Грозовые перенапряжения на изоляции нейтрали трансформаторов

УДК 621.311

Д.И.Власко, А.О.Востриков, Ю.М.Невретдинов

ГРОЗОВЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ НА ИЗОЛЯЦИИ НЕЙТРАЛИ ТРАНСФОРМАТОРОВ* Аннотация

Приведены результаты экспериментальных регистраций и расчетов импульсных напряжений в нейтрали трансформатора. Выполнены расчеты перенапряжений в нейтрали трансформатора с помощью частотного метода. Показана необходимость учета волновых процессов в обмотке трансформатора. Показан характер зависимости величины перенапряжений от расстояния до точки удара молнии в линию.

Ключевые слова:

подстанция, грозовые перенапряжения, нейтраль трансформатора, эксперимент, частотный метод.

D.I.Vlasko, A.O.Vostrikov, Y.M.Nevretdinov

LIGHTNING OVERVOLTAGES ON TRANSFORMER NEUTRAL ISOLATION

Abstract

The pulse voltages experimental registrations and calculations results at the transformer neutral are presented. The overvoltages calculations at the transformer neutral by means of frequency procedure have been carried out. The wave processes calculation necessity at the transformer winding is shown. The mechanism of overvoltages size dependence on distance to the point of lightning strike point at the power line is shown.

Keywords:

substation, lightning overvoltages, transformer neutral, experiment, frequency method.

В сети 110-220 кВ для обеспечения селективности работы релейной защиты и автоматики выполняется частичное разземление нейтралей силовых трансформаторов. В частности, в электроэнергетической системе Кольского полуострова в режиме с изолированной нейтралью работают около 60% силовых трансформаторов 110 кВ и около 64% трансформаторов 150 кВ. На изоляции нейтрали могут возникать опасные импульсные и внутренние перенапряжения. Для защиты нейтрали используют вентильные разрядники, которые в настоящее время постепенно заменяются на специализированные ОПН типа ОПНН.

В процессе разработки методов регистрации грозовых перенапряжений на подстанциях, в частности, путем регистрации токов в заземленных нейтралях, рассматривалась возможность проведения регистраций на изолированных нейтралях. С этой целью проведены эксперименты в действующей сети с выводом из работы части РУ 110 кВ подстанции с силовым трансформатором и подключенной ВЛ [1]. Для обеспечения безопасности экспериментов провода ВЛ на противоположном конце заземлены. Для исследований на ВЛ генерировался импульс напряжения (с помощью ГИН). Регистрации напряжений выполнялись на вводах силового трансформатора и в его нейтрали.

Для расчетов перенапряжений в нейтралях силовых трансформаторов частотным методом используются передаточные коэффициенты, т.е. амплитудо-фазочастотные характеристики этих коэффициентов [2]. Общий алгоритм решения включает следующие действия:

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11-08-00690).

• разложение в ряд Фурье известного воздействия (напряжение на вводе трансформатора) и известной реакции (напряжения в нейтрали) с получением векторов гармоник;

• определение векторов передаточных коэффициентов в виде отношений векторов гармоник воздействия и реакции;

• разложение в ряд Фурье исходного воздействия, для которого определяется напряжение в нейтрали;

• определение спектра реакции путем перемножения векторов гармоник воздействия и векторов гармоник передаточного коэффициента;

• суммирование гармоник реакции (напряжения в нейтрали) с переводом в функцию времени.

Проверка эффективности частотного метода выполнена путем сопоставления экспериментально полученных реакций силового трансформатора на воздействия разной формы. Эксперименты выполнены на участке действующей сети 110 кВ, выведенной из работы. Участок включал воздушную ЛЭП (ВЛ) длиной 13.2 км, подключенную к части РУ 110 кВ с одним силовым трансформатором, коммутационными аппаратами, трансформаторами тока выключателей и трансформатора, а также трансформатор напряжения и ОПН. Генерирование импульсного напряжения осуществлено от ГИН напряжением до 30 кВ, подключенным к проводу фазы А ВЛ на удалении 2.1 км. Описание участка и характеристика экспериментов дана в [1].

При проведении экспериментов в действующей сети с помощью осциллографа «АКТАКОМ» получены цифровые осциллограммы напряжений на вводах силового трансформатора ит (воздействий) и на изолированной нейтрали ин (реакций).

Опыты проведены для вариантов отсутствия защитного аппарата (осциллограммы иті и иш) и с подключением модели ОПН-110 (осциллограммы ит2 и ин2), по условию экспериментов получены импульсные воздействия различной формы. Соответствующие осциллограммы приведены на рис. 1.

Рис.1. Осциллограммы напряжений на силовом трансформаторе Т-1

На осциллограмме напряжения на силовом трансформаторе иТ1 (рис.1, а) явно видны отражения от точки подключения ГИН и от противоположного (заземленного) конца ВЛ. Время двойного распространения волны, отраженной от подстанции, до ГИН и обратно составляет около 15 мкс. Время появления на трансформаторе отражения от заземленного конца ВЛ составляет около 76 мкс. Это время соответствует времени распространения волны, отраженной от ГИН в сторону противоположного конца ВЛ, до точки заземления ВЛ и обратно до точки регистрации на трансформаторе. С учетом запаздывания появления волны от ГИН на трансформаторе это время соответствует двойному времени распространения волны от ГИН до противоположного конца ВЛ.

На осциллограмме иТ2 в опыте с моделью ОПН отчетливо наблюдается только отражение от противоположного конца. Отражение от ГИН накладывается на колебательную составляющую напряжения, которая определяется волновыми процессами на участке от трансформатора до ОПН.

Из приведенных осциллограмм видно, что отражения от точки удара молнии в явном виде не наблюдаются. Соответствующие спектры напряжений в нейтрали трансформатора приведены на рис.2.

С 9 без ОПН + с ОПН

с і і 1

і Ї і і і * * * * і і * »,**,'

лі_______________________________________I________I_______I______*_______Ш______Ш___________________________________________№_М_Ш_В_Ж_ж_Ли______Л______Л_______іїі_______________________________________'А1 * Щ_АО Л

О 10 20 30 40 50

Частота гармоники, кГц

Рис.2. Спектры напряжений на изоляции нейтрали силового трансформатора в экспериментах с моделью ОПН 110 и без защитного аппарата

Из гармонического состава напряжений в нейтрали (рис.2) видно, что гармоники выше 16 кГц практически не влияют на величину напряжения. Расчеты с восстановлением осциллограмм напряжений иН1(і) и иН2(і) по гармоническому составу показали достаточность учета 20 гармоник (частотой до 40 кГц) и возможность ограничения гармоник частотой 30 кГц при оценке характеристик перенапряжений и выявления возможных проявлений отражений от места удара молнии.

По полученным спектрам напряжений (векторы гармоник Цц, Цт, иТ2 и Цщ) определены векторы передаточных коэффициентов для опыта без защитного аппарата Кш и с моделью ОПН КП2:

к — ині V —

П1 иТ1 ’ П2 иТ2' 1)

Полученные амплитудочастотные и фазочастотные характеристики передаточных коэффициентов КП1 и КП2 приведены на рис.3.

Рис.3. Амплитудочастотные (а) и фазочастотные (б) характеристики передаточных коэффициентов

Как видно из рис.3, гармоники до 8 кГц обоих передаточных коэффициентов имеют одинаковые фазы и примерно одинаковые модули. Начиная с 10 кГц гармоники КП1 и Кш существенно различаются по величине и фазам.

Для иллюстрации зависимости спектра передаточных коэффициентов трансформатора на рис.4 приведен спектр отношения модулей |КШ| и |КП2|.

Рис.4. Сопоставление передаточных коэффициентов трансформатора

На рисунке 4 выделены гармоники, имеющие практически одинаковые значения для обоих передаточных коэффициентов.

Результат применения ограниченного числа гармоник передаточных коэффициентов до 10 кГц (рис.4) для определения (восстановления) напряжения в нейтрали иллюстрируется сопоставлением восстановленной осциллограммы напряжения в нейтрали с экспериментальной регистрацией для опыта без защитного аппарата. Восстановление гармоник ишВ и осциллограммы итв(1) выполнено по следующим формулам:

иН1В иТ1 ' КП2,

2)

итв(0 = ^|иніві|  С08[2^' Ґі ' І + аг§(иніві)]

3)

Ограничение гармоник при восстановлении определяется условием равенства их для коэффициентов КП1 и КП2. Граница частоты преобразований в (3) -< 10 кГц - определена из сопоставления спектров КП и КП2 (рис.4). Сопоставление осциллограмм приведено на рис. 5.

3

у

н

5 5

£

Ї 0

и

3

I

и

К

а

М

^

Восстановление по КПі итв

А 1 /

Эксперимент ин1

20

40

60

100 120 Время, МКС

140

160

ПО

200

Рис.5. Сопоставление осциллограмм напряжений в нейтрали трансформатора - восстановленной частотным методом с ограничением спектра и экспериментальной в действующей сети

Таким образом, для импульсных воздействий на трансформатор его передаточные коэффициенты в направлении «ввод - нейтраль» существенно зависят от формы воздействий. При этом частотный метод определения реакции по заданному импульсному воздействию может привести к значительной погрешности. Этот факт можно объяснить проявлением волновых свойств обмоток трансформаторов.

Определение перенапряжений в нейтрали трансформаторов при ударах молнии в ВЛ на различном удалении от подстанции выполнено на модели участка сети, приведенной в докладе «Регистрация грозовых перенапряжений на подстанции».

і=0

Формирование грозовых волн, набегающих на подстанцию, выполнено с учетом перекрытий изоляции ВЛ на опорах по обеим сторонам от точки удара молнии в провод.

Расчет перенапряжений в нейтрали выполнен по спектрам перенапряжений на вводах силового трансформатора с учетом выше указанных особенностей частотного метода. Поэтому в расчетах использованы характеристики передаточного коэффициента трансформатора Кш, полученного по экспериментальным регистрациям в опытах с моделью ОПН (1). Результаты расчетов для вариантов ударов молнии амплитудой 30 и 60 кА на удалениях 2 и 12 км от подстанции сведены в таблице.

При варьировании условий формирования грозовых волн рассмотрено влияние величины сопротивления заземления опор Rзи, на которых происходит перекрытие изоляции. Для проверки особенностей развития перенапряжений расчеты выполнены для двух типов подстанций: тупиковая с одним

трансформатором и одним комплектом ОПН (1 блок), транзитная с двумя силовыми трансформаторами и двумя ВЛ (2 блока с автоматической перемычкой).

Таблица

Грозовые перенапряжения в нейтрали силовых трансформаторов

Амплитуда тока молнии Сопротивление заземления опор ВЛ Напряжение на нейтрали трансформатора, кВ

расстояние до точки удара молнии 2 км расстояние до точки удара молнии 12 км

1 блок 2 блока 1 блок 2 блока

1м = 30 кА Язи = 30 Ом 217.0 209.2 203.0 197.0

Язи = 60 Ом 243.2 219.0 236.0 228.0

Язи = 120 Ом 245.0 227.0 291.0 280.0

!м =60 кА Язи = 30 Ом 239.7 223.0 244.0 235.0

Язи = 60 Ом 250.3 233.0 302.0 290.0

Язи = 120 Ом 267.0 240.0 357.0 345.5

По результатам расчетов перенапряжений в нейтралях силовых трансформаторов можно выделить следующие особенности:

• наибольшую величину перенапряжения в расчетных случаях достигают через 60-70 мкс после появления грозовой волны;

• перенапряжения превышают величину остающегося напряжения на ОПН, защищающих силовой трансформатор;

• отмечается эффект увеличения перенапряжений в нейтрали трансформатора при удалении точки удара молнии.

Проявление последней особенности усиливается при увеличении амплитуды тока молнии и при увеличении сопротивления заземления опор. Так при токе молнии 60 кА и сопротивлениях заземления опор Rзи, равных 60 и 12 Ом, амплитуда перенапряжений в нейтрали трансформатора тупиковой подстанции увеличивается до 302 и 357 кВ соответственно (при ударе молнии в ВЛ на удалении 12 км), т.е. на 52 и 90 кВ выше, чем при ударе молнии на удалении 2 км. Этот эффект можно объяснить увеличением тока, ответвляемого от точки удара молнии через провода ВЛ в ОПН подстанции.

Как видно, уменьшение перенапряжений при удалении точки удара молнии имеет неоднозначный характер. Это объясняется изменением скорости нарастания напряжения на изоляции ВЛ и, соответственно, изменением запаздывания ее перекрытий. Значительное увеличение перенапряжений наблюдается при ударах молнии в конце тросового подхода, что объясняется процессами стекания тока молнии через опоры, объединенные грозозащитным тросом. Таким образом, увеличение длины тросового подхода способствует снижению энергии грозовых волн, но не на фронте, а на спаде волны.

Выводы

1. При применении частотного метода для определения реакции трансформаторов на импульсное воздействие следует учитывать, что передаточные коэффициенты трансформатора в направлении «ввод - нейтраль» существенно зависят от формы воздействий. Это может существенно увеличить погрешность расчета формы и величины напряжений.

2. При оценке опасности перенапряжений на изолированных нейтралях силовых трансформаторов необходимо выполнять расчеты со значительным увеличением расчетного времени и учитывать удаление точки удара молнии, конструктивное исполнение участка ВЛ (наличие троса, соединений с другими опорами, с подстанцией и т.п.), а также сопротивление заземления опор и вероятность многократных перекрытий изоляции ВЛ.

Литература

1. Проблемы и перспективы регистрации грозовых перенапряжений в действующей сети / Д.И.Власко, А.О.Востриков, А.П.Домонов, Ю.М.Невретдинов // Труды Кольского научного центра РАН. Вып.5: Энергетика. 2011. С. 54-64.

2. Перенапряжения в нейтрали силовых трансформаторов 6-220 кВ и методы их ограничения / Ф.Г.Алиев, А.К.Горюнов, А.НЕвсеев, АИ.Таджибаев. Ф.Х.Халилов. СПб.: Изд. ПЭИПК, 2001. 120 с.

Сведения об авторах

Власко Денис Игоревич,

стажер-исследователь лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: den-energy@vandex.ru

Востриков Александр Олегович,

лаборант лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: vostrik-aleksandr@vandex.ru

Невретдинов Юрий Масумович,

заведующий лабораторией надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.

Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: vmnevr@mail. ru