К способам экспериментального исследования перенапряжений в изолированной нейтрали трансформаторов следует отнести следующие два способа: проведение специальных опытов в реальной сети, имитирующих нормальные и аварийные коммутации, и автоматическую регистрацию перенапряжений.
Выводы первой главы показывают, что наибольшие перенапряжения возникают при неполнофазных коммутациях холостого трансформатора и трансформатора с линией, приводящие к феррорезонансу. Имитация этих режимов при опытах в энергосистемах не представляет особой трудности и осуществляется отключением фаз линейного разъединителя со стороны питающей подстанции или линии, питающей трансформатор.
Методика и результаты исследований перенапряжений на изолированной нейтрали холостого силового трансформатора при неполнофазных режимах подробно описаны в [50], поэтому в рамках настоящей работы повторение данного эксперимента не проводилось.
В главе 1 был приведен обзор литературы, посвященный исследованию внутренних перенапряжений на изолированных нейтралях трансформаторов, из которого видно, что вопрос экспериментального исследования таких перенапряжений при неполнофазных коммутациях холостого трансформатора с линией, недостаточно подробно исследован и имеется небольшое число экспериментальных данных. Поэтому в рамках данной работы были проделаны две серии экспериментов.
Первая серия проводилась непосредственно по исследованию перенапряжений на нейтрали при неполнофазных коммутациях трансформатора с линией (рис. 2.6.).
Вторая серия проводилась для исследования перенапряжений на изолированной нейтрали трансформатора при неполнофазных режимах участка сети, состоящей из линии и трех трансформаторов на глухих отпайках, при разных режимах работы нейтрали трансформаторов и конфигурации сети. Схема участка приведена на рис. 2.7.
В таблицу 2.2 сведена расшифровка всех коммутаций и изменений схемы сети при второй серии эксперимента. Измерение перенапряжений проводилось на подстанции № 4. Методика измерений перенапряжений в обоих случаях была одинакова. Эксперименты проводились на однотипных подстанциях и применялись одинаковые схемы измерений (рис. 2.6.).
Рис. 2.6. Схема измерения перенапряжений при неполнофазных коммутациях системы трансформатор-линия.
Рис. 2.7. Схема участка сети для исследования перенапряжений при неполнофазных коммутациях.
Таблица 2.2
Расшифровка опытов по рис. 2.7.
Включение линии под напряжение проводилось выключателем В2 со стороны подстанции № 1 (рис. 2 6.). При опытах пауза между операциями В- 0 находилась в пределах 1,5-2 с. Неполнофазные режимы питания создавались путем отключения оперативного тока для выключателей, отключением разъединителей, либо отделителем перемычки между линейными разъединителями и выключателем на подстанции № 1. Опыты проводились при трехфазном, двухфазном и однофазном включении линии.
Запись переходных процессов проводилась светолучевым осциллографом типа ЭОМ-6. В качестве высоковольтного плеча делителей C1, С2 применялись емкости ДМР 110/0,001 + ДМР35/0,001 и в качестве низковольтного - конденсаторы типа КБГ емкостью 0,5 мкФ. Коэффициент деления приблизительно равняется К=1000.
Предполагается, что в период времени проведения экспериментов (приблизительно 8-:-10 часов) амплитуда напряжения на питающей подстанции не изменялась. Отношение величины отклонений лучей на осциллограммах, полученных в опытах, к величине отклонения лучей на контрольной осциллограмме и дает величину кратности перенапряжений. Для определения величины кратности перенапряжений в нейтрали контрольная осциллограмма снималась при однофазном режиме питания трансформатора, когда напряжение в нейтрали, в установившемся режиме равно фазному значению напряжения.
Подобная методика расшифровки осциллограмм гарантирует, что погрешность измерений будет не более 5%.
Как отмечалось выше, вторым способом экспериментального исследования перенапряжений в нейтрали является автоматическая регистрация. Она проводилась на двух подстанциях 110 кВ. Регистрация проводилась с помощью автоматических регистраторов типа «Нерпа-64», разработанных ВНИИЭ.
Выше была приведена методика исследования грозовых перенапряжений в нейтрали силовых трансформаторов. Однако, как было показано в главе первой, при выборе изоляции нейтрали и при ее защите немаловажное значение имеют и внутренние перенапряжения.
В изолированной нейтрали силовых трансформаторов, внутренние перенапряжения могут возникать в переходных и квазистационарных режимах. Экспериментальные измерения и соответствующие аналитические расчеты показывают, что при симметричных режимах коммутации элементов сети в нейтрали возникают умеренные перенапряжения. Основные перенапряжения в ней вызываются квазистационарными режимами несимметричного характера. Эти перенапряжения возникают при феррорезонансе или без него при неполнофазных режимах отключения или включения трансформаторов, при несимметричных режимах отключения или включения линий, работающих по схеме полублока или полного блока, а также линий с трансформаторами на глухих отпайках и при несимметричных коротких замыканиях в сети с частично разземленной нейтралью. Именно методике численного анализа неполнофазных режимов работы с трансформатором и будет посвящен этот параграф.
На рис. 2.8. представлено наиболее характерное расположение трансформаторов с изолированной нейтралью. Для проведения анализа величины перенапряжений при неполнофазных включениях эту принципиальную схему можно преобразовать к виду, представленному на рис. 2.9.
Если сделать первое допущение, что две невключившиеся фазы (однофазное включение) или одна включившаяся фаза (двухфазное включение) абсолютно симметричны, а также учитывая, что средняя длина линий 110-220 кВ, не превышает 100 км [28] и их можно заменить сосредоточенными емкостями, можно перейти к расчетной схеме, представленной на рис. 2.10, со следующими параметрами по ЭДС и емкостями (таблица 2.4).
Рис. 2.8. Наиболее характерное расположение трансформаторов с разземленной нейтралью в сетях.
Рис. 2.9. Эквивалентная схема для оценки перенапряжений при неполнофазных включениях линий с трансформатором и изолированной нейтралью.
Рис. 2.10. Расчетная схема неполнофазных режимов.
Таблица 2.4
Параметры расчетной схемы для неполнофазных коммутаций силового трансформатора с линией
где СА; СВ; СС - емкости фаз на землю; САВ; САС; ССВ - между фазовые емкости.
Индуктивность L учитывает линейное индуктивное сопротивление питающей системы и линии; сопротивление линии - R1; сопротивление R2- эквивалент активной нагрузки трансформатора.
Нелинейные индуктивности фаз трансформатора в расчетной схеме заменены обобщенной характеристикой магнитного потока (ψ). При неполнофазном включении трансформатора с изолированной нейтралью, получается последовательное включение индуктивности одной фазы с соединенными в параллель индуктивностями двух других фаз.
В ранее рассмотренных расчетных работах [34-:-38] такое соединение обмоток фаз замещается индуктивностью (магнитным потоком), увеличенной в 1,5 раза по отношению к индуктивности (магнитному потоку) одной фазы. Для получения более точных характеристик намагничивания соединения обмоток при неполнофазном режиме, с учетом распределения магнитных потоков в трехстержневом трансформаторе, был проведен эксперимент по методике [32].
На рис. 2.11 представлены результаты замеров и построены кривые намагничивания для силового трансформатора ТМ-110/6500. Как видно из этого рисунка, кривая намагничивания соединения обмоток при неполнофазных режимах лежит в среднем в 1,7 раза выше, чем теоретическая кривая намагничивания стали трансформатора. При переходе от теоретической кривой намагничивания к реальной кривой намагничивания стали трехстержневого трансформатора, необходимо учитывать влияние потоков рассеивания [32, 52].
Рис. 2.11. Характеристики намагничивания:
1 - теоретическая кривая одной фазы трансформатора,
2 - экспериментальная кривая при последовательном соединении обмоток трансформатора при неполнофазных режимах,
3 - экспериментальная кривая при параллельном соединении двух фаз трансформатора. Точки на кривых - экспериментальные точки.
По данным эксперимента была построена кривая намагничивания для трансформаторов 110-220 кВ, заложенная в соответствующий расчет (рис.2.12). Теоретическая кривая намагничивания в относительных единицах для трансформаторов 110-220 кВ строилась по методике и рекомендациям [53] для стали марки ЭОЗО и магнитной индукции в рабочей точке В=1,55Тл.
Рис. 2.12. Характеристики намагничивания:
1 - теоретическая кривая стали; 2 - характеристика для схемы неполнофазного режима, принятая в расчетах.
Для дальнейшего расчета кривая намагничивания аппроксимируется:
где Iбаз- базисное значение, равное току холостого хода трансформатора Iхх и соответствующее Iо.е тока для намагничивания;
(2.9)
ψб- базисное значение потокосцепления, соответствующее Iое потокосцепления кривой намагничивания.
Базисный ток (Iхх) изменяет свое значение при изменении мощности трансформатора. Базисное потокосцепление не зависит от мощности трансформатора, так как в трансформаторе любой мощности оно должно отвечать значению магнитной индукции В =1,65 Тл в рабочем токе (точке, соответствующей току IХХ). Базисное потокосцепление по формулам, приведенным в [53], равно:
(2.10)
где W - число витков трансформатора;
f - рабочая частота, f=50 Гц;
Uф - фазное значение напряжение;
В - базисное значение магнитной индукции в стержне трансформатора, В=1,65 Тл;
Sст - сечение сердечника.
Для аппроксимации кривой намагничивания токов использовалась формула [54]:
(2.11)
где А=12,56; С=-12,46; α=0,574; n=12.
Исходные уравнения:
(2.12)
Для реализации расчетов на ЭВМ система уравнений (2.12) преобразуется к виду:
Система уравнений решалась методом Рунге Кутта четвёртого порядка с начальными данными
Интегрирование производилось с шагом h=2-10-5с, 1000 шагов на период. На печать выводились следующие величины:
а также
(2.14)
Напряжение в нейтрали трансформатора вычислялось как
Методика исследования токов через защитные аппараты
В эксплуатации через защитные аппараты нейтрали могут протекать импульсные и коммутационные токи.
Импульсные токи изучались с помощью анализатора переходных процессов в полевых условиях и при помощи расчетов. При экспериментальном исследовании последовательно с моделью защитного аппарата (вентильного разрядника или нелинейного ограничителя перенапряжений) подключался шунт и осциллографировалась осциллограмма тока с учетом масштабного коэффициента. При исследованиях с помощью ЭВМ осциллограммы импульсных токов через защитные аппараты нейтрали непосредственно выводились в печать.
Коммутационные токи через защитные аппараты нейтрали изучались только с помощью ЭВМ по методике, изложенной в параграфе 2.2.
