Исследование антирезонансных свойств трансформаторов напряжения НАЛИ-НТЗ-10 и НАЛИ-НТЗ-35. Отчет НИР НГТУ

Основной целью данной НИР является исследование антирезонансных свойств ТН типа НАЛИ-НТЗ-10 и НАЛИ-НТЗ-35 производства ООО «Невский трансформаторный завод «Волхов». Существенным обстоятельством является то, что на заводе была разработана испытательная схема для проверки стойкости ТН 10 кВ к горению перемежающейся дуги и имеется большое количество опытных осциллограмм. Исследование поведения ТН в испытательной схеме и сравнение расчётных и опытных осциллограмм позволит проверить достоверность математических моделей.

Для достижения поставленной цели в НИР решаются следующие задачи:

• Разработка математических моделей исследуемых ТН НАЛИ-НТЗ-10 и НАЛИ-НТЗ-35 и определение параметров трансформаторов, входящих в их состав (ТПП-10, ТНП-10, ТПП-35, ТНП-35);
• Разработка математических моделей сети с изолированной нейтралью при исследовании процессов при однофазных замыканиях на землю, при неполнофазном режиме работы силового трансформатора;
• Разработка математической модели силового трансформатора;
• Исследование процессов в ТН при приведенных выше аварийных воздействиях;
• Исследование поведения ТН типа НАЛИ-НТЗ-10 в испытательной схеме, используемой для проверки стойкости ТН к перемежающейся дуге.
• Формулировка общего заключения об антирезонансных свойствах исследуемых ТН.

Введение

Режим феррорезонанса является одной из основных причин повреждения электромагнитных ТН. В том числе и в сетях средних классов напряжения 6-35 кВ с изолированной нейтралью. В режиме феррорезонанса в обмотке ВН ТН возникают большие токи, приводящие к разогреву и повреждению обмотки. В некоторых ситуациях феррорезонансные явления могут привести и к ложным срабатываниям защиты от замыкания на землю.

В сетях средних классов напряжения 6-35 кВ с изолированной нейтралью широко применяются трансформаторы напряжения типов ЗНОМ, ЗНОЛ, НТМИ. Принципиальная схема ТН типа НТМИ приведена на рис. 1,а. Характерной особенностью перечисленных выше типов ТН является то обстоятельство, что они либо однофазного исполнения, либо в корпусе трёхфазного ТН (НТМИ) находится три отдельных магнитопровода (существуют также пятистержневые магнитопроводы). Такое исполнение необходимо для того, чтобы ТН выполнял одну из своих основных функций в сетях с изолированной нейтралью – обеспечивал измерение напряжения нулевой последовательности (эти трансформаторы часто обозначаются как ТНКИ – трансформатор напряжения для контроля изоляции). Однако такая конструкция ТН приводит к образованию нелинейного шунта намагничивания нулевой последовательности, который может войти в резонанс с ёмкостью сети. Это обстоятельство и определяет сложность борьбы с феррорезонансом в сетях с изолированной нейтралью, так как ТН в любом случае должны выполнять свои основные функции измерительного устройства.

К возникновению феррорезонанса может привести возникновение любой несимметрии сети, в результате которой в контуре нулевой последовательности появится напряжение. В сетях 6-35 кВ основной причиной этих повышений являются однофазные дуговые замыкания на землю (ОДЗ). Эти замыкания характеризуются перенапряжениями уровня 2,3 – 2,5Uф.max, возникающими уже при первом зажигании дуги. Горение дуги может сопровождаться многократными зажиганиями и погасаниями, что приводит к большим перенапряжениям. К возникновению феррорезонанса может также приводить отключение однофазного металлического замыкания на землю (ОЗЗ), отключение двухфазных коротких замыканий и прочие нарушения симметрии сети с последующим восстановлением.

Явление феррорезонанса в сетях с изолированной нейтралью достаточно хорошо изучено [1-9] и предусмотрен ряд мер для его предотвращения или демпфирования. Среди мер по предотвращению феррорезонанса в сетях 6-35 кВ следует выделить основную – включение дополнительного активного сопротивления величиной 25 Ом в рассечку обмотки ТН, соединенной в открытый треугольник. Эта мера не является абсолютно эффективной, так как зачастую требуется уменьшать величину активного сопротивления, а это не всегда допустимо по тепловой устойчивости обмоток ТН.

Другой распространённой мерой является включение дополнительных активных сопротивлений последовательно с обмотками ВН трансформаторов напряжения (возможен вариант непосредственного увеличения активного сопротивления обмоток ВН), либо включение сопротивления между нейтральной точкой соединения обмоток ВН и землей. В обоих случаях дополнительные сопротивления включаются последовательно с нелинейной индуктивностью ТН в резонансный контур, уменьшая падение напряжения на ней при насыщении, и, соответственно, возможности для развития феррорезонанса. Применение этой меры также позволяет предотвратить феррорезонанс при правильно выбранных величинах активных сопротивлений. Но величина этих сопротивлений (включаемых в контур со стороны ВН) должна составлять десятки кОм для эффективного предотвращения феррорезонанса, что технически трудновыполнимо и отрицательно сказывается на метрологических характеристиках ТН.

Весьма эффективной мерой по предотвращению феррорезонанса является резистивное заземление нейтрали сети. Резистор в нейтрали сети входит в резонансный контур параллельно нелинейной индуктивности ТН по нулевой последовательности и, фактически, шунтирует трансформатор напряжения. Применение резистивного заземления нейтрали также позволяет снизить кратности перенапряжений на фазах сети при дуговых замыканиях и обеспечить селективную работу релейной защиты при однофазных замыканиях на землю (определение повреждённого присоединения).

Одной из наиболее эффективных мер по предотвращению феррорезонанса является применение антирезонансных ТН. Можно выделить несколько конструкций антирезонансных ТН, выпускаемых в России: ТН типа НАМИ, выпускаемые Раменским заводом электрооборудования, ТН типа НАЛИ-СЭЩ выпускаемые ЗАО «ГК «Электрощит»- ТМ Самара», трехфазные антирезонансные группы ТН типа 3хЗНОЛ Свердловского завода трансформаторов тока и рассматриваемые в настоящей НИР ТН типа НАЛИ-НТЗ производства ООО «Невский трансформаторный завод «Волхов».

Наиболее используемым в настоящее время техническим решением по обеспечению ТН антирезонансными свойствами является включение в нейтральную точку соединения обмоток ВН фаз дополнительного трансформатора, так называемого трансформатора нулевой последовательности (ТНП). При этом существует две основных концепции использования этого трансформатора.

Первая концепция была положена в основу конструкции ТН типа НАМИ Раменского завода. В этом ТН для предотвращения феррорезонанса магнитопровод ТН выполняется трёхстержневым, тем самым исключая возможность существования магнитного потока нулевой последовательности значительной величины и, следовательно, источника ЭДС в контуре нулевой последовательности. Устойчивый колебательный процесс в контуре нулевой последовательности становится невозможен. Сам ТН при такой конструкции теряет возможность выполнять измерения напряжения нулевой последовательности. Соответственно дополнительный трансформатор ТНП включённый между нейтральной точкой соединения обмоток ТН и землёй в данном случае необходим для выполнения функции контроля изоляции. Принципиальная схема ТН типа НАМИ приведена на рис. 1,б.

Вторая концепция применения ТНП использовалась в ТН типа НАМИТ производства предприятия «Самарский трансформатор» и в трёхфазных антирезонансных группах ТН типа НАЛИ-СЭЩ. Принцип действия этих ТН основан на использовании изобретения А.с.№1319158 СССР, МНИ НО2Н9/04 «Устройство для защиты от резонансных перенапряжений трансформатора напряжения в сети с изолированной нейтралью» //Ю.А.Степанов, А.П.Кузнецов, М.Н.Игнатьев//Открытия. Изобретения.1987.№23.

Поскольку ТН представляет собой трёхфазную группу однофазных ТН, в нём возможно существование магнитного потока нулевой последовательности (несимметрии магнитных потоков в магнитопроводах фаз) и измерение напряжения нулевой последовательности при помощи дополнительной обмотки, соединённой в разомкнутый треугольник.

ТНП в схеме таких ТН играет роль непосредственно антирезонансного устройства. Включённый напрямую в контур нулевой последовательности сети, он демпфирует возникающие в нём колебательные процессы за счёт своего большого реактивного сопротивления. В ТН типа НАМИТ и ранних версиях ТН типа НАЛИ-СЭЩ была предусмотрена специальная релейная схема, обеспечивающая размыкание вторичной обмотки ТНП в случае возникновения феррорезонанса. В нормальном режиме работы ТН вторичная обмотка была замкнута, и ТНП обладал реактивным сопротивлением КЗ (маленьким), чтобы не слишком влиять на метрологические характеристики ТН.

Схема соединения обмоток трёхфазной группы ТН типа НАЛИ-СЭЩ приведена на рис.2.

В настоящее время от практики применения релейных схем для обеспечения ТН антирезонансными свойствами стали отходить. Так поздние модификации ТН типа НАЛИ-СЭЩ не имеют таких схем, ТНП там эксплуатируется с постоянно разомкнутой вторичной обмоткой, которая используется для измерения напряжения нулевой последовательности.

Несмотря на схожесть описанных выше конструкций ТН с применением ТНП, между ними есть принципиальное отличие. В конструкции ТН типа НАМИ устойчивый феррорезонансный процесс невозможен в принципе (в резонансном контуре нет источника ЭДС), в ТН типа НАМИТ и НАЛИ-СЭЩ устойчивый феррорезонанс может иметь место в случае насыщения ТНП, эксплуатации ТНП с замкнутой вторичной обмоткой (такие случаи имели место для ТН типа НАМИТ). ТН типа НАЛИ-НТЗ, разработанный и выпускаемый ООО «Невский трансформаторный завод «Волхов» использует первую концепцию применения ТНП (аналог ТН типа НАМИ). Магнитопровод ТН НАЛИ-НТЗ – трёхстержневой, т.е. существование магнитного потока нулевой последовательности исключается. ТНП используется для измерения напряжения нулевой последовательности и обладает существенно сниженной рабочей индукцией.

Заключение

При выполнении НИР были выполнены как методические исследования, так и исследования по существу поставленных задач: исследование антирезонансных свойств ТН типа НАЛИ-НТЗ-10 и НАЛИ-НТЗ-35.

К методическим исследованиям следует отнести:

1. Разработка математических моделей и расчёт параметров этих моделей для ТН типов НАЛИ-НТЗ-10 и НАЛИ-НТЗ-35;
2. Получение выражений для расчёта частот собственных колебаний в испытательной схеме.
3. Получение упрощенного выражения для оценки несимметрии напряжений, обусловленной явлением «ложной земли».

Основные выводы по существу проведенных исследований можно сформулировать следующим образом:

1. В ТН типа НАЛИ-НТЗ-10 и НАЛИ-НТЗ-35 не возникает устойчивого феррорезонанса при возникновении несимметрии сети (дуговые замыкания, отключение металлических замыканий). Это объясняется особенностью конструкции ТН, а именно – отсутствием источника ЭДС в контуре нулевой последовательности из-за трёхстержневой конструкции основного магнитопровода ТН.
2. Было выполнено моделирование процессов при горении перемежающейся дуги в испытательной схеме. Полученные компьютерные осциллограммы хорошо согласуются с имеющимися опытными осциллограммами, что говорит о достоверности разработанных математических моделей.
3. Горение перемежающейся дуги с интервалами между зажиганиями не более 10 мс не приводит к повреждению или даже к сколько-либо существенному нагреву ТН. Это объясняется тем, что ТНП обладает большим реактивным сопротивлением и, пока разрядка (перезарядка) ёмкости нулевой последовательности сети происходит через дугу, в первичной обмотке ТНП не возникает значительных токов.
4. После погасания последней дуги, либо после отключения ОЗЗ, через некоторое время в первичной обмотке ТНП (и, соответственно, в первичных обмотках фаз ТПП) возникает бросок тока намагничивания значительной величины. Бросок тока обусловлен насыщением магнитопровода ТНП постоянным напряжением нулевой последовательности, оставшимся на ёмкостях фаз сети (на нейтрали) и последующим разрядом этих ёмкостей через ТН.
5. Наличие этого броска тока намагничивания может представлять опасность для исследуемых ТН в тех случаях, когда возникновение несимметрии сети (например – дуговые замыкания) повторяется через интервалы времени, существенно превышающие 10 мс.
6. Для ограничения бросков токов намагничивания можно увеличить активное сопротивление первичной обмотки ТНП (например, включив последовательно с обмоткой высокоомный резистор), т.е. – затруднение разряда ёмкости сети через ТН. К сожалению, для ограничения тока до безопасных значений требуется сопротивление порядка 100 кОм для НАЛИ-НТЗ-10 и 750 кОм для НАЛИ-НТЗ-35. Такие величины сопротивлений окажут существенное влияние на метрологические характеристики ТН.
7. Исследуемые ТН подвержены явлению «ложной земли» при ёмкостях фазы сети на землю 0,1-10 нФ и несимметрии сопротивлений изоляции фаз сети. Природа этого явления такова, что можно сказать, что ему в большей или меньшей степени подвержены все заземляемые ТН 6-35 кВ. Для предотвращения «ложной земли» достаточно увеличить ток нулевой последовательности в обмотках ТН (например – подключив дополнительное сопротивление 25Ом в обмотку для измерения напряжения нулевой последовательности). В ТН типа НАЛИ-НТЗ дополнительное сопротивление можно подключить к вторичной обмотке ТНП.
8. Исследуемые ТН не подвержены повреждениям при возникновении в сети неполнофазного режима работы силового трансформатора. Перенапряжения в этом режиме могут достигать 3,8Uф.max, но за счёт сильно сниженной рабочей индукции магнитопровода ТНП существенного увеличения тока в его обмотке у ТН типа НАЛИ-НТЗ в этом режиме не возникает.

Общее заключение по НИР можно сформулировать так:

Применение ТН типа НАЛИ-НТЗ позволит полностью исключить возникновение феррорезонанса при однократных дуговых замыканиях («клевках земли») и отключении металлических замыканий на землю – т.е. при основных видах воздействий, приводящих к возникновению феррорезонанса в сетях с изолированной нейтралью.

Горение перемежающейся дуги в большинстве случаев также не приведёт к повреждению ТН, причём чем интенсивнее горит дуга (чем меньше интервал между зажиганиями/погасаниями) – тем безопаснее этот режим для исследуемых ТН. Возникновение режима перемежающихся дуговых замыканий с интервалами между зажиганиями 20-30 мс и больше может представлять опасность для ТН. Насколько вероятно возникновение такого режима в реальной сети – вопрос сложный, поскольку существует множество причин возникновения дуговых замыканий и мест возможного горения дуги. Можно порекомендовать Производителю исследовать в испытательной схеме поведение ТН с интервалами между зажиганиями 20-30 мс (возможно, потребуется изменение конструкции «короткозамыкателя»).

Явление «ложной земли» не приводит к повреждению ТН и вызывает лишь нарушение работы релейных схем и измерительных приборов, подключенных ко вторичной обмотке ТН, предназначенной для измерения напряжения нулевой последовательности. Этот режим возможен только в сетях с очень маленькой ёмкостью фазы на землю (единицы нанофарад), и, следовательно, также является маловероятным. В целом данных режим можно считать режимом феррорезонанса достаточно условно, это скорее свойство (особенность) сетей с малой ёмкостью фазы на землю, заземляемыми ТН, и с какой-либо несимметрией. Наиболее выраженное явление «ложной земли» возникает при несимметрии сопротивления изоляции фаз. Ложный сигнал о замыкании на землю в таких сетях возникает практически во всех существующих в настоящее время конструкциях электромагнитных ТН. При этом существует техническая возможность предотвратить или существенным образом демпфировать явление «ложной земли» в сетях с малой ёмкостью на землю и с ТН типа НАЛИ-НТЗ за счёт дополнительного активного сопротивления, которое следует подключать к обмотке для измерения напряжения нулевой последовательности.

Возникновение неполнофазного режима работы силового трансформатора может приводить к возникновению на повреждённой фазе перенапряжений до 3,8Uф.max. Для традиционных трансформаторов такой режим является очень опасным, т.к. за счёт насыщения ток в их первичных обмотках в таком режиме может достигать единиц ампер. Исследуемые ТН типа НАЛИ-НТЗ не подвержены повреждениям в этом режиме благодаря значительно сниженной рабочей индукции ТНП. Конструкция ТНП позволяет выдержать трёхкратное повышение напряжения на первичной обмотке.

Важным преимуществом ТН типа НАЛИ-НТЗ-10 и НАЛИ-НТЗ-35 является литая изоляция, позволяющая использовать их в сетях с повышенными требованиями по пожаро и взрывобезопасности.

Полный текст заключения НИР НГТУ по НАЛИ-НТЗ-10 и НАЛИ-НТЗ-35