Бесараб О.Б.

Національний технічний університет України

«Київський Політехнічний Інститут»

Попередження ферорезонансних процесів в електричних мережах з ізольованою нейтраллю

Однією з найбільш складних задач фізики є дослідження нелінійних процесів. Загалом всі фізичні задачі нелінійні, але у більшості випадків можна отримати задовільні результати, виконавши лінеаризацію системи рівнянь що описують нелінійний процес. Існує низка задач при розв’язку яких неможливо отримати задовільні результати застосувавши лінеаризацію. Прикладом таких задач в електротехніці є аналіз коливальних процесів, зумовлених явищем насичення стального осердя в трансформаторах, що входять в резонансне коло, яке через те й називають ферорезонансним[6].

Електричні мережі 6-35 кВ відносять до розподільчих мереж і є найбільш масовими серед мереж високої напруги. Причиною значної кількості аварій мережах 6-35 кВ є виникнення тривалих ферорезонансних процесів(ФРП) які призводять до пошкодження вимірювальних трансформаторів напруги(ТН).

Метою нашої роботи було проведення аналізу літературних даних щодо сучасного стану методів попередження ферорезонансних процесів, що виникають у розгалужених мережах 6-35 кВ з ізольованою нейтраллю з трансформаторами напруги.

Термін "Ферорезонанс", відноситься до всіх коливальних процесів, що відбуваються в електричних колах при наявності нелінійної індуктивності, ємності, джерела напруги та малих активних втрат[7].

В електричних мережах є велика кількість індуктивностей з феромагнітним осердям (силові трансформатори, електромагнітні трансформатори напруги, шунтові реактори), також як і ємностей (кабелі, довгі лінії, ємнісні ТН, повздовжні та поперечні конденсаторні банки, ємнісні дільники напруги в вимикачах, закриті підстанції). Таким чином існують передумови для виникнення ФРП.

Головною особливістю цього явища є можливість існування різних стабільних усталених режимів при однакових параметрах електричної мережі. Перехідні процеси, атмосферні перенапруги, підключення чи відключення трансформаторів або навантажень, виникнення чи ліквідація коротких замикань, ремонт під напругою та інші збурення, можуть викликати ферорезонанс. Режим може раптово перескочити від нормального усталеного режиму (синусоїдального з частотою джерела живлення) до ферорезонансного усталеного режиму, для якого характерні великі перенапруги та високі рівні гармонійних. Це може привести до серйозних ушкоджень обладнання.

У колах з нелінійними індуктивностями трансформаторів напруги можуть виникати ферорезонансні явища, що супроводжуються перенапругами та надструмами. До виникнення ФРП на вимірювальних трансформаторах напруги можуть призводити: відключення стійкого однофазного замикання на землю, переміжне дугове замикання в мережі, підвищення напруги на шинах через спад навантаження в мережі, відключення коротких замикань(к.з.) в мережі, спрацювання при грозових перенапругах вентильних розрядників і т.п. ФРП на ТН придушують введенням у нейтраль джерела високоомного резистора, величина якого залежить від ємності мережі на землю та кількості ТН, також ефективно у цьому випадку застосування дугогасного реактора[3]. При дугових замиканнях на землю в ТН можуть виникати надструми, які створюють небезпеку термічного пошкодження обмоток ВН. Причиною надструмів в обмотках ВН є однофазні замикання у режимі одно полярних дуг(характер замикання відповідає теорії Петерсена та Слепяна). Подібне дугове замикання створює постійну складову в напругах фаз, що викликає насичення магнітопроводів трансформаторів напруги і різке зниження їх опору. Пошкодження ТН відбувається при високих значеннях пробивної напруги місця пошкодження. У деяких літературних джерелах[3] стверджується, що застосування дугогасних реакторів гарантує захист ТН від пошкодження надструмами при переміжних дугових замиканнях. Індуктивність реактора шунтує ємність нульової послідовності мережі, виключаючи тим самим появу постійної складової у фазних напругах і насичення ТН.

Однак у сільських електричних мережах, величини ємнісних струмів замикання на землю часто достатньо малі і застосування дугогасних реакторів економічно недоцільно. Таким чином розглянутий метод може бути застосований не у всіх електричних мережах.

Найбільш розповсюдженим заходом захисту ТН від пошкодження при виникненні ФРП вважається включення резистора у коло його вторинної обмотки з’єднаної у «розімкнений трикутник». Однак даний спосіб неефективний при переміжних дугових замиканнях та субгармонійних коливаннях.

Короткочасне підключення низькоомного резистора до вторинних обмоток ТН є доволі ефективним заходом придушення ФРП, однак існують стійкі ФРП при яких згасити процес даним методом не вдається.

Журахівський А.В. та ін. у своїй роботі [4] пропонують використовувати радикальний спосіб уникнення небажаних ФРП в ЕМ з ізольованою нейтраллю, який полягає у вилученні зі схеми нульової послідовності мережі нелінійної індуктивної провідності, що своєю чергою виключить можливість утворення ферорезонансного контуру під час нестаціонарних процесів у таких мережах. Одним із таких технічних рішень є використання активних та ємнісних подільників напруги замість заземлених електромагнітних ТНКІ. Використовуючи цей шлях запобігання виходу з ладу трансформаторів напруги 10 кВ у мережах з ізольованою нейтраллю, авторами було розроблено нерезонуючі трансформатори напруги(НТН).

Похибки вимірювання фазних напруг і напруги нульової послідовності трансформаторами НТН можна усунути за рахунок використання неспотворювальних дільників напруги.

Для попередження резонансних процесів були сконструйовані спеціальні антирезонансні ТН типу НАМИ. Однак дослідження проведені Лаптевим О.І. [5] показали, що дані ТН також пошкоджуються та можуть вступати в резонанс з ємністю мережі відносно землі.

У роботі Даниліна А.Н. та ін. [2] представлено інший механізм придушення ФРП. Він ґрунтується на включенні додаткового високоомного резистора послідовно із обмоткою ВН ТН. Опір додаткового резистора утворює із активним опором та індуктивністю трансформатора напруги дільник. При нормальному режимі роботи індуктивний опір трансформатора дуже великий і тому падіння напруги на додатковому резисторі складає одиниці відсотків. При збільшенні напруги в мережі в аварійному режимі магніто провід ТН насичується, струм через обмотку зростає, але одночасно збільшується і спад напруги на додатковому резисторі, що обмежує подальший розвиток ФРП. Даний метод не отримав широкого розповсюдження із-за значної величини похибки, що вноситься додатковим захисним резистором. В залежності від навантаження ТН додаткова похибка складає від 0,5 до 5,0 %, а додаткова кутова похибка від 10 до 100 мін. Таке зниження класу точності вимірювання недопустиме для комерційного обліку електроенергії. Тому даний метод захисту ТН використовується для трансформаторів задіяних тільки для цілей релейного захисту.

Ганус О.І. у своїй роботі[1] наводить статистику пошкоджуваності ТН та причини пошкодження. Автор виділяє дві основні причини аварійності ТН. Перша полягає у недостатньо точному визначенні областей можливих ФРП. Це пояснюється не повним врахуванням фактові, супутніх ФРП. При аналізі можливості виникнення ферорезонансу обмежувалися врахуванням параметрів лише електричної мережі, а необхідно враховувати не тільки параметрі мережі, а і ТН. Друга причина пов’язана із магнітними характеристиками ТН, дуже мало уваги приділено врахуванню реальних кривих намагнічування та особливостей їх зміни з часом, адже врахування реальних кривих дозволить значно підвищити точність моделювання ФРП.

Розглянуті способи та заходи попередження ферорезонансних процесів мають свої переваги та недоліки. Показана їх недостатня ефективність. Майбутні дослідження мають бути направлені на врахування впливу параметрів електричної мережі і характеру зміни індуктивності намагнічування.

Література:

1. Ганус А.И., Старков К.А. Повреждаемость трансформаторов напряжения в областных электрических сетях АК «Харьковоблэнерго» и мероприятия по её снижению // Светотехника и электротехника. – 2003. – № 1. – С. 81-95.

2. Данилин А. П., Ефимов Б. В., Селиванов В. Н. Защита трансформаторов напряжения от феррорезонансных перенапряжений в разветвлённых сетях 35 кВ: Препр. - Апатиты, 1998. - 23 с.

3. Евдокунин Г.А., Титенков С.С. Анализ внутренних перенапряжений в сетях 6-10 кВ и обоснование необходимости перевода сетей в режим с резистимным заземлением нейтрали/Труды конференции «Режимы заземления нейтрали сетей 3-6-10-35 кВ» 26-28 сентября 2000 г., Новосибирск.

4. Журахівський А.В., Кенс Ю.А., Варецький Ю.О., Мединський Р.В. Нерезонуючі трансформатори напруги для електричних мереж з ізольованою нейтраллю // Новини енергетики. – 2000. - №6. – С. 37-40.

5. Лаптев О.И. Исследование эффективности антирезонансных трансформаторов напряжения типа НАМИ в электрических сетях высокого и среднего напряжений дис. к. т. н.: Новосибирск, 2007.

6. Тугай Ю.І. Аналіз умов виникнення ферорезонансних процесів в електричних мережах // Вісник Національного університету «Львівська політехніка». «Електроенергетичні та електромеханічні системи» вип. 596, Львів: НУ «Львівська політехніка», 2007. - С.132-136.

7. Ferracci P. Ferroresonance, Groupe Schneider: Cahier technique № 190, pp. 1-28, March 1998.