Небезпечні внутрішні перенапруги на елементах комбінованої ізоляції (умови виникнення та заходи обмеження на прикладі ТН типу НОМ-10)

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Необхідність підвищення експлуатаційної надійності вимірювальних трансформаторів напруги (ТН) вимагає поглибленого вивчення реальних умов їх роботи і, зокрема, усіх видів навантажень на ізоляцію. Природне старіння ізоляції, недостатні об'єми робіт з реконструкції станцій та підстанцій, що спостерігається впродовж останніх років, і неефективність системи профілактичних випробувань робить проблему підвищення експлуатаційної надійності обладнання особливо актуальною. Це в свою чергу вимагає досліджень перехідних процесів та перенапруг в електромережі, що можливо якісно зробити при мінімальних витратах лише за допомогою комп'ютерного моделювання.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є визначення умов виникнення небезпечних внутрішніх перенапруг і розробка заходів щодо їх обмеження.

Для її досягнення необхідно розв'язати такі задачі: встановити причини, що зумовлюють аварійність трансформаторів напруги під впливом внутрішніх перенапруг; розробити метод визначення електричних властивостей ізоляції на прикладі реального високовольтного трансформатора напруги; синтезувати математичну модель ізоляції ТН, що адекватно відтворює її електричні властивості; дослідити режими роботи ізоляції такого трансформатора за дії внутрішніх перенапруг в мережі 10 кВ; розробити метод підвищення надійності роботи трансформаторів напруги в електричних мережах.

Об'єкт дослідження. Внутрішні перенапруги в електромережах 10 кВ з електромагнітними трансформаторами напруги.

Предмет дослідження. Умови виникнення на ізоляції трансформатора напруги небезпечних внутрішніх перенапруг.

Методи досліджень. Методи математичного моделювання процесів в електромережах і теорії натурного експерименту.

1. Критичний огляд літератури з аналізу досвіду експлуатації трансформаторів в електричних мережах та існуючих підходів до проектування, виготовлення, випробувань та експлуатації високовольтної ізоляції

Показано як можливість впливу параметрів електричної мережі на надійність роботи обладнання, так і те, що жоден з відомих методів профілактики пошкоджень ні безпосередньо ні опосередковано не здатен виявити цей вплив. Висунуто гіпотезу про вплив частоти на пошкоджуваність обладнання. Для дослідження впливу частоти внутрішніх перенапруг на ізоляцію трансформатора напруги (ТН) з подальшою видачею рекомендацій щодо їх запобігання, обґрунтовано необхідність синтезу математичної моделі ізоляції ТН, як складової моделі електричної мережі, котра б адекватно відтворювала реальні електричні властивості ізоляційної конструкції. У висновках розділу сформульовані задачі досліджень.

2. Вибір для досліджень вимірювального трансформатора напруги типу НОМ-10 - другого за поширеністю у вітчизняних розподільчих мережах 6-10 кВ та одночасно із цим найпростішого за конструкцією

Під час синтезу адекватної до реального об'єкту моделі виходили з того, що параметри, які характеризують конкретний тип ізоляції електрообладнання до початку виникнення незворотних процесів в ізоляції, лінійні. Для такого об'єкту і його моделі часові характеристики параметрів режиму будуть ідентичними, якщо їх частотні характеристики збігаються. Властивості об'єктів, конструктивні дані яких є невідомі, можна визначити експериментально шляхом знімання частотних характеристик. Задачею моделювання таких об'єктів буде синтез схем, які максимально точно відтворювали б частотну характеристику об'єкта.

Такі підходи до синтезу моделі формально гарантують повну ідентичність параметрів режиму на виводах багатополюсника, яким є модель, і на довільному провідному зонді всередині об'єму реального високовольтного трансформатора напруги.

Якщо врахувати, що на кришці НОМ-10 наявні виводи обмотки НН і розглядати обмотку НН, як провідний зонд, розташований в просторі, обмеженому поверхнями бака, то можна запропонувати модель ізоляції у вигляді пятиполюсника (виводи В1, В2, Н1, Н2, корпус К). Така модель дозволить за заданими напругами, прикладеними до виводів В1 і В2 ТН отримати інформацію не лише стосовно струмів обмотки ВН але й, що важливо, про параметри напруги, що діє на ізоляцію обмотки НН ТН. Таким чином, можна отримати відповідь стосовно розподілу потенціалів напруги всередині корпусу ТН.

Для кожної частоти є десять невідомих значень опорів Z1Z10. Для їх визначення необхідно провести на кожній частоті по десять незалежних вимірів вхідних опорів реального об'єкта НОМ-10. Оскільки конструкція реального об'єкта симетрична, логічно прийняти, що Z2=Z4; Z5=Z6; Z8=Z9; Z7=Z10. Таке припущення скорочує кількість потрібних незалежних дослідів з десяти до шести.

У випадку коли електрорушійна сила (ЕРС) джерела прикладалась до виводів Н1-Н2 ТН, вхідний опір виявлявся на кілька порядків меншим ніж в інших незалежних дослідах. Фізично це можна пояснити тим, що опір обмотки НН ТН набагато менший ніж інші опори цієї схеми (власне ізоляції). Цим опором можна знехтувати і виводи Н1,Н2 з'єднати в один вузол Н.

Зокрема, варто зупинитися на двополюснику Z1. Якщо взяти до уваги те, що ввімкнення (або вимкнення) ТН в мережу не може істотно змінити параметри самої мережі, а, отже, і частоту її власних коливань, то наявність чи відсутність двополюсника Z1 в моделі ТН не призведе до зміни режиму роботи ізоляції ТН. Іншими словами, різниця потенціалів між виводами В1 и В2 ТН визначається параметрами мережі та не зміниться від наявності чи відсутності в моделі ізоляції ТН двополюсника Z1. Тому опір Z1 в подальших дослідженнях можна не враховувати.

Таким чином, в заступній схемі залишилось всього три опори, значення яких потрібно визначити на основі трьох незалежних дослідів.

Такі досліди можна провести, шунтуючи різні виводи ТН. Наприклад, вхідна провідність А схеми на рис.2 із зашунтованими двополюсниками Z1 і Z2 буде описуватись залежністю . Відповідно для зашунтованих Z1 і Z3 вхідна провідність ТН буде а для зашунтованих Z1 і Z4 провідність .

Для синтезу моделі окремо досліджувалися частотні характеристики ізоляції обмотки ВН відносно корпуса, частотні характеристики ізоляції обмотки НН відносно корпуса і частотні характеристики ізоляції обмоток ВН та НН відносно корпусу.

При вимірюваннях в якості джерела живлення використовувався генератор сигналів низької частоти типу ГЗ-109, характеристики якого дозволяють міняти частоту в межах 17200000 Гц, і прикладену напругу в межах 0180 В. Опір об'єкту Zвх вимірювався по методу “вольтметра-амперметра” цифровими приладами типу В7-21А. Фаза зсуву між прикладеною напругою і струмом вимірювалася за допомогою двопроменевого осцилографа типу С1-77.

Характеристики чітко вказують на наявність резонансних точок - максимумів та мінімумів вхідних опорів. Першим настає резонанс напруг (mod ZВХ min), потім резонанс струмів (mod ZВХ max). Такі резонансні частоти, як мінімум, спостерігаються в двох діапазонах: 4000-5150 Гц і 78000-86000 Гц.

На частотних характеристиках ізоляції обмоток ВН і НН відносно корпуса у випадку, коли їх виводи було замкнено між собою (рис.5), не видно явних резонансів. А на частотних характеристиках ізоляції обмоток високої напруги і низької напруги, знятих окремо, чітко видно резонанс. Це може бути пояснено шунтуванням резонансних елементів в такій схемі експериментальної установки елементом із значно меншим опором. Саме тому майже весь струм іде через низькоомний нерезонансний елемент ізоляційної конструкції трансформатора напруги, а на графіку резонанси непомітні (за логарифмічної шкали).

Вільні складові коливань комутаційних перенапруг мережі поряд зі складовою промислової частоти варто розглядати як вимушену напругу, що прикладається до вводів трансформатора напруги. З появою такої напруги усередині трансформатора напруги обов'язково повинні виникати вільні коливання. Якщо частоти вільних коливань мережі і системи "обмотка-ізоляція" збігаються (або будуть близькими) у системі "обмотка-ізоляція" виникнуть резонансні перенапруги, амплітуди яких у кілька разів будуть перевищувати амплітуди прикладеної до трансформатора комутаційної перенапруги. На наш погляд, це є однією з основних причин пошкодження внутрішньої ізоляції вимірювальних трансформаторів напруги в експлуатації.

Важливою характеристикою ізоляції також є так звані передатні функції (спектральні характеристики) які, на відміну від частотних характеристик, дозволяють виключити етап моделювання ізоляції. Маючи форму напруги, що діє на ізоляцію, попередньо розкладену в тригонометричний ряд, можна з використанням передатних функцій відтворити форму збурень на поверхні зонду всередині об'єму ізоляції об'єкта. В нашому випадку, в ролі поверхні зонду виступає обмотка НН трансформатора напруги.

На частоті 50 Гц напруга на обмотці НН відносно корпусу UHK складає біля 20 % від прикладеної до обмотки ВН напруги UBK, на інтервалі ж частот1002000 Гц напруга на обмотці НН становить вже біля 30 % від прикладеної до ВН, а на частоті 4550 Гц наближається до 95 %. Тобто в цьому випадку майже вся UВК діє на ізоляцію обмотки НН відносно корпусу.

При комутаційних перенапругах з частотами в діапазоні до 2 кГц напруга на поверхні зонду всередині бака трансформатора (в якості якої використано обмотку НН) відносно корпусу буде в 1,5 рази більшою за ту, що була на ній при випробуваннях підвищеною напругою промислової частоти, а при резонансних частотах напруга збільшиться в 4-5 рази, що може бути причиною пошкодження ізоляції.

З аналізу передатної функції ізоляції трансформатора напруги НОМ-10 можна зробити висновок, що дія випробувальних напруг з частотою 50 Гц не еквівалентна дії реальних комутаційних перенапруг з частотою власних коливань, відмінною від частоти 50 Гц.

3. Залежності модуля та аргументу для обчислених значень Z2, Z3, Z4 від частоти

Таким чином було отримано частотну характеристику кожного двополюсника спрощеної заступної схеми ТН типу НОМ-10.

Наступним кроком був синтез математичної моделі кожного з елементів схеми заміщення за умовою повного відтворення цими моделями частотних характеристик двополюсників.

Поставлена задача була спрощена окремим моделюванням ділянки частотної характеристики без резонансів і ділянки з резонансами.

Нерезонансна ділянка частотних характеристик була змодельована ланцюговою n ланковою схемою, кожна j - ланка якої складається з паралельно з'єднаних резистора rj і конденсатора cj, що дозволяє врахувати явища електропровідності і поляризації в окремих ділянках ізоляції.

Параметри нерезонансних елементів моделі визначалися за допомогою програми, розробленої співробітниками кафедр ЕПМС і ОП Національного університету „Львівська політехніка” шляхом порівняння за частотною характеристикою отриманого експериментально значення модуля повного опору ізоляції на частоті і модуля комплексного опору заступної схеми , тобто:

,

де - кругова частота.

Резонансні ділянки частотної характеристики найзручніше моделювати у вигляді ділянки кола з паралельно з'єднаних індуктивності LP, ємності CP і активного опору RP, котрі вмикаються послідовно з моделлю нерезонансних (R-C) елементів, як це описано вище. Кількість зафіксованих на характеристиці двополюсника діапазонів резонансних явищ відповідає кількості в його моделі резонансних елементів, наприклад, в моделі Z2 їх є два, в Z4 - один, а в Z3 немає зовсім. В результаті отримуємо розрахункову схему для визначення параметрів LP, CP, RP. Тут RM, CM - результуючі параметри моделі для заданої резонансної частоти; U=f1(); I=f2() - значення напруги і струму, отримані при досліді визначення частотної характеристики ізоляції ТН для заданої резонансної частоти; LP, CP, RP - значення параметрів, які необхідно визначити.

Схему для двох відомих резонансних частот описують наступні рівняння:

;

;

Цих рівнянь достатньо для визначення невідомих LP, CP, RP, які необхідні для визначення параметрів моделей двополюсників Z2, Z3, Z4.

Для оцінки адекватності визначених та розрахункових параметрів досліди, аналогічні відображеним повторювались з допомогою синтезованої моделі. Частота прикладеної ЕРС змінювалась в діапазоні 20-100000 Гц. Отримані дані порівнювали з визначеними експериментально частотними характеристиками. Відносна похибка моделювання при цьому не перевищила 5%.

4. Повна математична модель ізоляції трансформатора напруги типу НОМ-10

При цьому електрична мережа змодельована параметрами силового трансформатора номінальною потужністю SТ=1000 кВА та еквівалентної ємності мережі СМ. Повздовжні параметри заступної схеми силового трансформатора змодельовані індуктивністю 19,34 мГн і активним опором 1,55 Ом, а поперечні параметри - індуктивністю 7,02 Гн і активним опором 18,38 кОм. Зміна форми імпульсу, що діє на ізоляцію, досягалася зміною СМ - еквівалентної ємності мережі.

Розрахункова схема електричної мережі сформована на базі рівнянь стану за використання методу контурних струмів. Для інтегрування диференційних рівнянь застосовувався метод диференціювання назад (ФДН), робоча формула якого має вигляд:

;

Синтезовану математичну модель ізоляції трансформатора напруги використано як складову частину моделі електричної мережі для визначення параметрів дії зовнішніх перенапруг на окремий елемент ізоляції. На рис.8 прилади фіксують U1, U2 - миттєві значення напруг фаз мережі, до яких під'єднано трансформатор напруги, U3 - миттєве значення напруги на провідній поверхні (в даному випадку - обмотка низької напруги) відносно землі, І1, І2 - миттєві значення струмів через ізоляцію обмотки високої напруги, І3 - миттєве значення струму витоку через корпус трансформатора напруги на землю.

На фазі без трансформатора напруги в момент, що відповідає найбільшій можливій амплітуді перенапруг (через 0,0047 с після початку розрахунку) за допомогою ключа Q імітується металеве замикання на землю. Саме при такій ємності власні частоти системи і трансформатора напруги збігаються, що викликає резонанс. Значення струмів витоку, що стікають з обмоток трансформатора напруги, в режимі однофазного замикання на землю мережі в резонансному режимі перевищують струм в нормальному режимі у 79,05 рази; значення струму витоку з корпуса трансформатора в 182,8 рази; значення напруги на обмотках високої напруги більші за номінальну в 2,44 рази і в 6,17 рази для напруги на незаземленій в цьому досліді обмотці низької напруги відносно землі. Тут KU і KI - відношення значень напруг і струмів в режимі металевого замикання на землю та в робочому режимі.

Якщо власні частоти системи (200 Гц) і трансформатора напруги (4550 Гц) не збігаються, то режим роботи не буде для ізоляції такий екстремальний. Цифрограми режиму при СМ=10 мкФ показано на рис.10. Значення струмів витоку, що стікають з обмоток трансформатора напруги, в режимі однофазного замикання на землю мережі перевищують струм в нормальному режимі у 4,82 рази, а значення струму витоку з корпуса трансформатора в 9,93 рази; значення напруги на обмотках високої напруги більші за номінальну в 2,71 рази, а для напруги на обмотці НН відносно землі в 4,38 рази. Значення струмів на порядок менші за аналогічні, також на третину менший рівень перенапруг на обмотці низької напруги. Рівень внутрішніх перенапруг на підстанції з такими параметрами буде прийнятним для електричної міцності ізоляції трансформатора напруги.

5. Метод підвищення надійності роботи ТН в електричних мережах

В основу винаходу покладено задачу удосконалення способу неруйнівної діагностики передаварійного стану електрообладнання з обмотками високої напруги, який полягає у вимірюванні опору його ізоляції в діапазоні частот 0-100 кГц шляхом додаткового визначення для розрахункового режиму значення опору мережі живлення відносно точок підключення вищезгаданого електрообладнання в діапазоні частот 0-100 кГц.

Далі визначають частоту вільних коливань електромережі та резонансні частоти системи „обмотка-ізоляція” електрообладнання, які порівнюють між собою. Якщо резонансні частоти близькі або збігаються - роблять висновок про велику ймовірність пошкодження ізоляції електрообладнання, чим обґрунтовується потреба заходів щодо зміни резонансних частот електромережі і, як наслідок, підвищення надійності роботи електрообладнання.

У випадку доцільності внесення змін в конструкцію електрообладнання з метою зміни значення резонансної частоти та уточнення параметрів дії зовнішніх перенапруг на окремі елементи конструкції, в середині об'єму електрообладнання розташовують в наперед визначеному місці зонд, ізольований вивід від якого виводять назовні.

Далі синтезують узагальнену модель ізоляції електрообладнання у вигляді сукупності двополюсників, які розташовують між виводами електрообладнання та виводом зонду і корпусом для усіх можливих варіантів їх сполучення.

З метою визначення частотних характеристик кожного двополюсника знімають незалежні частотні характеристики ізоляції по черзі між виводами електрообладнання і корпусом, між виводами електрообладнання і корпусом при заземленому зонді, між виводами електрообладнання та ізольованим виводом зонду, між заземленими виводами електрообладнання та ізольованим виводом зонду, між ізольованим виводом зонду та корпусом.

На підставі отриманих незалежних частотних характеристик відносно всіх виводів електрообладнання синтезують математичну модель ізоляції електрообладнання, яку використовують як складову частину моделі електричної мережі для визначення параметрів дії зовнішніх перенапруг на окремий елемент ізоляції електрообладнання.

Поставлена задача досягається також тим, що паралельно до точок приєднання електрообладнання встановлюється фільтр, що має малий опір на резонансній частоті електрообладнання.

Технічним результатом від застосування методу є підвищення надійності роботи електрообладнання і як наслідок - зменшення витрат, пов'язаних з ремонтами обладнання та перервами в електропостачанні споживачів.

Висновки

трансформатор перенапруга ізоляція резонансний

У дисертації наведено нове вирішення наукової задачі дослідження режимів роботи ізоляції електрообладнання, на прикладі трансформатора напруги в електричній мережі з розземленою нейтраллю, що дозволило визначити причини пошкодження ізоляції та запропонувати метод підвищення надійності роботи електрообладнання. З метою узагальнення результатів дисертаційного дослідження та вироблення практичних пропозицій щодо їхнього використання нижче сформульовано основні висновки роботи.

1. Обґрунтовано схеми для зняття незалежних частотних характеристик електрообладнання та доведено, що встановлений досвідом експлуатації факт залежності надійності роботи трансформаторів напруги від їх місця встановлення в електричній мережі, може бути обумовлений появою в аварійних режимах при певних параметрах мережі вільних коливань з в діапазоні резонансних частот, що призводить до виникнення в ізоляції ТН класичного резонансу струмів або напруг.

2. Вперше синтезовано повну модель ізоляції ТН, що для врахування впливу зумовлених струмами витоку з високовольтної обмотки трансформатора напруги магнітних потоків в діапазоні частот містить послідовно з'єднані елементи типу R-C і типу R-C-L і дозволяє визначити параметри збурень навіть на зонді всередині конструкції ізоляції.

3. Аналіз змін параметрів моделі синтезованої за періодично знятими частотними характеристиками конкретного електрообладнання в часі, дозволить якісніше ніж це передбачено відомими методами контролю якості ізоляції, оцінювати стан ізоляції електрообладнання.

4. Кратність перенапруг на зонді всередині об'єму ізоляції ТН в резонансних режимах, у будь-якому випадку, більше ніж вдвічі перевищує кратності перенапруг на вводах ВН ТН; в нерезонансних режимах також присутнє істотне, приблизно в 1,3-1,5 рази, перевищення кратності перенапруг на вводах ВН ТН, обумовлене різними коефіцієнтами розподілу напруги на елементах ізоляції в залежності від частоти прикладеної напруги.

5. Для обладнання з обмотками ВН, виготовленого із врахуванням ГОСТ 1516, розподіл напруги по елементам внутрішньої ізоляції в разі прикладання розрахункових випробувальних напруг промислової частоти не еквівалентний розподілу напруги при реальних внутрішніх перенапругах, а, отже, такі випробування не можуть гарантувати надійну роботу обладнання.

6. Стандартні комутаційні імпульси напруги, що використовуються при випробувані електричної міцності ізоляції ТН, можуть бути вибраними за допомогою синтезованої моделі та повинні мати амплітуди, що скоординовані з електричною міцністю розрядників та ОПН, що їх захищають, а частоту затухаючого коливного імпульсу таку, яка співпадає із кожною із резонансних частот характеристики ізоляції ТН.

7. Запропоновано метод підвищення надійності роботи трансформаторів напруги в електричних мережах, яким передбачається проводити заходи щодо зміни в розрахунковому режимі резонансної частоти мережі живлення.

Література

1. Никонець Л.О., Бубряк А.Е. Узагальнена заступна схема ізоляції трансформатора напруги НОМ-10 // Вісник Національного університету “Львівська політехніка” “Електроенергетичні і електромеханічні системи”. -2006. - № 563. - С.105-108.

2. Никонець Л.О., Бубряк А.Е. Узагальнена заступна схема ізоляції та частотні характеристики трансформатора напруги НОМ-10. // Новини енергетики. - 2006. - №9.- С.36-42.

3. Никонець Л.О., Бубряк А.Е. Математична модель ізоляції трансформатора напруги типу НОМ-10 та її перевірка на адекватність. // Новини енергетики. - 2006. - №10. - С.34-39.

4. Никонець Л.О., Бубряк А.Е. Дослідження умов роботи трансформатора напруги НОМ-10 в електричних мережах за допомогою моделі його ізоляції. // Новини енергетики. - 2006. - №11. - С.41-44.

Размещено на Allbest.ru