Феррорезонанс — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Феррорезонанс — нелинейный резонанс, который может возникать в электрических цепях. Необходимое условие — ёмкость и нелинейная индуктивность в контуре. В линейных цепях феррорезонанс не встречается.

Главная особенность феррорезонанса — возможность возникновения в одной и той же цепи различных его режимов в ответ на различные возмущения.

Явления, аналогичные феррорезонансу, могут возникать и при нелинейной ёмкости, если индуктивность линейна.

Причина нелинейности индуктивности — материал магнитопровода индуктивного элемента, нелинейно реагирующий на магнитное поле. Магнитопроводы обычно выполняются из ферромагнитных или ферримагнитных материалов. Следует учитывать, что на момент введения термина «феррорезонанс» (1920) теория ферримагнетизма не была построена; все подобные материалы назывались ферромагнетиками. Отсюда и название явления «феррорезонанс».

• Феррорезонанс напряжений. Происходит при последовательном соединении ёмкости и индуктивности.
• Феррорезонанс токов. Происходит при параллельном соединении ёмкости и индуктивности.
• В разветвленных сетях со сложными схемами соединения встречаются случаи феррорезонанса, которые невозможно рассматривать как феррорезонанс напряжений или феррорезонанс токов.

• Основной режим: напряжения и токи в основном с периодом системы.
• Субгармонический режим. Напряжения и токи с периодами, кратными периоду системы.

Реже встречаются:

• Квазипериодический режим
• Хаотический режим.

Характер практически возникающего режима зависит от начальных условий и чрезвычайно сильно зависит от параметров системы.

Феррорезонанс может возникать в электрических сетях как вредное явление, приводящее к серьёзным повреждениям оборудования. Наиболее вреден режим с периодом системы; характерны также субгармонические режимы на 1/3 и 1/5 частоты, с меньшими действующими токами. Значительное количество аварий в энергосистемах с неустановленными причинами объясняется феррорезонансом.

Может быть инициирован в результате подключений, отключений, переходных процессов, грозовых перенапряжений, то есть при смене режима работы сети, при авариях, либо в результате внешнего воздействия. Работа сети в режиме феррорезонанса может долгое время оставаться незамеченной.

При феррорезонансе нередко повреждаются электромагнитные трансформаторы напряжения, из-за чрезмерного тока и перегрева. Технические меры по предотвращению аварий заключаются в основном во временном или постоянном увеличении активных потерь в резонансном контуре. Тем самым удается прекратить феррорезонанс или не допустить его возникновения. Намеренное увеличение потерь, в частности, может достигаться выбором конструкции трансформатора, когда магнитопровод частично выполняется из толстолистовой конструкционной стали.

В нормальных режимах работы трёхфазной сети феррорезонанс маловероятен, так как ёмкости конструкционных элементов оказываются зашунтированными индуктивным сопротивлением входной питающей сети.

Нормальный режим является симметричным. Наиболее распространенная на практике причина феррорезонанса — незаземленная (изолированная) нейтраль в сочетании с неполнофазным режимом. При изолированной нейтрали ёмкость сети относительно земли соединяется последовательно с обмотками силового трансформатора или электромагнитного трансформатора напряжения, что создает благоприятное условие для феррорезонанса. Неполнофазный режим может возникать при неполнофазном включении, при разрыве одной фазы или при несимметричном коротком замыкании.

Феррорезонанс впервые описан Жозефом Бетено (фр. Joseph Bethenod) в его статье 1907 года^[1][2]. Термин феррорезонанс, по всей видимости, введен Полем Бушеро (фр. Paul Boucherot) и впервые появляется в его публикации 1920 года, где он анализирует явление возникновения двух стабильных частот в контуре с резистором, конденсатором и нелинейной индуктивностью

[3]^[4].

1. ↑ V. Valverde, A.J. Mazón, I. Zamora, G. Buigues. «Ferroresonance in Voltage Transformers: Analysis and Simulations» in International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ’13).. 
2. ↑ Bethenod, J. (Nov 30, 1907), «Sur le Transformateur à Résonance», L’Éclairage Électrique Т. 53: 289–96 
3. ↑ Boucherot, P.,»Éxistence de Deux Régimes en Ferrorésonance», Rev.Gen. de L’Élec., vol. 8, no. 24, December 11, 1920, pp. 827—828
4. ↑ Jacobson, D.A.N., Examples of Ferroresonance in a High Voltage Power System

Феррорезонанс в трансформаторе напряжения: описание явления, механизм

В электрических сетях 6-35 кВ возникает феррорезонанс в трансформаторе напряжения (ТН) при:

• дуговом замыкании на землю,
• работы сети с неполнофазной нагрузкой;
• переключениях с недогруженными линиями.
• В условиях перегрузок ТН выходит из строя, создавая аварии в сети.

Феррорезонанс особенно опасен для критических перегрузок на основной частоте (50 Гц). Возможны субгармонические резонансы на 1/3 и 1/5 от основной частоты.

Что такое феррорезонанс

Феррорезонанс— это явление резкого возрастания тока, приводящее к перегреву и повреждению преобразователя и сопутствующего электротехнического оборудования.

Вызывающий аварию резонанс наблюдается при возникновении колебательного контура с последовательным соединением индуктивности ТН и емкостью сети.

Почему появляется в трансформаторах

Явление резонанса возникает при незаземленной (изолированной) нейтрали совместно с неполнофазным режимом. При изолированной нейтрали ёмкость сети относительно земли образует последовательное соединение с индуктивностью конструкции незаземленного ТН. Неполнофазный режим возникает при частичном включении фаз, при фазовом разрыве или при коротком замыкании несимметричного типа.

Механизм возникновения явления

Вольтамперная характеристика (ВАХ)

ТН содержат катушки индуктивности с сердечниками из ферромагнитных материалов, имеющими нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ). На линейной ВАХ каждому значению напряжения U_i соответствует единственное значение тока I_i. На нелинейной ВАХ для определенного (резонансного) U_р реализуется режим с двумя различными величинами тока — I₁ и I₂.

Резонансный переход

При значении U_р на обмотках ТН сопротивление резко падает. Происходит мгновенный переход от I₁ к I_2, приводящий к «опрокидывание фазы» приложенного U_р, характер которого изменяется с активно-индуктивного на активно-емкостной.

Длительные колебания, вызванные резкими переходами тока в первичных обмотках ТН, вызывают тепловой пробой изоляции.

Какие трансформаторы нейтрализуют эффект феррорезонанса

Для предотвращения скачкообразных токовых перегрузок защитные ТН исполняются совместно с трансформаторами нулевой последовательности (ТНП). Такие специализированные устройства называются антирезонансными.

НАМИТ-10-2

Оборудование относится к типу ТН (Н), А — антирезонансный (А), с естественным масляным охлаждением (М), для измерительных цепей (И), трехфазный (Т), номинальным напряжением 10 кв, вариант исполнения— 2.

Измерительное оборудование состоит из двух единиц, размещенных в общем корпусе:

• ТНКИ — это трехобмоточный ТН контроля изоляции;
• ТНП — это двухобмоточный ТНП, выполняющий защиту ТНКИ от аварий при замыканиях отдельных фаз. Фоторезонанс компенсируется индуктивным сопротивлением ТНП в первичной цепи преобразователя.

НАМИ-10-95

Антирезонансное, масляное, измерительное оборудование состоит из:

• трехфазного трехстержневого ТН прямой (обратной) последовательности с дополнительной вторичной обмоткой;
• однофазного двухстержневого ТНП со вторичной обмоткой, соединенной по схеме замкнутого треугольника, снижающей сопротивление нулевой последовательности устройства до величины сопротивления рассеяния.

НАЛИ-СЭЩ-6(10)

Оборудование НАЛИ-СЭЩ -6(10) представлено литой (Л) трехфазной антирезонансной группой измерителей номинальным напряжением 6(10)кв.

Отличием литого исполнения от масляного является высокая пожаро- и взрывобезопасность, что обусловливает применение в особых условиях, например на АЭС.

НАЛИ-СЭЩ-6(10) исполнен посредством четырех активных элементов:

• блока из трех однофазных, двухполюсных, измерительных ТН НОЛ-СЭЩ, каждый из которых содержит до трех вторичных обмоток;
• одного ТНП-СЭЩ, выполняющего функцию защиты НОЛ-СЭЩ от скачкообразных токовых переходов.

НАЛИ-СЭЩ-1

Оборудование выполнено из однофазных ТН с литой изоляцией типа НОЛ-6(10) и ТНП на основе принципа действия и релейной схемы устройства НАМИТ-10-2.

НАЛИ-СЭЩ-2

Данный тип повторяет НАЛИ-СЭЩ-1 при исключении дополнительной вторичной обмотки, соединенной по схеме открытого треугольника, а также при исключении релейной схемы дешунтирования постоянно включенного ТНП. Явление фоторезонанса в трансформаторе напряжения НАЛИ-СЭЩ-2 не возникает при работе с пониженной рабочей индукцией. Защитная конструкция обеспечивает практически линейную ВАХ.

 

Что такое феррорезонанс

В цепях, содержащих катушку со стальным сердечником и конденсаторов, резонансные явления, связанные с нелинейным характером индуктивности, называют

феррорезонансным. Скачкообразное изменение тока сопровождается изменением на 180 ⁰ фазы тока по отношению к напряжению (опрокидывание фаз).

После точки резонанса т.е. при напряжениях источника, больших напряжения опрокидывания фаз, напряжение на катушке изменяется мало, что связано с переходом по характеристики намагничивания в область магнитного насыщения. Это используется в практике для стабилизации напряжения.

Таким образом, в последовательной феррорезонансной цепи может возникнуть явление резкого изменения тока при небольшом изменении напряжения на входе цепи, а так же при изменении значения емкости или параметров катушки со стальным сердечником. На подстанциях напряжением 220кВ и выше при оперативных переключениях могут образоваться различные последовательные или последовательно-параллельные схемы соединения индуктивности трансформатора напряжения серии НКФ и активного сопротивления его обмоток с емкостью шин и конденсаторов, шунтирующих контактные разрывы воздушных выключателей. В зависимости от соотношений между реактивными элементами в контуре могут возникнуть опасные феррорезонансные явления, при этом на шинах могут появиться повышенные напряжения, а по обмотке ВН трансформатора напряжения серии НКФ будут проходить недопустимые токи, что приводит к их повреждению.

Феррорезонанс токов возникает в схеме, образованной двумя параллельными реактивными сопротивлениями Х_L – индуктивным сопротивлением высоковольтной обмотки ТН(НТМИ) и Х_C – емкостным сопротивлением ЛЭП. В процессе эксплуатации при однофазных замыканиях наиболее часто высоковольтные обмотки ТН контроля изоляции (ТНКИ) оказываются под напряжением корень из 3U_ф при металлическом замыкании и 2-2,2 Uф при регулярно перемежающейся дуге. Cлучаи приложения напряжения более 2,2 U_ф на ВЛ редки. Неблагополучным последствием, которой сопутствует феррорезонансному процессу в нормальном режиме является, как правило при включении силовых трансформаторов на напряжение 6-10кВ. Этот режим характеризуется недопустимыми повышениями фазных напряжений низковольтной обмотки и напряжения на выводах разомкнутого треугольника ТНКИ. Увеличение напряжений на низкой стороне ТН не является следствием перенапряжений в электрической сети 6-10кВ, а происходит за счет прохождения токов феррорезонанса в высоковольтных обмотках ТНКИ. Одним из способов понижения напряжений является включение резистора 25 Ом в обмотку разомкнутого треугольника 3Uо ТНКИ.

Феррорезонанс на ВЛ 10кВ возникает при длине от 40 до 60 км. Это хорошо подтверждают данные эксплуатации ТНКИ. Феррорезонанс в сети 6-10 кВ с изолированной нейтралью часто возникает при перегорании предохранителей, а также при обрывах проводов ВЛ с падением их на землю. Лишенные симметричного трехфазного питания потребительские трансформаторы 6-10 кВ во взаимодействии с емкостями остальной сети переходят в режим феррорезонансного преобразователя однофазного напряжения в трехфазное. Если чередование фаз во вновь образованной системе изменится на обратное, напряжение на одной из фаз сети может достичь трехкратного значения.

Условия возникновения феррорезонанса для КЛ возможны при длине 3-4 км. Повреждение ТНКИ в городских сетях (где длина кабелей превышает 3-4 км) как правило не имеют места. Условия феррорезонанса исключены, а дуговые замыкания практически мгновенно переходят в КЗ между фазами.

Условие резонанса: Х_L= Х_C

где –
Х_L = 2пfL Ом
Х_C = 3180/C Ом ,
здесь L- индуктивность Гн, С- емкость мкФ, ƒ- частота Гц.

При резонансе ток определяется только напряжением и активным сопротивлением.

причины, виды, борьба с резонансом, природа возникновения

Главными факторами, вызывающими феррорезонансные явления в электросетях, являются ёмкостные и индуктивные элементы, способные образовывать колебательные контуры в моменты переключений. Особенно заметно данный эффект проявляется в силовых трансформаторах, линейных вольтодобавочных трансформаторах, трансформаторах напряжения, шунтирующих контурах и в подобном оборудовании, оснащённом массивной обмоткой.

Виды и возникновение резонанса

Всего выделяют два различных типа таких явлений: резонанс напряжений и токов.

Первые обычно проявляются в контурах, использующих последовательное соединение реактивных элементов. Резонанс токов, в свою очередь, характерен для систем с параллельным соединением ёмкостного и индуктивного элемента. Подобных цепей (LC-контуров) в каждой электрической сети огромное множество, поэтому и переходные процессы для каждой отдельной сети при аварийных и плановых отключениях носят индивидуальный и весьма сложный смешанный характер.

Феррорезонанс возникает при наличии в сети индуктивности, характеризующуюся нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Данной особенностью обладают катушки индуктивности, сердечник которых выполнен из ферромагнитного материала. В частности, это относится к широко распространённым сейчас трансформаторам напряжения серии НКФ. Такой негативный эффект обусловлен малой величиной индуктивного и омического сопротивления относительно реакторов и силовых трансформаторов.

Причины возникновения резонансных явлений

При подключении трансформаторов напряжения, в сети образуются последовательно соединённые LC-цепочки, представляющие собой резонансный контур. В таком сочетании, когда индуктивный элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой подключается последовательно к ёмкостному элементу, напряжение на данном участке цепи можно охарактеризовать как активно-индуктивное.

Такое положение дел обусловлено тем, что в индуктивных компонентах амплитуда напряжения опережает амплитуду тока на угол в 90 градусов, в то время как в ёмкостных компонентах, напротив, отстаёт на 90 градусов от тока.

По истечении некоторого промежутка времени напряжение на индуктивном компоненте достигает пикового значения, магнитопровод насыщается, в то же время на ёмкостном компоненте напряжение продолжает возрастать. Резонанс напряжений наступает в тот момент, когда напряжение на индуктивности равно таковому на ёмкостном компоненте.

Дальнейшее увеличение приложенного к контуру напряжения приводит к изменению его характера на активно-ёмкостной.

Явление быстрого перехода активно-индуктивного типа приложенного напряжения в активно-ёмкостной получило название «опрокидывание фазы». Данный эффект положен в основу работы ряда специальных электронных приборов, но в то же время незапланированное возникновение подобных процессов в сетях таит в себе опасность для электрического оборудования.

Резонанс токов может вызывать те же последствия, что и резонанс напряжений, только он возникает в цепях, в которых LC-цепочки соединены параллельно.

Интересное видео о феррорезонансе в электросетях:

Последствия и борьба с резонансными явлениями

На силовых трансформаторах с рабочим напряжением 220 кВ в результате резонанса напряжение может скачкообразно увеличиться до 300 кВ, а ток мгновенно поднимается до такой силы, при которой обмотки разрушаются в результате теплового воздействия (электродинамический удар).

Чтобы подобных явлений не возникало, в программах переключений обычно планируют специальные операции, исключающие протекание процессов резонанса, а в систему шин нередко специально устанавливают элементы, сопротивление которых призвано бороться с явлением резонанса.

Феррорезонанс в сети 500 кВ: возникновение, явление, причины, защита

Электромагнитные трансформаторы напряжения (ТН) часто повреждаются из-за возникновения опасных феррорезонансных процессов. В сетях с глухозаземленной нейтралью (110-500 кВ) можно выделить две основные причины возникновения феррорезонанса: отключение холостых ошиновок многоразрывными выключателями, оснащенными емкостными делителями напряжения и неполнофазные режимы, не сопровождающиеся короткими замыканиями, например, обрыв шлейфа на опоре ВЛ или на подстанции, отказ полюса выключателя при коммутации. Повреждения ТН при неполнофазных режимах характерны прежде всего для сетей 110 кВ и связаны с разземлением нейтралей силовых трансформаторов.

В сетях 500 кВ основной причиной феррорезонанса в ТН являются коммутации холостых ошиновок.

Природа феррорезонансных явлений

Режим феррорезонанса возникает в контуре, содержащем источник ЭДС с емкостным внутренним сопротивлением и нелинейную индуктивность. Этот режим является квазистационарным (может продолжаться длительное время), причем резонансные колебания возникают как на основной частоте, так и на субгармониках 1/3 или 1/5 и могут даже носить хаотический характер. В режиме феррорезонанса ток в обмотке ВН ТН существенно возрастает, что приводит к ее перегреву и повреждению трансформатора.

Явление феррорезонанса достаточно хорошо изучено, и защита от него предусмотрена в виде различных организационных и технических мероприятий.

Большинство технических мер по борьбе с феррорезонансом предусматривает постоянное или временное увеличение активных потерь в резонансном контуре. Если эти потери превышают предельную мощность, которую может обеспечить источник ЭДС при определенном напряжении и емкостном сопротивлении, условия существования феррорезонанса нарушаются.

Одной из наиболее эффективных мер по предотвращению феррорезонанса является изменение конструкции самих ТН с целью придания им антирезонансных свойств. Антирезонансные ТН на класс напряжения 500 кВ типа НАМИ-500 выпускаются ОАО РТЗ «Энергия». В основу конструкции этих трансформаторов положен принцип увеличения активных потерь в резонансном контуре. Магнитопровод ТН частично выполняется из толстолистовой конструкционной стали.

Это обеспечивает значительное увеличение активных потерь (за счет вихревых токов) при больших индукциях в магнитопроводе, то есть при насыщении ТН.

Ниже представлены результаты исследований антирезонансных свойств ТН типа НАМИ-500, включая результаты компьютерного моделирования процессов в ТН при отключении холостых ошиновок и результаты испытаний серийных образцов ТН типов НКФ-500 и НАМИ-500, которые были выполнены в ИЦ ОАО «НИИВА» в синтетической схеме, моделирующей работу ТН на условиях феррорезонанса. Даны сравнительная характеристика антирезонансных свойств ТН указанных типов и проведено сопоставление результатов испытаний с результатами компьютерного моделирования.

Математические модели трансформаторов напряжения

При исследовании феррорезонансных процессов ключевую роль играют математические модели ТН. Трансформатор напряжения типа НКФ-500 не имеет конструкционной стали в магнитопроводе и может быть смоделирован при помощи простой схемы замещения, приведенной на рис.1, а. Основной характеристикой ТН в этом случае является его кривая намагничивания (вебер-амперная характеристика). Эта характеристика рассчитывалась на основании геометрии магнитопровода ТН типа НКФ-500 и приведена на рис.1, б. В схеме на рис.1, а: — потокосцепление ТН; i — ток намагничивания ТН; R1 — активное сопротивление обмотки ВН НКФ-500; R0 — активное сопротивление, моделирующее потери в стали ТН. В математической модели ТН типа НАМИ-500 необходимо учитывать, что в толстых листах конструкционной стали электромагнитное поле вытесняется на поверхность листов за счет вихревых токов (магнитный поверхностный эффект). Толщина пластин конструкционной стали — 6 мм. Для учета поверхностного эффекта лист разбивается на слои толщиной 0,5 мм (с учетом симметрии листа всего 6 слоев). Магнитный поток в каждом слое нелинейно связан с напряженностью поля на поверхности листа.

Расчеты этой зависимости, а также зависимости активных потерь в каждом слое от напряженности магнитного поля осуществляются путем численного решения уравнений Максвелла методом конечных элементов в пакете FEMLAB.

Зависимость средней индукции в слоях листа от напряженности магнитного поля на поверхности листа приведена на рис. 2, а. При составлении магнитной схемы замещения магнитопровода НАМИ лист конструкционной стали, с учетом разбиения на слои, представляет собой шесть параллельно включенных нелинейных магнитных сопротивлений.

Эти сопротивления в 12 раз меньше магнитных сопротивлений слоев, так как всего листов конструкционной стали в магнитопроводе шесть и каждый симметричен относительно середины (на слои разбито пол-листа).

Магнитная схема замещения ТН типа НАМИ-500 приведена на рис. 2, б. Электрическая схема замещения приведена на рис. 2, в. В схеме на рис. 2, б: F1 — МДС обмотки ВН ТН; n1 — число витков обмотки ВН; 1 — суммарное потокосцепление в магнитопроводе ТН; ЭС — потокосцепление в электротехнической стали; КС1КС6 — потокосцепления в слоях листа конструкционной стали; RЭС, RКС1-RКС6 — магнитные сопротивления потоку, соответственно, по электротехнической стали и по слоям листа конструкционной стали.

В схеме на рис. 2, в: nM — число последовательно соединенных магнитопроводов в каскаде НАМИ500; RЭС0, RКС01-RКС06 — активные сопротивления, моделирующие потери в электротехнической стали и в слоях листа конструкционной стали; R1, L1 — активное сопротивление и индуктивность рассеивания обмотки ВН ТН. Из зависимостей на рис. 2, а видно, что магнитное поле проникает вглубь листа конструкционной стали лишь на 1-1,5 мм.

Коммутации холостых ошиновок

Выключатели 500 кВ являются многоразрывными. У современных выключателей разрывов обычно два, причем как у воздушных, так и у элегазовых (в т.ч. зарубежных, например, фирмы ABB). Для равномерного распределения напряжения по разрывам параллельно им включаются специальные конденсаторы (делители напряжения). После отключения выключателя отключенный объект (система шин) остается связанным с источником напряжения через эквивалентную емкость делителей на разрывах.

Для полного отключения присоединения требуется коммутация разъединителя. Eмкость конденсаторов, шунтирующих разрывы выключателей, совместно с емкостью ошиновки и подключенного к ней оборудования на землю образуют феррорезонансный контур.

В сетях 110-220 кВ количество одновременно отключаемых выключателей при коммутации ошиновки может быть очень велико.

На ПС 500 кВ обычно присоединений значительно меньше, кроме того, ОРУ-500 обычно проектируются по схемам 3/2 или 4/3. Схема ОРУ-500, выполненная по схеме 3/2, приведена на рис. 3, а. Трансформатор напряжения установлен на секции СШ1. При отключении этой секции параллельно отключаются два выключателя 500 кВ. Eмкости делителей в выключателях 500 кВ изменяются в довольно широких пределах в зависимости от типа выключателя.

Наименьшие емкости у выключателей типа ВНВ — 330 пФ, наибольшая у выключателей типа ВВ — 550 пФ.

Таким образом, суммарная эквивалентная емкость делителей выключателей в схеме на рис. 3, а может составлять 660-1100 пФ. Суммарную емкость на землю можно оценить как емкость ТН (125 пФ), емкость всех разъединителей (2 x 200 пФ), выключателей (2 x 125 пФ) и ошиновки (10 пФ/м ~ 300пФ), то есть 1075 пФ. Расчетная схема для исследования процессов при отключении холостой ошиновки приведена на рис. 3, б. Результаты моделирования отключения холостой ошиновки в схеме с ТН типа НКФ-500 и НАМИ-500 приведены на рис. 4. и рис. 5, соответственно.

Eмкости делителей и ошиновки: C1 = 1100 пФ, C2 = 1075 пФ, напряжение источника 500/v–3 кВ, отключение выключателя происходит в момент максимума напряжения на ТН (0,1 c от начала расчета).

Из компьютерных осциллограмм видно, что в ТН типа НКФ в этом случае возникает устойчивый феррорезонанс, при этом действующий ток составляет 0,73 А. В этом режиме ТН быстро выйдет из строя.

 В эксплуатации известен случай повреждения ТН типа НКФ500 в 1973 г. на Костромской ГРЭС, причем соотношение емкостей ошиновки и выключателей было: 1,1/1,015 нФ. В ТН типа НАМИ также возникает устойчивый процесс, но на субгармонике 1/3 и со значительно меньшим действующим током. Возможность возникновения феррорезонанса в схеме на рис. 3, б (при отключении холостой ошиновки) зависит от двух основных факторов: напряжения источника и величины и соотношения емкостей делителей и ошиновки.

Путем проведения многочисленных расчетов при варьировании этих емкостей (напряжение равно номинальному) можно получить области существования феррорезонанса (области опасных параметров). Эти области для ТН НКФ-500 и НАМИ-500 приведены на рис. 6 (напряжение источника 525/v–3 кВ).

Из этого рисунка видно, что у НКФ при суммарной емкости делителей более 1 нФ (отключение двух и более выключателей) феррорезонанс на основной или субгармонике 1/3 возникает практически при любой емкости ошиновки. Феррорезонанс на основной гармонике сопровождается значительными перенапряжениями (до 3,0 Uф.макс). Коммутация холостой ошиновки с ТН типа НАМИ при определенном соотношении емкостей также приводит к возникновению режима феррорезонанса.

Характерной особенностью является то, что устойчивый процесс возникает только на субгармонике 1/3. Возникающие при этом токи сравнительно невелики, например, даже при больших величинах емкостей С1 = С2 = 4 нФ, IВН.ТН.эфф = 0,32 А.

Результаты экспериментальных исследований

Испытания ТН типов НКФ-500 и НАМИ-500 проводились в синтетической схеме, моделирующей условия натурных испытаний на подстанции при отключении секции шин с установленным на ней ТН многоразрывными выключателями. Принципиальная схема испытаний приведена на рис. 7.

В схеме на рис. 7:

• ИП — источник питания — каскад трансформаторов;
• В — выключатель ВГ-500;
• ДН1, ДН2 — емкостные делители напряжения;
• С1 — батарея конденсаторов ДМРУ-55-0,0033У1, моделирующая суммарную емкость конденсаторов, шунтирующих разрывы выключателей;
• С2 — батарея конденсаторов ДМК-190-3,3УХЛ1, моделирующая емкость ошиновки и подключенного к ней оборудования на землю;
• ИТН — испытуемый трансформатор напряжения;
• Ш — измерительный шунт;
• ЗШ1, ЗШ2 — защитные шары.

Испытания проводились при различных параметрах схемы — соотношениях емкостей С1/С2: 1210/1335, 2350/2855; 3440/4285 пФ в сочетании с варьированием фазы коммутации (отключения) выключателя. В процессе испытаний регистрировались следующие характеристики: im — максимальное значение (пик) тока в первичной обмотке ТН; I — действующее значение тока в первичной обмотке; uтр — максимальное значение (пик) напряжения на ТН.

Результаты испытаний в обобщенном виде представлены в таблице, где приводятся резонансные характеристики ТН, полученные в разных сериях опытов.

Указываются диапазоны значений характеристик, которые были получены при разных углах коммутации выключателя по отношению к максимуму напряжения на источнике от 0 до 80 град. Как следует из представленных данных, при испытании НКФ-500 наблюдался феррорезонанс на основной гармонике, а при испытании НАМИ-500 — феррорезонанс только на субгармонике 1/3.

При этом резонансные характеристики НКФ-500 и НАМИ-500 существенно отличались (отличие по току более чем на порядок). При испытании НКФ-500 наблюдалось существенное повышение напряжения на ТН по отношению к номинальному напряжению, и действующее значения тока в обмотке ТН значительно превышало допустимую величину. При испытании НАМИ-500 напряжение на ТН, напротив, незначительно отличалось от номинального напряжения, и действующее значение тока в обмотке ТН оставалось сравнительно небольшим.Характерные опытные осциллограммы процессов в НКФ-500 и НАМИ-500, полученные при отключении выключателя при соотношении емкостей 1210/1335 пФ приведены на рис. 8, 9. В опыте с НКФ (см. рис. «8») происходило срабатывание защитных шаров ЗШ1 от повышения напряжения на источнике в момент времени 0,2 с. До этого момента наблюдался явный феррорезонанс на ТН.

Опытные осциллограммы хорошо согласуются с результатами компьютерного моделирования (см. рис. 4, 5), что свидетельствует об адекватности используемых математических моделей. Отличие опытных и расчетных данных не превышает при этом 5-7 %. Некоторое несоответствие результатов расчета с опытными данными было получено только во второй серии опытов, где устойчивый процесс феррорезонанса не наблюдался. Причиной этого могли послужить дополнительные неучтенные потери или же случайный дефект схемы испытаний.

Заключение

Применение трансформаторов напряжения типа НАМИ-500 является весьма эффективной мерой по предотвращению феррорезонанса в сетях 500 кВ. Как показывают результаты исследований, возникновение феррорезонанса в схемах с НАМИ-500 при отключении холостых ошиновок возможно только на субгармонике 1/3 (16,7 Гц) при относительно небольшом повышении напряжения на ТН в процессе феррорезонанса и токах в обмотке ТН, не превышающих 0,3 А.

С учетом возможности возникновения феррорезонанса на субгармонике 1/3 весьма важной характеристикой для применения НАМИ-500 могла бы быть зависимость допустимой величины действующего значения тока в первичной обмотке ТН в режиме феррорезонанса от длительности этого режима. Задача экспериментального определения или расчета этой характеристики должна быть следующим этапом исследования антирезонансных свойств ТН типа НАМИ-500.

Причины возникновения феррорезонанса в сети

1.Феррорезонансы в сети возникают, если величины емкостных токов сети на землю составляют от 0,3 А до 3,5 А на один трансформатор напряжения. Напомню, что ориентировочно емкостные токи на землю имеют величины: для воздушных линий электропередач (ЛЭП) — 35 кВ — 0,11 А / км; для воздушных ЛЭП — 10 кВ — 0,025 А / км; для воздушных ЛЭП — 6 кВ — 0,015 А / км.

То есть, при наличии в электрически связанной сети 35 кВ с одним ТН типа ЗНОМ (ЗНОЛ), с воздушными ЛЭП, суммарной длиной 3 < L < 35 км может возникать ферорезонанс опасных параметров.

Соответственно, для кабельных линий токи составляют:

Uн = 6 кВ — 0,9 А / км; Uн = 10 кВ — 1,1 А / км; и Uн = 35 кВ — 4 А / км. Отсюда следует, что в электрически связанной сети 35 кВ с кабельными ЛЭП, суммарный длиной > 1 км, феррорезонанс возникать не будут.

Уточняю также, что в технической литературе, одним из условий возникновения феррорезонанса, указывался емкостный ток на землю 1-2 А. Это, так называемый «идеальный диапазон» емкостных токов, при котором возникнет феррорезонанс при любых других условиях.

2. Появление в сети феррорезонанса, зависит от уровней напряжения подстанций, где установлены трансформаторы напряжения. Чем выше напряжение, тем больше вероятность появления феррорезонансных перенапряжений.

3. Появление феррорезонанса, существенно зависит от погодных условий (зимой — во время снежных осадков, наличия инея, изморози, в остальное время года во время дождей, ливней, существенной влажности и т.п., он не будет возникать). Наличие активной составляющей тока сети на землю величиной > 1% от емкостной не допускает развития периодического феррорезонанса.

4. Как известно, ТН типов НТМИ и ЗНОМ должны эксплуатироваться при наличии в обмотке разомкнутого треугольника постоянно включенного резистора с параметрами: R = 25 Ом; Р = 400 Вт (п. 4.2.186 [ПУЭ 7 издание]). Если резистор отсутствует, то при различных коммутаций в сети (в том числе появление и обрыве земли), в трансформаторе могут возникать безопасные колеблющиеся процессы, с частотами 50, 100, 150 … Гц, которые в случае отсутствия указанного резистора переходят в субгармонических колебания с частотами 50/2, 50/3 … Гц. А уж они опасны для ТН, поскольку сопровождаются протеканием сверхтоков в первичных обмотках их, превышающих допустимые на порядок и более и приводят к перегорания ТН за несколько минут.

5. Появление феррорезонанса, практически не зависит от момента обрыва емкостного тока на землю.

6. Появление феррорезонанса зависит от характеристики намагничивания ТН. Ремонтируемые трансформаторы вступают в резонанс чаще, чем новые, поскольку их характеристики намагничивания становятся более пологими.

7. Феррорезонанс в небольшой степени зависит и от нагрузки ТН, особенно при предельных значений Iс и Uном. Чем больше нагрузка ТН, тем меньше вероятность появления феррорезонансных процессов.

Вот в принципе и все причины, которые вызывают феррорезонансные процессы в сети.

Поделиться в социальных сетях

Моделирование в электроэнергетике — Феррорезонанс в электрических цепях

Феррорезонанс в электрических цепях

Феррорезонансом называют резонансное явление в колебательном контуре, который содержит ферромагнитный элемент. Под ферромагнитным элементом понимаем катушку индуктивности с магнитопроводом, имеющую нелинейную вольт-амперную характеристику.

Феррорезонанс характеризуется появлением сверхтоков или перенапряжений, которые могут привести к повреждению элементов электрической цепи (или в электроэнергетической системе). Колебательный контур для возникновения феррорезонанса содержит: индуктивность с ферромагнитным сердечником, емкостный элемент, резистивный элемент, а также источник синусоидального напряжения. В зависимости от вида соединения элементов колебательного контура различают феррорезонанс в последовательной цепи (феррорезонанс напряжений) и феррорезонанс в параллельной цепи (феррорезонанс токов). Следует отметить, что наличие активного сопротивления в колебательном контуре обеспечивает демпфирование феррорезонансных колебаний.

 П.1. Феррорезонанс в последовательной цепи (феррорезонанс напряжений)

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных элементов: резистора, катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора.

Рис.1. Схема замещения электрической цепи для исследования феррорезонанса напряжений

По второму закону Кирхгофа для представленного колебательного контура можно записать следующее выражение:

Следует обратить внимание на то, что индуктивность в ферромагнитном элементе меняется в зависимости от величины тока в сети, поэтому она показа функцией от тока — .

В связи с наличием в расчетной схеме нелинейного элемента, анализ работы данной схемы будем выполнить графоаналитическим способом, с помощью которого получим зависимость изменения напряжения от тока в расчетной схеме сети. Так же следует заметить, чтобы возникло явление феррорезонанса в расчетной схеме (для основной гармоники) необходимо, чтобы вольт-амперные характеристики катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора пересекались.

Вначале рассмотрим характеристику изменения напряжения от тока в расчётной схеме в идеализированном случае: для этого сделаем допущение об отсутствии активных потерь в колебательном контуре. Напряжение на емкости  изменяется  пропорционально изменению тока, тогда как напряжение на катушке индуктивности  изменяется по нелинейной характеристике. Напряжение на емкости и катушке индуктивности сдвинуты по фазе на угол 180 градусов, но для удобства на графике изображены по одну сторону оси. Точка пересечения графиков   и  соответствует феррорезонансу напряжений.

Рис.2. Зависимость напряжения от тока при отсутствии активного сопротивления (вольт-амперная характеристика)

Из полученной характеристики видно, что при постепенном увеличении питающего напряжения (U) до точки [1] величина тока плавно растет (ток по фазе отстает от напряжения, в том числе UL>UC).  В точке [1] при незначительном увеличении напряжения происходит скачок тока, при котором ток резко возрастает до значения, соответствующего точке [2].

При снижении напряжения U до точки [3] величина тока плавно уменьшается, а затем скачком снижается от точки [3] до точки [4].

Явление резкого изменения тока в цепи при незначительном изменении напряжения на входе называется триггерным эффектом в последовательной феррорезонансной цепи.

В случае наличия активного сопротивления в расчетной схеме (например, при учете активных потерь в стали и в сопротивлении обмотки), зависимость  U(I) приобретает вид, приведенный на рис 3. Данная кривая также имеет несколько участков.

Рис.3. Зависимость напряжения от тока при наличии активного сопротивления (вольт-амперная характеристика)

В заключении следует отметить, что феррорезонанс напряжений в расчетной схеме можно достичь путем изменения напряжения или частоты источника питания схемы, а также путем изменения емкости и параметров катушки со стальным сердечником.

 

П.2. Феррорезонанс в параллельной цепи (феррорезонанс токов)

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из параллельно соединенных элементов: резистора, катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора.

Рис.4. Схема замещения электрической цепи для исследования феррорезонанса токов

По первому закону Кирхгофа для представленного колебательного контура можно записать следующее выражение:

Следует обратить внимание на то, что индуктивность в ферромагнитном элементе меняется в зависимости от величины тока в сети, поэтому она показа функцией от тока — .

В связи с наличием в расчетной схеме нелинейного элемента, анализ работы данной схемы будем выполнить графоаналитическим способом, с помощью которого получим зависимость изменения напряжения от тока в расчетной схеме сети. Так же следует заметить, чтобы можно было достичь феррорезонанса для основной гармоники тока катушки и конденсатора, необходимо, чтобы вольт-амперные характеристики катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора пересекались.

Вначале рассмотрим характеристику изменения напряжения от тока в расчётной схеме в идеализированном случае: для этого сделаем допущение об отсутствии активных потерь в колебательном контуре. Ток, протекающий через емкость,  изменяется  пропорционально изменению напряжения, тогда как ток, протекающий через катушку индуктивности , изменяется по нелинейной характеристике. Ток, протекающий через емкость, и ток, протекающий через катушку индуктивности, сдвинуты по фазе на угол 180 градусов, но для удобства на графике изображены по одну сторону оси. Точка пересечения графиков   и  соответствует феррорезонансу токов.

Рис.5. Зависимость напряжения от тока при отсутствии активного сопротивления (вольт-амперная характеристика)

Из полученной характеристики видно, что при постепенном увеличении тока I величина напряжения  сначала плавно растет (ток по фазе отстает от напряжения, в том числе UL>UC).  В точке [1] при незначительном увеличении тока происходит скачок напряжения, при котором напряжение резко возрастает до значения, соответствующего точке [2]. Дальнейшее возрастание тока сопровождается плавным увеличением значения напряжения.

При снижении тока I  до точки [3] величина напряжения плавно уменьшается, а затем скачком снижается от точки [3] до точки [4].

Явление резкого изменения напряжения в цепи при незначительном изменении тока источника питания, сопровождающиеся изменением знака угла сдвига фаз между основными гармониками тока и напряжения в цепи,  называется триггерным эффектом в последовательной феррорезонансной цепи.

В случае наличия активного сопротивления в расчетной схеме (например, при учете активных потерь в стали и в сопротивлении обмотки), зависимость  U(I) приобретает вид, приведенный на рис 6. Данная кривая также имеет несколько участков.

Рис.6. Зависимость напряжения от тока при наличии активного сопротивления (вольт-амперная характеристика)

В заключении следует отметить, что феррорезонанс токов в расчетной схеме можно достичь путем изменения тока или частоты источника питания схемы, а также путем изменения емкости и параметров катушки со стальным сердечником. Аналогичные феррорезонансные явления могут наблюдаться в случае линейной индуктивности и нелинейной емкости или нелинейных индуктивности и емкости.

Для того, чтобы добавить Ваш комментарий к статье, пожалуйста, зарегистрируйтесь на сайте.