СПОСОБ ЭФФЕКТИВНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА
METHOD FOR EFFICIENT EARTHING OF POWER TRANSFORMER NEUTRAL LINE

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для защиты силовых трансформаторов электрических станций и подстанций, работающих в электрических сетях с номинальным напряжением 110 кВ и выше, от воздействия геоиндуцированных токов в периоды геомагнитной активности при возмущениях космической погоды.
Известен способ эффективного заземления нейтрали силового трансформатора через токоограничивающий резистор [1].
Известный способ позволяет ограничить величину геоиндуцированных токов в обмотках высокого напряжения силового трансформатора в периоды геомагнитной активности при возмущениях космической погоды до безопасного уровня, при котором не происходит одностороннего насыщения магнитной системы и увеличения потерь реактивной мощности. Однако при этом появляются дополнительные потери активной мощности в токоограничивающем резисторе, величина которых тем больше, чем больше несимметрия фазных напряжений в примыкающей электрической сети. Кроме того, общая продолжительность геомагнитной активности, при которой необходимо резистивное заземление нейтрали, не превышает 1% общей продолжительности работы силового трансформатора в электрической сети. При колебаниях напряжения в электрической сети и неизменной величине сопротивления токоограничивающего резистора возможность одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора сохраняется.
Наиболее близким к предлагаемому является способ эффективного заземления нейтрали силового трансформатора через токоограничивающий резистор и тиристорный ключ, заключающийся в том, что при возникновении аномальных и аварийных ситуаций осуществляют коммутацию тиристорного ключа [2].
Известный способ позволяет управлять режимом нейтрали силового трансформатора путем перехода от резистивного заземления в режим изолированной нейтрали и обратно. Если резистивное заземление нейтрали позволяет только ограничить величину геоиндуцированных токов, то режим изолированной нейтрали полностью исключает возможность протекания геоиндуцированных токов по обмоткам высокого напряжения силового трансформатора в периоды геомагнитной активности при возмущениях космической погоды. Однако такой режим не допустим в электрических сетях с номинальным напряжением выше 110 кВ. Это объясняется тем, что напряжение нейтрали в этом случае может превысить допустимую величину, например, из-за несимметрии фазных напряжений, поскольку существующие силовые трансформаторы с номинальным напряжением 110 кВ и выше имеют класс изоляции нейтрали не выше 35 кВ. Кроме того, изменение режима заземления нейтрали осуществляется без учета состояния магнитной системы силового трансформатора в периоды геомагнитной активности при возмущениях космической погоды и поэтому не исключает повышения потерь мощности в токоограничивающем резисторе и потерь реактивной мощности в силовом трансформаторе.
Цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении потерь активной мощности в токоограничивающем резисторе и реактивной мощности в силовом трансформаторе в периоды геомагнитной активности при возмущениях космической погоды.
Поставленная цель достигается тем, что тиристорный ключ соединяют параллельно с токоограничивающим резистором и подают управляющие импульсы, обеспечивая непрерывную проводимость тиристорного ключа, фиксируют появление постоянной составляющей тока нейтрали и второй гармоники фазного тока обмотки высокого напряжения силового трансформатора и в случае превышения указанными токами допустимых значений блокируют подачу управляющих импульсов на тиристорный ключ, а возобновляют подачу управляющий импульсов только после прекращения постоянной составляющей тока нейтрали.
На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство содержит токоограничивающий резистор 1, тиристорный ключ 2, соединенные между собой параллельно и одним из общих выводов с нейтралью обмоток высокого напряжения силового трансформатора 3. Тиристорный ключ 2 образован встречно-параллельно соединенными силовыми тиристорами 4, 5, управляющие электроды которых подключены к блоку управления 6. Второй общий вывод токоограничивающего резистора 1 и тиристорного ключа 2 заземлен через датчик постоянного тока 7, выход которого соединен с входом неинвертирующего триггера Шмитта 8. Прямой выход неинвертирующего триггера Шмитта 8 соединен с одним из входов двухвходового конъюнктора 9, а инверсный выход соединен с установочным входом «S» асинхронного RS-триггера 10. Выход двухвходового конъюнктора 9 соединен с установочным входом «R» асинхронного RS-триггера 10. Выход датчика второй гармоники 11 фазного тока обмотки высокого напряжения силового трансформатора 3 соединен через неинвертирующий триггер Шмитта 12 со вторым входом двухвходового конъюнктора 9.
Предлагаемый способ эффективного заземления нейтрали силового трансформатора заключается в следующем.
н
(=)
В нормальных условиях, когда геомагнитное поле спокойное, постоянная составляющая тока нейтрали I силового трансформатора 3 равна нулю, поскольку отсутствуют геоиндуцированные токи в обмотках высокого напряжения. Именно геоиндуцированные токи, частота которых не превышает 0,1 Гц, остаются практически постоянными на протяжении десятков, сотен периодов сетевого напряжения. Поэтому выходной сигнал U датчика постоянного тока 7 имеет нулевое значение
н(=)
(=)
где I - постоянная составляющая тока нейтрали силового трансформатора 3; К - коэффициент передачи «вход-выход» датчика постоянного тока 7.
ф
(2)
При отсутствии геоиндуцированных токов одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 3 не происходит и в фазном токе I обмоток высокого напряжения отсутствуют четные гармоники, в том числе и наиболее значимая из них вторая гармоника. Поэтому выходной сигнал U датчика второй гармоники 11 фазного тока имеет нулевое значение
ф(2)
(2)
где I - действующее значение второй гармоники фазного тока обмотки высокого напряжения силового трансформатора 3; К - коэффициент передачи «вход-выход» датчика второй гармоники 11 фазного тока.
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo>¯</mo></mover><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
В этих условиях на прямом выходе неинвертирующего триггера Шмитта 8 присутствует сигнал логического «0», а на инверсном выходе - сигнал логической «1». На выходе неинвертирующего триггера Шмитта 12 присутствует сигнал логического «0». Таким образом, на входы двухвходового конъюнктора 9 поступают сигналы логического «0», устанавливая и на выходе уровень логического «0». В результате формируется комбинация сигналов S=1, R=0, которая устанавливает асинхронный RS-триггер 10 в единичное состояние Q=1,
.
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo>¯</mo></mover><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
Комбинация выходных сигналов Q=1,
асинхронного RS-триггера 10 служит командой «Пуск» для блока управления 6, разрешая формирование управляющих импульсов силовыми тиристорам 4, 5 и обеспечивая непрерывную проводимость тиристорного ключа 2. Дифференциальное сопротивление силовых тиристоров 4, 5 в проводящем состоянии имеет крайне низкое значение - не более десятков мОм, а пороговое напряжение не превышает 1,0 В. В результате тиристорный ключ 2 в проводящем состоянии шунтирует токоограничивающий резистор 1 и создает режим глухозаземленной нейтрали силового трансформатора 3. Через силовые тиристоры 4, 5 будет протекать ток нулевой последовательности под воздействием напряжения нулевой последовательности, величина которого определяется несимметрией фазных напряжений обмоток высокого напряжения силового трансформатора 3
(0)
ном
U(0)
где U - действующее значение напряжения нулевой последовательности; U - номинальное междуфазное напряжении обмоток высокого напряжения силового трансформатора 3; К - коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности, нормально допустимое значение которого составляет 2%, а предельно допустимое значение - 4%.
ном
(0)
Например, при U=110 кВ напряжение нулевой последовательности может достигать значений U=(2,2÷4,4) кВ. В соответствии с изменением полярности мгновенных значений напряжения нулевой последовательности будет происходить поочередное включение силовых тиристоров 4, 5. В соответствии с выбранным на фиг. 1 направлением тока нейтрали через силовой тиристор 5 будет протекать положительная полуволна тока нулевой последовательности, а через силовой тиристор 4 - отрицательная полуволна.
ГИТ
В периоды геомагнитной активности при слабовозмущенном или возмущенном геомагнитном поле вариации последнего вызывают протекание в заземленных обмотках высокого напряжения силового трансформатора 3 геоиндуцированных токов I. В нейтрали силового трансформатора 3 геоиндуцированные токи отдельных фазных обмоток суммируются. Поэтому постоянная составляющая тока, протекающая через датчик постоянного тока 7, будет определяться величиной
H(=)
ГИТ
I=3·I,
а выходной сигнал датчика постоянного тока 7 достигнет значения
(=)
(=)
ГИТ
U=3·K·I.
(=)
Если уровень выходного сигнала U датчика постоянного тока 7 превысит порог включения неинвертирующего триггера Шмитта 8, то на прямом выходе последнего и на соответствующем входе двухвходового конъюнктора 9 установится сигнал логической «1». Одновременно на инверсном выходе неинвертирующего триггера Шмитта 8 и соответственно на входе «S» асинхронного RS-триггера 10 устанавливается сигнал логического «0».
При сохранении на выходе датчика второй гармоники 11 фазного тока уровня сигнала, недостаточного для переключения неинвертирующего триггера Шмитта 12 (интенсивность геоиндуцированных токов недостаточна для одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 3), на выходе двухвходового конъюнктора 9 сохраняется сигнал логического «0». В этом случае на входах асинхронного RS-триггера 10 устанавливается комбинация сигналов S=0, R=0. Однако такая комбинация не приведет к переключению асинхронного RS-триггера 10, который остается в единичном состоянии, продолжая формировать команду «Пуск» для блока управления 6. Поэтому продолжается подача управляющих импульсов на силовые тиристоры 4, 5 и режим глухозаземленной нейтрали силового трансформатора сохраняется.
(2)
В периоды повышенной геомагнитной активности интенсивность геоиндуцированных токов достаточна для одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 3, которое сопровождается многократным увеличением тока намагничивания за счет только одной полуволны. Поэтому в составе тока намагничивания появляются четные гармоники, из которых наиболее значимой является вторая гармоника. В составе фазного тока обмотки высокого напряжения силового трансформатора 3 также появляется вторая гармоника, вызывающая пропорциональное увеличение выходного сигнала U датчика второй гармоники 11 фазного тока.
(2)
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo>¯</mo></mover><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo>¯</mo></mover><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
Если уровень выходного сигнала U датчика второй гармоники 11 фазного тока превысит порог включения неинвертирующего триггера Шмитта 12, то на выходе последнего и на соответствующем входе двухвходового конъюнктора 9 устанавливаются сигналы логической «1». В результате формируются установочные сигналы R=1, S=0, которые сбрасывают асинхронный RS-триггер 10 в нулевое состояние Q=0,
. Комбинация выходных сигналов Q=0,
асинхронного RS-триггера 10 служит командой «Стоп» для блока управления 6, запрещая подачу управляющих импульсов на силовые тиристоры 4, 5. В результате тиристорный ключ 2 запирается, а нейтраль силового трансформатора 3 заземляется через токоограничивающий резистор 1.
Силовой трансформатор 3 начинает работать в режиме резистивного заземления нейтрали, в котором величина геоиндуцированных токов уменьшается токоограничивающим резистором 1. Показателем эффективности токоограничивающего резистора 1 служит отношение величин геоиндуцированных токов при резистивном заземлении нейтрали и глухозаземленной нейтрали, которое определяется выражением
ГИТ(R)
ГИТ(⊥)
Σ
Σ
*
где I - величина геоиндуцированного тока при резистивном заземлении нейтрали силового трансформатора 3; I - величина геоиндуцированного тока при глухозаземленной нейтрали силового трансформатора 3; R - сопротивление токоограничивающего резистора 1; r - суммарное активное сопротивление обмоток высокого напряжения силового трансформатора 3, фазных проводов примыкающей воздушной линии, заземляющего устройства; R=R/r - относительная величина сопротивления токоограничивающего резистора 1.
*
*
Как видно, уже при R≥2 величину геоиндуцированного тока можно уменьшить более чем в 3 раза. Таким образом, выбирая относительную величину R сопротивления токоограничивающего резистора 1 можно снизить величину геоиндуцированного тока до любого наперед заданного безопасного уровня.
(=)
(2)
После выключения тиристорного ключа 2 и перехода силового трансформатора 3 в режим резистивного заземления нейтрали величина геоиндуцированного тока уменьшится. Это приведет к уменьшению постоянной составляющей тока нейтрали, протекающей через датчик постоянного тока 7, и к уменьшению второй гармоники фазного тока обмоток высокого напряжения силового трансформатора 3, протекающей через датчик второй гармоники 11 фазного тока. Пропорционально снизятся и уровни сигналов U, U на выходах датчика постоянного тока 7 и датчика второй гармоники 11 фазного тока. Однако благодаря гистерезису передаточной характеристики выключения неинвертирующих триггеров Шмитта 8 и 12 не произойдет и на входах двухвходового конъюнктора 9 сохранятся уровни сигналов логической «1». Достаточно, чтобы нижние пороги срабатывания неинвертирующих триггеров Шмитта 8 и 12 были установлены с небольшим превышением нулевого уровня. Тогда режим резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 3 будет продолжаться до прекращения возмущений космической погоды.
При снижении интенсивности геоиндуцированных токов до уровня, при котором прекращается одностороннее насыщение магнитной системы силового трансформатора 3, выходной сигнал датчика второй гармоники 11 фазного тока снижается до нуля. Неинвертирующий триггер Шмитта 12 выключается, и на соответствующем входе двухвходового конъюнктора 9 устанавливается сигнал логического «0». На входе R асинхронного RS-триггера 10 также устанавливается сигнал логического «0». Однако новая комбинация установочных сигналов R=0, S=0 не изменяет состояния асинхронного RS-триггера 10, и команда «Стоп» для блока управления 6 не снимается. Режим резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 3 сохраняется.
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo>¯</mo></mover><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
При дальнейшем снижении интенсивности геоиндуцированных токов вплоть до полного прекращения выходной сигнал датчика постоянного тока 7 также снижается до нуля. Неинвертирующий триггер Шмитта 8 выключается, и на инверсном выходе устанавливается сигнал логической «1». В результате формируется комбинация сигналов S=l, R=0, которая устанавливает асинхронный RS-триггер 10 в единичное состояние Q=1,
, возобновляя команду «Пуск» для блока управления 6. Силовые тиристоры 4,5 начинают поочередно включаться и тиристорный ключ 2 вновь создает режим глухозаземленной нейтрали силового трансформатора 3.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет создавать режим резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 3 только в периоды геомагнитной активности при возмущениях космической погоды для ограничения величины геоиндуцированного тока. Переход в режим резистивного заземления происходит при величине геоиндуцированного тока, достаточного для одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 3. Возвращение в режим глухозаземленной нейтрали происходит при прекращении геоиндуцированных токов. Этим достигается положительный эффект, который заключается в уменьшении потерь активной мощности в токоограничивающем резисторе 1 за счет минимизации продолжительности режима резистивного заземления и уменьшения потерь реактивной мощности за счет ограничения величины геоиндуцированного тока до безопасного уровня, при котором не происходит одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 3.
Источники информации
1. Кадомская К.П. Системный подход к выбору резисторов в нейтралях силовых трансформаторов в электрических сетях 110-750 кВ / К.П. Кадомская, Б.К. Максимов, А.А. Челазнов // Электрические станции. - 1997. - №10.
2. Садыгов Г.С. Заземление нейтрали сетей 6-10 кВ с помощью управляемого высоковольтного тиристорного коммутатора и резистора / Г.С. Садыгов, Х.И. Набиев, Н.И. Оруджов // Промышленная энергетика. - 1998. - №3.