Определение импульсных разрядных токов нелинейных ограничителей перенапряжения типа ОПН на класс напряжения 0,4 кВ при передаче грозовой волны через обмотки силовых трансформаторов 6-35/0,4 кВ

Библиографическое описание статьи для цитирования:
Гринев А. С. Определение импульсных разрядных токов нелинейных ограничителей перенапряжения типа ОПН на класс напряжения 0,4 кВ при передаче грозовой волны через обмотки силовых трансформаторов 6-35/0,4 кВ // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2015. – Т. 13. – С. 1731–1735. – URL: http://e-koncept.ru/2015/85347.htm.
Аннотация. Статья посвящена разработке инженерной методики расчёта импульсных разрядов токов ОПН при передаче грозового импульса через трансформатор. Использован аналитический метод расчёта переходных процессов в нелинейных целях – метод кусочно-линейной аппроксимации, при котором реальная нелинейная вольтамперная характеристика ОПН заменяется отрезками прямых линий. Предложены простые формулы для расчёта. Статья может быть полезна специалистам в области электромагнитной совместимости в сетях низкого напряжения.
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Гринев Александр Сергеевич,преподаватель профессиональных дисциплин, Государственное Бюджетное Общеобразовательное Учреждение Республики Хакасия Среднего Профессионального Образования Черногорский МеханикоТехнологический Техникум, г. ЧерногорскGrinevac@gmail.com

Определениеимпульсных разрядных токов нелинейных ограничителейперенапряжения типа ОПН на класс напряжения 0,4 кВ при передаче грозовой волны через обмотки силовых трансформаторов 635/0,4 кВ

Аннотация.Статья посвящена разработке инженернойметодике расчёта импульсных разрядов токов ОПН при передаче грозового импульса через трансформатор. Использован аналитический метод расчёта переходных процессов в нелинейных целях –метод кусочнолинейной аппроксимации, при котором реальная нелинейная вольтамперная характеристика ОПН заменяется отрезками прямых линий. Предложены простые формулы для расчёта.Статья может быть полезна специалистам в области электромагнитной совместимости в сетях низкого напряжения.Ключевые слова: спектр импульсов перенапряжения, ограничитель перенапряжения нелинейный, схема замещения трансформатора, схема соединений обмоток трансформатора, каналы прямой и нулевой последовательности, метод кусочнолинейной аппроксимации.

При грозовых разрядах остающееся напряжение на вентильных разрядниках 635 кВ в сумме с наложенными на них колебаниями, обусловленными параметрами сети, через которую трансформаторы 635/0,4 кВ связаны с разрядниками 635 кВ передаются в обмотку 0,4 кВ двумя известными путями, ёмкостным и электромагнитным, вызывая на ней и подключенном к ней электрооборудованием 0,38/0,22 кВ опасные для изоляции перенапряжения. В настоящее время для защиты изоляции электрооборудования в сетях 0,38/0,22 кВ с глухозаземлённой нейтралью рекомендуется устанавливать ограничители перенапряжения нелинейные (далее ОПН) типа ОПН0,4 на класс напряжения 0,4кВ.Разрядник, установленный до трансформатора, забирая ток из источника перенапряжения, снижает напряжение за счёт потери напряжения во внутреннем сопротивлениеисточника (сопротивление канала молнии или волновое сопротивление провода), а ОПН0,4, установленный после трансформатора, снижает напряжение за счёт его потери в реактивном сопротивлении трансформатора,представляющего собой фильтр со схемой замещения, зависящей от входного воздействия, времени его действия, схемы соединенияобмоток трансформатора и т.п.Для проверки достаточностикоординационного интервала между остающимся напряжением на ОПН0,4 и прочностьюзащищаемой изоляции необходимо сопоставить разрядныйток, протекающий через ОПН0,4 с нормированным током координации.Кроме того, для определения ресурса пропускной способности ОПН необходимо знать амплитуду идлительность токового воздействия (а также их число).Учитывая отсутствие в настоящее время простых аналитических,инженерных методов расчёта импульсных разрядных токов (токов координации), ОПН при передаче грозового импульса через трансформаторы, была разработана упрощенная методика, которая предлагается в данной статье.Применим детерменистский подход, когда предметом расчёта является максимально возможные амплитуды и длительность импульсных разрядных токов ОПН. Наиболее частому случаю в сетях 635 кВ падению волн одновременно по всем 3м фазам изза перекрытия изоляции соответствует схемазамещения трансформаторапо каналу нулевой последовательности, содержащая последовательно включенную в канал относительнонебольшую ёмкость обмоток [1] и [5], что обуславливаетослабление низкочастотной составляющей спектра грозового импульса, несущего наибольшую энергию [2] Поэтому рассмотренболее редкий, но наиболее тяжёлыйдля режима работы ОПН0,4 случай падения грозовой волны по одной фазе сети 635 кВпри электромагнитной передаче импульса, которому соответствует схема замещения трансформатора по каналу прямой последовательности.Процессрассматривается в одной фазе, приближенно,не учитывая, влияние других фаз. Непоражённые фазы линии, к которымприключены обмотки трансформатора, можно считать заземленными[1].

В схемах замещёния, соответствующих расчётной схеме Рис.1., ОПН рассматривается как активное нелинейное сопротивление.

Рис.1. Расчётная схема передачи грозовой волны в обмотку НН силового трансформатора 635/0,4 кВа) для трансформатора ; б) упрощенная для трансформатора в) для трансформатора Y/0 г) упрощённая для трансформатора

При электромагнитной передаче импульса трансформатор вводится в схему замещения Рис.2 индуктивностьюрассеяния его обмоток, приведённой к низшей ступени трансформации.

Рис2. Схема замещения при передаче грозовой волны по каналу прямой последовательности при схеме соединения обмоток трансформатора ; Приведённая индуктивность рассеяния определяется по формуле[7] где индуктивность рассеяния, мкГн;

напряжение короткого замыкания трансформатора %номинальная мощность трансформатора, кВАноминальное напряжение, кВДля большей наглядности методика сопровождаетсярасчётом для конкретной установки по расчётной схеме Рис. 1. В качестве разрядника, на стороне высокого напряжения (ВН) принимается разрядник типа РВП10, в качестве трансформатора принимается трансформатор типа ТМ31000/10 со схемой соединения обмоток

и =5,5%.На стороне низкого напряжения (НН) принимается ОПН0,4/0.2410(1)УХЛ1фирмы ЗАО Феникс88»Для выбранного трансформатора с=1000кВа и =5.5% =28 мкГнЁмкость вторичной обмотки и внешней цепи в схему замещения не вводится изза очевидного шунтирующего действия сопротивления ОПН. Для запаса расчёта нагрузка обмоткиНН отключена (холостой ход трансформатора)Задача сводится к решению переходного процесса в цепи, состоящей из индуктивности и активного нелинейного сопротивления при подключении её к источнику бесконечной мощности, напряжение которого равно расчётной волне напряжения на разряднике на стороне ВН, приведённой к низкой стороне, причём коэффициент приведения n здесь будет равен коэффициенту трансформации между обмотками ВН и НН одной фазы т. е. отношению числа витков обмоток. Для рассматриваемого трансформатора 10/0,4 кВ Для простоты и запаса расчёта принята прямоугольная волна напряжениядлительностью to ивеличиной, равной остаточному напряжению

разрядника на стороне ВН при максимально допустимом токе координации.Расчёт производится методом кусочнолинейной аппроксимации [2] Вольтамперная характеристика построенная по данным [3] и [4],представлена на Рис 3.



Рис.3.Аппроксимация рабочей часами вольтамперной характеристики ОПН0,4/0,2410(I) УХЛ1 двумя линейными участками, 1,2линии аппроксимации.

Нерабочий»участок вольтамперной характеристики ОПН04/0,24 отU0 до U0,4 кВ характеренотсутствием активного тока [4], т.е. 0,4 кВ можно принять за напряжение первого срабатывания» ОПН0,4/0,24, обозначенное как U ср1.В первом приближении вольтамперную характеристики (далее ВАХ) ОПН можно аппроксимировать двумя линейными участками, как показано на рис.3 Здесь:Uнапряжение в точке пересечения аппроксимирующих прямых, кВ;значение тока, соответствующегоU

Для первого участка при токах отi0 до =0,6 кА ВАХ имеет вид,где напряжение на ОПН, кВ;

коэффициент наклона (тангенс угла наклона аппроксимирующей прямой к оси абсцисс) с размерностью сопротивления, ОмДля второго участкапри токах i>ВАХ имеет вид: ,где

напряжение в точке пересечения аппроксимирующих прямых (второе срабатывание ОПН) при=0,6кА;коэффициент наклона, Ом.Для ВАХ ОПН0,4/0,2410(I)УХЛ1=0,5 Ом, =0,03 Ом. Решение переходных процессов производилосьоператорнымметодом (закон Ома в операторной форме).

Для первого участка рабочей части ВАХ осиi0 до 0,6кА решением будет уравнение, (1)

гдеТпостоянная времени, мкс, определяемая какТ=;ост приведённое к стороне НН остаточное напряжение на разряднике ВН.Принимая(для разрядника РВП10 при токе координации 5 кА ) и подставляя исходные данные в (1) получим:

,кАгде t измеряется в мкс.Время, за которое так достигнем точки перелома

.После этого процесс происходил по второму участку ВАХ с ненулевыми начальными условиями: приt=t, ток i=i.

Решение производится так же операторным методом. По закону Ома в операторнойформе, учитывая запаздываниепо времениtи вводя обозначение

получим:

/ ,где p оператор Лапласа.Переходя от изображения I(p) к оригиналу i(t) получим решение переходного процесса для второго участка ВАХ в виде уравнения:

Искусственно прибавляя к правой части (и группируя члены, получим решение в более удобной форме:, (2)гдеТпостоянная времени, для рассматриваемого примера.Подставляя в (2) исходные данные, получим , кА, где t измеряетсяв мкс.Придлительности грозового импульса t100мкс ток достигает значения i(t=100мкс)1,42кА,что меньше допустимогодля ОПН0,4/0,23 тока координации5кА. Даже при максимальной длительности грозового импульса t300 мкс ток достигнет значения i(t300мкс)3,1кА<5кА.В конце расчётного прямоугольного импульса приt=tдействующее на рассматриваемую цепь напряжениеUволны равно нулю. Цепь освобождается от вынуждающей э. д. с. и по ней будет протекать свободный затухающий ток, обусловленный запасом энергиив индуктивностиL+L, причём постоянная времени затухания тока на втором, а затем первом участке ВАХ будут равны соответственно Tи T.В отличии от трансформаторов со схемой соединения обмоток

для трансформаторов со схемой соединения обмотокY/ 0, учитывая рекомендации [1], при падении грозовой волны по одной фазе трансформатора в расчётах по схеме замещения Рис2 следует принимать не полную амплитуду падающего на обмотку фазы трансформатора остаточного напряжения разрядникаВН

U, а только.Режим работы ОПН при передаче импульса ёмкостным путём на фронте импульса рассмотрен в [6], где показано, что для ОПН он не является опасным, т.к. длительность протеканияразрядного тока весьма мала ( порядка десятков наносекунд при достаточно опаснойкрутизневолны) Поэтому в данной работе этот путь передачи импульса не рассматривается.

Заключение.1)Установлено, что наиболее опасным по энергетическому воздействию переданного через трансформатор с изолированной нейтралью грозового импульса является случай падения грозовой волны по одной фазе.2)Предложено приближенное аналитическое решение (формулы (1) и (2)) вопроса расчёта импульсных разрядных токов в ОПН04 при передаче грозового импульса через трансформатор методом кусочно –линейной аппроксимации. Рассмотрена зависимость параметров схемы замещения(расчётная амплитуда падающей на фазу грозовой волны ) от схемы соединения обмоток трансформатора.3)Представлен расчёт по разработанной методике для конкретной электроустановки, показывающий, что при правильно выбранном оборудовании (вентильный разрядник или ОПН на стороне ВН и ОПН0,4 на стороне НН трансформатора 10/0,4кВ) разрядные грозовые токи не превысят допустимых пределов токов координации ОПН0,44)Предложенную методику с соответствующей корректировкой можно применить для приближенного расчёта грозовых разрядныхтоков при передаче импульса через трансформатор для ОПН более высоких классов напряжения.

Ссылки на источники1.Сиротинский Л.И.Техника высоких напряжений. Часть 3я, МоскваЛенинград 1945г.2.Л.А. Бессонов Теоретические основы электротехники. Высшая школа». М.19733.ЗАО Феникс88». Ограничитель перенапряжений нелинейный для защиты изоляции электрооборудования сетей 0,4 кВ. ОПН0,4/0,2410(I) УХЛ1. ТУ 34140,230696869403. Паспорт. Новосибирск20044.Горюнов А.К., Таджибаев А.И., Халилов Ф.Х. Электромагнитная совместимость в сетях низкого напряжения и меры борьбы с её нарушениями. Учебное пособие Петербургский энергетический институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов министерства энергетики Российской Федерации. СанктПетербург. 2003.5.А.С. Гринёв. Особенности передачи грозовых импульсов перенапряжения через силовые трансформаторы 635/0,4 кВ со схемой соединения обмоток треугольникзвезда с выведенной нейтралью» // Современные научные исследования. Выпуск 22014.ART54739.url:http://ekoncept.ru/2014/54739. HtmГос. рег. Эл № фс 7749965ISSN2304120x6.А.С.Гринёв. Анализ возможных грозовых перенапряжений в генераторной сети Абаканской ТЭЦ. / Вестник Хакасского технологического института –филиала ФГОУ ВПО Сибирский федеральный университет. Абакан,2007.№24с78867.П.В Борисоглебский, Л.Ф. Дмоховская, В.П. Ларинов, Ю.С. Пинталь, Д.В. Разевиг, Е.Я. Рябкова Техника высоких напряжений». Под общей редакцией Д.В. Разевига. Издательство Энергия», Москва. 1964г. Ленинград.