Ферорезонансні процеси в електромережах 35 кВ з трансформаторами напруги

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.14.02 - Електричні станції, мережі і системи

Ферорезонансні процеси в електромережах 35 кВ

з трансформаторами напруги

Засідкович Назар Романович

Львів - 2005

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Журахівський Анатолій Валентинович

професор кафедри електричних систем і мереж Національного університету “Львівська політехніка”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Назаров Володимир Васильович

професор кафедри машин і апаратівХмельницького державного університету

кандидат технічних наук, доцент

Гребченко Микола Васильович

доцент кафедри електричних станцій Донецького національного технічного університету

Провідна установа: Вінницький національний технічний університет (кафедра “Електричні станції і системи”) Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться “ 6 ” травня 2005 р. о 14 годині 00 хв. на засіданні спеціалізованої ради Д 35.052.02 Національного університету “Львівська політехніка”, за адресою: 79013, Львів, вул. Ст. Бандери, 12, ауд. 114 г.к.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка”, за адресою: 79013, Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розіслано “ 29 ” березня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради,

кандидат технічних наук, доцент В.І. Коруд

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення надійного та безперебійного електропостачання споживачів є одним із найважливіших завдань проектування та експлуатації електричних мереж (ЕМ) та їх елементів. Важливу роль у виконанні цих завдань відіграють ЕМ середнього класу напруг 6-35 кВ. Історично в країнах СНД системи передачі та розподілу електричної енергії наругою 6-35 кВ виконувались з ізольованою нейтраллю. Це дало можливість підвищити надійність електропостачання за рахунок роботи без вимкнення електроспоживачів у випадках однофазного замикання на землю (ОЗЗ) протягом достатньо тривалого часу, необхідного для пошуку пошкодженої ділянки мережі. Однак, такий підхід побудови мереж середнього класу напруг виявив ряд суттєвих недоліків, пов'язаних з особливостями режимів ОЗЗ: негативний вплив на ізоляцію мережі та електрообладнання, виникнення ферорезонансних процесів (ФРП), що ведуть до пошкодження обладнання, і в першу чергу, трансформаторів напруги (ТН), можливість ураження електричним струмом людей і тварин тощо. Вихід з ладу ТН призводить до втрати обліку електроенергії, деяких захистів електрообладнання, а у найгірших випадках, внаслідок вибухів і загорянь ТН, до перекриття ізоляції розподільних злагод та довготривалої перерви електропостачання споживачів, що є недопустимим з точки зору надійності забезпечення їх електроенергією.

Особливо актуально ця проблема постає в останні роки, коли енергопостачальні підприємства перейшли на ринкові відносини зі споживачами електроенергії, а масовий вихід з ладу ТН є однією з основних причин недообліку відпущеної електроенергії. Крім того, розроблені захисти ТН від пошкоджень ФРП виявились не зовсім ефективними, або такими, впровадження яких в експлуатацію є не завжди економічно вигідне.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає темі, якою займається кафедра “Електричних систем та мереж” Національного університету “Львівська політехніка” - дослідження ферорезонансних процесів у мережах з ізольованою нейтраллю, розробка заходів і засобів захисту підстанційного обладнання від пошкоджень ферорезонансними процесами та створення нових трансформаторів напруги з дільником напруги для мереж різних класів номінальних напруг. Дисертаційна робота дозволяє розширити спектр можливих рішень проблеми уникнення пошкоджень трансформаторів напруги під час ферорезонансних процесів в електричних мережах 35 кВ, вказати шляхи вирішення даної проблеми. Результати роботи використані при виконанні держбюджетного договору ДБ/Спектр, „Методи аналізу та синтезу інтелектуальних систем керування енергетичними об'єктами” та госпдоговорів:

№6901 “Дослідження ферорезонансних процесів в електромережах ЗЕС, розробка схем та впровадження пристроїв захисту ТН від пошкоджень ФРП” (№ держ. реєстрації 0103U001334),

№6993 “Розробка принципових схем захисту трансформаторів напруги типу НКФ на підстанціях ЗЕС” (№ держ. реєстрації 0103U008224).

Мета й завдання досліджень. Метою даної роботи є аналіз ферорезонансних процесів (дугових ОЗЗ) в ЕМ 35 кВ для встановлення причин і механізмів виходу з ладу існуючих трансформаторів напруги контролю ізоляції (ТНКІ) і на основі отриманих результатів - розроблення схем нових трифазних трансформаторів напруги з дільником напруги (ТТНДН) 35 кВ, стійких до пошкоджень вказаними процесами.

Відповідно до вказаної мети розв'язувались наступні завдання:

-дослідження ферорезонансних процесів під час однофазних замикань на землю в ЕМ 35 кВ, в тому числі, через перекидні дуги з метою виявлення умов та характеру їх протікання;

-аналіз ефективності роботи відомих заходів захисту ТН від ФРП;

-дослідження нововведеного антирезонансного трансформатора напруги типу НАМИ-35, виявлення його переваг та недоліків;

-за результатами проведених досліджень обґрунтування необхідності створення нового типу ТН та розроблення нових схем трифазного трансформатора напруги з дільником напруги;

-аналіз різновидів дільників напруги, дослідження усталених та нестаціонарних режимів ЕМ 35 кВ з ТТНДН, визначення рівня перенапруг в нейтралі ТТНДН під час дугових замикань в мережі та надходженні на ТН хвилі грозової перенапруги;

-розроблення мікропроцесорного вимірного пристрою (ВП) для ТТНДН.

Об'єкт дослідження - процеси (дугові ОЗЗ, ФРП) в електромережах 35 кВ з ізольованою нейтраллю, особливості роботи елементів ЕМ за таких умов.

Предмет дослідження - трансформатори напруги контролю ізоляції ЕМ 35 кВ.

Методи дослідження. В основу досліджень покладено методи теорії лінійних і нелінійних кіл (для опису стану електричної мережі з трансформаторами напруги), чисельні методи (для розв'язання нелінійних диференційних рівнянь), методи теорії натурного експерименту (для проведення експериментальних досліджень на діючих об'єктах).

Наукова новизна отриманих результатів

Створено комплекс структурних моделей електромереж з трансформаторами напруги різних типів, що дало змогу адекватно відтворити картину протікання ферорезонансних процесів в таких мережах та встановити причини пошкоджень ТН, в тому числі нового типу НАМИ-35.

Розроблено принципи побудови нового покоління трифазних трансформаторів напруги з дільниками напруги 35 кВ, що дозволило уникати пошкоджень їх за будь-яких нестаціонарних режимів.

Запропоновано новий підхід до формування сигналів для мікропроцесорного вимірного пристрою ТТНДН, що дало змогу відтворювати координати режиму мережі в реальному часі з необхідною точністю.

Практичне значення отриманих результатів. Основним практичним значенням роботи є створення нових схемних рішень, спрямованих на підвищення надійності експлуатації трансформаторів напруги у мережах 35 кВ. Відповідно до результатів роботи:

-встановлено діапазони зміни параметрів мережі 35 кВ та умови, за яких можливі ФРП і пошкодження ТН існуючих типів.

-запропоновано способи та схеми реконструкції існуючих трансформаторів напруги в такі, що не вступають в резонанс за будь-яких умов.

-створено новий тип трансформатора напруги з вимірним пристроєм на базі мікропроцесорної техніки.

Впровадження результатів роботи. Реконструйовано та впроваджено в дослідно-промислову експлуатацію на підстанціях ВАТ “Львівобленерго” три трансформатори напруги з ємнісним дільником напруги 35 кВ.

Особистий внесок здобувача. Автору належать: формування моделей для розрахункової схеми електричної мережі 35 кВ; дослідження на математичній моделі ферорезонансних процесів в електромережі 35 кВ з ТН типу ЗНОМ, НАМИ [1, 2]; формування математичної моделі та розрахункової схеми врахування активних втрат потужності у магнітопроводі силового трансформатора [3]; аналіз отриманих результатів розрахунків ферорезонансних процесів [1, 2, 3]; розроблення принципів побудови, схем та розрахунок параметрів ТТНДН-35 кВ [2]; можливі шляхи реконструкції існуючих ТН в ТТНДН [8]; розроблення способу та алгоритмів формування напруг вимірювальним пристроєм ТТНДН [4, 7]; формування рівняння стану для розрахункової схеми трифазної електромережі з компенсованою нейтраллю і живленням від двох незалежних міжфазних ЕРС [6]; методика випробувань, налагодження та участь у впровадженні в дослідно-промислову експлуатацію ТТНДН-35 кВ та НТН-10 [4].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на: 3-ій міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та енергетиці” 25-30 вересня 1999р., м. Львів; Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання як засіб мінімізації енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах” 18-22 червня 2001р., м. Шацьк; 3-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” 10-14 жовтня 2001р., м. Львів; VII Міжнародній конференції “Проблеми сучасної електротехніки 2002”, 4-6 червня 2002р., м. Київ; ІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Керування режимами роботи об'єктів електричних систем-2002” 12-14 вересня 2002р., м. Донецьк; засіданні семінару НАН України “Моделі та методи комп'ютерного аналізу електричних кіл та електромеханічних систем”, 19 лютого 2004р., Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів; семінарах кафедри.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 6 статей у фахових наукових журналах та отримано 2 патенти.

Структура та обсяг роботи. Дисертація викладена на 175 сторінках, складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 116 найменувань, 44 рисунків, 4 таблиць, 4 додатків. Обсяг ілюстрацій, таблиць та додатків становить 45 сторінок. Обсяг дисертації становить 130 сторінок.

Автор висловлює глибоку вдячність доц. Кенсу Юрію Амброзійовичу за цінні поради та допомогу на всіх етапах виконання роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко подані особливості роботи електричних мереж 35 кВ та їх елементів, які працюють в режимі з ізольованою нейтраллю. Наведена їх коротка характеристика, переваги та недоліки. Визначена мета роботи, обґрунтована актуальність поставлених завдань, розкрита наукова новизна та практична цінність роботи, викладені відомості про апробацію та публікацію основних результатів дисертаційних досліджень, а також про їхнє впровадження у промислову експлуатацію.

У першому розділі розглянуто умови виникнення та різновиди ферорезонансних процесів, які характерні для некомпенсованих мереж з ізольованою нейтраллю.

В електричних мережах з ізольованою нейтраллю наявні елементи з нелінійними характеристиками, а саме магнітопроводи силових трансформаторів та вимірювальних трансформаторів напруги. Динамічна індуктивність вітки намагнічення трансформаторів може змінюватись протягом кожного періоду промислової частоти в широких межах, а форма струму сильно спотворюватись. При цьому з'являється можливість виникнення ферорезонансних процесів на основній, вищих та нижчих гармоніках. Ферорезонанс виникає за послідовного чи паралельного з'єднання ємності з нелінійною індуктивністю. У мережах з ізольованою нейтраллю створюються умови для виникнення ферорезонансу між ємністю мережі та індуктивністю трансформаторів.

Причини, які викликають пошкодження ТН, пов'язані зі специфічними процесами, які мають місце у нелінійних колах змінного струму і, в більшості випадків, пов'язані з замиканням фази електромережі на землю. Переважно, ферорезонансні процеси виникають в результаті резонансу нелінійних індуктивностей намагнічення трансформаторів напруги, нейтраль яких заземлена, з ємностями фаз відносно землі електрично зв'язаних з ТН елементів мережі. При цьому виникає резонанс струму або, так званий, паралельний резонанс.

Крім того, деякі режими, пов'язані з силовими трансформаторами, також можуть сприяти виникненню ФРП. Послідовний ферорезонанс може виникати в результаті складної аварії в мережі з ізольованою нейтраллю - внаслідок обриву та одностороннього падіння проводу на землю, а також за неповнофазних увімкнень роз'єднувачів, вимикачів чи перегорання запобіжника однієї з фаз. ФРП за таких аварій виникає внаслідок послідовного з'єднання ємності мережі з нелінійною індуктивністю силового понижувального трансформатора потужністю 6301000 кВА, утворюючи схему ферорезонансного перетворювача. Такий процес супроводжується значним підвищенням однієї з фазних напруг, яке призводить до перезбудження ТН і намагнічуючий струм однієї з фаз зростає до 3-4 А.

Під час таких процесів магнітопроводи трансформаторів напруги переходять в стан глибокого насичення і струми намагнічення, які протікають по обмотках високої напруги ТН зростають в декілька, а то й десятки разів у порівнянні з допустимими. Протікання таких струмів є небезпечним з точки зору термічної стійкості обмоток високої напруги ТН, про що свідчать статистичні дані, згідно яких середня пошкоджуваність ТНКІ, працюючих в мережах 6-35 кВ становить 6-10% на рік.

Оскільки однофазні замикання на землю в ЕМ є найбільш розповсюдженими, значна частина яких є дуговими замиканнями, то ймовірність виникнення стійких, небезпечних для ТНКІ ФРП є високою. З огляду на це, у розділі проаналізовані відомі заходи та засоби, спрямовані на захист ТН шляхом придушення, зриву чи недопущення ФРП в ЕМ 6-35 кВ з ізольованою нейтраллю.

Проведений аналіз показує, що існуючі заходи та засоби по недопущенню виникнення, зриву ферорезонансних процесів з метою відвернення пошкодження трансформаторів напруги є або малоефективними, або складними в реалізації, або дорогими, або призводять до недопустимих знижень класу точності системи вимірювань напруги тощо.

Встановлено, що пропозиції щодо різних видів заземлення нейтралі мереж 6-35 кВ (через дугогасну котушку, високоомний чи низькоомний резистивні опори) потребують подальших глибоких досліджень, накопичення досвіду експлуатації, оскільки недоліків тут не менше ніж, на перший погляд, переваг.

Для запобігання пошкоджень ТН в мережах з ізольованою нейтраллю керівними вказівками рекомендується застосовувати антирезонансні трансформатори напруги типу НАМИ. ТНКІ НАМИ-35 має спеціальну схему з'єднання обмоток. В баці антирезонансного трансформатора розміщуються два трансформатори (трифазний і однофазний) які мають окремі магнітопроводи. В нейтраль високовольтної обмотки трифазного трансформатора, який має вторинну (компенсаційну) обмотку з'єднану трикутником, увімкнений однофазний додатковий трансформатор, який вимірює напругу нульової послідовності.

Проте, проведені дослідження трансформаторів напруги типу НАМИ-10 та досвід їх експлуатації в ЕМ 10 кВ з ізольованою нейтраллю показали, що дані антирезонансні трансформатори мають досить високу степінь пошкоджуваності і можуть вступати в резонанс ємністю мережі відносно землі.

Виходячи з того, що ТНКІ типу НАМИ-35 має відмінну схему з'єднань обмоток, від НАМИ-10, доцільно провести дослідження нестаціонарних режимів роботи ЕМ 35 кВ з трансформаторами типу НАМИ-35 і встановити можливі причини виходу їх з ладу.

У другому розділі наведена коротка характеристика цифрового комплексу (ЦК), розробленого співробітниками кафедри “Електричні системи та мережі” Національного університету “Львівська політехніка”, який використовується для дослідження усталених та нестаціонарних процесів електричних мереж.

Згідно вимог ЦК, сформовано структурні моделі елементів електричної мережі. Розрахункова схема електричної мережі з ТН, виконана у трифазному виконанні, включає в себе структурні моделі:

-системи живлення, яка в розрахункову схему вводиться джерелами електрорушійних сил (амплітудою, фазою і частотою) кожної фази та потужністю системи (активним та індуктивним опором системи);

-збірних шин та ліній електропередачі. Параметри ліній електропередач (ЛЕП) і шин 35 кВ мають визначальний вплив як на умови виникнення ферорезонансних процесів, так і на їх протікання. Тому необхідно якомога точніше відтворювати їх параметри. У ЦК шини та ЛЕП представляються r, L, C вітками з врахуванням фазних і міжфазних ємностей, розрахованих за допомогою методу дзеркальних відображень, з яких формуються відповідні матриці рівнянь стану мережі (1);

-силового трансформатора, яка описується системою диференційних рівнянь взаємозв'язаних електричних та магнітних кіл, а саме _ опорами та індуктивностями розсіяння кожної обмотки, динамічною індуктивністю по шляху основного потоку, яка визначається вебер-амперною характеристикою, величиною, що характеризує втрати через повітря та бак трансформатора, коефіцієнтами трансформації. Особливу увагу приділено моделюванню магнітної системи трансформатора, оскільки вона відіграє ключову роль у виникненні ферорезонансних процесів. Аналітичні методи апроксимації вебер-амперної характеристики нелінійної індуктивності залежністю y = ax + bx³ дають суттєві похибки результатів, тому для моделювання вона представлялась багатоточковою кусково-лінійною апроксимацією. Запропоновано методику врахування активних втрат потужності в магнітопроводі силового трансформатора, які складаються з втрат від вихрових струмів та втрат на гістерезис;

-трансформаторів напруги, які використовуються в електричних мережах 35 кВ, згідно схем електричних з'єднань їхніх обмоток. Параметри ТН типу ЗНОМ, які використовувались для моделювання, були визначені дослідним шляхом.

Математична модель електричної мережі, яка використовується для дослідження однофазних замикань на землю, в тому числі і через перекидну дугу та ферорезонансних процесів з трансформаторами напруги у ЦК сформована на базі рівнянь стану у методі контурних координат (контурних струмів та потокозчеплень). Матрично-векторна форма цих рівнянь має загальний вигляд:

;

;

. (1)

Для інтегрування диференційних рівнянь (1) застосовується один з найефективніших методів розв'язання нелінійних диференційних рівнянь - неявний багатокроковий метод формул диференціювання назад (ФДН), робоча формула якого має вигляд

. (2)

Метод ФДН забезпечує стійкий обчислювальний процес за великого розкиду власних частот та постійних часу елементів схеми, що є характерним для дослідження ферорезонансних процесів в електричних мережах з трансформаторами напруги 6-35 кВ.

Далі, у розділі наведені результати досліджень, які пояснюють причини виходу з ладу трансформаторів напруги. На даний час в ЕМ 35 кВ широко використовуються трансформатори напруги контролю ізоляції типу ЗНОМ-35. В останні часи спостерігається тенденція частого виходу з ладу трансформаторів напруги типу ЗНОМ-35 в мережах з ізольованою нейтраллю з малим значенням струму замикання на землю. Пошкодження ТНКІ виникає, як правило, або під час довготривалого однофазного дугового замикання фази на землю в результаті появи надструмів однакової полярності в обмотках ВН трансформатора, або за субгармонічних ФРП, які характеризуються накладанням на фазні напруги мережі живлення промислової частоти, періодичної напруги нульової послідовності з частотою, близькою половині частоти живлення, тобто 25 Гц, і протіканням значних струмів намагнічення по первинних обмотках ТН.

Як показав досвід експлуатації ТН типу ЗНОМ-35 та чисельні розрахунки на моделях, ФРП виникають в мережах з ізольованою нейтраллю, коли на один комплект ЗНОМ-35 припадає близько (0,5ч2,5) А ємнісного струму ОЗЗ (що становить приблизно 5ч25 км повітряних ліній). На діапазон виникнення ФРП суттєво впливає стан ізоляції мережі. Збільшення опору ізоляції розширює межі існування стійкого ФРП, а його зменшення - звужує, і за активного опору ізоляції мережі 1 МОм ферорезонансний процес не виникає.

Через часті пошкодження ФРП трансформаторів напруги типу ЗНОМ-35, правомірно постало питання про необхідність вдосконалення конструкцій електромагнітних ТН, з метою підвищення надійності їх експлуатації в ЕМ або використання нових принципів у конструюванні ТН. Для відвернення пошкоджень ТН в мережах 35 кВ з ізольованою нейтраллю на даний час розроблений трифазний антирезонансний ТН типу НАМИ-35.

Для цього типу ТН досліджувались процеси, які виникають після втрати зв'язку із землею пошкодженої фази за однофазного замикання на землю та дугові замикання фази на землю (для еквівалентних ємностей мережі на землю в межах ємнісних струмів замикання на землю від 1 мА до 10 А). Нижня межа вибрана з умови, що навантаження шин (довжиною 10 м) 35 кВ вимкнене.

При цьому розглядались дві можливі схеми виконання ТН:

-ТН типу НАМИ-35 складається з двох трансформаторів (трифазного та однофазного);

-ТН, який складається з чотирьох однофазних трансформаторів.

У результаті досліджень на цифровій моделі встановлено, що ФРП, який виникає внаслідок обриву фази з землею на всьому вищенаведеному діапазоні струмів ОЗЗ носить швидко загасаючий характер. Причому встановлено, що компенсаційна обмотка (з'єднана трикутником) на придушення ферорезонансного процесу значного впливу не має і служить здебільшого для вирівнювання напруг на первинних обмотках трьох фаз в режимі однофазного замикання на землю.

Складні умови експлуатації трансформаторів напруги виникають за ферорезонансу ТН з ємністю мережі в режимах однофазних замикань на землю через перекидну дугу з повторно-нестійким характером горіння. Характер перехідних процесів у цих режимах залежить в основному від пробивних напруг дугового проміжку, ємності мережі, характеристики намагнічення й активних опорів обмоток ВН трансформатора напруги. Неодноразові осцилографування дугових замикань у мережах з ізольованою нейтраллю показали, що напруга запалювання дуги з повторно-нестійким характером горіння може бути різна для додатної та від'ємної полярностей фазних напруг на пошкодженій фазі. У цьому випадку можливим є виникнення процесу горіння двополярної симетричної та несиметричної дуг, а також однополярної регулярної дуги, яка запалюється один раз в період, причому, за однієї полярності пробивної напруги.

Проведені дослідження на математичній моделі показали, що ТН типу НАМИ-35 може пошкоджуватись за виникнення в мережі з ізольованою нейтраллю стійких дугових замикань на землю. Найбільшу небезпеку для ТН носить, так звана, однополярна регулярна перекидна дуга, послідовні запалювання якої відбуваються приблизно через 0,02 с. Для ТН типу НАМИ-35 такий режим характерний за напруги пробиття дугового проміжку, яка не перевищує U_проб 1,2U_ф.max, а для ТН типу ЗНОМ-35 _ U_проб 1,5U_ф.max. При цьому струми, які протікають по первинних обмотках ТН носять однополярний характер і відзначаються великими значеннями (можуть в десятки раз перевищувати допустимі струми ТН за тепловою стійкістю ізоляції обмотки ВН).

Під час дослідження ТН типу НАМИ-35 та трансформатора, виконаного на окремих магнітопроводах, були отримані струми у первинних обмотках, амплітудні значення яких перевищували (11,5) А, що приблизно, у 1015 разів більші від максимально допустимих.

Крім того, у розділі досліджені режими дугових ОЗЗ через перекидну дугу з резистивним заземленням нейтралі мережі 35 кВ. Величина резистора приймалась приблизно рівна ємнісному опору мережі і визначалась за виразом: ферорезонанс трансформатор напруга дільник

. (3)

Проведені дослідження показали, що заземлення нейтралі трансформатора через резистор, вибраний за співвідношенням (3), не допускає виникнення повторних дугових замикань, якщо напруга міцності дугового проміжку більша за величину U_фm, тобто, ФРП буде мати місце за умови, коли U_проб U_фm. Перенапруги, які виникають під час дугових ОЗЗ для резистивно заземленої нейтралі не перевищують 2,2 U_ф, тоді як в мережі з ізольованою нейтраллю вони можуть сягати значень (2,52,6) U_ф. Резистивне заземлення нейтралі призводить і до зменшення струмів в обмотках ВН ТН, однак вони залишаються великими і можуть спричинити їх пошкодження.

На основі проведених досліджень можна стверджувати, що в ЕМ 35 кВ існує проблема, яка пов'язана з небезпечними ферорезонансними режимами та їх впливом як на роботу ТН так і мережі в цілому. Відомі захисти ТН від пошкоджень ФРП внаслідок ОЗЗ виявляються або складними у застосуванні, або діють в обмежених випадках, або непрацездатні. Новий тип антирезонансного трансформатора напруги типу НАМИ-35 та його можливі модифікації, хоча й має кращі характеристики за ЗНОМ-35, однак він не у всіх випадках є стійким до ФРП, оскільки в ньому принципово не вирішене питання неможливості виникнення ФРП.

Отже проблема ФРП для мереж 35 кВ з електромагнітними ТН, залишається і потребує подальших досліджень.

У третьому розділі пропонується шлях вирішення проблеми непошкодження ТН, який полягає у відмові від застосування електромагнітних трансформаторів напруги для контролю ізоляції, оскільки саме електромагнітні ТН, в яких наявна нелінійна індуктивна провідність на землю, зумовлюють можливість виникнення та існування небезпечних ФРП в електричних мережах з ізольованою нейтраллю. Очевидно, що найбільш ефективним рішенням з контролю фазних напруг мережі по відношенню до землі є використання активних та ємнісних дільників напруги.

Використовуючи цей шлях, для запобігання виходу з ладу ТН в мережах 10 кВ з ізольованою нейтраллю було розроблено схему нерезонуючого трансформатора напруги (НТН). У схемі НТН, пропонується не відходити повністю від використання електромагнітних ТН, а лише замінити заземлений ТН, який служив для контролю ізоляції трифазної мережі - дільником напруги. За такої схеми контроль напруги по відношенню до землі здійснюється за допомогою ємнісного дільника напруги (ЄДН). Обмотки ВН інших двох фаз ТН увімкнені на міжфазні напруги, на затискачах вторинних обмоток яких (виводи а, в, с) формується система лінійних напруг u_ав, u_св. Ці напруги використовуються для живлення кіл напруги пристроїв обліку електроенергії (електролічильників) та пристроїв РЗіА з класом точності, що відповідає номінальним навантаженням у відповідному класі для серійного ТН. Для вимірювання (контролю) всіх напруг мережі, а також напруги нульової послідовності використовується спеціальний вимірний пристрій (ВП), який формує ці напруги (u_ав, u_вс, u_са, u_а, u_в, u_с, u_о), з поданих до нього двох вхідних лінійних напруг від ТН (U_ав, U_св) та однієї фазної напруги від ЄДН (U_д = U_в).

Використовуючи аналогічний підхід і для електромереж 35 кВ, можливе створення трифазного трансформатора напруги з дільником напруги (ТТНДН), шляхом поєднання існуючих ТН типу НОМ-35 , увімкнених первинними обмотками на міжфазні напруги АВ та ВС мережі 35 кВ та ЄДН, змонтованого у баці ТН типу ЗНОМ-35.

Крім того, з метою усунення можливості термічних пошкоджень від надструмів ТН типу НАМИ-35 доцільно проводити реконструкцію та перетворювати його в ТТНДН-35, за наступними варіантами:

а)у реконструйованого НАМИ видаляється пошкоджений однофазний додатковий трансформатор, увімкнений в нейтраль, який здійснював контроль ізоляції мережі. Натомість на його місце встановлюється дільник напруги, наприклад ЄДН С₁-С₂, який під'єднується до нейтралі трансформатора;

б)на місце видаленого пошкодженого трансформатора встановлюється дільник напруги, наприклад, ЄДН С₁-С₂, який під'єднується до фази “В” мережі та землі.

У розділі наведена методика вибору величин ємностей плеч ЄДН для схем ТТНДН з врахуванням особливостей схем під'єднання ЄДН, а саме: величина номінальної напруги ЄДН, забезпечення мінімального впливу ЄДН, який під'єднується до однієї з фаз мережі, на ємнісну несиметрію мережі з ізольованою нейтраллю з одного боку та забезпечення протікання достатнього струму через ЄДН для надійної роботи ВП - з іншого.

Здійснені розрахунки усталених і нестаціонарних режимів в ЕМ 35 кВ з ТТНДН довели, що всі запропоновані варіанти ТТНДН здатні надійно працювати за таких режимів, забезпечуючи до того ж вимірювання міжфазних напруг з похибками, які не перевищують допустимі межі для пристроїв обліку енергії. Окрім того, для реконструйованих ТТНДН проведені дослідження рівнів перенапруг, які виникають в нейтралі ТН, за дії в мережі дугових замикань та надходженні хвиль грозових перенапруг для різних видів дільників напруги: ємнісних ЄДН, резистивних (РДН) та резистивно-ємнісних (РЄДН). Перенапруги впливають на рівень ізоляції нейтралі трансформатора як за відсутності дільника в нейтралі, так і під'єднання різних його видів до нейтралі ТН, а також на вибір оптимального дільника напруги.

Із отриманих результатів дослідження можливих видів ДН, які під'єднувались до нейтралі ТН, встановлено, що оптимальним є ємнісний дільник напруги.

У четвертому розділі обґрунтовано принцип побудови вимірного пристрою на базі мікропроцесорної техніки для трифазного трансформатора напруги з дільником напруги. Мікропроцесорний ВП призначений для здійснення контролю (вимірювання) всіх фазних та лінійних напруг мережі, напруги нульової послідовності, а також сигналізації замикання на землю в мережі.

На вхід вимірювального пристрою поступають, в залежності від схеми ТТНДН-35, напруги від вторинних обмоток електромагнітного ТН-35 (виводи а, в, с) і напруга u_д від дільника напруги. ВП за аналоговим чи цифровим принципом (в залежності від елементної бази) повинен формувати в режимі реального часу напруги u_а, u_b, u_c, u_ab, u_bc, u_ca, u_0, реалізуючи наступні алгоритми їх отримання:

для ТТНДН, виконаного за різними схемами

u_а = u_ab+u_д; u_b = u_д - формується безпосередньо; u_c = u_cb+u_д; u_ab, u_cb - формуються безпосередньо;

u_ca = -u_ab+u_cb; u₀ = 1/3(u_ab+u_cb+3u_д);

u_a = u_aт + u_д; u_b = u_bт + u_д; u_c = u_cт + u_д; u_ab = u_aт - u_bт; u_bc = u_bт - u_cт; u_ca = u_cт - u_aт; u₀ = u_д - формується безпосередньо;

u_a = u_aт - u_bт + u_д; u_b = u_д - формується безпосередньо; u_c = u_cт - u_bт + u_д; u_ab = u_aт - u_bт;

u_bc = u_bт - u_cт; u_ca = u_cт - u_aт; u₀ = 1/3(u_aт - u_bт + u_cт - u_bт + 3u_д).

Таким чином, у відповідності до наведених виразів за допомогою ВП формуватимуться миттєві значення лінійних і фазних напруг, а також напруги нульової послідовності, діючі значення яких відображаються на цифровому індикаторі (ЦІ). ВП також постійно контролює рівень напруги U₀ і якщо вона стає більшою за напругу уставки U_0у, яка, як правило, становить (0,15ч0,3)U_{0 ном}, то на виході ВП формується відповідний сигнал, який запускає сигналізацію про появу “землі” в мережі 35 кВ.

Оскільки ВП використовується в схемі вимірювання та реєстрації напруг, то важливим є питання точності його роботи. З огляду на це, в розділі оцінено значення похибок під час перетворення інформації мікропроцесорним ВП.

Діюче значення синусоїдного сигналу А (напруги), яке виводиться на ЦІ, можна отримати безпосередньо за амплітудним значенням сканованого сигналу, за відомим виразом . При цьому, відносна амплітудна похибка сканування за півперіода промислової частоти з контролем переходу синусоїдного сигналу через нуль, обчислена за методом трапецій, буде рівна нулю (). Тобто, величина діючого значення не залежить від кількості ординат сканування. Однак даний метод суттєво ускладнює алгоритм формування діючого значення мікропроцесорним пристроєм, оскільки потребує піднесення до квадрату отриманих на цифрових портах АЦП величин сигналів, взятті кореня із суми квадратів, контролю проходження сигналів через нуль тощо. Це, в свою чергу, призводить до збільшення часу обробки інформації мікропроцесором та обумовлює необхідність використання дорожчих процесорів з вищою тактовою частотою.

Натомість, метод визначення діючого значення синусоїдного сигналу за півперіода по середньому, за виразом:

, (4)

де n - кількість сканованих ординат на інтервалі сумування, A_k - амплітудне значення синусоїдного сигналу на k-му кроці сканування, має похибку сканування:

, (5)

де А_сер(ск) - середнє значення сканованого синусоїдного сигналу, отримане за півперіод промислової частоти f=50 Гц по методу трапецій, - середнє значення синусоїдної величини. Тут, як видно з виразу (5), відносна амплітудна похибка сканування залежить від кількості сканованих ординат n.

Отримання діючого значення напруг по середньому за відповідної кількості скануючих ординат, що забезпечують необхідну точність, потребує значно простішого алгоритму. Використовуючи цей метод, діюче значення синусоїдного сигналу можна отримати за півперіод, прийнявши кількість ординат сканування 16 і більше, при цьому відносна амплітудна похибка сканування не перевищуватиме 0.5%.

Коли ж сканувати синусоїдний сигнал за фіксований відрізок часу, який дещо відрізняється від тривалості півперіоду сигналу, то похибка сканування для обох випадків залежить як від числа сканованих ординат, так і від різниці цих часів. Враховуючи це, в розділі наведено алгоритми формування діючих значень напруг за середнім значенням сканованого сигналу за фіксований проміжок часу (кількість ординат сканування за півперіод n=100) згідно виразу (4).

Виконаний відповідно до структурної схеми, за наведеним в розділі алгоритмом, мікропроцесорний ВП формує в режимі реального часу діючі значення напруг U_а, U_b, U_c, U_ab, U_bc, U_ca, U₀ з допустимою точністю вимірювання, яка ставиться до вимірних пристроїв і здійснює сигналізацію замикання фази на землю.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв'язана актуальна науково-практична задача зі створення структурних моделей для дослідження нестаціонарних процесів електромереж з існуючими трансформаторами напруги, що дало змогу запропонувати нові підходи у побудові (реконструкції) трансформаторів напруги з дільниками напруги, абсолютно стійких до ферорезонансних процесів та перекидних дуг. З метою узагальнення та вироблення пропозицій щодо практичного використання результатів дисертаційного дослідження нижче сформульовано основні висновки роботи.

Підтверджено, що одним з вагомих недоліків мереж з ізольованою нейтраллю є можливість виникнення ферорезонансних процесів в електромережах та вихід з ладу обладнання, в першу чергу трансформаторів напруги. Пропоновані різноманітні заходи уникнення цього негативного явища, в тому числі й використання антирезонансних трансформаторів, повністю проблему на даний час не вирішують.

Створено комплекс структурних моделей, які охоплюють усі визначальні елементи підстанції та електричної мережі (силовий трансформатор, трансформатор напруги, збірні шини, лінії електропередач тощо), що дало можливість провести дослідження за широкого діапазону зміни параметрів, початкових умов, визначити межі виникнення та існування ферорезонансних процесів.

Проведені дослідження, в тому числі й на діючих підстанціях, підтвердили, що ФРП з трансформаторами напруги типу ЗНОМ-35, які широко використовуються в ЕМ 35 кВ, виникають між еквівалентною ємністю мережі та нелінійною індуктивністю ТНКІ (за втрати зв'язку фази із землею під час ОЗЗ). Стійкий ферорезонанс із субгармонічною частотою 25 Гц виникає в мережі з ємнісними струмами замикання на землю (0,42,3) А. При цьому струми, що протікають по первинних обмотках ТН в десятки раз перевищують максимально допустимі значення і є причиною їх термічного пошкодження.

Встановлено, що в режимах дугових ОЗЗ не виключається можливість пошкодження антирезонансного ТН типу НАМИ-35. Особливо небезпечними, з точки зору надструмів в обмотках ВН цього трансформатора напруги, є однополярні та двополярні несиметричні перекидні дуги.

Запропоновано способи реконструкції існуючих ТН типу НАМИ-35, а також використання двох ТН типу НОМ-35 для створення трифазного трансформатора напруги з дільником напруги, чим повністю усувається можливість виникнення ФРП, а трансформатор напруги ефективно виконує всі функції, які покладаються на серійні ТН.

Проведені дослідження на цифровій математичній моделі нормального та нестаціонарних (металевого та дугового ОЗЗ, грозових перенапруг) режимів роботи ЕМ 35 кВ з ТТНДН підтвердили високу стійкість таких ТН до аварійних процесів.

На основі запропонованого підходу до формування сигналів розроблено принципи побудови мікропроцесорного вимірного пристрою для схеми ТТНДН. ВП здійснює вимірювання та відтворення на цифровому індикаторі всіх напруг мережі в режимі реального часу з допустимою похибкою, яка не перевищує нормованих значень, що ставляться до відповідних пристроїв, а також сигналізує про появу “землі в мережі”.

Виготовлено й встановлено в дослідно-промислову експлуатацію три ТТНДН 35 кВ з мікропроцесорними вимірними пристроями.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Журахівський А.В., Кенс Ю.А., Равлик О.М., Засідкович Н.Р. Моделювання ферорезонансних процесів в мережах 35 кВ з трансформаторами напруги типу НАМИ-35 // Вісник Вінницького політехнічного інституту - 2000. - №4. - С.56-61.

2.Журахівський А.В., Кенс Ю.А., Засідкович Н.Р. Дослідження ферорезонансних процесів у мережах 35 кВ з трансформаторами напруги типу НАМИ-35 та НТН // Електродинаміка: зб. наук. пр. - Київ: ІЕД НАН України - 2000. - С.178-184.

3.Журахівський А.В., Кенс Ю.А., Мединський Р.В., Засідкович Н.Р. Активні втрати потужності у магнітопроводі силового трансформатора та їх вплив на перехідні процеси в мережах з ізольованою нейтраллю // Вісник НУ “Львівська політехніка” - 2001. - №418 - С. 58-64.

4.Журахівський А.В., Кенс Ю.А., Мединський Р.В., Засідкович Н.Р. Уведення в експлуатацію та випробування нерезонуючого трансформатора напруги 6-10 кВ // Энергетика и электрификация. - 2001. - №8. - С.17-22.

5.Засідкович Н.Р. Режими роботи реконструйованого трансформатора напруги НАМИ-35 в мережі з ізольованою нейтраллю // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Проблеми сучасної електротехнiки”. - Київ. - 2002. - С.36-39.

6.А.В.Журахівський Ю.А.Кенс, Р.В.Мединський, Н.Р.Засідкович Особливості розрахунку напруги зміщення нейтралі трифазних електромереж // Зб. наук. пр. Донецького національного технічного університету. Серія “Електротехніка і енергетика”. Випуск 50. - Донецьк: ДонНТУ, 2002. - С.102-105.

7.Пат. 37095А Україна. Нерезонуючий трансформатор напруги / Журахівський А.В., Кенс Ю.А., Мединський Р.В., Засідкович Н.Р. Кобрій Б.В., Романишин В.В. - №2000031575; Заявлено 21.03.2000; Опубл. 16.04.2001, Бюл.№3. - 3с.

8.Пат. 42229А Україна. Спосіб реконструкції трансформатора напруги для мереж з ізольованою нейтраллю / Журахівський А.В., Кенс Ю.А., Засідкович Н.Р., Дурняк Б.І. - №2000116748; Заявлено 28.11.2000; Опубл. 15.10.2001, Бюл. №9 - 3с.

АНОТАЦІЇ

Засідкович Н.Р. Ферорезонансні процеси в електромережах 35 кВ з трансформаторами напруги. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 - Електричні станції, мережі і системи.

Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2005.

У дисертації проведено дослідження ферорезонансних процесів в електричних мережах 35 кВ з ізольованою нейтраллю та встановлено їх вплив на роботу серійних трансформаторів напруги типу ЗНОМ, НАМИ. Проаналізовано режими роботи та визначено параметри мережі за яких можливе пошкодження ТН внаслідок ФРП. Запропоновано принципи побудови (реконструкції пошкоджених) трифазного трансформатора напруги з дільником напруги, який є стійкий до будь-яких нестаціонарних режимів мережі. Використання такого трансформатора напруги з вимірним пристроєм, сформованим на базі мікропроцесора, дозволяє з необхідною точністю вести облік електроенергії споживачів, забезпечувати вимірювання напруг мережі та здійснювати сигналізацію про замикання фази на землю, а за рахунок стійкості ТН суттєво підвищувати надійність роботи ЕМ в цілому. Основні результати роботи впроваджено в дослідно-промислову експлуатацію і понад три роки успішно працюють в енергопідприємствах України.

Ключові слова: ферорезонансні процеси, трансформатор напруги, дільник напруги, мікропроцесорний вимірний пристрій.

Засидкович Н.Р. Феррорезонансные процессы в электрических сетях 35 кВ с трансформаторами напряжения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 - Электрические станции, сети и системы.

Национальный университет “Львивська политэхника”, Львов, 2005.

В диссертации приведены результаты исследований феррорезонансных процессов в электрических сетях 35 кВ с изолированной нейтралью и рассмотрено их влияние на работу серийных трансформаторов напряжения типа ЗНОМ, НАМИ.

Для исследования нестационарных процессов на цифровом комплексе сформированы модели и соответствующие расчетные схемы элементов подстанции и электрической сети (силовой трансформатор, трансформатор напряжения, шины, линии электропередачи). Использование цифрового комплекса позволило в полном объеме провести исследования феррорезонансных процессов в широком диапазоне изменения параметров сети и установить режимы и параметры сети, при которых возможен выход из строя трансформатора напряжения.

По результатам исследований предложены принципы построения (реконструкции поврежденных) трехфазного трансформатора напряжения с делителем напряжения (ТТНДН), который устойчив к любым нестационарным режимам роботы сети. Схема ТТНДН, за счет замены заземленной нелинейной индуктивности намагничивания для контроля фазных напряжений - емкостным (резисторным) делителем напряжения, исключает в принципе возможность возникновения феррорезонансных процессов.

Проведенные исследования на цифровом комплексе нормального и нестационарных (металлического и дугового однофазного замыкания на землю, грозовых перенапряжений) режимов работы электросети 35 кВ с ТТНДН доказали их работоспособность и высокую стойкость к аварийным процессам.

Использование ТТНДН требует применения измерительного устройства, которое в режиме реального времени формирует три фазных, три линейных напряжения и напряжение U₀, а также осуществляет сигнализацию замыкания фазы на землю. В работе предложен принцип построения измерительного устройства на базе микропроцессорной техники, приведены способы формирования необходимых напряжений и обоснованы рекомендации по сканированию входных сигналов для обеспечения требуемой точности измерения напряжений сети.

Получены расчетные выражения систематических погрешностей сканирования синусоидальных сигналов и разработан алгоритм программы для микропроцессорного измерительного устройства.

Применение ТТНДН в совокупности с микропроцессорным измерительным устройством позволяет питать цепи напряжения устройств РЗиА, обеспечивать с необходимой точностью учет электроэнергии потребителей и измерения напряжений сети, осуществлять сигнализацию о замыкании фазы на землю, а за счет своей стойкости существенно повышать надежность работы сети в целом.

...