СПОСОБ РЕЗИСТИВНО-ТИРИСТОРНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА
METHOD OF POWER TRANSFORMER NEUTRAL LINE RESISTIVE-THYRISTOR EARTHING

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для защиты силовых трансформаторов электрических станций и подстанций электрических сетей с номинальным напряжением 110 кВ и выше от воздействия геоиндуцированных токов в периоды геомагнитной активности при возмущениях космической погоды.
Известен способ резистивно-тиристорного заземления нейтрали силового трансформатора через токоограничивающий резистор и тиристорный ключ, заключающийся в том, что при возникновении аномальных и аварийных ситуаций осуществляют коммутацию тиристорного ключа [1].
Известный способ позволяет осуществлять переход из режима изолированной нейтрали в режим резистивного заземления при возникновении аномальных и аварийных ситуаций и обратный переход при восстановлении нормального режима в электрической сети. Режим изолированной нейтрали полностью исключает возможность протекания геоиндуцированных токов по обмоткам высокого напряжения силового трансформатора, а режим резистивного заземления позволяет ограничить величину геоиндуцированных токов. Однако режим изолированной нейтрали недопустим в электрических сетях с номинальным напряжением выше 110 кВ, поскольку класс изоляции нейтрали обмоток высокого напряжения силовых трансформаторов не превышает 35 кВ. Указанное обстоятельство ограничивает номенклатуру защищаемых от воздействия геоиндуцированных токов силовых трансформаторов.
Наиболее близким к предлагаемому является способ активного заземления нейтрали силового трансформатора через тиристорный ключ, заключающийся в том, что управляющие импульсы подают при отсутствии геомагнитных возмущений, обеспечивая непрерывную проводимость тиристорного ключа, и блокируют при возникновении геомагнитных возмущений [2].
Известный способ обеспечивает защиту силового трансформатора от воздействия геоиндуцированных токов путем перехода из режима глухозаземленной нейтрали, который поддерживается при отсутствии геомагнитных возмущений, в режим изолированной нейтрали в периоды геомагнитной активности при возмущениях космической погоды. Однако режим работы силового трансформатора с изолированной нейтралью возможен только в электрических сетях с номинальным напряжением до 110 кВ включительно и недопустим в электрических сетях с номинальным напряжением выше 110 кВ. Это существенно ограничивает номенклатуру силовых трансформаторов, защита которых от воздействия геоиндуцированных токов может быть реализована известным способом. Кроме того, изменение режима заземления нейтрали осуществляется без учета изменения состояния магнитной системы силового трансформатора под воздействием геоиндуцированных токов, что не исключает возможности одностороннего насыщения и увеличения потерь реактивной мощности.
Цель предлагаемого изобретения заключается в расширении номенклатуры силовых трансформаторов, защищаемых от воздействия геоиндуцированных токов, и ограничении потерь реактивной мощности при возрастании интенсивности геомагнитных возмущений.
р
р
р
P
р
р
Поставленная цель достигается тем, что последовательно соединяют три тиристорных ключа, каждый из которых шунтируют низкоомным резистором, контролируют степень возмущенности геомагнитного поля по величине постоянной составляющей тока нейтрали, а наступление одностороннего насыщения магнитной системы по появлению второй гармоники в составе фазного тока, сравнивают текущее значение постоянной составляющей тока нейтрали со шкалой фиксированных значений геоиндуцированных токов, соответствующей шкале значений К-индекса геомагнитной возмущенности, и обеспечивают подачу управляющих импульсов на все тиристорные ключи в периоды спокойного (К<2) и слабовозмущенного (К=2,3) геомагнитного поля, а в случае появления второй гармоники фазного тока блокируют подачу управляющих импульсов на один тиристорный ключ при возмущенном состоянии (K=4) геомагнитного поля, на два тиристорных ключа при геомагнитной буре (К=5,6), на три тиристорных ключа при сильной геомагнитной буре (К>7) и возобновляют подачу управляющих импульсов на все тиристорные ключи после прекращения геомагнитных возмущений.
На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство содержит три последовательно соединенных тиристорных ключа 1.1, 1.2 и 1.3, каждый из которых шунтирован низкоомным резистором 2.1, 2.2 и 2.3 соответственно. Тиристорный ключ 1.1 образован встречно-параллельно соединенными силовыми тиристорами 3.1 и 4.1. Аналогичным образом тиристорный ключ 1.2 образован силовыми тиристорами 3.2 и 4.2, а тиристорный ключ 1.3 - силовыми тиристорами 3.3 и 4.3. Общий вывод тиристорного ключа 1.1 и низкоомного резистора 2.1 соединен с нейтралью обмоток высокого напряжения силового трансформатора 5, а общий вывод тиристорного ключа 1.3 и низкоомного резистора 2.3 заземлен через датчик постоянного тока 6, выход которого соединен с входом инвертирующего триггера Шмитта 7. Передаточная характеристика инвертирующего триггера Шмитта 7 обладает гистерезисом, благодаря которому порог переключения  из состояния логической «1» в состояние логического «0» на выходе превышает порог возврата  в исходное состояние, т.е. В одной из обмоток высокого напряжения силового трансформатора 5 установлен датчик второй гармоники фазного тока 8, выход которого соединен с входом неинвертирующего триггера Шмитта 9. Передаточная характеристика неинвертирующего триггера Шмитта 9 также обладает гистерезисом, благодаря которому порог переключения  из состояния логического «0» в состояние логической «1» на выходе превышает порог возврата  в исходное состояние, т.е.  Порог переключения  определяет допустимую величину второй гармоники фазного тока обмотки высокого напряжения силового трансформатора 5.
Каждый тиристорный ключ 1.1, 1.2 и 1.3 снабжен индивидуальным каналом управления 10.1, 10.2 и 10.3 соответственно. В свою очередь, каждый канал управления 10.1, 10.2 и 10.3 содержит соответственно формирователь управляющих импульсов 11.1, 11.2 и 11.3, асинхронный RS-триггер 12.1, 12.2 и 12.3, двухвходовый конъюнктор 13.1, 13.2 и 13.3, аналоговый компаратор 14.1, 14.2 и 14.3.
Выходы формирователей управляющих импульсов 11.1, 11.2 и 11.3 подключены к управляющим электродам силовых тиристоров 3.1 и 4.1, 3.2 и 4.2, 3.3 и 4.3 тиристорных ключей 1.1, 1.2 и 1.3 соответственно. Входы «Пуск» и «Стоп» формирователей управляющих импульсов 11.1, 11.2 и 11.3 соединены соответственно с прямым «Q» и инверсным  выходами асинхронных RS-триггеров 12.1, 12.2 и 12.3. Установочные входы «S» асинхронных RS-триггеров 12.1, 12.2 и 12.3 объединены между собой и подключены к выходу инвертирующего триггера Шмитта 7. Установочные входы «R» асинхронных RS-триггеров 12.1, 12.2 и 12.3 соединены с выходами двухвходовых конъюнкторов 13.1, 13.2 и 13.3 соответственно.
По одному из входов двухвходовых конъюнкторов 13.1, 13.2 и 13.3 объединены между собой и подключены к выходу неинвертирующего триггера Шмитта 9. Свободный вход каждого двухвходового конъюнктора 13.1, 13.2 и 13.3 соединен с выходом аналогового компаратора 14.1, 14.2 и 14.3 соответственно.
I
II
III
Прямые входы аналоговых компараторов 14.1, 14.2 и 14.3 объединены между собой и подключены к выходу датчика постоянного тока 6. На инверсный вход аналогового компаратора 14.1 подается сигнал уставки U - «возмущенное геомагнитное поле». На инверсный вход аналогового компаратора 14.2 подается сигнал уставки U - «геомагнитная буря». На инверсный вход аналогового компаратора 14.3 подается сигнал уставки U - «сильная геомагнитная буря». Уровни сигналов уставок на инверсных входах аналоговых компараторов 14.1, 14.2, 14.3 и порог переключения  инвертирующего триггера Шмитта 7 должны выбираться в соответствии с неравенством
Предлагаемый способ резистивно-тиристорного заземления нейтрали силового трансформатора заключается в следующем.
При возмущениях космической погоды в обмотках высокого напряжения силовых трансформаторов, имеющих заземленную нейтраль и соединенных с фазными проводами протяженных воздушных линий электропередач, протекают геоиндуцированные токи. Величина геоиндуцированных токов в обмотках высокого напряжения силовых трансформаторов существенно зависит от топологии и пространственной ориентации примыкающей электрической сети, а частота геоиндуцированных токов не превышает 0,1 Гц. Поэтому на интервалах десятков и даже сотен периодов сетевого напряжения величина геоиндуцированных токов остается практически постоянной.
p
ГИТ
(=)
В периоды спокойного геомагнитного поля (K<2) геоиндуцированные токи I в обмотках высокого напряжения силового трансформатора 5 отсутствуют и выходной сигнал U датчика постоянного тока 6 имеет нулевое значение
(=)
где K - коэффициент передачи «вход-выход» датчика постоянного тока 6.
ф
ф(2)
(2)
При отсутствии геоиндуцированных токов не происходит одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 5. В составе фазного тока I обмоток высокого напряжения отсутствуют четные гармоники, в том числе и наиболее значимая вторая гармоника I. Поэтому выходной сигнал U датчика второй гармоники фазного тока 8 также имеет нулевое значение
(2)
где К - коэффициент передачи «вход-выход» датчика второй гармоники фазного тока 8.
(=)
(2)
При U≅0 и U≅0 на выходе инвертирующего триггера Шмитта 7 устанавливается сигнал логической «1», а на выходе неинвертирующего триггера Шмитта 9 устанавливается сигнал логического «0». На выходах аналоговых компараторов 14.1, 14.2 и 14.3 также устанавливаются сигналы логического «0». При нулевых значениях входных сигналов на выходах двухвходовых конъюнкторов 13.1, 13.2 и 13.3 устанавливаются сигналы логического «0». Таким образом, формируется комбинация сигналов, R=0, S=1, которая устанавливает все асинхронные RS-триггеры 12.1, 12.2 и 12.3 в единичное состояние
Комбинации выходных сигналов Q=1,  асинхронных RS-триггеров 12.1, 12.2 и 12.3 служат командами «Пуск» для формирователей управляющих импульсов 11.1, 11.2 и 11.3. На силовые тиристоры 3.1 и 4.1, 3.2 и 4.2, 3.3 и 4.3 подаются управляющие импульсы, обеспечивающие непрерывную проводимость тиристорных ключей 1.1, 1.2 и 1.3. Создается режим глухозаземленной нейтрали силового трансформатора 5, поскольку дифференциальное сопротивление силовых тиристоров 3.1 и 4.1, 3.2 и 4.2, 3.3 и 4.3 в проводящем состоянии (не более единиц, десятков мОм в зависимости от конкретного типа полупроводникового прибора) многократно меньше сопротивлений (единицы, десятки Ом) низкоомных резисторов 2.1, 2.2 и 2.3.
Через тиристорные ключи 1.1, 1.2 и 1.3 протекает ток нулевой последовательности, обусловленный несимметрией фазных напряжений обмоток высокого напряжения силового трансформатора 5. Действующее значение тока нулевой последовательности определяется выражением
(0)
ном
Т(0)
U(0)
где U - действующее значение напряжения нулевой последовательности; U - номинальное линейное напряжение обмоток высокого напряжения силового трансформатора 5; х - сопротивление нулевой последовательности силового трансформатора 5; K коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (нормально допустимое значение по ГОСТ 32144-2013 составляет 2%, а предельно допустимое значение - 4%).
При указанном на фиг. 1 направлении тока нулевой последовательности его положительная полуволна протекает через силовые тиристоры 4.1, 4.2 и 4.3, а отрицательная полуволна протекает через силовые тиристоры 3.1, 3.2 и 3.3.
р
(=)
При слабовозмущенном геомагнитном поле (К=2,3) в обмотках высокого напряжения силового трансформатора 5 появляются геоиндуцированные токи, а выходной сигнал U датчика постоянного тока 6 начинает отличаться от нулевого значения. Когда  на выходе инвертирующего триггера 7 и соответственно на входах «S» асинхронных RS-триггеров 12.1, 12.2 и 12.3 устанавливаются сигналы логического «0».
(2)
Если одностороннее насыщение магнитной системы силового трансформатора 5 будет начинаться уже в условиях слабовозмущенного геомагнитного поля, то в составе фазного тока обмоток высокого напряжения появится вторая гармоника, а на выходе датчика второй гармоники фазного тока 8 - сигнал U, величина которого определяется выражением (2). При  состояние неинвертирующего триггера Шмитта 9 не изменится. При  на выходе неинвертирующего триггера Шмитта 9 установится сигнал логической «1», однако на выходах двухвходовых конъюнкторов 13.1, 13.2 и 13.3 сохранятся сигналы логического «0».
Таким образом, на входах асинхронных RS-триггеров 12.1, 12.2 и 12.3 устанавливается комбинация сигналов S=0, R=0. В этом случае переключения не происходит и асинхронные RS-триггеры 12.1, 12.2 и 12.3 остаются в единичном состоянии. В результате сохраняется режим «Пуск» формирователей управляющих импульсов 11.1, 11.2 и 11.3 и соответственно продолжает поддерживаться режим глухозаземленной нейтрали силового трансформатора 5.
р
По мере усиления геомагнитной активности и увеличения индекса геомагнитной возмущенности до значения К=4 (возмущенное геомагнитное поле) возрастают геоиндуцированные токи, протекающие по обмоткам высокого напряжения силового трансформатора 5. Как следует из выражения (1), выходное напряжение датчика постоянного тока 6 также возрастает. При увеличении до значений, удовлетворяющих неравенству
(2)
на выходе аналогового компаратора 14.1 и соответственно на входе двухвходового конъюнктора 13.1 устанавливается сигнал логической «1». По мере увеличения глубины одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 5 возрастает и уровень выходного сигнала U датчика второй гармоники фазного тока 8, удерживая неинвертирующий триггер Шмитта 9 в единичном состоянии и устанавливая на выходе двухвходового конъюнктора 13.1 сигнал логической «1». В результате формируются установочные сигналы R=1, S=0, которые сбрасывают асинхронный RS-триггер 12.1 в нулевое состояние Q=0,  Комбинация выходных сигналов Q=0,  асинхронного RS-триггера 12.1 служит командой «Стоп» для формирователя управляющих импульсов 11.1. Подача управляющих импульсов на силовые тиристоры 3.1, 4.1 прекращается. Тиристорный ключ 1.1 запирается, а нейтраль силового трансформатора 5 заземляется через низкоомный резистор 2.1 и тиристорные ключи 1.2 и 1.3.
ГИТ(R)
ГИТ(⊥)
Таким образом, в условиях геомагнитной активности, соответствующей возмущенному состоянию геомагнитного поля, силовой трансформатор 5 начинает работать в режиме резистивного заземления нейтрали. Величина геоиндуцированных токов уменьшается низкоомным резистором 2.1. Степень уменьшения геоиндуцированных токов в режиме резистивного заземления (I) по сравнению с режимом глухозаземленной нейтрали (I) характеризует отношение:
Σ
где R - сопротивление низкоомного резистора 2.1; r - суммарное активное сопротивление контура протекания геоиндуцированных токов (обмоток высокого напряжения силового трансформатора 5, фазных проводов примыкающей воздушной линии, заземляющего устройства);  - относительная величина сопротивления низкоомного резистора 2.1.
(2)
(=)
(2)
Работа силового трансформатора 5 в режиме резистивного заземления нейтрали через низкоомный резистор 2.1 продолжится до тех пор, пока геомагнитное поле не вернется в спокойное или слабовозмущенное состояние. Снижение геомагнитной активности будет сопровождаться уменьшением выходных сигналов U и U датчика второй гармоники фазного тока 8 и датчика постоянного тока 6. Первым достигнет нулевого уровня выходной сигнал U датчика второй гармоники фазного тока 8. Несколько раньше, когда  неинвертирующий триггер Шмитта 9 вернется в исходное состояние логического «0» на выходе. Однако нулевое состояние асинхронного RS-триггера 12.1 при этом сохраняется неизменным. Соответственно не снимается команда «Стоп» для формирователя управляющих импульсов 11.1.
(=)
Только после снижения выходного сигнала U до уровня, удовлетворяющего условию  инвертирующий триггер Шмитта 7 благодаря гистерезису передаточной характеристики вернется в исходное состояние логической «1» на выходе. При этом формируется комбинация установочных сигналов R=0, S=1, которая возвращает асинхронный RS-триггер 12.1 в единичное состояние, возобновляя команду «Пуск» для формирователя управляющих импульсов 11.1 и подачу управляющих импульсов на силовые тиристоры 3.1, 4.1. Тиристорный ключ 1.1 включится, возвращая силовой трансформатор 5 в режим глухозаземленной нейтрали.
p
(=)
При дальнейшем усилении возмущений космической погоды до уровня геомагнитной бури (K=5,6) ограничения (5) может оказаться недостаточным и увеличение геоиндуцированных токов продолжится, вызывая пропорциональное увеличение выходного сигнала U датчика постоянного тока 6. При выполнении условия
на выходе аналогового компаратора 14.2 устанавливается сигнал логической «1», вызывая появление логической «1» на выходе двухвходового конъюнктора 13.2. Возникает комбинация установочных сигналов R=1, S=0, которая сбрасывает асинхронный RS-триггер 12.2 в нулевое состояние Q=0,  На формирователь управляющих импульсов 11.2 подается команда «Стоп», прекращая подачу управляющих импульсов на силовые тиристоры 3.2, 4.2. Тиристорный ключ 1.2 выключается и силовой трансформатор 5 переходит в режим резистивного заземления нейтрали через низкоомные резисторы 2.1 и 2.2. Степень уменьшения геоиндуцированных токов при одинаковых сопротивлениях низкоомных резисторов 2.1, 2.2 будет определяться отношением
(2)
Если снижение геоиндуцированных токов окажется достаточным для прекращения одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 5 и снижения выходного сигнала U датчика второй гармоники фазного тока 8 до нулевого значения, режим резистивного заземления через низкоомные резисторы 2.1 и 2.2 сохранится до нарушения условия (6).
По мере снижения геомагнитной активности режим резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 5 через два низкоомных резистора 2.1, 2.2 перейдет в режим резистивного заземления нейтрали через низкоомный резистор 2.1 пока выполняется условие (4) и только после этого в режим глухозаземленной нейтрали.
р
(=)
В случае усиления возмущений космической погоды до уровня сильной геомагнитной бури (К>7) и недостаточности ограничения (7) произойдет дальнейшее увеличение геоиндуцированных токов и пропорциональное увеличение выходного сигнала U датчика постоянного тока 6. При выполнении условия
произойдет переключение аналогового компаратора 14.3 и появление логической «1» на выходе двухвходового конъюнктора 13.3. Формируется комбинация установочных сигналов R=0, S=1, которая сбрасывает асинхронный RS-триггер 12.3 в нулевое состояние Q=0,  Для формирователя управляющих импульсов 11.3 подается команда «Стоп», которая прекращает подачу управляющих импульсов на силовые тиристоры 3.3 и 4.3. Выключается тиристорный ключ 1.3 и силовой трансформатор 5 переходит в режим резистивного заземления через низкоомные резисторы 2.1, 2.2 и 2.3. При одинаковых сопротивлениях низкоомных резисторов 2.1, 2.2 и 2.3 кратность снижения геоиндуцированных токов будет определяться выражением
(=)
В последующем режим резистивного заземления силового трансформатора 5 будет сохраняться независимо от состояния магнитной системы (даже после устранения одностороннего насыщения) до возвращения геомагнитного поля в спокойное или слабовозмущенное состояние. По мере снижения геомагнитной активности и соответственно уровня выходного сигнала U датчика постоянного тока 6 режим заземления нейтрали силового трансформатора 5 через низкоомные резисторы 2.1, 2.2 и 2.3 будет сохраняться до выполнения условия
В таблице 1 показана последовательность изменений режима заземления нейтрали силового трансформатора 5 по мере нарастания геомагнитной активности от спокойного состояния геомагнитного поля до сильной геомагнитной бури, а затем снижения геомагнитной активности (символом «⊥» обозначен режим глухозаземленной нейтрали, символами «R», «2R», «3R» - режимы резистивного заземления через один, два и три низкоомных резистора соответственно).
р
Как видно, по мере усиления геомагнитной активности происходит последовательное увеличение сопротивления резистивного заземления, повышая эффективность ограничения геоиндуцированных токов и снижая глубину одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 5. Следует обратить внимание, что резистивное заземление с максимальной величиной сопротивления «3R» сохраняется неизменным и после прохождения пика геомагнитных возмущений вплоть до практически полного окончания. Данное обстоятельство дополнительно сокращает продолжительность одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 5, снижая интенсивность воздействия геоиндуцированных токов. Если интенсивность геомагнитных возмущений соответствует только геомагнитной буре, то резистивное заземление ограничивается величиной сопротивления «2R», которое и сохраняется до окончания геомагнитной активности. Если интенсивность геомагнитных возмущений ограничивается величиной индекса только К=4, то резистивное заземление с величиной сопротивления «R» сохранится до окончания геомагнитной активности.
(0)
(0)
(0)
(0)
(0)
В режиме резистивного заземления с величиной сопротивления тиристорный ключ 1.1 должен выдерживать приложение напряжения нулевой последовательности U. В режиме резистивного заземления с величиной сопротивления «2R» напряжение нулевой последовательности U делится между тиристорными ключами 1.1 и 1.2, т.е. к каждому тиристорному ключу прикладывается напряжение U/2. В режиме резистивного заземления с величиной сопротивления «3R» напряжение нулевой последовательности U делится между тремя тиристорными ключами 1.1, 1.2 и 1.3. Соответственно к каждому тиристорному ключу будет прикладываться напряжение U/3.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет создавать в условиях спокойного и слабовозмущенного геомагнитного поля режим глухозаземленной нейтрали, а в случае более интенсивных геомагнитных возмущений - режим резистивного заземления. Этим обеспечивается расширение номенклатуры силовых трансформаторов, защищаемых от воздействия геоиндуцированных токов, поскольку предлагаемый способ может использоваться в электрических сетях 220 кВ и выше. Увеличение сопротивления резистивного заземления по мере усиления геомагнитной активности и последующее сохранение достигнутой величины сопротивления до практически полного окончания геомагнитных возмущений ограничивает глубину и продолжительность одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 5. Этим достигается положительный эффект, который заключается в уменьшении потерь реактивной мощности при увеличении интенсивности геомагнитных возмущений.
Источники информации
1. 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.
2. Патент РФ №2563342, МКИ H01F 27/42, Н02Н 3/20, Н02Н 9/00. Способ активного заземления нейтрали силового трансформатора / А.А. Кувшинов, В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, Т.А. Рыбалко. - Заявлено 26.02.2014; опублик. 10.09.2015.