Русский   English
#   #

Дослідження причин пошкодження трансформаторів напруги контролю ізоляції

Зміст

Вступ

У мережах 6-35 кВ спостерігається ненормально висока аварійність трансформаторів напруги контролю ізоляції (ТНКІ). За деякими даними щорічна повреждаемость цих трансформаторів напруги (ТН) становить 7-10% з усіх встановлених, а середній термін служби не перевищує 3-5 років [1]. Незважаючи на незначну вартість і малі масогабаритні показники ТН виконують досить важливі функції. Вони забезпечують контроль ізоляції, зниження високої напруги до значень, необхідних для харчування ланцюгів автоматики, релейного захисту, приладів обліку електроенергії. В умовах сучасної ринкової економіки остання функція ТН є вкрай важливою. Крім того, відомі випадки, коли пошкодження ТН супроводжувалося його загорянням і пожежами в розподільних пристроях. Все це зумовлює актуальність дослідження причин пошкодження ТНКІ.

Мета цього дослідження полягає у визначенні причин пошкодження ТНКІ, оцінці ефективності заходів, спрямованих на підвищення надійності роботи цих ТН.

1. Пошкодження ТН в результаті ферорезонансу

Основною причиною, що призводить до пошкодження ТНКІ, є існування в мережі ферорезонансним явищ, внаслідок яких через обмотки ВН проходять струми, що багаторазово перевищують номінальні значення [2, 3]. Для режиму ферорезонансу характерно рівність індуктивного опору ТН і ємнісного опору мережі wL = 1/wC. Причому це рівність може виконуватися як на основній частоті мережі, так і на вищих і нижчих гармонійних складових. Відзначимо, що пошкодження ТН відбувається лише при субгармоніческіх ферорезонансу, а ФРП на частотах 50 Гц і вище до пошкодження ТН не призводять [2].

Необхідною, але недостатньою умовою виникнення режиму ферорезонансу є наявність в мережі несиметрії, що приводить до появи напруги зміщення нейтралі. Основним видом несиметрії в мережах 6-35 кВ є однофазні замикання на землю (ОЗЗ), тому доцільно досліджувати процеси при ОЗЗ і його ліквідації. Для вирішення даного завдання була створена модель ділянки мережі в пакеті MATLAB, яка дозволяє досліджувати поведінку мережі при всякого роду перехідних процесах. В першу чергу до таких слід віднести процеси при однофазних дугових замиканнях (ОДЗ) через перемежовуються дугу, процеси при відключенні або самоусунення ОЗЗ.

Металеве замикання і замикання через стійку дугу мало чим відрізняються між собою по впливу на ТН. Токи в обмотках ВН при цих режимах не перевищують допустимих значень і не є небезпечними. Значні струми можуть виникати після ліквідації замикання. Такі процеси можуть супроводжуватися порушенням ферорезонансним коливань, пов'язаних з розрядом ємності нульової послідовності мережі через заземлення обмотки ВН трансформаторів. Залежно від початкових умов і співвідношення параметрів мережі ФРП можуть носити загасаючий і незатухаючий характер.

Розрахункова схема заміщення мережі приведена на рис.1. На схемі заміщення живить трансформатор представлений джерелом ЕРС Е, фазной індуктивністю розсіювання Lі, активним опором Rі. Мережа відображена зосередженої фазной Сф і міжфазних СМФ ємностями, активним опором Rп, що моделює активні провідності лінії на землю.

Рисунок 1 – Розрахункова схема досліджуваної мережі в режимі ОДЗ
(анімація складається з 8 кадрів із затримкою 500 мс між кадрами, кількість циклів відтворення - 3, розмір - 20 кілобайт)

У даній роботі розглядаються режими роботи ТН типу НТМИ-6-66 і НАМИ-6-95. Схеми заміщення даних ТН представлені на рис. 2 [2]. У схемі заміщення Lm – результуюча нелінійна індуктивність намагнічує контуру, R1 – активний опір первинної обмотки, Rб – баластні опір, що включається в обмотку разомкнутого трикутника для придушення ферорезонансу, Lтнп – індуктивність трансформатора нульової послідовності (ТНП).

Рисунок 2 – Схема заміщення ТН типу НТМИ-6-66 (а), НАМИ-6-95 (б)

Досвід експлуатації показує, що значна повреждаемость ТНКІ характерна для мереж з малими струмами замикання на землю (1-10 А) [4]. Саме при таких співвідношеннях індуктивності ТН і ємності мережі незатухаючий ферорезонансу стає можливий. Як приклад на рис. 3 наведені розрахункові криві струму в обмотці ВН трансформатора при ферорезонансу, яка виникла в результаті відключення ОЗЗ. Токи в цьому режимі перевищують струм термічної стійкості обмотки, що дорівнює 0,3 А. Тривале існування такого режиму неодмінно призводить до термічного руйнування обмотки ВН.

Рисунок 3 – Розрахункові криві струмів в обмотці ВН при ферорезонансу, яка виникла в результаті відключення ОЗЗ. Сф = 0,5 мкФ

В результаті численних розрахунків було встановлено, що на один комплект ТН типу НТМИ-6 зона існування стійкого ферорезонансу укладена в діапазоні зміни фазной ємності в діапазоні 0-1,5 мкФ. Це еквівалентно ємнісному току 0-5 А. З метою максимально наблизити математичну модель до реальної мережі в розрахунках враховувалася можлива несиметрія кривих намагнічування фаз ТНКІ, ємностей мережі, відхилення напруги джерела від номінального.

В якості найбільш простого і дешевого способу придушення ферорезонансу слід виділити включення в обмотку разомкнутого трикутника резистора величиною 25 Ом [2]. Дія резистора полягає в шунтуванні нелінійного магнітного шунта ТН малим опором і створенні додаткових активних втрат в контурі нульової послідовності. На рис. 4 наведені розрахункові криві струмів в обмотці ВН для випадку придушення ферорезонансу резистором 25 Ом в обмотці разомкнутого трикутника. З кривих видно, що після підключення резистора струми в обмотці починають затухати, що свідчить про придушення ферорезонансу. Додамо, що алгоритм виникнення ФРП і параметри мережі аналогічні нагоди, зображеному на рис. 3.

Загальновідомо думку про низьку ефективність резистора величиною 25 Ом в обмотці разомкнутого трикутника в боротьбі з ферорезонансу. Дане судження в основному базується на досвіді експлуатації. Практика показує, що термічне ушкодження обмотки ВН, що відбувається при існуванні ОЗЗ в мережі, можливо як при підключеному баластному резистори, так і при його відсутності. В роботі [5] на основі натурального експерименту було встановлено, що при замиканнях на землю через переміжну дугу резистор величиною 25 Ом не перешкоджає пошкодження ТНКІ.

Рисунок 4 – Розрахункові криві струмів в обмотці ВН при придушенні ферорезонансу установкою резистора 25 Ом в обмотку разомкнутого трикутника. Сф=0,5 мкФ

Нагадаємо особливості проведення даного експерименту.

Була зібрана фізична модель мережі 10 кВ з ізольованою нейтраллю. Ємність мережі була підібрана таким чином, що струм ОЗЗ дорівнював 4 А. Дуга створювалася між спеціальними електродами, що обертаються зі швидкістю 5 м/с. При цьому дуга запалювалася і гасла близько 40 раз в 1 с. В таких умовах незалежно від наявності або відсутності резистора в обмотці разомкнутого трикутника ТН ушкоджувався менш ніж за 5 хв. З цих результатів робиться висновок про неефективність резистора при захисті від струмових перевантажень. Однак при цьому виникає питання – наскільки правомірно відносити подібні процеси до ферорезонансу і вимагати від «класичних» способів захистів від ФРП належного ефекту? Основним фактором, що визначає величину струму в обмотці ВН, є величина фазної напруги. В процесі запалювання-гасіння дуги виникають дугові перенапруження, які й визначали величину струму в обмотці. Відповідно, чим вище буде кратність перенапруг при ОДЗ, тим більші струми будуть протікати по обмотці ВН трансформатора. Однак ці процеси нічого спільного з Ферорезонансні явищами не мають.

2. Пошкодження ТН в результаті перезбудження

Для ТНКІ традиційної конструкції (НТМИ, ЗНОМ, ЗНОЛ) характерна швидка насичуваність магнітної системи. Відомо, що робоча індукція ТН типу НТМИ-6 дорівнює 0,95 Тл. При ОЗЗ напруга непошкоджених фаз підвищується в 3 раз, і індукція в сердечниках цих фаз зростає до величини 1,65 Тл. Подальше збільшення напруги веде до глибокого насичення стали і значного зростання струму в обмотці ВН. В результаті сталевий сердечник перевозбуждается, і обмотка ВН перегорає.

Перенапруження при ОДЗ характеризуються кратністю 2,6-3,2 Uф, причому тривалість перенапруги визначається часом існування дугового замикання. Вплив на ТН напруги такої амплітуди неодмінно веде до глибокого насичення сердечника і зростання струму в обмотці ВН. З вищесказаного можна зробити висновок про те, що причиною пошкодження ТН в експерименті, описаному в [5], слід вважати перезбудження підвищеною напругою. Дані міркування підтверджуються результатами комп'ютерного моделювання, які наведені на рис. 5. Розрахункові криві фазних напруг і струмів в обмотці ВН трансформатора отримані для випадку перемежованого ОДЗ. При моделюванні горіння дуги використовувалася теорія Петерсена, відповідно до якої запалювання дуги при максимумі напруги джерела пошкодженої фази, а згасання – при першому переході через нуль струму високочастотної складової. Токи в цьому режимі значні і небезпечні. Необхідно відзначити той факт, що максимум струму в обмотці ТН доводиться на фазу з максимальною кратністю перенапруг (фаза С).

Рисунок 5 – Розрахункові криві фазних напруг і струмів в обмотці ТН при переміжному ОДЗ. Сф=1,5 мкФ

Як було зазначено вище, основним фактором, що визначає зростання струму в обмотці ТН при ОДЗ, є вплив підвищеної напруги. Резистор в обмотці разомкнутого трикутника не здатний значно вплинути на процеси, що відбуваються в первинній обмотці ТН при ОДЗ, тому при збудження цей спосіб захисту від струмових перевантажень виявляється неефективним. Подібні прості і очевидні істини в недостатній мірі освячені в літературі, тому у багатьох фахівців складається хибне враження про неефективність баластного резистора. Виявляється, що резистор здатний захистити лише від ферорезонансу, а не від перезбудження. Ввівши подібну класифікацію причин пошкодження можна чітко і однозначно рекомендувати ті або інші заходи захисту ТНКІ від струмових перевантажень. І якщо для придушення ферорезонансу досить підключення резистором, то для боротьби з перепорушенням необхідний дещо інший підхід.

Не можна стверджувати, що подібна класифікація причин пошкодження ТН була відома досі і описана в даній статті вперше. Термін ферорезонансу досить відомий і загальноприйнятий. У той час як поняття перезбудження використовується не так часто і деякими авторами класифікується як автопараметріческій ферорезонансу [6]. З нашої точки зору, трактувати перезбудження трансформатора як автопараметріческій ферорезонансу неправомірно. Небезпечні струми в обмотках ТН зовсім не фактор існування ферорезонансу.

Відомо, що будь-який резонансний контур чутливий до активних втрат, тому при деякому значенні втрат в ферорезонансу контурі стійкий ферорезонансу стає неможливий. У той же час автори роботи [6] для захисту ТНКІ від струмових перевантажень пропонують підключення додаткового резистора в обмотки ВН або нейтрали ТН величиною 5-10 кому, що в кілька разів більше власного провідникові обмотки ВН. Розрахунки показують, що при переміжному ОДЗ резистора такої величини досить для обмеження струму в обмотці ВН до безпечних значень. Однак при цьому очевидно, що ніякої розладі резонансних умов резистор не сприяє, а основне його завдання полягає в тому, що він виступає в ролі дільника напруги. При значних перенапруженнях і переході ТН від індуктивності намагнічування до індуктивності розсіювання струм в обмотці ВН обмежується в основному активним опором додаткового резистора і первинної обмотки. Ефективність обмеження струму буде тим вище, чим величина додаткового опору. Не можна не відзначити негативний вплив додаткового резистора на метрологічні функції ТНКІ, яке пропорційно величині додатково резистора.

З одного боку, рішення проблеми класифікації пошкодження ТН не в змозі вирішити саму проблему пошкодження вимірювальних трансформаторів. Однак, саме існування чіткої та однозначної класифікації причин пошкодження ТН і розуміння істинних причин пошкодження дозволить знайти найбільш ефективне і універсальне рішення. Для придушення ФРП ефективним є підключення гасять резисторів в обмотку разомкнутого трикутника. Для боротьби з перепорушенням ТН необхідно передбачити заходи, що сприяють обмеженню перенапруг при ОДЗ. Найбільш ефективним способом обмеження перенапруг при ОДЗ є резистивне заземлення нейтрали мережі [7]. При цьому резистор вибирається з умови рівності активної складової струму, що створюється резистором в місці замикання, і ємнісної складової струму мережі. Обмеження перенапруг до 2-2,2 Uф буде перешкоджати надмірного збудження ТН і, відповідно, виникнення надструмів і пошкодження ТН. Крім того, застосування резистивного заземлення повністю виключає ферорезонансні явища. Це пов'язано з тим, що контур нульової послідовності ТН шунтируется малим опором в нейтрали мережі, тому процес розряду ємності мережі через обмотки ВН трансформатора стає неможливий.

Перелік посилань

  1. Нагорный П. Д. Измерительные трансформаторы напряжения и контроль изоляции в сетях 6-35 кВ / П. Д. Нагорный, В. В. Назаров // Промышленная энергетика, 2002/№3, – С. 22–23
  2. Жураховский А. В. Режимы работы трансформаторов напряжения / А. В. Жураховский, А. Я. Яцейко, Р. Я. Масляк // Електроінформ, 2009/№1, – С. 8–11
  3. Виштибеев А. В. Повышение надежности электрических сетей установкой трансформаторов напряжения типа НАМИ / А. В. Виштибеев, К. П. Кадомская, В. А. Хныков // Электрические станции, 2002/№3. – С. 47–51
  4. Ганус А. И. Повреждаемость трансформаторов напряжения в областных электрических се¬тях АК Харьковоблэнерго и мероприятия по ее снижению / А. И. Ганус, К. А. Старков // Светотехника та електроенергетика, 2003/№1, – С. 76–82
  5. Зихерман М. Х. Исследование режимов работы трансформаторов напряжения контроля изоляции в сетях 6–10 кВ / М. Х. Зихерман, С. Г. Дунайцев, В. Г. Алексеев, Электрические станции, 1980/№1, – С. 56–59
  6. Дударев Л. Е. Исследование феррорезонансных процессов в сетях с изолированной нейтралью / Л. Е. Дударев, Эль-Хатиб Аднан, Электрические станции, 1993/№10, – С. 36–39
  7. Софинский А. В Резистивное заземление нейтрали в сети собственных нужд Энгельсской ТЭЦ-3 Саратовэнерго / А. В. Софинский, – Электрические станции, 2003/№2, – С. 34–36
  8. Лавров Ю. Л. Современные антирезонансные трансформаторы напряжения / Ю. А. Лавров, О. И. Лаптев // Новости электротехники, 2009/№5
  9. Саенко Ю. Л. Влияние характера горения дуги на повреждаемость трансформаторов напряжения контроля изоляции / Ю. Л. Саенко, А. С. Попов, 2011/№21. – С. 101–106