Феррорезонанс в трансформаторе напряжения: принцип работы стабилизатора напряжения

Феррорезонансные явления в электрических сетях

Основные факторы, которые порождают феррорезонансные явления в электрических сетях – это элементы ёмкостного и индуктивного типа. Они способны формировать колебательные контуры в периоды переключения. Этот эффект особо заметен в трансформаторах силового типа, линейного вольтодобавочного, шунтирующих контурах и в аналогичных устройствах, которые оборудуются массивной обмоткой.
Данное явление бывает 2 типов: резонанс токов и напряжения.

Феррорезонанс напряжений возможен, когда в сети имеется индуктивность, характеризующаяся нелинейным вольт-амперным свойством. Данная характеристика свойственна катушкам индуктивности, где сердечники производятся из ферромагнитных компонентов. Особенно это касается выпрямителей линейки НКФ. Такое негативное явление обуславливается небольшим показателем сопротивлений омического и индуктивного типов по отношению к силовым трансформаторам.

Что такое феррорезонанс

Феррорезонанс— это явление резкого возрастания тока, приводящее к перегреву и повреждению преобразователя и сопутствующего электротехнического оборудования.

Вызывающий аварию резонанс наблюдается при возникновении колебательного контура с последовательным соединением индуктивности ТН и емкостью сети.

Почему появляется в трансформаторах

Явление резонанса возникает при незаземленной (изолированной) нейтрали совместно с неполнофазным режимом. При изолированной нейтрали ёмкость сети относительно земли образует последовательное соединение с индуктивностью конструкции незаземленного ТН. Неполнофазный режим возникает при частичном включении фаз, при фазовом разрыве или при коротком замыкании несимметричного типа.

Феррорезонанс в трансформаторе напряжения

Когда трансформатор напряжения подключается к сети, в ней формируются последовательно совмещённые LC-цепи, являющие собой контур резонансного типа. При последовательном подключении индуктивного элемента с нелинейным вольт-амперным свойством к элементу ёмкостного типа напряжение в этой зоне цепи характеризуется как активно-индуктивное.

По окончании определённого временного периода значение напряжения на индуктивном элементе становится пиковым, магнитопровод питается, а напряжение на компоненте ёмкостного типа продолжает расти. Феррорезонанс в трансформаторе напряжения наступает, когда напряжение индуктивности и ёмкостного элемента становится равнозначным.

Быстрый переход приложенного напряжения из активно-индуктивного типа в активно-ёмкостной именуется как «опрокидывание фазы». Такой эффект опасен для электроприборов.

Какие трансформаторы нейтрализуют эффект феррорезонанса

Для предотвращения скачкообразных токовых перегрузок защитные ТН исполняются совместно с трансформаторами нулевой последовательности (ТНП). Такие специализированные устройства называются антирезонансными.

НАМИТ-10-2

Оборудование относится к типу ТН (Н), А — антирезонансный (А), с естественным масляным охлаждением (М), для измерительных цепей (И), трехфазный (Т), номинальным напряжением 10 кв, вариант исполнения— 2.

Измерительное оборудование состоит из двух единиц, размещенных в общем корпусе:

ТНКИ — это трехобмоточный ТН контроля изоляции;
ТНП — это двухобмоточный ТНП, выполняющий защиту ТНКИ от аварий при замыканиях отдельных фаз. Фоторезонанс компенсируется индуктивным сопротивлением ТНП в первичной цепи преобразователя.

НАМИ-10-95

Антирезонансное, масляное, измерительное оборудование состоит из:

трехфазного трехстержневого ТН прямой (обратной) последовательности с дополнительной вторичной обмоткой;
однофазного двухстержневого ТНП со вторичной обмоткой, соединенной по схеме замкнутого треугольника, снижающей сопротивление нулевой последовательности устройства до величины сопротивления рассеяния.

НАЛИ-СЭЩ-6(10)

Оборудование НАЛИ-СЭЩ -6(10) представлено литой (Л) трехфазной антирезонансной группой измерителей номинальным напряжением 6(10)кв.

Отличием литого исполнения от масляного является высокая пожаро- и взрывобезопасность, что обусловливает применение в особых условиях, например на АЭС.

НАЛИ-СЭЩ-6(10) исполнен посредством четырех активных элементов:

блока из трех однофазных, двухполюсных, измерительных ТН НОЛ-СЭЩ, каждый из которых содержит до трех вторичных обмоток;
одного ТНП-СЭЩ, выполняющего функцию защиты НОЛ-СЭЩ от скачкообразных токовых переходов.

НАЛИ-СЭЩ-1

Оборудование выполнено из однофазных ТН с литой изоляцией типа НОЛ-6(10) и ТНП на основе принципа действия и релейной схемы устройства НАМИТ-10-2.

Феррорезонансные стабилизаторы

Феррезонансный стабилизатор
Феррорезонансные выпрямители не оборудуются встроенным вольтметром, вследствие чего сложно замерять выходной показатель напряжения сети. Отрегулировать величину напряжения собственноручно не получится. Стабилизаторы феррорезонансного типа частично искажают реальные показания, величина погрешности составляет до 12%.

Тем, кто долго пользуется такими устройствами, необходимо помнить, что они способны излучать магнитное поле, которое может нарушить правильное функционирование бытовой электротехники. Стабилизаторы такого класса настраиваются в заводских условиях, никаких дополнительных настроек в быту они не требуют.

Влияние стабилизатора на технику

Феррорезонансный стабилизатор напряжения, принцип работы которого непрост, воздействует на бытовую технику следующим образом:

Радиоприёмник – чувствительность приёма сигнала может быть уменьшена, показатель выходной мощности существенно снижается.
Музыкальный центр – выходная мощность такой техники может существенно снизиться, стирание и запись новых дисков значительно ухудшаются.
Телевизор – при подсоединении к стабилизатору можно наблюдать значительное снижение качества картинки на ТВ, отдельные цвета передаются неправильно.

Электрическая схема современных нормализаторов феррорезонансного типа улучшена, что позволяет им выдерживать большие нагрузки. Такие устройства могут гарантировать точную регулировку сетевого напряжения. Процедура корректировки выполняется трансформатором.

Математические модели трансформаторов напряжения

При исследовании феррорезонансных процессов ключевую роль играют математические модели ТН. Трансформатор напряжения типа НКФ-500 не имеет конструкционной стали в магнитопроводе и может быть смоделирован при помощи простой схемы замещения, приведенной на рис.1, а. Основной характеристикой ТН в этом случае является его кривая намагничивания (вебер-амперная характеристика). Эта характеристика рассчитывалась на основании геометрии магнитопровода ТН типа НКФ-500 и приведена на рис.1, б. В схеме на рис.1, а: — потокосцепление ТН; i — ток намагничивания ТН; R1 — активное сопротивление обмотки ВН НКФ-500; R0 — активное сопротивление, моделирующее потери в стали ТН. В математической модели ТН типа НАМИ-500 необходимо учитывать, что в толстых листах конструкционной стали электромагнитное поле вытесняется на поверхность листов за счет вихревых токов (магнитный поверхностный эффект). Толщина пластин конструкционной стали — 6 мм. Для учета поверхностного эффекта лист разбивается на слои толщиной 0,5 мм (с учетом симметрии листа всего 6 слоев). Магнитный поток в каждом слое нелинейно связан с напряженностью поля на поверхности листа.

Расчеты этой зависимости, а также зависимости активных потерь в каждом слое от напряженности магнитного поля осуществляются путем численного решения уравнений Максвелла методом конечных элементов в пакете FEMLAB.

Зависимость средней индукции в слоях листа от напряженности магнитного поля на поверхности листа приведена на рис. 2, а. При составлении магнитной схемы замещения магнитопровода НАМИ лист конструкционной стали, с учетом разбиения на слои, представляет собой шесть параллельно включенных нелинейных магнитных сопротивлений.

Эти сопротивления в 12 раз меньше магнитных сопротивлений слоев, так как всего листов конструкционной стали в магнитопроводе шесть и каждый симметричен относительно середины (на слои разбито пол-листа).

Магнитная схема замещения ТН типа НАМИ-500 приведена на рис. 2, б. Электрическая схема замещения приведена на рис. 2, в. В схеме на рис. 2, б: F1 — МДС обмотки ВН ТН; n1 — число витков обмотки ВН; 1 — суммарное потокосцепление в магнитопроводе ТН; ЭС — потокосцепление в электротехнической стали; КС1КС6 — потокосцепления в слоях листа конструкционной стали; RЭС, RКС1-RКС6 — магнитные сопротивления потоку, соответственно, по электротехнической стали и по слоям листа конструкционной стали.

В схеме на рис. 2, в: nM — число последовательно соединенных магнитопроводов в каскаде НАМИ500; RЭС0, RКС01-RКС06 — активные сопротивления, моделирующие потери в электротехнической стали и в слоях листа конструкционной стали; R1, L1 — активное сопротивление и индуктивность рассеивания обмотки ВН ТН. Из зависимостей на рис. 2, а видно, что магнитное поле проникает вглубь листа конструкционной стали лишь на 1-1,5 мм.

Режимы эксплуатации

Эксплуатационные режимы стабилизаторов зависят от ряда факторов. Прямое влияние имеет показатель мощности и класс устройства. Мощностные характеристики прибора могут быть разными, выбирать их надо с учётом типа подсоединяемой электротехники.

Режимы функционирования выпрямителя зависят от таких типов нагрузки:

индуктивная;
активная;
ёмкостная.

Активная нагрузка в чистой форме наблюдается крайне редко. Она необходима только в тех цепях, где переменное значение устройства не имеет ограничений. Нагрузки ёмкостного типа могут применяться только для тех выпрямителей, которые обладают невысокой мощностью.

История феррорезонанса

https://electricalschool.info/spravochnik/electroteh/1789-chto-takoe-ferrorezonans.html

В 1907 году французский инженер Джозеф Бетено опубликовал статью «О резонансе в трансформаторах» (Sur le Transformateur à Rйsonance), где впервые он обратил внимание на такое явление как феррорезонанс.

Непосредственно же термин «феррорезонанс» ввёл спустя 13 лет француз Пауль Бушеро, тоже инженер и преподаватель электротехники, который в 1920 году описал это явление в своей статье под названием «Существование двух режимов феррорезонанса

». Бушеро проанализировал явление феррорезонанса, и показал, что существует две стабильные резонансные частоты в цепи, состоящей из конденсатора, резистора и нелинейной индуктивности.

Теперь известно, что явление феррорезонанса связано с нелинейностью индуктивного элемента в цепи контура в электрической цепи называется феррорезонансом, Для возникновения нелинейного резонанса необходимо, чтобы контур обязательно содержал:

1) нелинейную индуктивность и линейную емкость;

2) либо нелинейную ёмкость и линейную индуктивность.

Эта работа конкретно посвящена первому варианту контура, состоящего из нелинейной индуктивности

и линейной емкости.

Принцип действия феррорезонансных стабилизаторов

Обмотка первичного типа, на которую поступает входное напряжение, находится на магнитопроводе. Он обладает большим поперечным сечением, что позволяет держать сердечник в ненасыщенном состоянии. На входе напряжение формирует магнитные потоки.

На зажимах обмотки вторичного типа формируется выходное напряжение. К этой обмотке подсоединяется нагрузка, которая находится на сердечнике, обладает небольшим сечением и пребывает в насыщенном состоянии. При аномалиях сетевого напряжения и магнитного потока его значение фактически не модифицируется, а также неизменным остаётся показатель ЭДС. Во время увеличения магнитного потока некоторая его доля будет замкнута на магнитном шунте.

Магнитный поток принимает синусоидальную форму и при его подходе к амплитудному показателю отдельный его участок переходит в режим насыщения. Повышение магнитного потока при этом прекращается. Замыкание потока по магнитному шунту будет осуществляться лишь тогда, когда показатель магнитного потока сравнится с амплитудным.

Наличие конденсатора позволяет феррорезонансному стабилизатору работать с увеличенным мощностным коэффициентом. Показатель стабилизации зависит от уровня наклона кривой горизонтального типа по отношению к абсциссе. Наклон данного участка значительный, поэтому обрести высокий уровень стабилизации без вспомогательного оборудования невозможно.

Радиантная энергия в трансформаторе

Кроме описанных в книге явлений феррорезонанса, несомненно, существуют и иные явления, не упоминаемые в ней. Наша задача их выявлять.

Вначале моего ролика «Дополнение №2 к ролику: Как работает конденсатор в цепи переменного тока»

, доступного по ссылке

я уже приводил текст статьи «Как создать свою творческую лабораторию». Так на стр. 5 этого теста написано следующее:

или её:

В ролике я не смогу передать субъективное ощущение в руке от подёргивания магнита, находящегося рядом с настроенным работающим трансформатором, но вот показать присутствие радианта рядом с трансформатором с помощью объективного датчика можно. Датчиком является магнит Сидоровича, от имени того, кто впервые его изготовил и применил.

Смотрим видеофрагмент №3:

Уверен, что профессорам от физики придётся сильно напрячься, чтобы объяснить явление вращения этого датчика, учитывая, что по теории весь магнитный поток должен находиться внутри сердечника трансформатора.

Сам трансформатор при этом излучает сильные продольные волны, который можно зарегистрировать приёмником скалярных волн.

Смотрим видеофрагмент №4:

На этом предварительное знакомство с феррорезонансом закончим. Впереди ожидают другие интересные исследования, Но, прежде чем закончить съёмку этого ролика, я хочу коснуться ещё одного важного момента.

Достоинства и недостатки

Среди ключевых плюсов феррорезонансных выпрямителей можно отметить:

стойкость к перегрузкам;
обширный интервал эксплуатационных значений;
быстрота регулировки;
ток обретает форму синуса;
высокая точность выравнивания.

Но при всех этих преимуществах имеются у приборов данного класса и свои минусы:

Качество функционирования зависит от показателя нагрузки.
При работе формируются внешние электромагнитные помехи.
Нестабильное функционирование при небольших нагрузках.
Высокие показатели массы и размеров.
Возникновение шума при работе.

Большинство современных моделей лишены таких недостатков, но они выделяются немалой стоимостью, порой выше, нежели цена ИБП. Также устройства не оборудуются вольтметром, что лишает возможности их регулировки.

ЭСИС Электрические системы и сети

Феррорезонанс в сетях

с изолированной нейтралью

канд. техн. наук Поляков В.С.

1.
Анализ причин повреждений оборудования в сетях
с изолированной нейтралью

Значительное число повреждений оборудования в сетях с изолированной нейтралью вызвано феррорезонансом, так как это явление вызывает перенапряжения или сверхтоки, на воздействие которых оборудование не рассчитано и от которых оно не защищено. Кроме того, феррорезонанс возникает чаще, чем другие виды воздействий, и особенно опасен тем, что длительность его существования неограниченна.

Феррорезонанс – это резонанс в цепи, содержащей хотя бы один ферромагнитный элемент.

Ферромагнитными элементами в электрических сетях являются силовые трансформаторы, дугогасящие реакторы, измерительные трансформаторы тока и напряжения, электродвигатели, то есть все аппараты, в которых имеется катушка с ферромагнитным (стальным) сердечником. Особенностью катушки с ферромагнитным сердечником является нелинейная зависимость тока от напряжения (потока).

В обычных условиях в такой цепи нет условий для возбуждения резонанса, то есть незатухающих колебаний. Однако, при воздействиях на ферромагнитный элемент, приводящих к насыщению сердечника, происходит плавное изменение индуктивности этого элемента, что создаёт возможность возникновения резонанса между индуктивностью и ёмкостью.

При этом если в схеме замещения сети ёмкость и индуктивность включены последовательно с источником переменного напряжения, то возникает резонанс напряжений, сопровождающийся существенным увеличением напряжения на ёмкости и на всех элементах сети, соединённых электрически с этой ёмкостью. В этом случае говорят о феррорезонансных перенапряжениях.

В случае, если ёмкость и индуктивность ферромагнитного элемента соединены параллельно с источником переменного напряжения, то возникает резонанс токов, сопровождающийся существенным увеличением в индуктивности и ёмкости сети. В этом случае говорят о феррорезонансных сверхтоках.

как например при неполнофазных режимах. Если же ёмкость и нелинейная индуктивность В обзорах отказов упоминаются повреждения трансформаторов напряжения, электродвигателей, комплектных распределительных устройств наружной установки (КРУН), нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) и вентильных разрядников. Считается, что эти повреждения происходят из-за возникновения внутренних перенапряжений.

Достаточными основаниями для такой квалификации является отсутствие компенсирующих устройств в сети, где необходима их установка согласно требований Правил технической эксплуатации (ПТЭ) [1] , при наличии дугового замыкания или просто любого однофазного замыкания на “землю” в начальной стадии развития повреждения. Столь упрощенный подход не позволяет выявить истинные причины повреждений оборудования, а следовательно, разработать эффективные меры по предотвращению подобных случаев. В ряде случаев повреждения квалифицируются по причине возникновения внутренних перенапряжений в условиях, когда вообще невозможно их возникновение, например, когда события начинаются с междуфазного короткого замыкания (КЗ). Правда, развитие таких повреждений сопровождается перекрытием больших воздушных промежутков, причем не только в комплектных распредустройствах, где все изоляционные промежутки сокращены, но и в закрытых распредустройствах обычного исполнения с достаточно большими изоляционными расстояниями, что создает впечатление воздействия перенапряжений большой кратности. На самом деле перекрытие таких больших воздушных промежутков вызвано воздействием тока междуфазного КЗ на дефектные контактные соединения.

1.1. Развитие повреждений при наличии дефектного

контактного соединения

Наличие дефектного контактного соединения в КРУ или ЗРУ может привести к перекрытию больших воздушных промежутков при воздействии на это контактное соединение тока междуфазного КЗ. При воздействии тока КЗ в любом контактном соединении происходит подплавление контактных площадок. При расчете и конструировании разъемных контактных соединений это явление рассматривается как положительное, так как расплавление контактных площадок приводит к свариванию контактного соединения, и тем самым к уменьшению его переходного сопротивления.

Рис. 1. Схема развития повреждения дефектного контактного соединения при воздействии токов КЗ, сопровождающихся подплавлением контактных площадок и динамическими усилиями, воздействующими на расплавленный металл контакта.

Однако, уменьшение общей площади контактных площадок или контактного давления приводит к увеличению переходного сопротивления контактного соединения, увеличению количества тепла, выделяющегося при протекании тока КЗ и объема расплавленного металла. На этот расплавленный металл, также как и на шины, по которым протекает ток КЗ, воздействуют мощные электродинамические усилия, что приводит к выплескиванию расплавленного металла в междуфазное пространство и перекрытию больших воздушных промежутков в зоне расположения дефектного контактного соединения. Так как время действия релейных защит, отключающих питающий трансформатор, достаточно велико, и составляет одну и более секунд, то возникновение междуфазного КЗ в распредустройстве приводит к большому объему повреждений оборудования, что затрудняет выявление первопричины происшедшего. Выявить первоисточник такого повреждения удается, локализовав повреждение только на том участке, где происходит перекрытие воздушного промежутка из-за выплеска металла из контактного соединения. Для этого необходимо выполнить два мероприятия: покрытие гидрофобной пастой изоляции распредустройства, исключающее перекрытия изоляции по отложившимся на её поверхности продуктам горения дуги, и ускорение действия релейной защиты, например, устройством логической защиты шин, отключающей вводной выключатель при любом перекрытии в распредустройстве. Именно таким путем удалось выявить причину ежегодных перекрытий в КРУН-10 кВ пс N 20 Ленэнерго в 1979 году. На этой подстанции медные наконечники были припаяны оловянисто-цинковым припоем к алюминиевым жилам кабелей. При воздействии токов КЗ этот припой расплавлялся и выплескивался в междуфазное пространство, что приводило к перекрытию воздушных промежутков длиной около 60 см. После замены всех паяных наконечников на опрессованные повреждения полностью прекратились. Необходимо отметить, что на всех восьми секциях 10 кВ этой подстанции ток однофазного замыкания на “землю” составляет от 150 до 200 А и что компенсация отсутствует, однако устранение истинной причины перекрытий привело к надежной работе оборудования и при отсутствии компенсации емкостных токов. Аналогичные наблюдения имеются и по другим подстанциям Ленэнерго и других энергосистем.

Косвенным подтверждением версии о дефектных контактах, как о первопричине повреждения, может служить послеаварийное обследование контактных соединений неповрежденных секций подстанции. Так, на подстанции Южная Липецкэнерго в 1991 году произошло повреждение нескольких ячеек КРУ-6 кВ при повреждении отходящих кабелей сторонней организацией, сопровождавшимся междуфазным КЗ, которое было квалифицировано по причине возникновения перенапряжений. В том же году при обследовании контактных соединений тепловизором на этой подстанции были выявлены перегревы втычных контактов до 160 °С при токах меньше номинального. При КЗ на таком присоединении выплавление контактов с последующим перекрытием воздушных промежутков неизбежно.

Если при расследовании повреждения установлено, что в начале событий произошло двух- или трехфазное КЗ на одном из элементов сети, то возникновение перенапряжений, как причина дальнейшего развития повреждения маловероятно, так как КЗ вносит наибольшее из возможных затухание в контур нулевой последовательности сети, в котором происходит развитие резонансных колебаний или накопление зарядов на емкости фаз сети, что исключает развитие перенапряжений. Более вероятно развитие повреждения по рассмотренной схеме, и в этом случае необходимо принимать меры по улучшению состояния контактных соединений, а не меры защиты от перенапряжений.

1.2. Развитие повреждений при неполнофазных режимах

По данным отечественных и зарубежных исследований, а также опыта эксплуатации, в сетях с изолированной нейтралью, чаще всего возникновение перенапряжений связано с неполнофазными режимами. Здесь имеется в виду, что неполнофазный режим это не только явный обрыв фазного провода или перегорание предохранителя, но и те случаи, когда отключение ненагруженного понижающего трансформатора или электродвигателя происходит коммутационным аппаратом с неодновременным отключением всех трех фаз. Если неодновременность отключения составляет 0,04 с (2 периода частоты 50 Гц) и более, то за это время успевают развиться перенапряжения опасной величины. При неполнофазных режимах возникают феррорезонансные перенапряжения, которые превышают уровень изоляции электродвигателей. Они опасны для разрядников с шунтирующими сопротивлениями и ОПН, а также для трансформаторов напряжения своей длительностью, так как существуют столько времени, сколько существует неполнофазный режим [2]. Их опасность состоит еще и в том, что при неполнофазных режимах наличие или отсутствие компенсации не влияет на вероятность возникновения и уровень перенапряжений [3-5], при этом установка защитных аппаратов на шинах бесполезна, так как перенапряжения возникают на отделенном от шин участке фазы (за обрывом фазы).

Неполнофазный режим приводит к феррорезонансному преобразованию однофазного напряжения в трехфазное. Направление чередования фаз может быть как прямым, так и обратным. Установление прямого чередования фаз приводит к длительному повышению напряжения до (2,2 – 2,3)×Uф

и вызывает перегорание предохранителей ТН. Приобратном чередовании происходит опрокидывание фазы и повышение одного из фазных напряжений до
(3,8 – 4,2)×Uф
, а мало нагруженные двигатели у потребителя начинают вращаться в обратную сторону ; при этом происходят повреждения разрядников с шунтирующими сопротивлениями, ОПН и ТН.

Необходимо отметить, что характер и уровни перенапряжений при феррорезонансе понижающих трансформаторов и самопроизвольном смещении нейтрали абсолютно похожи как по величинам перенапряжений, равным 3,8×Uф

и
4,0×Uф
в одном случае, и равным
2,2×Uф
и
2,0×Uф
при втором виде перенапряжений, так и по возникающим при этом повреждениям сети. То есть речь идёт об одном и том же явлении, называемом разными терминами. Более правильным следует считать термин “феррорезонанс понижающих трансформаторов”, как соответствующий реальному физическому явлению.

1.3. Развитие повреждений ТН при ФРП

Ежегодно в энергосистемах страны по оценкам ОРГРЭС повреждается до 6-8% от числа установленных ТН в сетях с изолированной нейтралью. Повреждения происходят при воздействии на ТН перемежающейся дуги в тех случаях, когда зажигание и гашение дуги происходит один раз в период или реже, или когда возникает регулярная дуга с зажиганием один раз в период при напряжении только одной полярности. Повреждения ТН от воздействия феррорезонансных перенапряжений происходят практически после каждого случая образования схемы, приводящей к возбуждению ФРП. Повреждения ТН происходят даже при наличии активных сопротивлений, включенных в схему разомкнутого треугольника.

Анализ причин повреждений ТН показывает, что ТН является достаточно надежным аппаратом и не повреждается ни по каким другим причинам, кроме воздействия режимов, на которые он не рассчитан. Таким режимом является длительное протекание по первичной обмотке ТН токов, величина которых значительно превышает величину тока, максимально допустимого по тепловой устойчивости изоляции обмотки. Установлено, что такие токи возникают при феррорезонансных процессах (ФРП) в контуре, образующемся при определенных режимах сети, в которой установлен ТН. Возникновение ФРП становится возможным из-за явлений, вызывающих насыщение стали магнитопровода ТН. Это приводит к плавному изменению индуктивности обмотки ТН и при благоприятном соотношении параметров емкостей элементов сети, включенных последовательно и параллельно с ТН, возникает ФРП.

2. Условия возникновения и существования феррорезонансных

процессов в цепях с трансформаторами напряжения

В цепях с трансформаторами напряжения (ТН) возможность возникновения и существования феррорезонансного процесса (ФРП) определяется следующими тремя условиями :

1-ое условие

Величина эквивалентной ёмкости сети (СЭКВ) должна находиться в пределах, определяемых пределами изменения индуктивности трансформатора напряжения, т.е.

£ СЭКВ
£ (1)
где Lxx – индуктивность холостого хода хх , Гн;

LS – индуктивность насыщения, Гн;

w – угловая частота напряжения сети, 1/c

Возбуждение ФРП связано с нелинейным изменением индуктивности ТН. Причём, начавшееся плавное изменение индуктивности происходит до тех пор, пока не возникнут условия резонанса w×L=1/w×C

(такие как в контуре с линейной индуктивностью), что приводит к установившемуся ФРП. Это очевидно т.к. ФРП с одним и тем же ТН возникает в схемах с различной эквивалентной ёмкостью.

Рассматривая процессы намагничивания стального сердечника ТН, можно определить пределы изменения индуктивности ТН: максимальное значение индуктивности равно индуктивности ХХ

и может быть вычислено с учетом того, что относительная магнитная проницаемость имеет при этом максимальное значение и равна
mmax = 25000
, а максимальное значение индуктивность ТН принимает при достижении насыщения, после чего остаётся неизменной и равной индуктивности обмотки ТН без магнитопровода, т.к. относительная магнитная проницаемость стали при насыщении близка к единице. Правда, как показали исследования [13], индуктивность трансформатора никогда не достигает значения индуктивности обмотки без магнитопровода, а превышает её на 30-50%, что объясняется следующим: при потокосцеплении обмотки
2,0×Yн
значительная часть потока внутри обмотки идёт по воздуху, покидая магнитопровод.

Поток магнитопровода составляет всего (1,3 – 1,4)
×Yн
. Если бы этот поток равномерно распределился по всему магнитопроводу, то он бы насытил его полностью, и динамическая магнитная проницаемость упала бы до единицы. В действительности поток распределён неравномерно, и отдельные части магнитопровода остаются неполностью насыщенными. Поэтому средняя магнитная проницаемость стали несколько возрастает, что увеличивает индуктивность насыщения в 1,3-1,4 раза.

С учётом увеличения индуктивности за счёт неполного насыщения в 1,3 раза получена формула для расчёта индуктивности насыщения ТН:

(2)

где w – число витков первичной обмотки;

d – cредний диаметр обмотки, м;

а – высота обмотки, м;

Ка, К – коэффициенты формы обмотки, принимаемые по табл. 6.2, 6. и 6.6

справочника [16] ;

m0 – магнитная проницаемость воздуха.

Индуктивность ХХ

определим из

Lxx=
(3)

Iхх= lk
× , (4)
_____________

где Zk=Ö(w×Ls)2 + R2ВН , а Ls – индуктивность насыщения по (2), получаем выражение для расчета индуктивности хх

Lхх
= 100×(5)
Данный расчет значений индуктивности ХХ
(Lxx)
и индуктивности насыщения (Ls ) для ТН ЗНОМ-35 и пределы изменения эквивалентной емкости сети по (I), при которых возможно возбуждение ФРП следующие: Lхх=1330 Гн; Cmin= 7,6 нФ или Ic min= 0,05 А; Ls= 75Гн, Cmax = 6300 нФ или Ic max= 4А.

То есть, при емкости сети 4,0 А и более на один ТН типа ЗНОМ-35 ФРП не возникает.

2-ое условие

Для возбуждения ФРП в контуре с параметрами, отвечающими условию (1), необходимо событие, приводящее к изменению индуктивности ТН. Таким событием в сети с изолированной нейтралью является отключение дугового металлического замыкания на землю, при котором напряжение на ТН скачком изменяется от Uл до Uф.

При скачкообразном изменении напряжения на ТН в его магнитопроводе сохраняется остаточный поток, соответствующий величине напряжения до скачка (Yост), на который накладывается переменный поток от напряжения, установившегося после скачка (Yуст). Это хорошо видно на рис. 9. После отключения замыкания в момент напряжения на фазе А после переходного процесса устанавливается практически равным Uл (1,71×Uф), а поток той же фазы ТН возрастает от величины Yл до отключения замыкания до величины (Yл + Yф) после отключения замыкания. Ток первичной обмотки ТН резко возрастает, что соответствует режиму насыщения ТН.

ФРП возбудится в контуре с резонансными параметрами после скачка напряжения в том случае, если суммарный поток в магнитопроводе ТН окажется больше потока начального насыщения магнитопровода (Yнач.нас
), так как это вызывает насыщение магнитопровода и плавное изменение индуктивности ТН:
Yост
+ Yуст³Yнач.нас (6)
В зависимости потока от тока Y=f

(I) ТН нет точки резкого перехода с участка
ХХ
на участок насыщения, так называемого, “колена”. Однако, анализ этой зависимости показывает, что при индукции в магнитопроводе 1,65 Тл, что соответствует максимальной индукции (BmaxN = 1,1×BN = 1,1×1,5 = 1,65 Тл), эта зависимость имеет четко выраженный линейный характер. Поэтому поток в магнитопроводе при индукции BmaxN = 1,65 Тл может быть принят за поток начального насыщения Yнач.нас=Y1,65. Тогда второе условие возбуждения и существования ФРП (6) можно записать в следующем виде

Yост
+ Yуст³Y1,65 (7)
Величина потока связана с напряжением на ТН соотношением

Um
= 4,44×f×gm, (8)
с индукцией

Y
= Пс×N×Вс×10-4, (9)
где Пс – сечение стержня магнитопровода, см2;

N – число витков обмотки,

Результаты расчётов по (8) и (9) типа ЗНОМ-35 кВ приведены в табл.1.

Таблица 1

Расчетные значения потока в магнитопроводе ТН

№ п/п	Поток, Вс	НТМИ- 6	НТМИ -10	ЗНОМ-35
1	Yф	16	26	92
2	Yл	27	45	157
3	(Yл + Yф)	43	71	249
4	Y1,65	32	56	256

Из анализа данных табл.1 следует, что в сетях 6 и 10 кВ суммарный поток после скачка напряжения от линейного до фазного превышает поток начального насыщения, и феррорезонанс возникает даже при отключении металлического замыкания на “землю” при номинальном уровне напряжения в сети.

А в сети 35 кВ при отключении металлического замыкания и при номинальной величине напряжения ФРП не возникает. В то же время при напряжении в сети на 5 % выше номинального второе условие возбуждения ФРП соблюдается и в сети 35 кВ (Yл+Yф = 261×B×C >
Y1,65 = 256×B×C)
. Это совпадает с опытом эксплуатации и объясняет тот факт, что не каждое отклонение металлического замыкания на землю в сети 35 кВ сопровождается возбуждением ФРП. Необходимо отметить, что расчет выполнен для случая, когда отключение замыкания на землю происходит в момент максимума потока, что создает наилучшие условия для возбуждения ФРП. Если же отключение произойдет при значении потока, близком к 0, то ФРП не возникает. К этому выводу оперативный персонал сетей пришел эмпирически и использует, как один из способов подавления ФРП: если при отключении металлического замыкания на землю возник ФРП, то оператор вновь включает присоединение с замыканием, а затем отключает его, и так до тех пор, пока при очередном отключении ФРП не возникнет.

Второе условие позволяет определить, какое изменение характеристик намагничивания Y=f

(i) ТН необходимо произвести, чтобы ФРП в сетях с изолированной нейтралью вообще не возбуждался. В этом случае магнитопровод ТН должен быть рассчитан так, чтобы при индукции BN=1,5 Тл напряжение на ТН было бы не ( для сети с изолированной нейтралью ), а в 1,8 раза больше. Это означает, что определяющее для расчета ТН произведение Пс×W1(сечение стержня магнитопровода Пс на число витков первичной обмотки W1) должно быть в 1,8 раза больше. Оставив один из параметров, например, число витков Wнеизменным, необходимо увеличить сечение стержня Пс в 1,8 раза.

Возможно изменение двух параметров Пс и W, что определяется минимумом затрат на изготовление такого ТН.

В сети с изолированной нейтралью с учетом возможных колебаний напряжения сети ТН необходимо рассчитать так, чтобы

Uн
= 1,15×(Uл+Uф) @ 1,8×Uл (10)
Из этого следует, что ФРП не будет возникать в сети с ТН, характеристики намагничивания которого рассчитаны, исходя из номинальной индукции =0,9 Тл, а не BN = 1,5 Тл, как это принято сейчас.

Кстати, ТН типа НАМИ-10, рекомендуемый для замены ТН типа НТМИ-10 [17], так и рассчитан. У этого ТН обмотка фазы “В”, подключаемая к фазному проводу и земле, рассчитана на длительное приложение линейного напряжения (длительность металлического замыкания не ограничена, дугового – 8 часов) и на полное испытательное напряжение 4×Uл=42 кВ для сети с изолированной нейтралью. У трансформатора НТМИ-10 длительность работы на линейном напряжении ограничена четырьмя часами, а испытательное напряжение всего на 30% выше линейного. Правда, уменьшение номинальной индукции привело к увеличению сечения магнитопровода и, соответственно, увеличению массы ТН до 110 кг.

3-е условие

3-е условие может быть сформулировано так:

“Величина энергии, поступающей в феррорезонансный контур при каждом изменении параметра (индуктивности ТН), должна быть больше величины потерь в нем.

ФРП относится к параметрическим процессам, так как возникает, когда создаются условия (первое и второе) для изменения одного из параметров контура – индуктивности ТН, которая изменяется скачкообразно от индуктивности хх Lxx индуктивности насыщения Ls. Параметрический резонанс изучен достаточно полно. Известно, что при скачкообразном увеличении индуктивности энергия контура возрастает на величину 0,5×(Lxx-Ls)×I2c уменьшение индуктивности не вызывает изменение запаса электромагнитной энергии контура, так как на это изменение не затрачивается работа.

Частота свободных колебаний тока в параметрическом контуре равна:

______________

=(1/LC) – (R/2L)2
(11)
Эта собственная частота определяется исключительно параметрами L, C, и R контура. Если активное сопротивление мало по сравнению с волновым сопротивлением контура, то с достаточной точностью

____

f = 1/L/C (12)

В этом контуре собственная частота зависит только от индуктивности и емкости контура и совпадает с его резонансной частотой.

По мере увеличения активного сопротивления возрастает относительное значение второго члена под корнем в выражении (11) и собственная частота уменьшается, то есть колебания свободного тока становится более медленным. Когда активное сопротивление достигает значения

____

R=2L/C (13)

собственная частота обращается в нуль, колебания прекращаются и свободный ток убывает по апериодическому закону, и в этом случае возникновение резонансных колебаний невозможно. Внесение в контур затухания, эквивалентного затуханию, вносимому критическим сопротивлением, предотвращает возбуждение ФРП. Величина резистора, необходимого для подавления ФРП, может быть вычислена по (13), однако наличие нелинейной зависимости L=f

(i) усложняет расчеты и требует применения ЭВМ.

Упростим (13), используя тот факт, что при ФРП сохраняется действительным равенство индуктивной и емкостной проводимостей контура, как и при резонансе в линейном контуре, что позволяет выразить индуктивность ТН через эквивалентную емкость контура, которая остается постоянной, то есть не зависит от величины напряжения или тока, как это имеет место для индуктивности ТН. Тогда

L=1/w2С, а Rнф=2/wСэкв
(14)
Соотношение (14) и является математическим выражением третьего условия существования ФРП. Значения критических сопротивлений, соответствующих пределам изменения резонирующей емкости по 1-ому условию для ЗНОМ-35 равны: Rmax= 835кОм; Rmin= 47кОм.

Определенное значение критического сопротивления позволяет оценить значение потерь, необходимых для подавления ФРП, через затухание в контуре или через значение активной составляющей тока замыкания на “землю”.

Сравним полученные значения критического сопротивления, активного тока и затухания по (14) с критерием снижения дуговых перенапряжений, разработанным впервые Петерсеном еще в 1918 году [8]. Формула для выбора сопротивления, ограничивающего перенапряжения, по Петерсену:

Iа= (0,4….1,0)×Iс (15)

Rн= (1,0…..2,5)/w×Cэкв (16)

Выразим критическое значение затухания и активного тока для сети через ее сопротивление нулевой последовательности и емкости по (13):

кр= 1/R×wC = 0,5, т.к. Rкр = 2/wC;

кр= Iа/Iс= 0,5, т.к. IAкр = 0,5×Ic

Как видно, сравниваемые значения практически совпадают, и можно сделать вывод, что защита сети от ФРП критическим сопротивлением по (14), позволяет одновременно защитить ее и от дуговых перенапряжений.

Одновременно, получаемые результаты позволяют объяснить случаи, когда в сети с резонансными характеристиками по соотношению параметров емкости и индуктивности ТН, не всегда возможен ФРП. Это вызвано тем, что собственное затухание сети в момент проведения опыта или при замыкании в сети равно или превышает критическое, равное 0,5, а это вполне вероятное состояние сети. Отсюда следует вывод: перед проведением опыта по оценке эффективности защитных мероприятий обязательно необходимо оценить реальную величину затухания сети, соотнести с величиной, критического для нее, и только в том случае, если эти величины существенно отличаются ( на порядок и более ), можно считать полученные результаты достоверными.

Третье условие (13) позволяет простейшим расчетом оценить достаточность затухания, вносимого тем или иным способом в контур, для подавления ФРП, то есть оценить эффективность любой защитной меры. Широко известно предложение о включении резистора 25 Ом [9] в схему разомкнутого треугольника, оказавшееся неэффективным. Это объясняется тем, что величина резистора выбрана из длительно допустимой мощности ТН, к которому подключен резистор, и составляет 400 В×А :

rвт = U2вт/P = 1002/400 = 25 Ом; (Uвт= 100 В; P = 400 Вт)

Такое затухание может подавить ФРП только при очень малом значении эквивалентной емкости сети. Пересчитаем значение rвт = 25 Ом, приняв его за критическое, в значение эквивалентной емкости сети, для которого оно будет эффективным средством подавления ФРП. Например, для ТН типа ЗНОМ-35

R1= rвт × K2тр = 25 × 3502 = 3,06×106 Ом

Сэкв=2/wR1 = 2,1 нФ или Ic = 0,013 А

Как видно, внесение затухания резистором 25 Ом, подключением его в схему разомкнутого треугольника ТН, эффективно лишь при очень малых емкостях сети ( Iс 0,013 А). В то же время из опыта эксплуатации известно, что наиболее часто ТН повреждаются от ФРП в сети с Iс = 0,8 – 1,0 А на комплект ТН. Для подавления ФРП в такой сети в схему разомкнутого треугольника необходимо было бы включить резистор rвт = 0,33 Ом, что внесло бы нагрузку на ТН P=3,3 кВт и является недопустимым (максимальная мощность ТН составляет 1200 В×А).

В целом, величина затухания, вносимого в контур подключением к вторичной обмотке ТН резисторов, ограничена максимальной мощностью ТН, составляющей не более 1200 В×А, что в ряде случаев оказывается недостаточным.

Необходимая величина затухания может быть внесена подключением резисторов в первичную цепь. Так в сети с изолированной нейтралью наиболее эффективно подключение резистора к нейтрали сети, например, к нейтрали силового питающего трансформатора.

Определение оптимальных параметров разрядного устройства, способного защитить аппараты сети от воздействия неблагоприятных факторов, сопровождающих практически все изученные виды повреждений с однофазным замыканием на “землю”, необходимо производить, исходя из следующих требований:

1. Разрядное устройство должно длительно выдерживать рабочее напряжение сети и отвечать требованиям ПУЭ.

2. Подключение разрядного устройства лишь в минимальной степени должно изменить режим нейтрали сети, то есть не должно сколько-нибудь существенно увеличивать ток замыкания на “землю”.

3. Разряд емкости сети через это разрядное устройство должен происходить за время, меньшее половины периода промышленной частоты ( £ 0,01 с).

4. Затухание, вносимое эквивалентным сопротивлением разрядного устройства в контур, образуемый сетью, должно быть не меньше затухания, вносимого сопротивлением, равным критическому сопротивлению для данного контура.

Разрядное или гасительное устройство, выбранное по этим условиям, соответствует критическому сопротивлению для защищаемой сети. При этом величина резистора, выбранного в соответствии с третьим условием (13) является оптимальным. Как было показано выше, кроме подавления ФРП такой резистор предотвращает и возникновение дуговых перенапряжений. Этот же резистор успевает разрядить сеть и при наиболее неблагоприятном режиме дугового замыкания на “землю”, когда дуга замыкается один раз в период и является фактически выпрямителем, что приводит к перевозбуждению индуктивных элементов сети постоянным током.

Резистор, подключенный к нейтрали сети, разрядит ее емкость за время, меньшее полупериода, то есть предотвращает неблагоприятное воздействие и этого вида дуги

(
= RCэкв= 2Cэкв/wCэкв= 2/w@1/150 0,01сек ).
Резистор, выбранный по (13), практически не изменяет режим нейтрали сети, так как увеличивает ток замыкания на “землю” всего на 11%

_______ ____________ _____

I =
Ö(I2k+I2c) =Ö(0,5×Ic) 2 + I2c =1,25×Ic1,11×Ic
Дополнительным положительным фактором заземления нейтрали через активное сопротивление является улучшение условий работы релейной защиты от замыканий на “землю” за счет появления стабильной активной составляющей в токе замыкания на “землю” [10]. Такой способ защиты сетей с изолированной нейтралью рекомендован симпозиумом [11], кроме того похожее техническое решение применяется для защиты сетей СН тепловых и атомных станций [12].

Технические требования к защитным резисторам для ЗЭС приведены в приложении 1.

Выводы по разделу 2

2.1. Три условия возбуждения и существования ФРП в контуре с ТН позволяют аналитически, не прибегая к решению системы нелинейных уравнений на ЭВМ, оценить возможность возникновения и существования ФРП в сетях с изолированной нейтралью.

2.2. Для предотвращения ФРП в сетях с изолированной нейтралью ТН должен быть рассчитан Uн=1,8Uл, что соответствует снижению номинальной индукции с BN=1,5 Тл до BN=0,9 Тл.

2.3. Наиболее эффективным средством защиты изоляции сети от дуговых перенапряжений следует считать заземление нейтрали через активное сопротивление, оптимальная величина которого равна критическому сопротивлению, выбираемому по третьему условию (13).

2.4. Подключение резисторов к вторичной обмотке ТН с целью внесения необходимого затухания малоэффективно, так как величина вносимого затухания ограничена максимальной мощностью ТН, и в большинстве случаев недостаточна для подавления ФРП.

Список литературы

1. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. Изд., 13-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1977 (Минэнерго СССР). – 288 с.

2. Алексеев В.Г., Зихерман М.Х. Феррорезонанс в сетях 6 – 10 кВ. – Электрические станции, 1978, № 1, с. 63 – 65.

3. Петров О.А. Смещение нейтрали при пофазных отключениях и обрывах фаз в компенсированной сети. – Электрические станции, 1972, № 9, с. 557 – 61.

4. Халилов Ф.Х. Еще раз о дуговых перенапряжениях в распределительных сетях 6 – 35 кВ . – Промышленная энергетика, 1985, № 2, с. 35 – 37.

5. Халилов Ф.Х. Коммутационные перенапряжения в сетях 6 – 10 кВ. – Промышленная энергетика, 19855, № 11, с. 37 – 41.

6. Калантаров Н.Л., Цейтлин Л.А. Расчёт индуктивностей. Справочная книга, 3-е изд., перераб. и доп. Л.; Энергоатомиздат.1966, с. 288

7. Решение № Э-З/87 Главтехуправления Минэнерго СССР от 25.02.87. О замене измерительных трансформаторов НТМИ-10. М.: Союзтехэнерго

8. Petersen W. Suppression of arcing grounds through neutral resistors and lightning arresters Е.T.Z., 39, 1918, 341.

9. Разъяснения к решению Главтехуправления № Э-18/72 “О защите электроустановок напряжением З-35 кВ от внутренних перенапряжений”.М.: ОРГРЭС /Экспресс-информация, сер. Эксплуатация оборудования энергосистем, 1974, № 31/159

10. Поляков В.С. О режиме нейтрали сетей напряжением 6-35 кВ. В сб. Тезисы докладов симпозиума “Теоретические и Электрофизические проблемы повышения надёжности и долговечности изоляции сетей с изолированной и резонансно-заземлённой нейтралью”.Таллин,1989

11. Решение симпозиума “Теоретические и электрофизические проблемы повышения надежности и долговечности изоляции сетей с изолированной и резонансно-заземлённой нейтралью” Таллинн, 18-19 апреля 1989г ТПИ

12. О защите от замыканий на землю сети 6,3 кВ собственных нужд ТЭС и АЭС. Директивное указание № 2799-Э 29.09.86. М.: Атомтеплоэлектропроект, ГУКС Минэнерго СССР.

13. Беляков Н.Н., Захерман М.Х. Исследование характеристик намагниченных силовых трансформаторов сверхвысокого напряжения., Труды ВНИЭЭ. Выпуск ХХХIV. М.: Энергия, № 3, с.46-58

Поделиться ссылкой:

Понравилось это:

Нравится

Советы по выбору

Конструкция выпрямителей постоянно модернизируется, повышается качество их схем, что позволяет переносить значительные феррорезонансные перенапряжения. Современные модели выделяются высоким уровнем быстродействия, точностью настройки и длительным эксплуатационным сроком. Режимы устанавливаются мощностными характеристиками прибора и его типом.

Основное условие выбора феррорезонансного стабилизатора – место его подсоединения. Обычно его устанавливают на входе электросети в помещение либо вблизи бытовой техники. Если выпрямитель устанавливается для всей техники, необходимо выбирать устройства с высоким уровнем мощности и подключать их сразу же за распределительным щитком.

Феррорезонансный стабилизатор напряжения своими руками

Феррорезонансная схема является наиболее простой для собственноручного изготовления. В основе её функционирования лежит эффект магнитного резонанса.

Конструкцию довольно мощного выпрямителя феррорезонансного типа можно собрать из трёх элементов:

первичного дросселя;
вторичного дросселя;
конденсатора.

При этом простота такого варианта сопровождается целым набором неудобств. Мощный нормализатор, изготовленный по феррорезонансной схеме, выходит массивным, громоздким и тяжёлым.