Перенапряжения в нейтрали силовых трансформаторов 6-220кВ - Современное состояние исследования перенапряжений и защиты нейтрали

Современное состояние исследования перенапряжений и защиты от них нейтрали трансформаторов.
Рассмотрим вопросы анализа перенапряжений и защиты от них раздельно для импульсного и коммутационного режимов.
По вопросу исследования грозовых перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов имеется сравнительно ограниченное количество работ [29-33]. Опубликованные в литературе работы можно условно разделить на три группы. Первая группа работ [29-31] посвящена оценке вероятности возникновения атмосферных перенапряжений на нейтрали трансформаторов при различных гипотезах удара молнии в подходы к подстанциям с различным количеством отходящих линий. Вторая группа работ (например, [6, 32] посвящена исследованию грозовых перенапряжений в нейтрали трансформаторов на физических моделях и расчетным путем. И, наконец, третья группа работ, например, [7, 33] содержит материалы длительной автоматической регистрации грозовых перенапряжений в нейтрали.
По данным [31], которые получены на физической модели трансформатора типа ТДНГ-40500/110, построена расчетным путем зависимость максимальных значений перенапряжений на сборных шинах подстанции и на нейтрали обмотки 110 кВ при разном числе отходящих линий. Анализ исследований этой работы позволяет сделать следующие выводы:
перенапряжения в нейтрали силового трансформатора приблизительно в 1,5-2,0 раза больше, чем на сборных шинах, а кратность перенапряжений зависит от числа отходящих линий;

1. при приходе грозовых волн с линии на многофидерную подстанцию, например, с пятью отходящими линиями, имеется существенная вероятность повреждения изоляции нейтрали трансформатора не только с ослабленной изоляцией, но и с полной изоляцией нейтрали;
2. число грозовых перенапряжений, опасных для нейтрали силовых трансформаторов с заниженной изоляцией, может доходить до десятков в год.

В [30] предлагается для расчета напряжений в нейтрали трансформатора при импульсных воздействиях заменять его простейшим L- С контуром, а процессы исследовать методом симметричных составляющих. При этом напряжение на нейтрали соответствует напряжению на емкости контура. В работе показано, что величина напряжения зависит от периода колебаний контура L-C, а не от величины L и С.
Исследование влияния параметров грозовой волны на величину перенапряжений в нейтрали проведено в [31]. Работы на физической модели показали, что увеличение длины фронта волны напряжения на линейных концах в широких пределах (1 -:-40 мкс) при длине ее порядка нескольких миллисекунд уменьшает перенапряжения всего на 10 -:- 20%.
При постоянной длине фронта, с увеличением длины волны кратность перенапряжений возрастает. Деформация волны, сопровождающаяся увеличением длины фронта и длины самой волны, действует на перенапряжения в противоположных направлениях. В результате этого кратность перенапряжения при воздействии деформированных волн и волн стандартной формы практически не отличается.
Длительная автоматическая регистрация грозовых перенапряжений в нейтрали трансформаторов 110 кВ проведена в [33]. Измерения проводились в 1956-67 гг. при помощи клидонографов, установленных в нейтрали трансформаторов.
В 1956 г. регистрация проводилась в нейтрали трансформатора 110/22 кВ. Она защищалась разрядником с номинальным напряжением 22 кВ. Клидонограф к нейтрали подключался через емкостный делитель. Всего за 1956 г. было зарегистрировано 44 случая перенапряжений, из которых 17 случаев (39%) имели отрицательную полярность, 18 случаев (41%) положительную полярность и 9 случаев (20%) перенапряжения имели колебательный характер. Наибольшее количество перенапряжений было зарегистрировано летом, то есть в грозовой сезон. Недостатком работы [33] является подключение дополнительной емкости (емкостного делителя) к нейтрали трансформатора, что может исказить действительную картину явлений. Величина емкости высоковольтного плеча емкостного делителя, к сожалению, в работе не приводится.
На рис. 1.1 приведено распределение перенапряжений, возникающих на нейтрали, по данным [33]. Как видно из этого рисунка, наибольшее зарегистрированное перенапряжение имело амплитуду не более 75 кВ. Разрядное напряжение при промышленной частоте вентильного разрядника нейтрали равнялось 58 кВ действ, при импульсах - 105 кВ. Поэтому за время регистрации разрядник ни разу не сработал.

Рис. 1.1. Распределение перенапряжений положительной (1) и отрицательной (2) полярностей в изолированной нейтрали трансформатора 110 кВ.
В 1957 г. перенапряжения измерялись в двух изолированных нейтралях трансформаторов 110 кВ. Наибольшее положительное перенапряжение достигало величины 150 кВ, отрицательное - 85 кВ.
Обработка информации [33] показывает, что большинство зарегистрированных перенапряжений было атмосферного характера. Внутренние перенапряжения имели относительно умеренную величину.
Таким образом, проведенный обзор показывает, что в литературе отсутствует полная информация о грозовых перенапряжениях в нейтрали трансформаторов. Имеющаяся информация получена на моделях, с помощью расчетов или зафиксирована с помощью несовершенной аппаратуры, которая не полностью отражает реальные эксплуатационные режимы.
Непосредственное измерение грозовых перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов при приходе грозовых волн по линиям сопряжено с большими трудностями. Это, прежде всего, связано с техническими трудностями при создании регистраторов грозовых перенапряжений. Во- вторых, для измерения грозовых перенапряжений в нейтрали требуется подключение к ней делителей напряжения, которые могут существенно исказить переходный процесс. Поэтому обычно исследование грозовых перенапряжений на нейтрали силового трансформатора производится аналитическим расчетом [34-36] или физической модели [32, 37, 38].
Эти два способа имеют много общего, так как они опираются на одни и те же допущения, используют одну и ту же схему замещения трансформатора и различаются только методикой получения конечных результатов. Рассмотрим более подробно общие положения этих способов исследования.
Грозовые перенапряжения на нейтрали силового трансформатора возникают при приходе волн по одной, двум или трем фазам. При этом форма воздействующей на линейные концы волны зависит от того, вступят в действие или нет вентильные разрядники со стороны линейного конца трансформатора.
При падении волны с одинаковой амплитудой на три фазы трансформатора, обмотки которого соединены звездой с изолированной нейтралью, волновой процесс во всех трех фазах происходит практически одинаково.
При падении волны перенапряжения на одну фазу обмотки эта волна преломляется в нейтрали и проникает в две другие фазы, замкнутые на землю через волновое сопротивление линии (сборных шин подстанций). При этом импульс напряжения можно представить гармоническим спектром, который содержит гармоники прямой, обратной и нулевой последовательности. Напряжение на нейтрали от гармоник прямой и обратной последовательности равно нулю. Таким образом, при расчете импульсных перенапряжений в нейтрали трансформатора необходимо учесть только гармоники нулевой последовательности.
При однофазном (например, по фазе С) импульсном воздействии
(1.2)
Следовательно,              напряжение определяется тремя импульсами напряжения Еао,Ево,Есо с амплитудой, равной 1/3 амплитуды, действующей по одной фазе волны E(t).
Подобным же образом можно определить напряжение на нейтрали при падении волны на две фазы (например, на фазы В и А).

В общем случае напряжение на нейтрали определяется в однофазной схеме с падающей на трансформатор волной, амплитуда которой равна KhUo , где Кн =1 при падении волны по трем фазам, Кн =2/3 при падении волны по двум фазам и Кн =1/3 при падении волны по одной фазе.
Таким образом, при несимметричных воздействиях на обмотку трехфазного трансформатора переходные процессы во всех трех фазах можно рассматривать как симметричные, заменяя трехфазный трансформатор однофазным с использованием схемы замещения, приведенной на рис. 1.2 [39].

Рис. 1.2. Схема замещения трансформатора
Расчет параметров схемы замещения [39, 40, 41, 36, 42, 43] содержит ряд упрощающих допущений, основное из которых - элементы схемы замещения линейно зависят от частоты. Это существенно снижает точность расчета при определении величины и формы грозовых перенапряжений в нейтрали.

При аналитическом способе исследования напряжение на нейтрали трансформатора можно найти с помощью методов операционного исчисления [34, 35, 42] или с привлечением ЭВМ [36]. Основной метод расчета на ЭВМ является решение дифференциальных уравнений, описывающих разность токов в индуктивностях соседних ячеек и падение напряжения на ячейках схемы замещения. Точность этих расчетов определяется в основном принятой схемой замещения трансформатора.
Существенно повышает точность аналитического расчета
использование частотного метода с заменой в схеме замещения индуктивностей и взаимоиндуктивностей элементов обмотки на комплексные собственные сопротивления, зависящие от частоты [44]. Поэтому этот метод расчета и принят в качестве основного расчетного метода в работе.
Для исследования грозовых перенапряжений на нейтрали трансформатора с помощью физической модели [37, 38] на основе схемы замещения создается физическая модель трансформатора с учетом масштабов по напряжению (Ри ), току (Pi) и времени (Pt). Остальные масштабы (сопротивления R, емкости С и индуктивности L) находятся из следующих соотношений:                                                                 
Ри = Pi х Pr ;
Pi = Pr · Pc; Pl = Pt · Pr .
Недостатком такого способа исследования является внесение дополнительной погрешности в окончательные результаты исследования из- за погрешности в параметрах физической модели трансформатора, рассчитанной по масштабным коэффициентам.
Наиболее точным способом физического исследования перенапряжений в изолированной нейтрали трансформатора является метод импульсного обмера [45]. Основным достоинством этого метода является то, что исследования происходят на реальных объектах при Pt =1. Это позволяет устранить погрешности исследования, характерные для исследования на физической модели и аналитического расчета. Метод импульсного обмера трансформатора (подстанции) принят в качестве основного экспериментального метода исследований в работе.
Наибольшую опасность для нейтрали силовых трансформаторов 6-220 кВ представляют несимметричные режимы линий, работающих по схеме блока или полублока, а также линий, работающих с наглухо присоединенными трансформаторами. При этом несимметрия может появляться вследствие существенного разброса в действии разных полюсов линейных выключателей или при их отказе, при несимметричных коротких замыканиях, а также при обрывах одного или двух проводов линии с последующим их заземлением или без него. Эти процессы подробно описаны в [33, 46-50].
Все эти работы можно разделить на две группы. В первой группе работ приведены результаты исследования внутренних перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов с помощью моделей и расчета, во второй - измерение внутренних перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов в условиях эксплуатации или при специальных опытах.
Перенапряжениям в нейтрали силовых трансформаторов, вызванным обрывом проводов в фазах и феррорезонансными явлениями при пофазных коммутациях, посвящены работы [46-48]. Эксперименты на модели и приближенные расчеты показывают, что при неполнофазных режимах возможны длительные повышения напряжения на нейтрали, кратность которых доходит до 3 Uф и более.
Исследованию перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов при коротких замыканиях посвящены работы [33, 49]. В сетях с частично разземленной нейтралью появление симметричных или несимметричных коротких замыканий приводит к появлению участков с неэффективно заземленной или с изолированной нейтралью. Длительность этих режимов определяется временем действия релейной защиты и системной автоматики и находится в пределах порядка нескольких секунд, а иногда и существенно больше.
Оценка возникающих на нейтрали перенапряжений показывает:
а)         в участке сети с однофазным коротким замыканием кратности перенапряжений на нейтрали могут доходить до ≈0,73 в установившемся и -1,3 в переходном режиме;
б)         при кратковременной работе участка сети с изолированной нейтралью и однофазным коротким замыканием кратность перенапряжения на нейтрали доходит до 1,0 в установившемся режиме и до 1,5 - в переходном.

Наибольший интерес представляют работы, в которых проводились измерения внутренних перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов [33, 50,14].
В работе [33] приводятся результаты измерения внутренних перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов 110 кВ при их коммутациях, при коммутациях линий с трансформаторами и при возникновении и ликвидации коротких замыканий в сети. Результаты опытов сведены в таблицу 1.8, из которой видно, что в нейтрали в переходном режиме наибольшие перенапряжения возникают при отключении линии 110 кВ с трансформатором малообъемным масляным выключателем (их кратность достигает К=2). Перенапряжения при отключении трансформатора 110 кВ со стороны обмотки 110 кВ имеют кратность К = 0,7 -:-1,8. Если же отключение производилось со стороны обмотки 22 кВ, то напряжение в нейтрали невелико и равно 0,1-:-0,4 Uф.
Кабели, присоединенные к стороне 22 кВ трансформатора 110/22 кВ, снижают перенапряжения в нейтрали 110 кВ трансформатора. Опыты отключения однофазного короткого замыкания показали, что перенапряжения в нейтрали трансформатора меньше, чем при отключении ненагруженного трансформатора.
В упомянутой выше работе [33], при выполнении опытов по отключению трансформаторов, линий с трансформаторами и коротких замыканий, нейтрали трансформаторов были защищены разрядниками LV- 22 или LB-35. При отключении ненагруженных трансформаторов разрядники сработали в 10% случаев, когда на стороне 22 кВ были подключены кабели, и в 40% случаев, когда кабели отсутствовали.
Авторы [33] по результатам опытов по внутренним перенапряжениям делают следующие выводы:

1. перенапряжения, возникающие при отключении коротких замыканий, имеют небольшие величины и не могут представить опасность для изоляции нейтрали;
2. наиболее опасные внутренние перенапряжения возникают при отключении ненагруженных трансформаторов и линий: в этом случае разрядники могут сработать, но не подвергаются опасности разрушения;
3. для защиты нейтрали трансформаторов 110 кВ с ослабленной изоляцией могут применяться вентильные разрядники на номинальное напряжение 35 кВ, а трансформаторы, имеющие полную изоляцию, должны защищаться вентильными разрядниками на напряжение 60 или 110 кВ.

Перенапряжения в нейтрали трансформатора по [33].

Недостатком работы [33] является отсутствие опытов по исследованию перенапряжений при неполнофазных режимах, приводящих к
феррорезонансу на трансформаторе, при которых, как отмечалось выше, перенапряжения на изоляции нейтрали могут достигнуть 3 Uф. Кроме того, в этой работе не рассмотрен вопрос о длительном воздействии фазного напряжения на разрядник, защищающий нейтраль.
В работе [50] приводятся результаты экспериментального исследования перенапряжений в нейтрали силового трансформатора 150 кВ финской фирмы «Stromberg». Результаты исследования были получены по данным 46 испытаний в неполнофазных режимах, проведенных по схеме (рис. 1.3). В 40 случаях перенапряжения обследовались при плавном подъеме напряжения и в 6 случаях при включении толчком трансформатора на шины 150 кВ.

Рис. 1.3. Схема опытов на силовом трансформаторе 150/35 кВ.

При включении одной фазы с плавным подъемом напряжения проводились две серии опытов: первая серия при включении фазы «С», вторая при включении фазы «В». В первой серии опытов напряжение на линейном конце трансформатора поднималось до 73 кВ, во второй серии до 87 кВ. Зависимость между перенапряжениями и фазными напряжениями сведена на рис. 1.4.
В работе включение толчком одной фазы не проводилось. При включении толчком двух фаз на линейном конце свободной фазы было зарегистрировано перенапряжение, равное 205 кВ, а в нейтрали - 105 кВ. Так как эти перенапряжения могли представить большую опасность для изоляции испытуемого трансформатора, аналогичные опыты проводились на трансформаторе меньшей мощности (4,5 MBA; 20 кВ) с аналогичной схемой соединения обмоток. При этом к выводам и нейтрали подключались емкости различной величины, позволяющие имитировать емкости трансформатора фирмы «Stromberg».

Рис. 1.4. Результаты измерений перенапряжений в нейтрали силового трансформатора 150/35 кВ при подъеме напряжения.
Кратности перенапряжений, полученные при измерениях, приведены в табл. 1.9.

Таблица 1.9
Кратности перенапряжений на изоляции нейтрали силового трансформатора 150 кВ [50].

Таким образом, литературный обзор по внутренним перенапряжениям показывает, что наибольшую опасность для изоляции нейтрали представляют неполнофазные режимы работы трансформаторов, приводящие к феррорезонансу. Другие режимы коммутаций трансформатора вызывают умеренные перенапряжения. Кратность этих перенапряжений практически не представляет опасности для изоляции трансформаторов и их нейтрали.