Селиванов Василий Николаевич. Исследование феррорезонансных колебаний в воздушных сетях 35 КВ с изолированной нейтралью с электромагнитными трансформаторами напряжения

Краткое описание

Селиванов Василий Николаевич. Исследование феррорезонансных колебаний в воздушных сетях 35 КВ с изолированной нейтралью с электромагнитными трансформаторами напряжения : Дис. ... канд. техн. наук : 05.14.12 : Апатиты, 2003 179 c. РГБ ОД, 61:04-5/1832

Институт физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН
На правах рукописи

Селиванов Василий Николаевич
ИССЛЕДОВАНИЕ ФЕРРОРЕЗОНАНСНЫХ КОЛЕБАНИЙ В ВОЗДУШНЫХ СЕТЯХ 35 КВ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ТРАНСФОРМАТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЯ
Специальность 05.14.12 - Техника высоких напряжений
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук Ефимов Б.В.
Апатиты - 2003

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1 Анализ проблемы феррорезонансных перенапряжений §1.1. Физическая сущность явления § 1.2. Классификация феррорезонансных схем
§1.3. Обзор существующих методик анализа феррорезонансных схем в сетях 6-35 кВ § 1.4. Цель и задачи исследования
Глава 2 Метод анализа феррорезонансных процессов в сетях с нелинейными индуктивностями §2.1. Общие допущения при моделировании феррорезонансных схем
§ 2.2. Метод расчета феррорезонансных схем
§ 2.3. Выбор методов численного интегрирования
§2.4. Программа для анализа разветвленных сетей 35 кВ на
возможность возникновения феррорезонанса.
§ 2.5. Результаты численного расчета
Г лава 3 Математическая модель трансформатора напряжения 3HOM-35 § 3.1. Конструкция и схемы включения трансформатора напряжения 3HOM-35
§3.2. Расчетная модель трансформатора напряжения ЗНОМ -35-65 §3.3. Аппроксимация кривой намагничивания трансформатора напряжения 3HOM-35 Глава 4 Численное исследование области существования устойчивых феррорезонансных колебаний §4.1. Основные положения и допущения
§ 4.2. Резонансная область для случая малых активных потерь
§ 4.3. Резонансная область без дополнительных защитных устройств
4.3.1. Общая характеристика области
4.3.2. Участок феррорезонанса на частотах, близких к 25 Гц

4.3.3 Участок с преобладающей частотой феррорезонанса 50 Гц 122
4.3.4. Феррорезонанс на частотах, близких ко второй гармонике
сети 130
4.3.5. Феррорезонанс на частоте третьей гармоники сети 135 § 4.4. Влияние начального угла э.д.с. в момент включения напряжения
сети. 138
Глава 5 Защита сети с изолированной нейтралью с ТН ЗНОМ - 35 от
феррорезонансных перенапряжений 142
§5.1. Сравнительный анализ различных способов подавления феррорезонанса с использованием ортогональных фазных переменных 142
§ 5.2. Защита трансформатора напряжений от феррорезонанса с
помощью активных сопротивлений 152
§ 5.3. Анализ дополнительных погрешностей, вносимых защитными ^ устройствами 158
§ 5.4. Экспериментальные исследования феррорезонансных процессов
в сетях 35 кВ и анализ опыта их подавления 166
Заключение 171
Литература 175

Список литературы

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

172
По работе можно сделать следующие выводы:
1. В диссертации выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований феррорезонансных процессов в трехфазных сетях с изолированной нейтралью, впервые охватывающий все многообразие форм и амплитуд колебаний в широком диапазоне изменения параметров и напряжений сети. В частности, в целях исследования физики процесса, получены подробные картины резонансных областей для эквивалентных емкостей сети от 1000 пФ до сотен нФ и напряжений от 0.3 до 3 номинальных напряжений сети, то есть в диапазонах включающих (и значительно превышающих) реальные пределы изменения этих величин.
2. На основе полученных в работе экспериментальных данных и расчетным путем уточнены формулы, аппроксимирующие кривую намагничивания трансформаторов напряжения (на примере 3HOM-35) и обоснована структура его эквивалентной схемы для включения в трехфазную схему замещения сети. Проведен выбор оптимальных формул по критерию трудоемкость счета - точность результатов границ резонансных областей. Рекомендованы для использования в многовариантных расчетах обычные полиномиальные аппроксимации (с уточненными численными значениями коэффициентов) и аппроксимации в пределе учитывающие индуктивность рассеяния ТН.
3. Исследованы физические процессы, вызывающие длительные феррорезонансные колебания с преобладающими частотами в спектре от единиц герц до 150 Гц, показано, что их возникновение обусловлено именно спецификой трехфазных сетей. Показано, что трехфазная симметричная система
э.д.с. в сети с насыщающимися трансформаторами при определенных комбинациях напряжения и емкости является генератором второй субгармоники в первые периоды после включения, что после затухания переходного процесса приводит к развитию устойчивых колебаний на частотах близки к половине промышленной. Выполнен анализ двухфазного резонанса на частоте сети. В методических целях проанализированы явления на частотах, приближающихся ко второй и третьей гармоникам.

4. Путем численного моделирования найдены области существования каждого из видов нелинейных колебаний в координатах независимых переменных: емкость сети - линейное напряжение сети. Расчеты выполнены с шагами по независимым переменным достаточно малыми, для выявления тонких эффектов в изменении спектров феррорезонансных колебаний. Исследованы участки непрерывного изменения преобладающей частоты колебаний и впервые обнаружены участки фрактального типа с хаотическим распределением преобладающих частот колебаний, требующие дальнейшей разработки новых подходов к их исследованию. '
5. Показано, что в области изменения реальных напряжений сети могут возникать колебания значительных амплитуд напряжений в нейтрали и токов в ТН на частотах от 21 Гц до 50 Гц. При этом нижняя граница резонансной области всегда определяется колебаниями с частотами, близкими ко второй субгармонике. В то же время при включении сети под номинальное напряжение с малой эквивалентной емкостью на землю основным видом колебаний является двухфазный феррорезонанс на промышленной частоте.
6. Разработан метод сравнительного анализа эффективности различных методов защиты электрических сетей от ФРП посредством ортогонализации нелинейных уравнений феррорезонансных колебаний в трехфазной сети путем разложения на a-, J3-, 0 - координаты. Выделен нелинейный контур нулевой последовательности, из анализа процессов в котором наиболее четко видна сравнительная эффективность различных методов защиты для сетей с различными параметрами.
7. Показано, что в реальных электрических сетях эффективной является комплексная защита от феррорезонансных перенапряжений, включающая установку резистивных устройств последовательно с первичной обмоткой и в разомкнутый треугольник дополнительных вторичных обмоток. Для большинства участков сетей сопротивления 30 кОм и 25 Ом соответственно гарантированно устраняют опасность возникновения феррорезонансных перенапряжений

174
8. Впервые обосновано, что защитные резисторы с первичной стороны могут устанавливаться на трансформаторах напряжения, к которым не предъявляются требования высокой точности измерения напряжения. На каждом участке сети, содержащем до семи комплектов ТН, достаточно установить защиту в обмотках высшего напряжения только в одном из них.
9. Выполнены экспериментальные исследования феррорезонансных процессов в действующих сетях. Сопоставление опытных и расчетных данных подтвердили правильность основных положений диссертационной работы. Опытным путем подтверждена эффективность комплексной защиты трансформаторов напряжения от феррорезонансов: при многочисленных коммутациях в сети с установленными защитными устройствами не зарегистрировано ни одного случая возбуждения длительных резонансных явлений. Защитные устройства успешно эксплуатируются в течение ряда лет на нескольких подстанциях 35 кВ ОАО «Колэнерго».
10. Разработаны различные варианты исполнения резистивной защиты, в том числе оригинальная конструкция резистивных защитных устройств подвесного типа, проверенных в тяжелых климатических условиях Крайнего Севера и внедряемых в настоящее время в высоковольтных сетях.