда составляет 0,015 Вб (рис. 6, б), изменяется с основной частотой (рис. 7, б), фазный ток по прямой и обратной последовательности несинусоидальный, амплитуда составляет 0,25 А (рис. 6, в), в гармоническом составе присутствует пятая гармоническая (рис. 7, в), фазный ток по нулевой последовательности несинусоидальный, амплитуда увеличилась до 10 А (рис. 6, г), в гармоническом составе присутствуют третья, пятая и седьмая гармонические (рис. 7, г), напряжение на емкостном элементе несинусоидальное, амплитуда увеличилась до150000 В (рис. 6, д), изменяется с основной частотой (рис. 7, д), напряжение на индуктивном элементе несинусоидальное, амплитуда возросла до 42000 В (рис. 6, е), изменяется с основной частотой (рис. 7, е).

Таким образом, при феррорезонансе в сети с изолированной нейтралью и трехфазным измерительным трансформатором напряжения, магнитопровод которого выполнен трехфазной группой однофазных трансформаторов, скачком возрастают токи и магнитные потоки по нулевой последовательности, изменяется их гармонический состав. Напряжение на емкостном элементе становится значительно выше, чем на индуктивном.

Ссылки на источники

1. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007 - 29.240.10.191-2014, дата введения: 19.11.2014. Методические указания по защите от резонансных повышений напряжения в электроустановках 6-750 кВ.
2. Богдан А. В., Калмыков В. В., Сафарбаков А. А. Переходные процессы в электрической сети 10 кВ с трансформаторами напряжения НАМИ-10. Электрические станции. – 1983, – №10, стр. 46-49.
3. Шульга А. Р., Козлов Д. В., Углева Е. М. Анализ феррорезонансных процессов с участием трансформаторов напряжения в сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью. Электротехнические комплексы и системы управления. – 2013. – №3, стр. 60-68.
4. Кадомская К. П., Лаптев О. А. Антирезонансные трансформаторы напряжения. Эффективность применения. Новости Электротехники. – 2006. – № 6 (42).
5. Дударев Л. Е., Волошек И. В. Оценка эффективности защиты трансформаторов напряжения от токовых перегрузок. Электрические станции. -1986. - №11, с. 65-69
6. Фишман В. Трансформаторы напряжения. Способы устранения феррорезонансных явлений. Новости Электротехники. – 2010. – № 6 (66).
7. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: Учеб. пособие для техникумов. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 800 с.
8. Башарин С. А. Теоретические основы электротехники / С. А. Башарин, В. В. Федоров.— 5-е изд., перераб. и доп. — Москва: Академия, 2013 .— 384 с.
9. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи : учебник / Л. А. Бессонов. – 11-е изд., перераб. и доп. – М.: Гардарики, 2007. – 701 с.
10. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники. В  3 т. Спб.: изд-во Питер, 2003. - 445 с.
11. Миронов В. Г., Бутырин П. А. Теория электрических цепей. – М.: Наука. – 2005.
12. Зевеке Г. В., Ионкин П. А., Нетушил А. В., Страхов С. В. Основы теории цепей. – М.: Энергоатомиздат, 1989
13. Бессонов Л. А. Нелинейные электрические цепи. – М.: Высш. шк., 1977
14. Поливанов, К. М. Теоретические основы электротехники : в 3-х ч. / К. М. Поливанов.— М ; Л. : Энергия, 1965
15. Касаткин А.С. Электротехника : учеб. для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. - 11-е изд., стер. ; Гриф МО. - М. : Академия, 2007. - 539 с.
16. Григораш О.В. Электротехника и электроника : учеб. для вузов / О.В. Григораш, Г.А. Султанов, Д.А. Нормов. - Гриф УМО. - Ростов н/Д : Феникс, 2008. - 462 с.