Исследование феррорезонансных колебаний в воздушных сетях 35 КВ с изолированной нейтралью с электромагнитными трансформаторами напряжения

В новых экономико-политических условиях одной из актуальнейших проблем является энергетическая безопасность России. Данная проблема многогранна и, наряду с экономическими, политическими и социальными аспектами, важным аспектом является техническое состояние объектов энергетики. Моральный и физический износ электротехнического оборудования, отсутствие достаточных финансовых средств для обновления и восстановления оборудования ведут к увеличению числа аварий в энергосистемах и снижению качества электроснабжения. Поэтому задача сохранения технического уровня и обеспечения надежности систем передач электроэнергии носит не только прикладной, но и стратегический характер в плане обеспечения энергетической безопасности России.

Одной из причин аварий в высоковольтных распределительных сетях являются различного рода перенапряжения. Для сетей 6−35 кВ открытого типа основную опасность представляют грозовые перенапряжения, однако нельзя недооценивать и аварийность, связанную с внутренними перенапряжениями.

Эксплуатация сетей среднего напряжения (СН), как правило, осуществляется в режиме изолированной нейтрали. Как известно, в сетях с изолированной нейтралью замыкание фазы на землю не является коротким замыканием и не требует немедленного отключения, что позволяет сохранить работоспособность этих сетей при длительных замыканиях фазы на землю путем определения, выделения и отключения места повреждения, а также создания временной схемы питания потребителей без их обесточивания. Преимуществом полностью изолированной нейтрали сети является также простота реализации такого режима, поскольку при этом отпадает необходимость в специальных устройствах для заземления нейтрали. Однако полностью изолированной нейтрали свойственны весьма серьезные недостатки, основным из которых является возможность возникновения дуговых замыканий фазы на землю, сопровождающихся большой кратностью перенапряжений на элементах сети.

Для сетей 6−35 кВ любого назначения наиболее опасны следующие виды внутренних перенапряжений: перенапряжения, сопровождающие процесс дугового замыкания на землю (дуговые перенапряжения) — коммутационные перенапряжения, возникающие при нормальных и аварийных коммутациях включения и отключенияферрорезонансные перенапряжения, обусловленные насыщением магнитопроводов силовых трансформаторов или трансформаторов напряжения (ТН) — восстанавливающиеся напряжения, возникающие на контактах коммутирующих аппаратов при отключении нормальных и аварийных токов.

В данной работе рассматриваются перенапряжения связанные с феррорезонансными колебаниями в сетях среднего напряжения (СН).

Необходимо различать несколько типов резонансных перенапряжений, развивающихся в сетях с изолированной нейтралью с электромагнитными ТН и приводящих к их повреждениям: дуговые перенапряжения, феррорезонанс при неполнофазных режимах сети и феррорезонанс, возникающий при коммутациях с ненагруженными линиями. Все три типа схожи по внешнему проявлению и последствиям: возникает смещение нейтрали сети, развиваются колебательные процессы на промышленной частоте, либо на высших или низших гармониках, приводящие к перенапряжениям на линии и сверхтокам в трансформаторах напряжения и, как следствие, к перегреву и повреждению ТН. Однако физика развития процессов и области параметров сети, при которых возможно возникновение перенапряжений, совершенно различны.

Исследования позволили выявить и отделить от перенапряжений при дуговых замыканиях на землю более опасные феррорезонансные перенапряжения. Было установлено, что именно феррорезонанс во многих случаях являлся причиной возникновения пробоя изоляции на землю. С другой стороны, дуговые замыкания на землю часто приводят к возникновению и развитию феррорезонансных процессов. Таким образом, возникла проблема идентификации причин аварийности распределительных сетей при коротких замыканиях на землю и определения параметров сети, для которых характерен тот или иной тип перенапряжений.

В электроэнергетике под феррорезонансными понимаются явления, возникающие в электрических сетях при образовании схем с электромагнитными трансформаторами и емкостями сети. Такие явления характеризуются длительными перенапряжениями и токовыми перегрузками обмоток трансформаторов, что обусловлено скачкообразным насыщением магнитопроводов. Так как трансформаторы не рассчитаны на длительную работу в режиме сильного насыщения, то происходит их повреждение. Возникающие при этом перенапряжения также опасны для измерительного оборудования и средств защиты силового оборудования.

Феррорезонанс является нелинейным резонансным явлением, которое оказывает негативное воздействие на электрические сети и до сих пор является нерешенной проблемой в энергетических системах. Значительное повышение уровня гармоник, перенапряжения и сверхтоки, вызванные феррорезонансом, часто приводят к повреждениям электроэнергетического оборудования. Многие аварии в энергосистемах, которые классифицируются как происходящие «по невыясненным причинам», происходят именно из-за этого нелинейного явления.

В настоящее время основным средством защиты от феррорезонансных перенапряжений является включение резисторов в дополнительную вторичную обмотку ТН. Опыт эксплуатации, а также численные расчеты с помощью разработанной в рамках данной работы программы показывают низкую эффективность такого способа защиты.

Недостаточная изученность феррорезонансных процессов как нелинейного явления в теории электрических цепей, а также потребность в создании эффективных средств защиты электротехнического оборудования от феррорезонансных перенапряжений определяют актуальность работы.

Работа выполнялась в рамках плановой работы Института физико-технических проблем энергетики Кольского научного центра РАН «Разработка стратегии сохранения технического уровня и обеспечения надежности систем передачи электроэнергии в меняющихся технико-экономических условиях Севера страны» (инв.№ 1 990 002 845), а также ряда хоздоговорных работ с ОАО «Колэнерго».

Заключение

.

Одной из самых актуальных задач современной электроэнергетики России является сохранение технического уровня, а также обеспечение и повышение надежности эксплуатации стареющего оборудования энергосистем при отсутствии финансовых возможностей его массовой замены. К таким проблемам, несомненно, относится задача снижения аварийности в распределительных сетях, в том числе и по причине выхода из строя измерительных трансформаторов напряжения. В диссертации на основе анализа опыта эксплуатации, литературных данных и оригинальных исследований показано, что основной причиной аварий ТН традиционных конструкций является тепловой пробой изоляции, вызванный повышенными токами в первичных обмотках при длительных феррорезонансных колебаниях. В трехфазных сетях физически реализуемы многочисленные виды таких колебаний с различными спектрами частот и амплитуд токов и напряжений в нейтрали. При напряжениях сети, близких к номинальному, в реальных сетях могут возникать длительные колебания значительных амплитуд с преобладающими частотами в спектре от 21 до 50 Гц. Подавление феррорезонансных явлений с помощью установки резисторов в первичные и вторичные обмотки ТН, а также в нейтраль сети оказывается в различной степени эффективной в зависимости от суммарной длины линий (емкости на землю) на изолированно работающем участке сети. В различных рабочих и аварийных режимах число и количество линий и подстанций на таких участках сети может существенно изменяться. Соответственно изменяется число комплектов ТН, включенных под напряжение и в широких пределах меняется эквивалентная емкость сети, что затрудняет выбор защитных мер и усложняет теоретический анализ их эффективности. На основе подробного исследования в работе предложены в достаточной степени универсальные способы защиты на примере сети класса напряжения 35 кВ, которые проверены экспериментально и внедрены на подстанциях ОАО «Колэнерго».

По работе можно сделать следующие выводы:

1. В диссертации выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований феррорезонансных процессов в трехфазных сетях с изолированной нейтралью, впервые охватывающий все многообразие форм и амплитуд колебаний в широком диапазоне изменения параметров и напряжений сети. В частности, в целях исследования физики процесса, получены подробные картины резонансных областей для эквивалентных емкостей сети от 1000 пФ до сотен нФ и напряжений от 0.3 до 3 номинальных напряжений сети, то есть в диапазонах включающих (и значительно превышающих) реальные пределы изменения этих величин.

2. На основе полученных в работе экспериментальных данных и расчетным путем уточнены формулы, аппроксимирующие кривую намагничивания трансформаторов напряжения (на примере 3HOM-35) и обоснована структура его эквивалентной схемы для включения в трехфазную схему замещения сети. Проведен выбор оптимальных формул по критерию трудоемкость счета — точность результатов границ резонансных областей. Рекомендованы для использования в многовариантных расчетах обычные полиномиальные аппроксимации (с уточненными численными значениями коэффициентов) и аппроксимации в пределе учитывающие индуктивность рассеяния ТН.

3. Исследованы физические процессы, вызывающие длительные феррорезонансные колебания с преобладающими частотами в спектре от единиц герц до 150 Гц, показано, что их возникновение обусловлено именно спецификой трехфазных сетей. Показано, что трехфазная симметричная система э.д.с. в сети с насыщающимися трансформаторами при определенных комбинациях напряжения и емкости является генератором второй субгармоники в первые периоды после включения, что после затухания переходного процесса приводит к развитию устойчивых колебаний на частотах близки к половине промышленной. Выполнен анализ двухфазного резонанса на частоте сети. В методических целях проанализированы явления на частотах, приближающихся ко второй и третьей гармоникам.

4. Путем численного моделирования найдены области существования каждого из видов нелинейных колебаний в координатах независимых переменных: емкость сети — линейное напряжение сети. Расчеты выполнены с шагами по независимым переменным достаточно малыми, для выявления тонких эффектов в изменении спектров феррорезонансных колебаний. Исследованы участки непрерывного изменения преобладающей частоты колебаний и впервые обнаружены участки фрактального типа с хаотическим распределением преобладающих частот колебаний, требующие дальнейшей разработки новых подходов к их исследованию.

5. Показано, что в области изменения реальных напряжений сети могут возникать колебания значительных амплитуд напряжений в нейтрали и токов в ТН на частотах от 21 Гц до 50 Гц. При этом нижняя граница резонансной области всегда определяется колебаниями с частотами, близкими ко второй субгармонике. В то же время при включении сети под номинальное напряжение с малой эквивалентной емкостью на землю основным видом колебаний является двухфазный феррорезонанс на промышленной частоте.

6. Разработан метод сравнительного анализа эффективности различных методов защиты электрических сетей от ФРП посредством ортогонализации нелинейных уравнений феррорезонансных колебаний в трехфазной сети путем разложения на а0 — координаты. Выделен нелинейный контур нулевой последовательности, из анализа процессов в котором наиболее четко видна сравнительная эффективность различных методов защиты для сетей с различными параметрами.

7. Показано, что в реальных электрических сетях эффективной является комплексная защита от феррорезонансных перенапряжений, включающая установку резистивных устройств последовательно с первичной обмоткой и в разомкнутый треугольник дополнительных вторичных обмоток. Для большинства участков сетей сопротивления 30 кОм и 25 Ом соответственно гарантированно устраняют опасность возникновения феррорезонансных перенапряжений.

8. Впервые обосновано, что защитные резисторы с первичной стороны могут устанавливаться на трансформаторах напряжения, к которым не предъявляются требования высокой точности измерения напряжения. На каждом участке сети, содержащем до семи комплектов ТН, достаточно установить защиту в обмотках высшего напряжения только в одном из них.

9. Выполнены экспериментальные исследования феррорезонансных процессов в действующих сетях. Сопоставление опытных и расчетных данных подтвердили правильность основных положений диссертационной работы. Опытным путем подтверждена эффективность комплексной защиты трансформаторов напряжения от феррорезонансов: при многочисленных коммутациях в сети с установленными защитными устройствами не зарегистрировано ни одного случая возбуждения длительных резонансных явлений. Защитные устройства успешно эксплуатируются в течение ряда лет на нескольких подстанциях 35 кВ ОАО «Колэнерго».

10. Разработаны различные варианты исполнения резистивной защиты, в том числе оригинальная конструкция резистивных защитных устройств подвесного типа, проверенных в тяжелых климатических условиях Крайнего Севера и внедряемых в настоящее время в высоковольтных сетях.