Перенапряжения в нейтрали силовых трансформаторов 6-220кВ - Результаты исследования внутренних перенапряжений

Результаты исследования внутренних перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов
Результаты исследования внутренних перенапряжений
Основное внимание по экспериментальному исследованию внутренних перенапряжений в изолированных нейтралях силовых трансформаторов в настоящей работе уделено неполнофазным включениям и отключеньям линий с трансформаторами в холостом режиме.
Эксперименты проводились по методике, изложенной в главе второй. Эксперимент по неполнофазным коммутациям линий с одним холостым трансформатором проводился без разрядника в нейтрали трансформатора.
Это было выполнено для того, чтобы оценить максимально возможные перенапряжения, возникающие в нейтрали. Во второй серии экспериментов на участке сети с тремя трансформаторами разрядники, установленные в их нейтралях, не отключались.
Опять-таки физические явления рассмотрим на примере сети 110 кВ. Опыты по коммутации ненагруженной линии 110 кВ с силовыми трансформаторами проводились выключателем ВВН-110 (при отключенном выключателе МКП-110).
В трехфазном режиме линия была включена и отключена 7 раз. Результаты расшифровки осциллограмм приведены в таблице 4.1, из которой видно, что перенапряжения в нейтрали трансформатора имели кратность Ктах = 0,5, при среднем значении Кср = 0,35 при включениях и Ктах =0,5, при среднем значении Кср =0,2 при отключениях.
Обработка осциллограмм в этой серии опытов показала, что разбросы в нейтрали разных полюсов выключателей при включении, находились в пределах 0,5 периода рабочей частоты, при отключении - в пределах естественного смещения синусоид разных фаз относительно друг друга. Поэтому перенапряжения, возникающие в нейтрали, на ее изоляцию воздействовали не более 0,5 периода частоты 50 Гц.
Опыты в двухфазном режиме проводились в цикле 10 коммутаций включений и отключений. Расшифровка осциллограмм приведена в таблице

1. Из десяти циклов включения и отключения в одном случае возник феррорезонанс на невключенной фазе (фаза «С»), а следовательно, в нейтрали трансформатора.

Таблица 4.1
Результаты расшифровки осциллограмм перенапряжений на трансформаторе 110/10 кВ при трехфазном включении линии
(схема рис. 2.7).

При коммутациях с отсутствием феррорезонанса максимальные перенапряжения в нейтрали находились в пределах до Kmax = 0,4. При феррорезонансе максимальные перенапряжения на невключенной фазе Kmax=2,8, а в нейтрали К=1,30.
Максимальные перенапряжения на отключенной фазе и в нейтрали возникли в начале процесса феррорезонанса, а в установившемся же режиме феррорезонанса, кратность перенапряжений на невключенной фазе равнялась К=2,1, в нейтрали К=1,1. Феррорезонанс продолжался в течение всего периода цикла включение-отключение, причем, период колебания феррорезонансных перенапряжений был равен периоду промышленной частоты. Порядок включения фаз выключателя при возникновении феррорезонанса: первой включалась фаза «В», угол включения φ=0°, второй - фаза «А», угол включения φ= 10-15°.
Таблица 4.2
Результаты расшифровки осциллограмм перенапряжений на
трансформаторе 110/10 кВ при двухфазных коммутациях линии
(схема рис. 2.7).

На этом же этапе экспериментального исследования было проделано 9 циклов однофазных коммутаций. Так же как и при двухфазных коммутациях, один раз наблюдался феррорезонанс на невключенных фазах и в нейтрали трансформатора. Расшифровка осциллограмм приведена в таблице 4.3.
"Возник феррорезонанс на фазе «С» и в нейтрали трансформатора.
Таблица 4.3
Результаты расшифровки осциллограмм перенапряжений на
трансформаторе 110/10 кВ при однофазных коммутациях линии
(схема рис. 2.7).

При отсутствии феррорезонанса на невключенных фазах, зарегистрировано максимальное перенапряжение Ктах=0,3, при среднем значении Кср = 0,25 при включении, и Ктах =0,64 и КсР=0,45 при отключении. В нейтрали максимальная кратность равнялась Ктах = 0,5, при среднем значении Кср= 0,45. Феррорезонанс на невключенных фазах возник при включении фазы «А» выключателя вблизи нуля. «Раскачка» резонанса продолжалась в течение 5 периодов промышленной частоты, а феррорезонанс продолжался в течение всего цикла В-0.
Возник феррорезонанс на фазах «В» и «С», а также в нейтрали трансформатора.

Максимальные перенапряжения на отключенных фазах были зарегистрированы в начальный период феррорезонанса. В дальнейшем кривые напряжения феррорезонанса на отключенных фазах имели достаточно сложную форму, с периодическими всплесками напряжения приблизительно равной амплитуды. К моменту отключения максимальные значения перенапряжений на отключенных фазах составили 2,8, 2,13. На нейтрали трансформатора после первых выбросов напряжения процесс феррорезонанса принял характер периодических колебаний с максимальной амплитудой, равной 1,5.
Процесс феррорезонанса при однофазном включении существенно отличается от периодического процесса феррорезонанса при двухфазном включении и сопровождается значительными перенапряжениями. Перенапряжения, возникающие при феррорезонансе в однофазном включении, опасны для облегченной изоляции нейтрали.
Перенапряжения в нейтрали трансформатора также лежат выше уровня срабатывания вентильного разрядника. Разрядник должен был бы срабатывать и ограничивать возникшие перенапряжения, но из-за частых срабатываний мог выйти из строя по причинам перегрева шунтирующих сопротивлений и разрушения искровых промежутков.
Необходимо отметить, что после возникновения феррорезонанса, опыты были прекращены и проведен профилактический контроль изоляции трансформатора. Контроль изоляции показал, что трансформатор выдержал без повреждений кратковременное повышение напряжения выше допустимого уровня.
Второй этап опытов проводился согласно методике, изложенной в главе второй, на участке сети, схема которой приведена на рис. 2.8. Изменения режимов заземления двух трансформаторов производились по программе, приведенной в таблице 2.2. Трансформатор подстанции № 4 оставался постоянно с изолированной нейтралью и на ней проводились измерения. Результаты расшифровки осциллограмм приведены в таблице 4.4.
Серия опытов (опыты № 1-:-5) по трехфазным коммутациям
практически ничем не отличались от коммутации линии с холостым трансформатором. Проделано 5 коммутаций по циклу включение- отключение; максимально зарегистрированная кратность перенапряжений в нейтрали К=0,7 при включении; 0,5 при отключении.
Таблица 4.4

Результаты измерения внутренних перенапряжений
по схеме рис. 2.8

Примечание:        Νκ - количество коммутаций; Ктах, Кmin - максимальная,
минимальная кратность перенапряжений прикоммутации. В числителе включения линии с трансформаторами, в знаменателе - отключения.

Двухфазные коммутации участка сети проводились при 10 циклах включение-отключение в каждом из опытов. В опытах № 6, 8, 10 в сети возникал феррорезонанс. Характер осциллограмм процесса подобен осциллограммам двухфазной коммутации линии с одним трансформатором.
Так же как и в первой части эксперимента, феррорезонанс имел чисто периодический характер с амплитудами, недостаточными для срабатывания вентильного разрядника, установленного в нейтрали,
и практически неопасными для изоляции нейтрали трансформатора (Кдоп=1,9), хотя и больше допустимого напряжения для разрядника нейтрали РВС-35+РВС-15 (Кдоп=0,91). Максимально зарегистрированная кратность в нейтрали Кн= 1,75 при включении и Кн=1,65 при отключении была зарегистрирована в опыте № 6. Наиболее часто феррорезонанс возникал в опыте № 6. Он имел место в 4 случаях из 10 коммутаций. Феррорезонанс возникал при включении одной из фаз вблизи нуля (φ =0-:-10°), разброс на включение второй фазы колебался от 0 до 60°.
В тех случаях, когда феррорезонанс не возникал, максимальные перенапряжения в нейтрали составляли Кн= 0,50 при включении и К= 0,55 при отключении. Особо следует отметить опыты № 7 и № 9, когда один из трансформаторов сети имел заземленную нейтраль. Схема соединений этих трансформаторов. Из-за наличия треугольника во вторичной обмотке на свободной фазе наводилась э.д.с., практически равная э.д.с. включенных фаз. При этом получается режим, подобный полнофазному, и в нейтрали максимальные перенапряжения не превышают К=0,11.
По 15 циклов «включение-отключение» было проделано в каждом из опытов при однофазном включении участка сети. Из 5 опытов в опытах № 11, 13, 15 в сети наблюдался феррорезонанс (в опыте 11 - пять случаев, в опыте 13- семь, в опыте 15 - шесть).
В первой части исследований при однофазной коммутации с возникновением резонанса наблюдались большие кратности перенапряжений, как на изоляции нейтрали, так и на линейных вводах трансформатора из-за отсутствия защитных разрядников.
Из таблицы 4.4 видно, что во всех случаях данных опытов сработал разрядник, установленный в нейтрали трансформатора, при каждом подъеме напряжения в нейтрали выше пробивного напряжения. В нейтрали трансформатора 7 был установлен разрядник РВС-35+РВС-15 с суммарным пробивным напряжением при частоте 50 Гц 180 кВ макс, что соответствует
кратности К=2,0. На остальных трансформаторах разрядники от нейтрали были отключены. Работа вентильного разрядника привела к снижению напряжения в нейтрали трансформатора до уровня К=2,1 и снижению перенапряжений на линейных вводах до К=2,2. При проведении этих опытов был обнаружен сильный разогрев разрядника.
При его проверке после проведения эксперимента было установлено: ток проводимости разрядника увеличился на 20% по сравнению с таковым до испытаний, а пробивное напряжение разрядника при 50 Гц упало до величины 160 кВмакс. Разрядник был подвергнут полной разборке, которая показала: искровые промежутки разрядника имели следы оплавления, нарушающие первоначальный зазор, рабочие и шунтирующие сопротивления следов повреждений не имели.
Разрядник выдержал серию кратковременных воздействий (до 10 с) без разрушения, но к дальнейшей эксплуатации после этих воздействий был непригоден. Увеличение длительности воздействий привело бы к неизбежному разрушению разрядника (как отмечалось выше, либо из-за разрушения шунтирующих сопротивлений, либо разрушения искровых промежутков).
Осциллографирование тока через вентильный разрядник не проводилось по причине разрушения омического шунта для измерения тока через вентильный разрядник. Но это позволяет приблизительно оценить величину тока через вентильный разрядник. При первых срабатываниях вентильного разрядника наблюдались пробои защитного разрядника на входе осциллографической аппаратуры, установленного параллельно шунту тока. Шунт тока разрушился при повторном возникновении резонанса. Пробивное напряжение защитного разрядника составляло 350 В амплитудного значения, сопротивление шунта 3 Ом, следовательно, ток через разрядник превышал 117А. Аналогичное значение тока было получено при опытах, описанных в [46].
При отсутствии феррорезонанса величины перенапряжений в нейтрали имели умеренную кратность К=0,15, при наличии на линии одного заземленного трансформатора и К=0,55 для трансформатора с изолированной нейтралью.
В данной серии опытов, кроме возможности оценить кратности перенапряжений, можно выявить влияние схемы сети на возможность возникновения феррорезонанса.
На рис. 2.7 представлена схема, характерная для неполнофазных коммутаций линии с трансформатором или с трансформаторами, имеющими изолированную нейтраль. Если в участке сети имеется хотя бы один трансформатор с заземленной нейтралью, схема примет вид, представленный на рис 4.1. В этих схемах:
С2— емкость включившихся фаз на невыключившуюся;
С3 — емкость невыключившихся фаз (фазы) на землю;
Li — индуктивность шунта намагничивания трансформаторов с изолированной нейтралью;
L'2, L"2 - индуктивности шунтов намагничивания фаз трансформатора, имеющего заземленную нейтраль.
Феррорезонанс всегда возникает, если все подключенные к линии трансформаторы имеют изолированную нейтраль.
В основном в сети возникает гармонический феррорезонанс на основной частоте, подобный феррорезонансу при неполнофазных режимах в сети с изолированной нейтралью, но при некоторых сочетаниях длины линии и мощности трансформатора (смотри опыт однофазного включения трансформатора с линией по рис. 2.7) возможно возникновение негармонического резонанса.
В опытах №7,9и 12, 14 на участке сети появляется трансформатор с заземленной нейтралью, феррорезонанс в сети не возникает.
Схема замещения принимает вид (рис. 4.1). Появление индуктивности L'2, параллельной емкости невыключенных фаз (фазы) на землю С3, исключает возможность возникновения резонанса.

Рис. 4.1. Эквивалентная схема сети для расчета перенапряжений при неполнофазных коммутациях линий с трансформаторами, один из которых имеет незаземленную нейтраль.
Результаты этих опытов позволяют провести только качественный анализ возможности возникновения резонанса в сети. Количественные оценки параметров в сети, при которых возможен резонанс, будут определены расчетным путем.
Проделанные эксперименты позволяют сделать следующие основные выводы:

1. при неполнофазных включениях тупиковых линий с холостыми трансформаторами, имеющими изолированную нейтраль, в сети возможно возникновение феррорезонанса между нелинейной индуктивностью трансформатора и емкостью на землю невключившихся фаз;
2. феррорезонанс возникает при соблюдении следующих условий: все подключенные к линии трансформаторы должны иметь изолированную нейтраль и включение линии в неполнофазный режим должно происходить с углом включения в диапазоне 0-:-10° (при двухфазном включении одна из фаз должна иметь такой угол включения);
3. перенапряжения, возникающие в нейтрали трансформатора при феррорезонансе, опасны для облегченной изоляции нейтрали и приводят к выходу из строя вентильного разрядника нейтрали.

Помимо специальных экспериментов, в сети 110 кВ на двух подстанциях с трансформаторами, имеющими изолированную нейтраль, проводилась автоматическая регистрация перенапряжения в нейтрали. Общий срок регистрации по двум подстанциям составил 650 суток, то есть приблизительно 1,5 года. За это время в сети не было зарегистрировано ни одного случая феррорезонанса, максимальная кратность перенапряжений в нейтрали не превышала 0,5 Uф и возникала из-за несимметрии при срабатывании фаз выключателя в начале линии.
Величина феррорезонансных перенапряжений в нейтрали трансформаторов оценивалась расчетом по программе, описанной в главе второй. Расчеты проводились для трех трансформаторов разной мощности и с изменением длины линии от 1 до 100 км. Рассчитывались однофазный и двухфазный режимы включения линии с трансформатором, имеющим изолированную нейтраль. Исходные данные вариантов расчета приведены в таблице 4.5. Значения предвключенной индуктивности L (индуктивность линии и индуктивность рассеивания питающего трансформатора) и предвключенного сопротивления R1 (сопротивление линии) определялись как средние для выбранных классов напряжения и длины линии 100 км по [48,49] и во всех вариантах расчетов оставались постоянными, так как имеют второстепенное значение по сравнению с основными параметрами контура трансформатор-линия. По этим же источникам определялись и средние значения удельной емкости линий на землю С2 и удельной межфазовой емкости О.

Таблица 4.5
Исходные данные для расчета феррорезонансных перенапряжений.

Примечание: l - длина линии; L - предвключенная индуктивность;
R1 - предвключенное сопротивление; R2- сопротивление нагрузки трансформатора; С1 - удельная емкость на землю; С2 - удельная междуфазовая емкость; а - угол включения э.д.с.

На рисунке 4.2 приведены результаты расчета величины феррорезонансных перенапряжений в нейтрали трансформатора для однофазного и двухфазного включения линии с холостым трансформатором. Величину перенапряжений в нейтрали определяет соотношение индуктивности трансформатора (LmP) и емкости линии на землю (Со), поэтому данные расчета приведены в зависимости от отношения длины линии к току холостого хода - основных характеризующих
параметров линии и трансформатора. Частота переходного процесса при последовательном соединении индуктивности и емкости определяется как


I
(4.1)

Рис. 4.2. Перенапряжения на изоляции нейтрали трансформатора при неполнофазных коммутациях линии с трансформатором.
1 - ФРП при ОР, 2 - ФРП при ОР отсутствует,
3 - ФРП при ДР, 3 - ФРП при ДР отсутствует.
Величина Un -C0 для выбранного класса напряжений постоянна, следовательно, частота переходного процесса и его амплитуда пропорциональны отношению

Расчеты вариантов производились в истинных значениях величин напряжений и токов с использованием обобщенной кривой намагничивания сердечника трансформатора, которая через систему базисных единиц приводилась к истинному значению магнитного потока и тока в обмотках трансформатора конкретной мощности. При приведении результатов расчета к основным характеризующим единицам - кратности перенапряженийи отношениювсе три варианта расчета

(трансформаторы мощностью 16 и 80 MBA напряжением 110 кВ) совпали в одни и те же кривые, характеризующие уровень перенапряжений в нейтрали.
Результаты расчетов позволяют сделать вывод о том, что для всего диапазона расчетных длин линий от 1 до 100 км, при неполнофазных включениях линии с трансформатором, имеющим изолированную нейтраль, возможно возникновение феррорезонанса на основной частоте с
амплитудами от 1,75· Щ для отношенияпри отношении
при однофазном режиме  до 1,75·U, при тех же отношенияхдля двухфазного режима (рис. 4.2, кривые 1, 3). Величины являются предельно возможными амплитудами феррорезонанса на основной частоте. На рис. 4.3 приведен пример расчета напряжения в нейтрали и на невключившихся фазах для случая феррорезонанса на основной частоте при однофазном включении. Кроме
резонанса на основной частоте в диапазоне отношенийв однофазном режиме ив двухфазном режиме возможно возникновение смещенного феррорезонанса, резонанса на основной частоте с наложением на него резонанса на частоте, равной 1/2 основной.

Рис. 4.3. Расчетные кривые перенапряжений в нейтрали и на невключившихся фазах.
а- резонанс на основной частоте, б - смешанный резонанс.
Это приводит к увеличению амплитуды перенапряжений в нейтрали от амплитуды перенапряжений при феррорезонансе на основной частоте до максимальных значений, равных 3,51Uф в однофазном режиме и 2,61Uф в двухфазном. Пример расчета для этого случая приведен на рис. 4.3, а на рис. 4.4 приведено разложение амплитуды перенапряжений в нейтрали на две составляющие по частоте.

Рис. 4.4. Разложение кривой перенапряжений на невключившихся фазах на две составляющие по частоте. Режим однофазного питания.
На рис. 4.4 приведены максимальные значения перенапряжений, возникающие при угле включения эквивалентной э.д.с., равному 0°. При изменении угла включения до 10° амплитуда перенапряжений незначительно уменьшается, но не более чем на 15% , но при углах включения 10%45° феррорезонансные перенапряжения не возникают и система линия-трансформатор работает в устойчивом нормальном режиме с уровнем перенапряжения в нейтрали, равным 0,5 U, в однофазном режиме и

1. ,4U в двухфазном (рис. 4.2, кривые 3, 4). Но существует особая зона (зона
2. рис. 4.2), где система имеет только одну устойчивую точку работы - феррорезонансный режим на основной частоте.  

 Для трансформатора 110 кВ мощностью 80 ВМА эта зона соответствует длине линии меньше 5,5 км. Перенапряжения, возникающие в этой зоне, не превышают значения 0,5 Uф.
Феррорезонансные перенапряжения, возникающие в однофазном режиме работы, превышают допустимое значение (1,9) уровня перенапряжений при однофазном режиме работы во всем расчетном диапазоне длин линий. При двухфазном режиме работы допустимый уровень перенапряжений превышается в диапазоне отношения= 8,75-
10,25 в случае возникновения смешанного резонанса. Для полной изоляции нейтрали феррорезонансные перенапряжения не представляют опасности. В то же время уровень феррорезонансных перенапряжений в нейтрали значительно превосходит уровень длительно допустимого напряжения на вентильном разряднике, установленном в нейтрали. Данные расчета как феррорезонансных процессов, так и нормального режима хорошо соотносятся с данными экспериментов при сравнении их по значениям амплитуды. На рис. 4.2 на расчетные кривые нанесены значения перенапряжений, полученные в эксперименте. Как видно из этого сопоставления, их разница не превышает 10%. Сопоставление расчетных кривых перенапряжений в нейтрали и на невключившихся фазах (рис. 4.4.) с экспериментальными кривыми также показывают хорошее совпадение. Все это позволяет сделать вывод о том, что выбранный метод расчета нелинейных дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта четвертого порядка, позволяет правильно оценить переходные процессы в нелинейных системах и в дальнейшем использовать его для оценки влияния активной нагрузки на величину перенапряжений в нейтрали и расчета токовых нагрузок на нелинейные ограничители перенапряжений, установленные на линейных выводах трансформатора и в его нейтрали.
Теоретический расчет проводился для неполнофазных включений линии с одним трансформатором, а эксперименты проводились как для аналогичной системы, так и для линии с несколькими трансформаторами. В этом случае эти трансформаторы заменяются одним трансформатором с током холостого хода, равным их сумме и сохраняется при той же длине линии.
На величину перенапряжений при феррорезонансе значительное влияние оказывает наличие активной нагрузки на трансформаторе. Поэтому был проделан расчет для трансформаторов 110 кВ мощностью 80 MBA и 16 MBA, имеющими 5, 10 и 15% активной нагрузки при однофазном режиме питания с углом включения эквивалентной э.д.с., равным 0°. Результаты расчета приведены на рис. 4.5, которые позволяют сделать следующие выводы:

1. включение на трансформатор 5% активной нагрузки на 20% снижает уровень феррорезонансных перенапряжений в нейтрали трансформатора и исключает возникновение резонанса на субгармонике;
2. 10% активной нагрузки на 50% снижает уровень феррорезонансных перенапряжений;
3. 15% активной нагрузки на трансформаторе полностью исключает возможность возникновения феррорезонанса.

Для того, чтобы определить насколько опасны феррорезонансные перенапряжения при неполнофазных режимах для изоляции нейтрали и защитного аппарата, установленного в нейтрали, оценим вероятность возникновения таких режимов. Как было показано выше, феррорезонанс возникает только на тупиковых линиях с трансформаторами, имеющими изолированные нейтрали и подключенными к линии без выключателей на стороне высокого напряжения.
Возможность возникновения неполнофазных режимов в таких схемах связана с отказом выключателей в процессе эксплуатации. Данные по отказу выключателей приведены в работах, посвященных теории надежности электрических установок. В этих работах приведено значение относительной частоты отказов выключателей при операциях а, равное отношению общего числа операций Non к числу отказов Non. Значение 1/а равно: для воздушных и масляных выключателей 6-220 кВ -0,004.

Рис. 4.5. Влияние активной нагрузки трансформатора на величину перенапряжений в нейтрали при однофазном режиме питания.
1,2 — при 5 и 10% активной нагрузки соответственно.
По данным [28] число плановых коммутаций линий 6-220 кВ равно 10-15 в год, а аварийныхгде i - длина линии. Следовательно,
число отказов выключателя будет равно
(4.2)
Тогда при изменении длины линии от 10 до 100 км и изменении типа выключателя число отказов выключателей будет равно 0,0605ч-0,0652 1/год.
Следовательно, для выключателей 6-220 кВ в среднем один раз в 15 лет можно ожидать один выход из строя выключателя и как следствие, возникновение неполнофазного феррорезонанса. Вероятность этих событий определяется по формуле:
(4.3)
где w - параметр потока отказов (для выключателей 6-220 кВ: w= 0,02- воздушные, w = 0,04 - масляные); t - интервал времени ожидаемого отказа.
Вероятность возникновения феррорезонанса в сети 6-220 кВ можно оценить следующими цифрами. Для линий 6-220 кВ с воздушными выключателями возникновение феррорезонанса возможно раз в 15 лет с вероятностью Рфр=0,22, для линий 6-220 кВ с масляными выключателями раз в 15 лет с Рфр=0,33.