Феррорезонансные перенапряжения в линиях электропередачи реферат

Обновлено: 28.06.2024

Феррорезонанс в электрических цепях

Таким образом, явление феррорезонанса связано с нелинейностью индуктивного элемента в цепи контура . Нелинейный резонанс, могущий возникнуть в электрической цепи называется феррорезонансом, и для его возникновения необходимо, чтобы контур обязательно содержал нелинейную индуктивность и обычную емкость.

Очевидно, линейным цепям феррорезонанс абсолютно не свойственен. В случае, если индуктивность в контуре линейна, а емкость нелинейна, то возможно явление аналогичное феррорезонансу. Основной особенностью феррорезонанса является то, что для одной цепи характерны различные режимы этого нелинейного резонанса, в зависимости от вида возмущения.

Феррорезонанс предполагает резонанс с насыщающейся индуктивностью . В обычном резонансном контуре емкостное и индуктивное сопротивления все время равны друг другу, и единственное условие возникновения перенапряжения или сверхтока — совпадение колебаний с резонансной частотой, это только одно стабильное состояние, и его легко предотвратить благодаря непрерывному контролю частоты или введением активного сопротивления.

С феррорезонансом ситуация иная. Индуктивное сопротивление связано с плотностью магнитного потока в сердечнике, например в железном сердечнике трансформатора, и принципиально получается два индуктивных сопротивления в зависимости от ситуации относительно кривой насыщения: индуктивное сопротивление линейное и индуктивное сопротивление при насыщении.

Итак, феррорезонанс, как и резонанс в RLC-контуре, может быть двух основных видов: феррорезонанс токов и феррорезонанс напряжений . При последовательном соединении индуктивности и емкости имеет место тенденция для феррорезонанса напряжений, при параллельном соединении — для феррорезонанса токов. Если цепь сильно разветвлена, имеет сложные соединения, то в таком случае нельзя точно сказать, феррорезонанс ли будет в ней токов или же напряжений.

Режим феррорезонанса может быть основным, субгармоническим, квазипериодическим или хаотическим . В основном режиме колебания токов и напряжений соответствуют частоте системы. В субгармоническом режиме токи и напряжения имеют меньшую частоту, для которой основная частота является гармоникой. Квазипериодический и хаотический режимы встречаются редко. То, какой режим феррорезонанса возникнет в системе, зависит от параметров системы и от начальных условий.

Феррорезонанс в штатных условиях функционирования трехфазных сетей маловероятен, поскольку емкости элементов, составляющих сеть, оказываются шунтированы индуктивностью питающей входной сети.

В сетях с незаземленной нейтралью при неполнофазном режиме феррорезонанс более вероятен. Изолированность нейтрали приводит к тому, что емкость сети относительно земли оказывается последовательно соединенной с силовым трансформатором, и такие условия феррорезонансу благоприятствуют. Такой благоприятный для феррорезонанса неполнофазный режим возникает тогда, когда например одна из фаз разорвана, имеет место неполнофазное включение или несимметричное КЗ.

Возникнувший внезапно в электрической сети феррорезонанс вреден, он может привести к выходу оборудования из строя. Наиболее опасен основной режим феррорезонанса, когда его частота совпадает с основной частотой системы. Субгармонический феррорезонанс на частотах в 1/5 и 1/3 основной частоты менее опасен, поскольку токи оказываются меньше. Так, большое количество аварий в сетях электроснабжения и прочих энергосистемах связаны именно с феррорезонансом, хотя вначале причина может показаться неявной.

Отключения, подключения, переходные процессы, грозовые перенапряжения могут стать причинами возникновения феррорезонанса. Смена режима работы сети или внешнее воздействие либо авария могут инициировать феррорезонансный режим, хотя это может быть и незаметно на протяжении долгого времени.

Повреждения трансформаторов напряжения часто имеют причиной именно феррорезонанс, который приводит к разрушительному перегреву из-за действия превышающих все мыслимые пределы токов. Для предотвращения подобных неприятностей, связанных с перегревом, принимают технические меры, связанные с постоянным или временным увеличением в резонансной цепи активных потерь, сводя резонансный эффект к минимуму. Такие технические меры заключаются, например, в том, чтобы магнитопровод трансформатора выполнить частично из толстых листов стали.

3.1.Условия возникновения феррорезонанса и особенности его развития в электрических сетях

В любой подстанции имеются емкости и оборудование содержащее ферромагнитные сердечники, поэтому при создании определенных условий возможно возникновение феррорезонанса. Для возникновения феррорезонансных процессов необходимо наличие двух условий: токи в трансформаторах должны быть достаточны для перехода кривых намагничивания в область насыщения, а входное сопротивление сети, подключенной к обмотке, должно иметь емкостный характер. Активные составляющие входных сопротивлений как подключенной сети, так и самой обмотки демпфируют феррорезонансные колебания, поэтому наиболее опасными в отношении феррорезонансных перенапряжений являются режимы холостого хода или преобладания реактивной нагрузки.

В симметричных трехфазных режимах сети имеющиеся в схеме емкостные элементы обычно оказываются зашунтированы низкоомным входным сопротивлением питающей сети, которая всегда имеет индуктивный характер, поэтому в нормальных режимах феррорезонанс маловероятен. Благоприятные возможности для возникновения и развития феррорезонанса создаются в несимметричных режимах, особенно при неполнофазных включениях участков сети. Наиболее часто феррорезонанс возникает при неполнофазных режимах сети с изолированной нейтралью, когда емкость сети относительно земли оказывается соединенной последовательно с обмотками силового трансформатора или электромагнитного трансформатора напряжения.

Рассмотрим три наиболее частых случая возникновения феррорезонансных перенапряжений: однофазное включение участка линии с холостым трансформатором с изолированной нейтралью, рис.3.1,а ; двухфазное включение такой же линии, рис.3.1,б; разрыв одной фазы с падением оборванного провода на землю со стороны источника питания, рис.3.1,в.

Индуктивность L учитывает предвключенную индуктивность питающей сети и индуктивность линии; емкости С_ф и С_мф соответствуют емкостям фаз сети относительно земли и между фазами; активные сопротивления R вводятся для учета всех видов активных потерь (потерь в земле, в проводах линии, в стали трансформатра); индуктивность L_ соответствует шунту намагничивания трансформатора.

Рис.3.1. Варианты схем, в которых возможно развитие феррорезонансных перенапряжений

Если в трансформаторе имеются обмотки, соединенные в треугольник, необходимо учесть их шунтирующее действие в соответствии со схемой рис.3.2. Где L_p₁, L_p₂ – индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток; R_т – сопротивления, учитывающее потери в трансформаторе; L_ - шунты намагничивания; Z_н – сопротивление нагрузки; ИТ – идеальный трансформатор. Аналогично можно учесть и нагрузку, присоединенную ко вторичной обмотке трансформатора.

Объединяя в параллель две фазы, которые находятся в одинаковых условиях относительно точки несимметрии (фазы В и С на рис.3.1,б; фазы В и А на рис.3.1,а,в) можно все три схемы свести к одному виду, показанному на рис.3.3, со значениями параметров, приведенными в табл.3.1. При этом величина эквивалентной э.д.с. Е_э определяется для наиболее тяжелых случаев: в схемах рис.3.1 предполагается, что нейтраль сети со стороны питания остается под потенциалом, близким к нулю, за счет больших значений емкостей питающего конца. В схеме рис.3.1,в нейтраль питающей сети считается изолированной .

Рис.3.2. Эквивалентная схема трехфазного трансформатора со вторичными обмотками, включенными по схеме треугольника

Рис.3.3.Простейшая схема замещения сети для расчета феррорезонансных

Таблица 3.1. Расчетные значения параметров схемы 3.1 и максимальные значения перенапряжений

Вид несимметричного режима

Включена только одна фаза

Включены две фазы

Одна фаза отключена и заземлена (рис.3.1,в)

При определении эквивалентной индуктивности L__э учитывается, что кривая намагничивания силового трансформатора, как и другие его характеристики, получена в симметричном трехфазном режиме.

Намагниченность магнитопровода трансформатора в момент максимума магнитного потока определяется при этом следующим распределением намагничивающих токов: амплитуде тока намагничивания в первой фазе соответствуют в два раза меньшие значения токов в других фазах, причем, если ток первой фазы течет от ввода к нейтрали, то в двух других он направлен от нейтрали к вводам. Во всех рассматриваемых вариантах схем рис.3.1 имеет место аналогичное распределение намагничивающих токов по фазам.

Если индуктивность с насыщающимся сердечником является единственным нелинейным элементом схемы, то анализ феррорезонансных перенапряжений для основной гармоники можно провести, преобразовав внешнюю по отношению к зажимам индуктивности схему к последовательному соединению источника э.д.с., сопротивления и емкости, т.е. рассмотреть это явление в простейшей схеме колебательного контура (рис.3.4,а) со следующими параметрами. Для схемы рис.3.1,а: L__э=1,5L_; С_э=2(С_ф+С_мф); . Для схемы рис.3.1,б: L__э=1,5L_; С_э=С_ф+2С_мф; . Для схемы рис.3.1,в: L__э=1,5L_; С_э=С_ф+2С_мф; .

Рис.3.4. Схема колебательного контара а) и графическое построение напряжений и токов при феррорезонансе б)

Второй закон Кирхгофа дает для действующих значений первой гармоники тока и напряжения следующее соотношение:

причем зависимость U_L=f₁(I) в определенных масштабах повторяет кривую намагничивания, а функция U_C=f₂(I) изображается прямой линией. Величина тока I, удовлетворяющая приведенному соотношению, определяется графически как абсцисса точки пересечения кривой U_L(I) – U_C(I) c кривой , которая представляет собой эллипс.

Построение, приведенное на рис.3.4,б, дает три точки (1,2,3), в которых при заданных параметрах возможно существование три различных установившихся режима, удовлетворяющих закону Кирхгофа. Один из них, соответствующий точке 2, является неустойчивым, поскольку вблизи нее малое отклонение тока I в сторону увеличения или уменьшения вызывает изменение суммы падений напряжения U в противоположную сторону, что приводит к дальнейшему росту отклонения I. Два других режима, соответствующих точкам 1 и 3, устойчивы. Точка 1 соответствует нормальному, нерезонансному режиму.

Для установления феррорезонансного режима, соответствующего точке 3, необходимо, чтобы хотя бы кратковременно величина магнитного потока индуктивности превзошла значение, соответствующее амплитудному значению тока I₂. Для феррорезонансного режима характерно повышенное значение тока в контуре (I₃ вместо I₁), изменение знака сопротивления контура Z_вх ( емкостное при токе I₃ вместо индуктивного при токе I₁), а также повышенные значения напряжения на индуктивности U_L₃ и емкости U_C₃.

Как видно из рис.3.4, возможность установления того или иного режима зависит от величины приложенного напряжения Е и сопротивления R_э. При малом сопротивлении R_э нормальный режим возможен лишь в случае, когда значение приложенной э.д.с. Е не превышает величины максимума кривой U=U_L – U_C, в противном случае неизбежен феррорезонанс. Увеличивая R_э, а следовательно, приближая к началу координатных осей точку пересечения кривой с осью тока I, можно практически при любом значении Е исключить пересечение этой кривой U_L-U_C за точкой ее максимума, т.е. подавить феррорезонансные явления. Однако, чем больше значение E, тем большее сопротивление необходимо ввести в контур для этой цели.

На рис.3.5 показаны зависимости U_L от емкостной проводимости (а) и от напряжения, приложенного к контуру.

Рис.3.5. Влияние емкостной проводимости а) и напряжения, приложенного к контуру б) на напряжение на нелинейной индуктивности, U_L

При изменении емкостной проводимости в точках а и в, рис.3.5,а, происходят феррорезонансные скачки напряжения. Увеличение R_э снижает эти напряжения. Увеличение Е до значения большего Е_кр2, рис.3.5,б, также сопровождается феррорезонансными скачками напряжения из а в а₁, а при снижении Е – из в в в₁. Скачкообразный переход из одного состояния в другое сопровождается опрокидыванием (изменением на 180) фазы напряжения U_L.

Для феррорезонанса характерно затягивание. В частности, чтобы снять феррорезонансные колебания, имеющие место на участке а₁-в (рис.3.5,б), необходимо уменьшить напряжение до значения Е_кр1Е_кр2. Таким образом, устойчивые феррорезонансные колебания могут существовать даже при устранении причин их вызвавших.. Кроме того устойчивые режимы в нелинейной резонансной цепи могут возникнуть в результате переходных процессов, последовавших после коммутации.

Графический способ определения токов и напряжений в схеме с насыщающейся индуктивностью можно применить и для схемы, приведенной на рис.3.3. Необходимые для этого построения показаны на рис.3.6.

Рис.3.6. Графическое определение напряжений и токов для схемы рис.3.3

Графики U_c₁(I_C₁); U_C₂(I_C₂) – вольтамперные характеристики емкостей С₁ и С₂. Вольтамперная характеристика элемента, представляющего собой параллельное соединение С₁ и индуктивности L=L_э +L_, получается, вычитая абсциссы кривой U_C₁ из абсцисс кривой U_L(L_) в соответствии с равенством I=I_ I_C₁. Если разность отрицательна, то суммарный ток I имеет емкостный характер, если положительна – индуктивный. Зная вольтамперную характеристику параллельного соединения индуктивности и емкости С₁, можно построить вольтамперную характеристику последовательного соединения этого элемента с емкостью С₂. Для этого ординаты кривой U_L(I) следует сложить с ординатами кривой U_C₂(I), т.е. U_=U_L+U_C₂. Согласно второму уравнению Кирхгофа для рассматриваемой цепи должно выполняться равенство: . Токи, при которых выполняется это условие, можно найти графически по точкам пересечения кривых U_(I) и .

Данные построения помогают найти только установившиеся значения токов и напряжений промышленной частоты, однако нелинейность кривой намагничивания неизбежно вызывает появление высших гармоник в кривой тока.

Для развития феррорезонанса благоприятными условиями являются: режим холостого хода сети или малая величина активной нагрузки; небольшое номинальное напряжение сети, при котором потери на корону оказываются незначительными; несимметрия трехфазной сети, в частности, возникновение несимметричного короткого замыкания в сети с изолированной нейтралью или неполнофазного включения.

В сетях высокого напряжения феррорезонансные перенапряжения могут возникать не только на основной частоте, но и на высших и низших гармониках. Феррорезонансные перенапряжения на высших гармониках могут возникнуть в случае достаточно сильного насыщения магнитопровода трансформатора, например в ненагруженных полублочных или блочных электропередачах (рис.3.7,а,б), а также в ненагруженных электропередачах с промежуточными трансформаторами (рис.3.7,в), когда вследствие емкостного эффекта напряжение на трансформаторах, подключенных к линии заметно повышается.

Рис.3.7. Схемы электропередач, в которых могут возникнуть

При этом корона существенно снижает амплитуды высших гармонических. Так как потери на корону возрастают с частотой, то в подавляющем большинстве случаев может иметь место некоторое практическое значение автопараметрическое возбуждение лишь второй гармоники, которая при этом заметно ограничивается потерями на корону и постепенно затухает от периода к периоду, так же как и возникающая в переходном процессе постоянная составляющая магнитного потока трансформатора. Корона вследствие появления дополнительной емкости несколько смещает резонансные длины линий в сторону их уменьшения, приближая к реальным длинам 250 – 500 км участков электропередач 500, 750 кВ.

Индуктивность с насыщенным сердечником является для внешней цепи источником высших гармонических. Расчеты режимов в цепях, содержащих нелинейные индуктивности, с учетом всего спектра гармоник достаточно сложны, так как связаны с решением нелинейных диффернциальных уравнений. Для этой цели применяется вычислительная техника со специальными программами расчета.

Основная мера борьбы с феррорезонансными перенапряжениями на высших гармонических заключается в разработке схем электропередач, в которых отсутствуют условия их возникновения. В блочных и полублочных электропередачах, а также в электропередачах с трансформаторами на отпайках следует избегать холостых режимов работы и предусматривать соответствующую очередность коммутаций: одновременную подачу команды на отключение или включение выключателей на обоих концах электропередач (с использованием ВЧ каналов); точную синхронизацию при пониженном возбуждении генераторов, с тем чтобы напряжение на линии не превышало наибольшего длительно допустимого для данного класса изоляции. Обеспечивать минимальный разброс фаз выключателей с целью исключения неполофазных режимов при их работе.

В определенных специфических случае возможно появление субгармонических колебаний с частотой 25 Гц, 16,7 Гц и т.д. Например, феррорезонансные перенапряжения на низших гармонических могут возникнуть при отключении короткого замыкания, сопровождающимся разрывом электропередачи и последующим односторонним питании электропередачи, содержащей батарею конденсаторов продольной компенсации и шунтирующий реактор, рис.3.7,г.

В этом случае возникает опасность феррорезонансных перенапряжений на частоте /3, которая может быть близка к частоте собственных колебаний контура, содержащего последовательно включенные большую индуктивность шунтирующего реактора и большую емкость батареи продольной компенсации. Электромагнитные колебания с этой частотой могут привести к возникновению повышенных перенапряжений на внутренней изоляции конденсаторов и к недопустимо большим токам в обмотке реактора. Для борьбы с этим явлением используется схема защиты конденсаторов от перенапряжений

1.Феррорезонансы в сети возникают, если величины емкостных токов сети на землю составляют от 0,3 А до 3,5 А на один трансформатор напряжения. Напомню, что ориентировочно емкостные токи на землю имеют величины: для воздушных линий электропередач (ЛЭП) — 35 кВ — 0,11 А / км; для воздушных ЛЭП — 10 кВ — 0,025 А / км; для воздушных ЛЭП — 6 кВ — 0,015 А / км.

То есть, при наличии в электрически связанной сети 35 кВ с одним ТН типа ЗНОМ (ЗНОЛ), с воздушными ЛЭП, суммарной длиной 3 1 км, феррорезонанс возникать не будут.

2. Появление в сети феррорезонанса, зависит от уровней напряжения подстанций, где установлены трансформаторы напряжения. Чем выше напряжение, тем больше вероятность появления феррорезонансных перенапряжений.

3. Появление феррорезонанса, существенно зависит от погодных условий (зимой — во время снежных осадков, наличия инея, изморози, в остальное время года во время дождей, ливней, существенной влажности и т.п., он не будет возникать). Наличие активной составляющей тока сети на землю величиной > 1% от емкостной не допускает развития периодического феррорезонанса.

4. Как известно, ТН типов НТМИ и ЗНОМ должны эксплуатироваться при наличии в обмотке разомкнутого треугольника постоянно включенного резистора с параметрами: R = 25 Ом; Р = 400 Вт (п. 4.2.186 [ПУЭ 7 издание]). Если резистор отсутствует, то при различных коммутаций в сети (в том числе появление и обрыве земли), в трансформаторе могут возникать безопасные колеблющиеся процессы, с частотами 50, 100, 150 … Гц, которые в случае отсутствия указанного резистора переходят в субгармонических колебания с частотами 50/2, 50/3 … Гц. А уж они опасны для ТН, поскольку сопровождаются протеканием сверхтоков в первичных обмотках их, превышающих допустимые на порядок и более и приводят к перегорания ТН за несколько минут.

5. Появление феррорезонанса, практически не зависит от момента обрыва емкостного тока на землю.

6. Появление феррорезонанса зависит от характеристики намагничивания ТН. Ремонтируемые трансформаторы вступают в резонанс чаще, чем новые, поскольку их характеристики намагничивания становятся более пологими.

7. Феррорезонанс в небольшой степени зависит и от нагрузки ТН, особенно при предельных значений Iс и Uном. Чем больше нагрузка ТН, тем меньше вероятность появления феррорезонансных процессов.

Вот в принципе и все причины, которые вызывают феррорезонансные процессы в сети.

Причиной возникновения феррорезонансных процессов в электрических сетях является наличие индуктивных и емкостных элементов, которые в процессе переключений могут создавать колебательные контуры. Ярко выраженным индуктивным характером обладают силовые трансформаторы, шунтирующие реакторы, трансформаторы напряжения, линейные вольтодобавочные трансформаторы и другое оборудование с массивной обмоткой.

Значительной емкостью в электрических сетях обладают разветвленные высоковольтные линии электропередач, ошиновка подстанций, конденсаторы шунтирующие разрывы высоковольтных выключателей.

В электрических сетях существует два вида этих явлений, это: резонанс токов и напряжений. Они могут возникнуть в системе с параллельным соединением индуктивного и емкостного элемента. Резонанс напряжений возникает в системах с последовательным соединением реактивных элементов.

Переходные процессы в электрических сетях носят сложный характер, при плановых или аварийных отключениях создается множество LC-цепочек, поэтому и резонансные явления имеют смешанный характер.

Феррорезонанс подразумевает наличие индуктивности, имеющей нелинейную вольт-амперную характеристику. Такой характеристикой обладают катушки индуктивности с сердечником из ферромагнитных материалов. Трансформаторы напряжения серии НКФ, широко применяемые на подстанциях и в наши дни, сильно подвержены резонансным явлениям.

Это объясняется небольшой величиной омического и индуктивного сопротивления, по сравнению с силовыми трансформаторами или реакторами. Трансформаторы напряжения выполняют функцию преобразования первичного напряжения до уровней пригодных к использованию приборами учета и УРЗА, а следовательно и подключаются к линиям, системам сборных шин, шинных мостов трансформаторов.

При этом создаются последовательно соединенные LC-цепочки, которые и представляют собой резонансный контур. При последовательном соединении индуктивного элемента, с нелинейной вольтамперной характеристикой и емкостного элемента, напряжение, приложенное к участку этой цепи носит активно-индуктивный характер.

Это объясняется тем, что напряжение в индуктивных элементах опережает ток, на электрический угол 90º, а в емкостных отстает от тока на те же 90º. С течением времени, магнитопровод насыщается и напряжение на индуктивности достигает своего конечного значения, в то время как напряжение на емкостном элементе продолжает увеличиваться.

Момент времени, когда напряжение на емкостном элементе равно напряжению на индуктивности, при их последовательном соединении, называется резонансом напряжений. При дальнейшем плавном увеличении напряжения, приложенного к контуру, характер общего напряжения изменяется на активно-емкостный.

При феррорезонансных явлениях, изменение тока, протекающего в контуре происходит скачкообразно, вместе с током значительно увеличиваются и напряжения приложенные к индуктивному и емкостному элементу.

Резонанс токов имеет те же последствия, что и резонанс напряжений, только происходит он в цепях с параллельным соединением LC-цепочек. Резонанс в этом случае наступает при совпадении токов на реактивных элементах контура.

В процессе переключений на подстанциях напряжением 220 кВ и выше могут образовываться последовательные и последовательно – параллельные цепочки LC-элементов. Например, при выводе в ремонт СШ-220 кВ, после отключения выключателей серии ВМТ-220, создаются условия для возникновения феррорезонансных явлений.

Контактная система выключателя ВМТ зашунтирована конденсаторами, после отключения главных контактов, на системе остается напряжение, обусловленное электрическим полем шунтирующих конденсаторов. Ошиновка имеет небольшое омическое сопротивление, к шинам также остается подключенным трансформатор напряжения.

Процесс может и не возникнуть; все зависит от соотношения величин всех элементов, участвующих в контуре. Однако при возникновении резонанса, напряжение на шинах повышается до 300 кВ, а ток скачком поднимается до величин, при которых происходит тепловое разрушение обмоток.

Во избежании появления процесса, в программах и бланках переключений предусматривают определенную последовательность операций, при которой эти процессы расстраиваются. Помимо оперативных мер, препятствующих возникновению феррорезонансных явлений, к системам шин дополнительно могут быть подключены элементы, сопротивление которых препятствует возникновению этого явления.

Читайте также: