Наукова новизна отриманих результатів

Виявлено нові особливості виникнення та протікання нестаціонарних процесів в електромережах 10 кВ з ізольованою нейтраллю і трансформаторами напруги.

Розроблено новий метод демпфування ферорезонансних процесів, який базується на дозованому увімкненні додаткових активних опорів у з'єднану трикутником обмотку трансформатора напруги, та запропоновано методику оцінки параметрів схеми дозованого увімкнення цих опорів. На відміну від відомих методів це дозволяє придушувати ферорезонансні коливання у всьому діапазоні струмів замикання на землю електромережі, вибравши оптимальні характеристики схеми залежно від типу трансформатора напруги і параметрів ЕМ.

Обґрунтовано ефективність розробленого методу для захисту трансформаторів напруги від пошкоджень під час однофазних дугових замикань на землю і запропоновано спосіб формування сигналу ідентифікації небезпечних процесів для керування схемою дозованого увімкнення активного опору.

Розроблено і теоретично обґрунтовано принципи побудови схеми нерезонуючого трансформатора напруги, який усуває можливість виникнення ферорезонансних процесів під час збурень фазних напруг електромережі 10 кВ з ізольованою нейтраллю.

Запропоновано метод вибору параметрів первинних давачів напруги у схемі НТН-10 за критерієм забезпечення необхідних метрологічних характеристик нерезонуючого трансформатора.

Сформульовано та обґрунтовано принципи побудови вимірювального пристрою нерезонуючого трансформатора напруги, який забезпечує виконання нормативних функційних і метрологічних вимог до трансформаторів напруги.

Практичне значення отриманих результатів. Основним практичним значенням роботи є опрацювання технічних засобів стратегії економічно обгрунтованого підвищення надійності експлуатації трансформаторів напруги у мережах 10 кВ, яка полягає у доцільному поєднанні впровадження засобів захисту та реконструкції пошкоджених трансформаторів напруги. Відповідно до результатів роботи рекомендовано:

на підстанціях (ПС) з ТН типу НТМИ-10, НАМИ-10 та ЗНМИ-10 за відомими значеннями ємнісних СЗЗ визначити необхідні значення додаткових резисторів для їхнього короткочасного під'єднання до обмотки РТ ТН за допомогою пристрою захисту, що забезпечить підвищення стійкості НТМИ-10 до ФРП;

стаціонарно під'єднувати до обмотки РТ ТН типів НАМИ-10 та ЗНМИ-10 резистор величиною 150 Ом для недопущення розвитку ФРП у визначеному діапазоні ємнісних СЗЗ ЕМ 10 кВ;

у разі пошкодження фази В ТН типів НАМИ-10 та ЗНМИ-10 проводити їхню реконструкцію за схемою НТН-10 та обладнувати реконструйовані ТН вимірювальним пристроєм, перетворюючи таким чином НАМИ-10 та ЗНМИ-10 у НТН-10;

у разі пошкодження ТН типу НТМИ-10 перемотувати обмотки двох фаз ТН таким чином, щоб їхні первинні обмотки були розраховані для під'єднання на лінійну напругу 10 кВ. Після цього з'єднати перемотані ТН із дільником напруги за схемою НТН-10, обладнавши їх ВП.

Впровадження результатів роботи. Нерезонуючі трансформатори напруги з ВП, отримані шляхом реконструкції пошкоджених ТН типу НАМИ-10, впроваджені у промислову експлуатацію на таких ПС підприємств ЕМ України:

а) 4 трансформатори на ПС “Зимна вода”, “Прилбичі”, “Високий замок” і “Жидачів” ВАТ “Львівобленерго”;

б) 2 трансформатори на ПС “Журавичі” та “Ківерці” ДАЕК “Волиньобл-енерго”;

в) 2 трансформатори на ПС “Новоазовськ” ДАЕК “Донбасобленерго”.

Особистий внесок здобувача. Авторові належить: аналіз умов виникнення і протікання ФРП під час збурень в ЕМ 10 кВ з ізольованою нейтраллю та ТН типів НТМИ-10, НАМИ-10, ЗНМИ-10 [8]; визначення оптимальних величин додаткових резисторів, які необхідно вмикати в обмотку РТ ТН вказаних типів для захисту їх від надструмів під час ФРП і ОДЗЗ [8, 9]; розроблення схеми нерезонуючого трансформатора напруги з вимірювальним пристроєм [1, 2, 6, 10, 11]; визначення похибок вимірювання наявних ТН-10 та НТН-10 під час нестаціонарних процесів в ЕМ 10 кВ [3, 12]; встановлення шляхів поліпшення метрологічних характеристик НТН-10 [3]; проведення досліджень, аналіз результатів та участь у впровадженні в експлуатацію НТН-10 з вимірювальним пристроєм [4, 5, 7-9].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи оприлюднені й обговорені на: 2-й Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці”, м. Львів, 1997 р.; Семінарі Наукової Ради НАН України з комплексних проблем “Наукові основи електроенергетики”: Перетворювальні пристрої для стабілізації параметрів електроенергії, м. Київ, 1999 р.; 3-й Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці”, м. Львів, 1999 р.; Семінарі Наукової Ради НАН України з комплексних проблем “Наукові основи електроенергетики”: Оптимізація режимів роботи електроенергетичних систем, м. Львів, 2000 р.; Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми сучасної електротехніки”, м. Київ, 2000 р.; 1-й Міжнародній науково-практичній конференції “Обчислювальна техніка в інформаційних та керуючих системах”, м. Маріуполь, 2000 р.; Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання як засіб мінімізації енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах”, м. Шацьк, 2001 р.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи відображено у 12 публікаціях, серед яких 10 статей у фахових виданнях ВАКу, тези доповіді на науково-технічній конференції та 1 патент на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація викладена на 213 сторінках, складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 131 найменування, 60 рисунків, 7 таблиць, 7 додатків. Обсяг дисертації становить 137 сторінок.

Автор щиро вдячний кандидату технічних наук, доцентові кафедри ЕМС Кенсу Юрію Амброзійовичу за вагому допомогу в процесі виконання дисертаційних досліджень.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету й завдання досліджень, розкрито наукову новизну та практичне значення роботи, викладено відомості про апробацію та публікацію основних результатів дисертаційних досліджень, а також про їхнє впровадження у промислову експлуатацію.

У першому розділі розглянуто особливості експлуатації трансформаторів напруги 10 кВ з різними схемами з'єднань їхніх обмоток в електромережах з ізольованою нейтраллю.

В ЕМ 10 кВ з малими струмами замикання на землю та електромагнітними трансформаторами напруги можливим є виникнення й тривале існування небезпечних ферорезонансних процесів, які можуть призводити до виходу з ладу ТН внаслідок термічних пошкоджень їхніх первинних обмоток. На підставі аналізу відомих досліджень нестаціонарних процесів в ЕМ з ізольованою нейтраллю показано, що дугові замикання фази на землю й ферорезонансні процеси є основними причинами зниження рівня надійності та безпеки функціонування цих мереж. Статистичні дані з експлуатації ТН підтверджують, що наявні електромагнітні трансформатори напруги не розраховані на тривале протікання ФРП і ОДЗЗ та часто самі є причиною виникнення чи обтяження таких режимів, внаслідок чого спостерігаємо непоодинокий вихід із ладу ТН 6-10 кВ.

З огляду на це, у розділі здійснено класифікацію способів боротьби з ферорезонансом за ефективністю їхньої реалізації з точки зору зменшення пошкоджень ТН в ЕМ з ізольованою нейтраллю, а також проаналізовано наявні способи й заходи підвищення ефективності функціонування ЕМ 10 кВ з ізольованою нейтраллю під час ферорезонансних процесів та дугових замикань фази на землю.

Показано, що відомі заходи, спрямовані на підвищення стійкості ТН до ФРП і ОДЗЗ, потребують вдосконалення, яке необхідно здійснити через виявлення достеменних умов виникнення і можливого придушення небезпечних процесів з урахуванням параметрів конкретної ЕМ з наявними ТН.

Накреслено шлях радикального вирішення проблеми пошкоджуваності ТН 6-10 кВ, який слід скерувати у напрямі розроблення нових масштабних вимірювальних перетворювачів із використанням інших принципів для здійснення схем контролю несиметрії мережі замість заземлених електромагнітних ТН.

Другий розділ присвячено дослідженню нестаціонарних процесів в електромережах 10 кВ з ізольованою нейтраллю та наявними електромагнітними трансформаторами напруги.

Необхідною умовою виконання поставлених завдань і мети цієї роботи є правильний та обґрунтований вибір методів дослідження. Безумовно, найдосконалішим інструментом отримання адекватної картини реальних процесів та явищ є поєднання емпіричних і теоретичних методів. З огляду на це, у розділі проаналізовано переваги та недоліки використання графічних, ітераційних й аналітичних методів розрахунку нестаціонарних процесів в ЕМ 10 кВ з ізольованою нейтраллю. На основі аналізу обґрунтовано недоцільність застосування виразів, які базуються на аналітичній апроксимації вебер-амперної характеристики нелінійної індуктивності та методі гармонічного балансу, для виявлення умов виникнення та придушення автопараметричних коливань в електричних колах з такими індуктивностями. Тому слід визнати, що єдиним достовірним способом розрахунку нестаціонарних режимів трифазних нелінійних кіл на сьогодні є використання чисельних методів розрахунку й аналізу перехідних процесів під час таких режимів із застосуванням багатоточкової кусково-лінійної апроксимації вебер-амперних характеристик нелінійних індуктивностей.

Для проведення досліджень схеми (рис. 1) було використано розроблений співробітниками НУ “Львівська політехніка” цифровий комплекс, у якому застосовано алгоритми автоматичного формування системи диференційних рівнянь стану в методі контурних координат, що дозволяють ефективно досліджувати взаємозв'язані електричні та магнітні кола. Алгоритм розв'язку цих рівнянь реалізований на базі неявного багатокрокового методу чисельного інтегрування у вигляді формул диференціювання назад, який забезпечує стійкий обчислювальний процес за великого розкиду власних частот та постійних часу елементів схеми. Автоматичне формування цифрових моделей дає змогу досліджувати розрахункові схеми різної складності, що дозволяє досягти необхідної адекватності моделювання, яка підтверджена натурними осцилограмами координат режиму за різних комутаційних процесів.

У розділі з метою виявлення умов та особливостей існування ферорезонансних процесів в ЕМ 10 кВ з ізольованою нейтраллю й електромагнітними ТН типів НТМИ-10, НАМИ-10 і ЗНМИ-10 досліджено такі комутаційні режими: а) подання поштовхом напруги живлення на шини 10 кВ підстанції, до яких під'єднано ТН; б) увімкнення під напругу ТН; в) вимкнення однієї з ліній електропересилання; г) однофазне замикання на землю в електромережі та його ліквідація.

У табл. 12 наведено результати досліджень зазначених вище комутаційних режимів, за яких виникає незгасний ФРП, якщо на шинах 10 кВ підстанції увімкнено ТН різного типу (НТМИ-10, НАМИ-10). Діапазони та величини гасильних резис-торів для відповідних режимів в ЕМ з ТН типу ЗНМИ-10 близькі до даних табл. 2.

На рис. 2 проілюстровано процес виникнення субгармонічних ФРП за різних комутацій у схемі з ТН типу НТМИ-10, коли всі вторинні обмотки його ненаванта-жені (U₀ - це вторинна напруга нульової послідовності). Подібні цифрограми напруг і струмів були отримані й для трансформаторів НАМИ-10 та ЗНМИ-10.

Встановлено, що для всіх режимів ФРП у мережі 10 кВ, коли частота f_ФРП = 50100 Гц, забезпечується придушення ФРП, якщо до обмотки РТ ТН постійно увімкнено гасильний резистор R_ГРП. Однак резистор R_ГРП не може забезпечити зрив ФРП з частотами f_ФРП <50 Гц, а зменшення його номіналу неможливе з огляду на тепловий режим вторинних додаткових обмоток ТН. Тому для придушення субгар-монічних ФРП необхідно застосувати додатковий резистор R_ГРД, який вмикається паралельно R_ГРП. Процес придушення таких ФРП для різних типів ТН показано на рис. 3, де після невдалої спроби зірвати ФРП за допомогою R_ГРП (час до 1 с) вми-кається резистор R_ГРД, який сприяє швидкому придушенню ФРП. У табл. 12 наве-дено значення резистора R_ГРД, короткочасне під'єднання якого паралельно R_ГРП забезпечує придушення субгармонічних ФРП. цифрограми, подібні до рис. 2, 3, отримано для всіх симульованих комутаційних режимів.

Особливо небезпечними для ТН є повторно-нестійкі дуги (ПНД), які періодично гаснуть і запалюються знову. До того ж саме електромагнітні ТН багато в чому зумовлюють небезпечне протікання однофазних дугових замикань на землю. Замикання на землю відбувалося за напруги на пошкодженій фазі, близькій до амплітудного значення U_фm, а погасання дуги - у момент проходження струму замикання на землю через нуль.

На рис. 4 наведено результати комп'ютерної симуляції однофазної дуги на початку однієї з ліній 10 кВ (W1) підстанції (рис. 1), коли до шин К було під'єднано ТН типу ЗНМИ-10. Умови повторних запалювань дуги та їхнього припинення залежать від кратності напруги пробиття дугового проміжку після погасання дуги К_пр. = U_пр./U_фm, ємнісного струму І_С однофазного замикання на землю, типу ТН та величини додаткового опору R_ГРД, який короткочасно вмикають до виводів РТ ТН. Максимальний опір R_ГРД, який забезпечує зрив дуги, наведено відповідними цифрами (Ом) на рис. 4 в системі координат К_пр = f(І_С). Аналогічні дослідження проведено для ТН типів НТМИ-10, НАМИ-10.

Аналізуючи результати комп'ютерної симуляції режимів дуг у мережі 10 кВ із зазначеними вище електромагнітними ТН, слід зауважити, що ці трансформатори напруги можуть пошкоджуватися під час ПНД в ЕМ у широкому діапазоні ємнісних СЗЗ. Водночас короткочасне під'єднання відповідного низько-омного резистора до обмотки розімкненого трикутника різних типів ТН 10 кВ дозволяє зірвати процес дугового замикання фази на землю у певному діапазоні величин струмів замикання, захистивши ТН від пошкодження.

У розділі виконано також аналіз роботи ТН типів НТМИ-10, НАМИ-10 і ЗНМИ-10 як давачів інформації про нестаціонарні процеси в ЕМ 10 кВ з ізольованою нейтраллю і показано нездатність трансформатора НТМИ-10 та обмежені можливості ТН типів НАМИ-10 і ЗНМИ-10 здійснити адекватну реєстрацію координат нестаціонарних режимів мережі.

Таким чином, показано специфічність процесів в ЕМ 10 кВ з ізольованою нейтраллю й конкретними електромагнітними ТН, а також принципову неможливість повністю уникнути виходу з ладу заземлених ТНКІ та малу ймовірність виконати універсальний захист усіх ТН від пошкоджень під час нестаціонарних процесів в електромережі.

У третьому розділі запропоновано використати радикальний спосіб уникнення небажаних ферорезонансних явищ в ЕМ з ізольованою нейтраллю, який полягає у вилученні зі схеми нульової послідовності мережі нелінійної індуктивної провідності, що своєю чергою виключить можливість утворення ферорезонансного контуру під час нестаціонарних процесів у таких мережах. Одним із таких технічних рішень є використання активних та ємнісних подільників напруги замість заземлених електромагнітних ТНКІ. Використовуючи цей шлях запобігання виходу з ладу трансформаторів напруги 10 кВ у мережах з ізольованою нейтраллю, було розроблено нові нерезонуючі трансформатори напруги [6, 11].

У НТН для пересилання інформації про міжфазні напруги ЕМ 10 кВ до кіл обліку електроенергії використано два електромагнітні трансформатори TV₁ і TV₂, а для отримання фазних напруг та напруги нульової послідовності - трансформатори TV₁ і TV₂, ємнісний дільник напруги (ЄДН) і вимірювальний пристрій.

Між спільною фазою В первинних обмоток TV₁ і TV₂ та землею увімкнено ЄДН - С₁-С₂, тобто високовольтні обмотки НТН-10 ізольовані від землі, що виклю-чає можливість появи ФРП під час збурень фазних напруг ЕМ з ізольованою нейтраллю.

Наявність ємнісного дільника, який увімкнено лише до однієї фази трифазної електромережі, може спотворювати значення напруг фаз ЕМ відносно землі та призводити до появи напруги U_N в нейтралі. Тому визначальним у процесі вибору величини вхідної ємності ЄДН () було забезпечення якнайменшого впливу дільника на ємнісну несиметрію мережі з ізольованою нейтраллю.

Аналізуючи вираз (2), було встановлено, що для того, аби перебував у допустимих межах С_ЄДН має бути приблизно у 20 разів менша від значення еквівалентної ємності фази відносно землі в ЕМ, де буде встановлюватися НТН. Врахо-вуючи це, для ЕМ 10 кВ значення високовольтної ємності С₁ не має перевищувати 500 пФ. Значення ємності нижнього плеча дільника С вибиралося за величиною ємності С₁ та параметрами, які необхідно отримати на вході вимірювального прис-трою. Оскільки у ВП застосовуватимуться електронні елементи, напруга живлення яких незначна (515 В), а також відповідно мала вхідна напруга, то напруга на вході ВП у режимах, що характеризуються максимальними значеннями фазної напруги фази В, повинна бути в межах, допустимих для інтегральних схем, що використовуватимуться. Крім того, для захисту схеми вимірювального пристрою від можливих перенапруг під час втрати (обриву) ємності С₂ слід використовувати електронний елемент зі стабільною напругою обмеження, наприклад, низьковольтний розрядник VL (рис. 5). Цей розрядник шунтуватиме на землю вивід конденсатора С₂ у разі обриву заземлювального виводу дільника чи втрати ємності С₂, а в неробочому стані матиме великий вхідний опір, щоб не впливати на роботу ЄДН.

Враховуючи те, що клас точності трансформатора НТН-10 для контролю фазних напруг і напруги u₀ визначатиметься здебільшого класом точності ємнісного дільника С₁-С₂, було перевірено коефіцієнт ділення ємнісного дільника у всьому діапазоні зміни напруги u_В = (011.5) кВ та температури. Під час експериментальних випробувань ЄДН використано диференційний метод вимірювання із застосуванням відповідного еталонного дільника та цифрових приладів, що забезпечило максимальну точність. Перевірка коефіцієнта ділення ЄДН у високовольтній лабораторії та в умовах дослідно-промислової експлуатації (понад 4 роки) довела високу температурну стабільність ЄДН у діапазоні температур (_25 +50)С у межах допустимих напруг ЕМ 10 кВ та його здатність працювати у необхідному класі точності (0.5) практично незалежно від погодних умов, коли ЄДН розміщений у баці НТН.

Обмежений час експлуатації ЄДН у схемі НТН-10 не дозволяє експериментальним шляхом оцінити вплив усіх факторів на точність вимірювання напруги за допомогою ЄДН. З огляду на це було проведено розрахунок теоретичних залежностей метрологічних характеристик дільника від зміни величин його ємностей, вхідного опору ВП та частоти. Для цього у роботі використано розклад нелінійних функцій приростів похибок напруги у ряд Тейлора, а саме:

де f_U, _U - прирости похибок за модулем напруги та кутової відповідно; R₂ - вхідний опір ВП;

У результаті проведених обчислень отримано такі вирази для f_U, _U:

У дисертації розглянуто проблему виходу з ладу трансформаторів напруги в мережах з ізольованою нейтраллю. Якісно розвинуто та кількісно доповнено шлях вирішення цієї проблеми, який полягає у вдосконаленні способів і засобів захисту наявних ТН до ферорезонансних процесів та дугових замикань фази на землю. Запропоновано радикальний спосіб уникнення пошкоджень ТН, на основі якого розроблено схему та здійснено технічну реалізацію нового нерезонуючого трансформатора напруги 10 кВ. У трансформаторі НТН-10 використання ємнісного дільника для контролю однієї з фазних напруг та під'єднання двох інших первинних обмоток електромагнітних ТН на лінійні напруги мережі виключає можливість появи ферорезонансних процесів під час збурень фазних напруг ЕМ з ізольованою нейтраллю. Основні результати роботи успішно впроваджено у промислову експлуатацію на підприємствах електромереж України.

Medynskyi R. V. Processes in electric networks of 10 kV with insulated neutral and voltage transformers. - Manuscript.

Dissertation for obtaining the academic degree of candidate of technical science, specialty 05.14.02 - Power stations, electricity supply networks and systems.

The National University “Lviv Politechnics”, Lviv, 2002.

In the dissertation the problem of breakage of voltage transformers in the networks with insulated neutral is considered. The way of solving this problem by updating methods and means of protecting available voltage transformers from ferroresonance processes and phase-to-ground connections was developed both from qualitative and quantitative points of view. Radical way of avoiding voltage transformers damages was suggested, on the basis of which the scheme of a new nonresonating transformer of 10 kV voltage was developed and its technical realization was performed. In the transformer HTH-10 the usage of a voltage-dividing capacitor for controlling one of phase voltages and connecting other two primary windings of electromagnetic voltage transformers to the line-to-line network voltages makes impossible the appearance of ferroresonance processes during turbulences of phase voltages of electricity supply networks with insulated neutral. The main results of the work have been successfully implemented into industrial exploitation at electricity supply network plants of Ukraine.

Key words: voltage transformers, electricity supply network, nonstationary processes, ferroresonance, nonresonating voltage transformer, voltage-dividing capacitor.