Эксплуатационные режимы электроэнергетических систем - Искажение формы кривой, вносимое трансформаторами, реакторами и линиями

Указанные выше колебания, нарушающие нормальную работу электрических установок и систем, возникают преимущественно в результате особенностей вращающихся электрических машин. Однако трансформаторы и реакторы с сильно насыщенными стальными сердечниками также могут становиться источником высших гармонических. На рис. 20, а показана взаимосвязь между магнитным потоком Ф в активной стали и намагничивающим током ίμ. Если обеспечить синусоидальное изменение этого тока во времени в соответствии с кривой, вычерченной на рис. 20, б тонкой линией, то магнитный поток будет изменяться во времени по уплощенной кривой.

Эта кривая строится по точкам, снимаемым с кривой намагничивания и выражающим значения потока, соответствующие разным значениям тока в зависимости от времени (см., например, кривую, вычерченную тонкой линией на рис. 20,в). Напряжение, наведенное на обмотке трансформатора, определяется изменением во времени этого потока dΦ/dt и может быть найдено путем дифференцирования указанной выше кривой. Кривая напряжения, имеющая резко выраженную пикообразную форму, построена на рис. 21 вместе с кривой изменения тока.
Если же, с другой стороны, добиться синусоидального характера изменения напряжения, то и магнитный поток будет также изменяться синусоидально в соответствии с кривой, вычерченной жирной линией на рис. 20, в. При этом из сети забирается намагничивающий ток, который можно определять по точкам характеристики на рис. 20, а. Кривая изменения этого тока во времени показана жирной линией на рис. 20, б. Эта кривая также имеет пикообразную форму, и она еще раз вычерчена вместе с соответствующей кривой напряжения на рис. 22.

Отсюда видно, что в результате действия магнитного насыщения стального сердечника происходят значительные искажения кривых тока и напряжения. При синусоидальном напряжении на обмотке трансформатора получается пикообразный намагничивающий ток, который содержит значительные высшие гармонические, кратность которых составляет по отношению к основной частоте 3, 5, 7 и т. д. Синусоидальный характер изменения намагничивающего тока дает, напротив, пикообразную кривую напряжения с высшими гармоническими, кратность которых по отношению к основному колебанию равна 3, 5, 7 и т. д. Эти высшие гармонические могут вызывать в электроэнергетических системах такие же вредные явления, как и высшие гармонические, создаваемые вращающимися электрическими машинами.

Рис. 23

Рис. 24
Магнитный гистерезис активной стали, растягивающий в разные стороны восходящую и нисходящую ветви кривой намагничивания на рис. 20, вызывает небольшую асимметрию пикообразных кривых тока и напряжения без каких-либо иных вредных последствий.
На рис. 23 приведены снятые путем осциллографирования кривые изменения намагничивающего тока ненагруженного трансформатора с полностью замкнутым стальным магнитопроводом, питаемого приблизительно синусоидальным напряжением. Ток снимался при трех различных плотностях магнитного потока.
Высшие гармонические намагничивающего тока замыкаются через линии электропередачи, и прежде всего через источник питания, создавая при этом неблагоприятную нагрузку этих элементов системы, в результате чего может произойти искажение формы кривой напряжения. Поскольку высшие гармонические создаются только токами, намагничивающими стальной сердечник, вследствие чего их амплитудные значения, как правило, малы по сравнению с амплитудами общего тока установки, вызываемые ими искажения формы кривых тока и напряжения обычно незначительны. Однако при работе отдельных частей системы в холостом режиме или при явлениях резонанса высшие гармонические могут иногда оказывать весьма заметное влияние.
Существенные искажения могут появиться в том случае, когда задан характер изменения тока и в соответствии с рис. 21 создаются значительные высшие гармонические напряжения. Однако в цепи при наличии стального сердечника нелегко осуществить поддержание чисто синусоидального тока, так как характер изменения тока обычно значительно искажается под влиянием пикообразных напряжений.
Часто электрическая цепь с замкнутым стальным магнито- проводом по рис. 24 включается последовательно с индуктивностью, в которой сердечник отсутствует, причем напряжение на этой индуктивности в точности пропорционально изменению тока. На рис. 25, а изображена характеристика Ψ(i) такой электрической цепи, получающаяся в результате суммирования прямой Li и кривой магнитного насыщения wФ, которая при высоком насыщении уже при протекании очень малых токов почти достигает своего конечного значения. Напряжение на этой электрической цепи равно
(2)
Следовательно, при синусоидальной форме приложенного напряжения и общий поток Ψ изменяется во времени согласно рис. 25, б также синусоидально, так что получается характеристика тока с некоторым уступом, по рис. 25, в. Кроме того, на рис. 25, б можно путем переноса отдельных точек магнитной характеристики выделить обе составляющие потока и получить посредством дифференцирования на рис. 26, а кроме общего напряжения и также и напряжение иф на индуктивности без стали; рис. 26, а показывает кривую остаточного напряжения uL, появляющегося на катушке со стальным сердечником. Напряжение uф состоит из синусоидального колебания с небольшим амплитудным значением и высокого пика напряжения, наложенного на синусоиду и почти равного амплитудному значению и общего напряжения. Слабое синусоидальное колебание соответствует небольшому подъему характеристики Φ(ί) при больших токах, а пикообразное напряжение — быстрому изменению во времени потока Ф при переходе тока через нуль. Согласно рис. 25, в в районе перехода тока через нуль как сам ток, так и напряжение на индуктивности без стали очень малы.

В течение этого времени полное напряжение сети приложено к катушке со стальным сердечником.

Поэтому в обмотках реле, измерительных трансформаторов тока с разомкнутой вторичной обмоткой, а также последовательно включенных силовых трансформаторов и аппаратов со стальными сердечниками, замкнутыми полностью или почти полностью, могут возникать значительные напряжения пикообразной формы, когда через обмотки проходят сильные токи короткого замыкания, перенасыщающие стальные элементы и ограничиваемые, вообще говоря, только индуктивностью без стали. На рис. 27 приведены построенные по осциллограммам характеристики изменения тока и напряжения такой катушки, причем большие перенапряжения частот приводят к пробою изоляции. Это явление можно устранить путем исполнения магнитопровода разомкнутым (предусмотрев в магнитном контуре воздушный зазор) или же путем установки замкнутой вторичной (демпферной) обмотки.

Для многих областей применения весьма желательно наличие резких пиков напряжения. Так, например, пикообразные импульсы успешно применяются для управления выпрямителями, инверторами и другими аналогичными аппаратами.

Такое управляющее напряжение при какой-либо заданной фазе основного тока можно получить при помощи небольшой катушки с сердечником из высококачественного намагничивающегося материала, магнитные характеристики которой, круто поднимаясь, пересекают ось абсцисс, как показано на рис. 25, а.

При полностью замкнутом магнитопроводе ϰ бывает иногда очень малым, так что пик напряжения определяется в основном приложенным к цепи напряжением. Если трансформатор с замкнутым стальным магнитопроводом по рис. 24 имеет одну вторичную обмотку, то ее напряжение увеличивается в соответствии с отношением чисел витков.

Поэтому в трансформаторе тока на 10 кВ и 100 А, вторичная обмотка которого рассчитана на 5 А, при случайном размыкании образуется пик напряжения если внешняя индуктивность при одновременном коротком замыкании сильно уменьшится. Это может произойти при аварии или при перегорании предохранителя под действием тока короткого замыкания.
Трансформатор, показанный на рис. 28, питается со стороны низшего напряжения через значительную индуктивность, которая может включать в себя также индуктивности рассеяния генератора и трансформатора. При этом напряжение на трансформаторе с насыщенным магнитопроводом даже при синусоидальном напряжении генератора имеет пикообразную форму кривой, пики которой, правда, не так остры, как на рис. 26. Если собственная частота цепи высшего напряжения совпадает с частотой возникающих при этом высших гармонических, то образуется высокочастотное напряжение с большой амплитудой, которое может оказаться опасным для всей установки.
При работе в режиме с сильным насыщением стали, вследствие чего на колебательный контур оказывают воздействие высокие пики напряжения с переменным знаком в соответствии с рис. 27, в контуре могут при резонансе возбуждаться любые высокие собственные частоты нечетного порядка. На рис. 29 приведена осциллограмма, из которой видно, что каждый импульс напряжения вновь возбуждает высшие гармонические, равные 15-кратной собственной частоте, которые несколько затухают под демпфирующим действием цепи и вновь возникают при следующем импульсе.

Рис. 30     Рис. 31
Изображенный на рис. 28 последовательный колебательный контур реагирует главным образом на высшие гармонические напряжения. В сильноточных электрических сетях часто содержатся параллельно соединенные индуктивности и емкости, энергично реагирующие на высшие гармонические тока. На рис. 30 показан трансформатор Т с насыщенным магнитопроводом, питающий колебательный контур, состоящий из емкости С высоковольтной сети и индуктивности L, обусловленной не только сетью, но и потребителями тока, генераторами и индуктивностью рассеяния обмотки самого трансформатора.

Поскольку в магнитопроводе трансформатора под действием пространственного изменения индукции образуются высшие гармонические тока определенной частоты, они должны замыкаться через внешние провода. Последние обычно имеют лишь умеренные активные сопротивления. Однако если их емкость и результирующая индуктивность находятся в резонансе по току для какой-либо высшей гармонической n-го порядка, то они имеют при соответствующей частоте очень высокое сопротивление и допускают поэтому протекание тока in только при образовании высшей гармонической напряжения ип с большим амплитудным значением. Последняя распространяется по всей сети и может вызывать серьезные нарушения ее работы. На рис. 31 показаны соответствующие осциллограммы тока и напряжения в сети, в которой из-за намагничивающих токов некоторых трансформаторов особенно резко проявляется их пятая гармоническая. Явление немедленно исчезает как при отключении этих трансформаторов, так и при значительном изменении нагрузки сети и нарушении условий резонанса по току.
Аналогичные высшие гармонические вызываются также любым отклонением вольт-амперной характеристики электрической цепи от линейной. Из рис. 6 в главе 28 видно, что в электрической дуге переменного тока кривая напряжения имеет уплощенную форму, а кривая тока — заостренную форму, так что обе они содержат значительные высшие гармонические. Вследствие этого при определенных условиях возбуждаются собственные колебания повышенной частоты, которые при коммутации электрической дуги могут приводить к значительным перенапряжениям.

Явление коронного разряда, возникающее на проводах высоковольтных линий при превышении определенного предельного напряжения и вызывающее, кроме того, быстрое повышение тока, также создает высшие гармонические тока или напряжения. На рис. 32, а приведена вольт-амперная характеристика коронного разряда такой линии, которая показывает, что при синусоидальном токе тлеющего разряда напряжение должно изменяться по утолщенной кривой (рис. 32,б) и содержит поэтому кроме основных колебаний также и высшие гармонические с большими амплитудными значениями, в то время как при синусоидальном напряжении кривая тока имеет острые пики со значительными высшими гармоническими (рис. 32, в).
Можно сделать общий вывод, что любое отклонение электрической или магнитной характеристики от линейной вызывает пропорциональное изменение высших гармонических, которые могут стать причиной опасных нарушений работы системы. В табл. 1 сопоставляются высшие гармонические, образующиеся в сильноточных цепях, и указываются частоты наиболее важных гармонических.
Таблица 1
Образование высших гармонических