Способ мониторинга геоиндуцированного тока в нейтрали силового трансформатора и управления режимом заземления
METHOD FOR MONITORING GEO-INDUCED CURRENT IN THE NEUTRAL OF POWER TRANSFORMER AND FOR CONTROLLING THE GROUNDING MODE

Изобретение относится к области электротехники и 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 геомагнитных возмущений.
Известен способ мониторинга геоиндуцированного тока в нейтрали силового трансформатора и управления режимом заземления, заключающийся в том, что сигнал падения напряжения на измерительном шунте, пропорциональный току нейтрали, передают по измерительному кабелю в диспетчерский пункт, фильтром нижних частот выделяют составляющую сигнала падения напряжения, пропорциональную величине геоиндуцированного тока, которую усиливают и подают на регистрирующее устройство [1].
Известный способ обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку мониторинг только величины геоиндуцированного тока оказывается недостаточным для идентификации текущего состояния силового трансформатора по критерию наличия или отсутствия одностороннего насыщения магнитной системы. Это объясняется тем, что смещение режима перемагничивания в область технического насыщения зависит не только от величины геондуцированного тока, но и от уровня напряжения в примыкающей электрической сети, который может изменяться при изменениях графика нагрузки. В периоды максимальной нагрузки и соответственно пониженных уровней напряжения насыщение магнитной системы силового трансформатора будет происходить при большей величине геоиндуцированного тока, чем в периоды минимальной нагрузки и соответственно повышенных уровней напряжения в примыкающей электрической сети. Поэтому известный способ не позволяет установить опасные для силового трансформатора при текущем режиме примыкающей электрической сети уровни геоиндуцированного тока, вызывающие насыщение магнитной системы. Кроме того, отсутствие гальванической развязки между измерительным шунтом и фильтром нижних частот при значительной протяженности измерительного кабеля, обусловленное удаленностью диспетчерского пункта от силового трансформатора, снижает помехозащищенность измерительного тракта и увеличивает погрешность измерения геоиндуцированного тока. Указанные факторы не позволяют принимать адекватные диспетчерские решения по корректировке режима работы силового трансформатора в условиях геомагнитных возмущений, например, по снижению нагрузки, изменению режима заземления нейтрали и даже отключению от электрической сети при экстремально высокой интенсивности геомагнитных возмущений.
Известен способ мониторинга геоиндуцированного тока в нейтрали силового трансформатора датчиком тока с ячейкой Холла, установленном на шине, соединяющей вывод нейтрали с контуром заземления, заключающийся в том, что осуществляют аналого-цифровое преобразование с последующей цифровой фильтрацией аналогового сигнала датчика тока и передают полученный цифровой код геоиндуцированного тока по измерительному кабелю в диспетчерский пункт [2].
Известный способ обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку не позволяет определять опасные для силового трансформатора уровни геоиндуцированного тока, вызывающие насыщение магнитной системы в условиях изменяющегося режима примыкающей электрической сети и поэтому не позволяет принимать адекватные диспетчерские решения по корректировке режима работы силового трансформатора в условиях геомагнитных возмущений, например, по снижению нагрузки или даже отключению от электрической сети. Кроме того, первичная цифровая обработка аналогового сигнала датчика тока в условиях интенсивных электромагнитных помех, создаваемых силовым трансформатором (частичными разрядами в изоляции, коронированием ошиновки и др.), подвержена возникновению как эпизодических, так и повторяющихся ошибок в различных разрядах формируемого цифрового кода, которые увеличивают погрешность измерения геоиндуцированного тока.
Наиболее близким к предлагаемому является способ мониторинга геоиндуцированного тока в нейтрали силового трансформатора и управления режимом заземления через параллельно соединенные токоограничивающий резистор и тиристорный ключ с двухпозиционным гистерезисным управлением состояний «включен-выключен», заключающийся в том, что обеспечивают исходное состояние «включен» тиристорного ключа подачей управляющих импульсов, контролируют ток нейтрали датчиком тока на эффекте Холла, фиксируют появление геоиндуцированного тока фильтром нижних частот, шестой гармоники тока намагничивания полосовым фильтром и прекращают подачу управляющих импульсов, переводя тиристорный ключ в состояние «выключен» [3].
Известный способ обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку информация о текущем состоянии режима заземления нейтрали и состоянии магнитной системы («насыщена» - «не насыщена») силового трансформатора не передается в диспетчерский пункт. Данное обстоятельство не позволяет оперативно принимать диспетчерские решения по корректировке режима работы силового трансформатора в условиях геомагнитных возмущений, например, по снижению нагрузки, если в режиме резистивного заземления продолжается насыщение магнитной системы даже под воздействием остаточного геоиндуцированного тока. Кроме того, в условиях значительных вариаций интенсивности геомагнитных возмущений, имеющих обычно вид последовательности всплесков различной амплитуды и продолжительности (не менее нескольких минут), возможны многократные прерывания режима резистивного заземления нейтрали силового трансформатора. Это объясняется тем, что на интервале снижения интенсивности текущего всплеска геомагнитных возмущений могут возникать условия для возобновления подачи управляющих импульсов, перевода тиристорного ключа в состояние «включен» и перехода в режим глухозаземленной нейтрали. На интервале возрастания интенсивности очередного всплеска геомагнитных возмущений могут возникать условия для блокирования управляющих импульсов и возобновления режима резистивного заземления нейтрали силового трансформатора. Указанные обстоятельства дополнительно ограничивают функциональные возможности известного способа по защите силового трансформатора от насыщения магнитной системы под воздействием геоиндуцированных токов.
Цель предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения устойчивости режима резистивного заземления нейтрали и инструментальной поддержки принятия обоснованных диспетчерских решений по корректировке режима работы силового трансформатора в условиях значительных вариаций интенсивности геомагнитных возмущений.
Поставленная цель достигается тем, что порог блокирования управляющих импульсов выбирают по критерию возрастания геоиндуцированного тока и шестой гармоники тока намагничивания до значения амплитуды паспортного тока холостого хода силового трансформатора и поддерживают состояние «выключен» тиристорного ключа в течение предварительно заданного интервала времени продолжительностью не менее (3-4) периодов изменения наиболее «медленной» частотной компоненты (f=0,001Гц) геоиндуцированного тока, вычисляют мощность намагничивания силового трансформатора путем масштабирования геоиндуцированного тока, подвергают преобразованию «напряжение - частота» аналоговые сигналы геоиндуцированного тока и мощности намагничивания в две импульсные последовательности, одна с частотой следования импульсов, пропорциональной величине геоиндуцированного тока, другая с частотой следования импульсов пропорциональной величине мощности намагничивания, и по интерфейсам «токовая петля» осуществляют передачу в диспетчерский пункт логического сигнала о режиме заземления нейтрали силового трансформатора непрерывно, а импульсных сигналов геоиндуцированного тока и мощности намагничивания только при состоянии «выключен» тиристорного ключа.
На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ. На фиг. 2 представлен алгоритм функционирования устройства, реализующего предлагаемый способ.
На фиг. 3 показана временная диаграмма вариаций геоиндуцированного тока в фазной обмотке высокого напряжения силового трансформатора на интервале одного часа, полученная во время геомагнитной бури 13-14 марта 1989 г. (IEEE Guide for Establishing Power Transformer Capability while under Geomagnetic Disturbances. IEEE Std.C57.163-2015).
На фиг. 4 показаны идеализированные временные диаграммы геоиндуцированного тока и шестой гармоники тока намагничивания на интервале одного из выбросов в режиме глухозаземленной нейтрали (а), в режиме резистивного заземления нейтрали с остаточной величиной геоиндуцированного тока, достаточной для насыщения магнитной системы силового трансформатора (б), в режиме резистивного заземления нейтрали с остаточной величиной геоиндуцированного тока, не вызывающей насыщения магнитной системы силового трансформатора (в).
На фиг. 5 показаны временные диаграммы, поясняющие функционирование основных элементов устройства, реализующего предполагаемы способ.
Устройство содержит силовой блок 1, включенный между нейтралью обмоток высокого напряжения силового трансформатора 2 и контуром заземления, канал мониторинга 3 гармонических составляющих тока нейтрали, канал управления 4 режимом заземления нейтрали, проводные линии 5, 6 и 7 интерфейсов «токовая петля» канала мониторинга 3 с диспетчерским пунктом 8.
В состав силового блока 1 входят токоограничивающий резистор 9 и тиристорный ключ 10, соединенные между собой параллельно. Тиристорный ключ 10 образован встречно-параллельно соединенными силовыми тиристорами 11, 12. На шине, соединяющей общий вывод токоограничивающего резистора 9 и тиристорного ключа 10 с контуром заземления, установлен датчик тока 13 на эффекте Холла.
В состав канала мониторинга 3 гармонических составляющих тока нейтрали силового трансформатора 2 входят фильтр нижних частот 14 и полосовой фильтр 15, входы которых подключены к измерительному выводу «М» датчика тока 13 на эффекте Холла. Выход фильтра нижних частот 14 соединен с входом преобразователя «напряжение - частота» 16 и масштабирующего усилителя 17, выход которого соединен с входом преобразователя «напряжение - частота» 18. В состав канала мониторинга 3 введены передатчики 19, 20 и 21 интерфейсов «токовая петля» с диспетчерским пунктом 8, причем передатчики 20 и 21 снабжены дополнительным входом блокирования передачи данных. Информационный вход передатчика 20 соединен с выходом преобразователя «напряжение - частота» 16, и информационный вход передатчика 21 соединен с выходом преобразователя «напряжение - частота» 18.
Выход передатчика 19 канала мониторинга 3 соединен проводной линией 5 интерфейса «токовая петля» с входом приемника 22 в диспетчерском пункте 8. Выход передатчика 20 канала мониторинга 3 соединен проводной линией 6 интерфейса «токовая петля» с входом приемника 23 в диспетчерском пункте 8. Выход передатчика 21 канала мониторинга 3 соединен проводной линией 7 интерфейса «токовая петля» с входом приемника 24 в диспетчерском пункте 8.
В состав канала управления 4 режимом заземления нейтрали силового трансформатора 2 входит автоколебательный генератор 25 управляющих импульсов, импульсные выходы «УИ1», «УИ2» которого подключены к управляющим электродам силовых тиристоров 11, 12, а вход запрета генерации «Е» соединен с выходом «Q» асинхронного RS-триггера 26. Установочный вход «S» асинхронного RS-триггера 26 соединен с выходом двухвходового конъюнктора 27, а установочный вход «R» соединен с выходом элемента задержки 28, вход которого через дифференцирующую цепь 29 подключен к потенциальному выходу «Р» автоколебательного генератора 25. К установочному входу «R» асинхронного RS-триггера 26 подключен выход элемента «Сброс» 30, а к потенциальному выходу «Р» автоколебательного генератора 25 подключены информационный вход передатчика 19 и входы блокирования передачи данных передатчиков 20 и 21 канала мониторинга 3. Один из входов двухвходового конъюнктора 27 соединен с выходом регенеративного компаратора 31 с гистерезисной характеристикой переключений, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот 14. Второй вход двухвходового конъюнктора 27 соединен с выходом регенеративного компаратора 32 с гистерезисной характеристикой переключений, выход которого соединен с выходом полосового фильтра 15.
Устройство, реализующее предполагаемый способ, функционирует следующим образом.
При вводе силового трансформатора 2 в работу и появлении напряжения питания  каналов мониторинга 3 и управления 4 элемент «Сброс» 30 осуществляет первоначальную установку асинхронного RS-триггера 26 в исходное нулевое состояние. Сигнал логического «0» на выходе «Q» асинхронного RS-триггера 26 разрешает работу автоколебательного генератора 25 канала управления 4, который формирует непрерывную последовательность коротких управляющих импульсов длительностью (15-20) мкс с частотой повторения 20 кГц на импульсных выходах «УИ1» и «УИ2» и обеспечивает непрерывную проводимость тиристорного ключа 10 за счет поочередного включения и поддержания в проводящем состоянии силовых тиристоров 11 и 12. Дифференциальное сопротивление силовых тиристоров 11, 12 в проводящем состоянии не превышает нескольких десятков мОм и на несколько порядков меньше сопротивления токоограничивающего резистора 9, величина которого может составлять несколько десятков Ом. Поэтому тиристорный ключ 10 в проводящем состоянии силовых тиристоров 11, 12 шунтирует токоограничивающий резистор 9. Таким образом, в исходном режиме при отсутствии геомагнитных возмущений силовой блок 1 обеспечивает режим глухозаземленной нейтрали силового трансформатора 2 за счет поддержания состояний «включен» тиристорного ключа 10 (фиг. 2).
N
Через силовые тиристоры 11, 12 протекает ток нейтрали I силового трансформатора 2, который при отсутствии насыщения магнитной системы и синусоидальном напряжении в примыкающей электрической сети равен
(0)
(0)
(0)
току нулевой последовательности I основной частоты 50 Гц. Ток нулевой последовательности I протекает под воздействием напряжения нулевой последовательности U, величина которого определяется несимметрией фазных напряжений примыкающей электрической сети и соответственно фазных напряжений обмоток высокого напряжения силового трансформатора 2
, (1)
(0)
HOM
U(0)%
где U - действующее значение напряжения нулевой последовательности; U - номинальное междуфазное напряжение примыкающей электрической сети, приложенное к обмоткам высокого напряжения силового трансформатора 2; K - коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности, нормально допустимое значение которого составляет 2%, а предельно допустимое значение - 4%.
С учетом (1) величину тока нулевой последовательности можно определить с помощью соотношения
, (2)
Т(0)
где х - сопротивление нулевой последовательности силового трансформатора 2.
Сопротивление нулевой последовательности силовых трансформаторов со схемой соединения обмоток Yо/Δ
Т
незначительно отличается от индуктивной составляющей х сопротивления короткого замыкания силового трансформатора, что позволяет выражение (2) записать в развернутом виде
, (3)
HOM
K%
где S - номинальная мощность силового трансформатора 2, u - напряжение короткого замыкания силового трансформатора 2, выраженное в процентах.
HOM
HOM
K%
U(0)%
Например, при номинальной мощности S=200 МВА, номинальном напряжении U=220 кВ, напряжении короткого замыкания u=12% ток нулевой последовательности в нейтрали силового трансформатора 2 при нормально допустимой несимметрии (K=2%) фазных напряжений будет составлять
,
U(0)%
а в случае предельно допустимой несимметрии (K=4%) фазных напряжений возрастет до значений
(0)
Через тиристорный ключ 10 ток нулевой последовательности I будет протекать непрерывно - одна полуволна через силовой тиристор 11, а другая полуволна - через силовой тиристор 12.
Ток в нейтрали силового трансформатора 2 непрерывно контролируется (фиг. 2) датчиком тока 13 на эффекте Холла, который позволяет измерять как постоянную, так и переменные составляющие с частотой до 1МГц, обеспечивает гальваническую развязку и преобразует измеряемый ток в пропорциональную величину выходного напряжения
(I)
где К - коэффициент преобразования датчика тока 13 на эффекте Холла.
N
N
При отсутствии геомагнитных возмущений выходное напряжение U датчика тока 13 на эффекте Холла должно содержать только одну составляющую, частота которой равна 50 Гц. Однако даже при отсутствии геомагнитных возмущений в составе тока нейтрали I возможно присутствие нечетных гармоник нулевой последовательности, обусловленных несинусоидальностью тока намагничивания силового трансформатора 2. При отсутствии опытных данных для конкретного типа силового трансформатора 2 можно принять, что при номинальном напряжении наиболее значимые гармоники тока намагничивания имеют следующие количественные соотношения (Васютинский С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. - Л., «Энергия», 1970)
m(к)
где I - амплитуда к-й гармоники тока намагничивания; к=1,3,5,7,9,11… - порядковый номер гармоники тока намагничивания.
(0)
N
Действующее значение паспортных токов холостого хода силовых трансформаторов номинальной мощностью (25÷630) МВА и номинальным напряжением (110÷500) кВ находятся в пределах (0,3÷0,9) % или в именованных единицах (0,77÷6,56) А. В нейтрали силового трансформатора 2 будут протекать только гармоники нулевой последовательности тока намагничивания, т.е. 3-я, 9-я, 15-я и т.д., причем гармоники тока намагничивания нулевой последовательности различных фаз в нейтрали силового трансформатора 2 будут суммироваться. Поэтому амплитуда наиболее значимой 3-й гармоники тока намагничивания в нейтрали силовых трансформаторов различных типов может принимать значения 3·√2·0,5·(0,77÷6,56)=(1,63÷13,92) А. Таким образом, в составе тока нейтрали силового трансформатора возможно присутствие 3-й гармоники тока намагничивания, величина которой однако не превысит 8,75% от значения тока нулевой последовательности I при нормально допустимой несимметрии фазных напряжений примыкающей электрической сети. При такой величине 3-я гармоника тока намагничивания силового трансформатора 2 не окажет заметного влияния на отклонение от синусоидальности тока нейтрали I при отсутствии геомагнитных возмущений.
c
(0)
N(=)
p
N
(0)
N(6)
Частота среза фильтра нижних частот 14 выбирается меньше f≤0,1 Гц максимально возможной частотной составляющей геоиндуцированного тока. Поэтому при протекании через датчик тока 13 на эффекте Холла только тока нулевой последовательности I и «фоновой» величины 3-й гармоники тока намагничивания выходное напряжение фильтра нижних частот 14 практически равно нулю, т.е. U≈0. Резонансная частота полосового фильтра 15 выбирается равной частоте 6-й гармоники (f=300 Гц) тока намагничивания, которая появляется в составе тока нейтрали I только при одностороннем насыщении магнитной системы силового трансформатора 2 под воздействием геоиндуцированных токов. Поэтому при протекании через датчик тока 13 на эффекте Холла только тока нулевой последовательности I и «фоновой» величины 3-й гармоники тока намагничивания выходное напряжение полосового фильтра 15 также практически равно нулю, т.е. U≈0.
B(=)
H(=)
B(6)
H(6)
В этих условиях с выхода фильтра нижних частот 14 на входы преобразователя «напряжение - частота» 16, масштабирующего усилителя 17 канала мониторинга 3 и регенеративного компаратора 31 канала управления 4 поступает сигнал практически нулевого уровня. С выхода полосового фильтра 15 канала мониторинга 3 на вход регенеративного компаратора 32 канала управления 4 также поступает сигнал практически нулевого уровня. Гистерезисная характеристика переключений регенеративного компаратора 31 имеет высокий уровень U порога переключения из состояния логического «0» в состояние логической «1» на выходе и низкий уровень U возврата в состояние логического «0» на выходе (фиг.  1). Гистерезисная характеристика переключений регенеративного компаратора 32 имеет высокий уровень U порога переключения из состояния логического «0» в состояние логической «1» на выходе и низкий уровень U возврата в состояние логического «0» на выходе (фиг.  1).
Пока выполняются условия (фиг. 2)
на выходах регенеративных компараторов 31, 32 и соответственно на входах двухвходового конъюнктора 27 сохраняются сигналы логического «0». На установочном входе «S» асинхронного RS-триггера 26 присутствует сигнал логического «0», сохраняется нулевое состояние Q=0 асинхронного RS-триггера 26 и продолжается работа автоколебательного генератора 25 в режиме формирования управляющих импульсов на импульсных выходах «УИ1», «УИ2» и сигнала логического «0» на потенциальном выходе «Р». В результате поддерживается состояние «включен» тиристорного ключа 10 и режим глухозаземленной нейтрали силового трансформатора 2 (фиг. 2). В этом режиме сигнал логического «0» на потенциальном выходе «Р» автоколебательного генератора 25 поступает на информационный вход передатчика 19 интерфейса «токовая петля», передается по проводной линии 5 и восстанавливается приемником 22 в диспетчерском пункте 8, информируя оперативный персонал о работе силового трансформатора 2 в режиме глухозаземленной нейтрали. Одновременно сигнал логического «0» с потенциального выхода «Р» автоколебательного генератора 25 поступает на входы блокирования передачи данных передатчиков 20 и 21 проводных линий 6 и 7 интерфейса «токовая петля», которые предназначены для передачи информации об опасных уровнях геоиндуцированного тока и величине мощности намагничивания силового трансформатора 2 при насыщении магнитной системы.
р
р
р
р
р
р
р
р
р
р
р
р
Для оценки интенсивности геомагнитных возмущений часто используют планетарный индекс К, который характеризует возмущенность геомагнитного поля в 3-х часовом интервале и выражается в баллах от 0 до 9. Вербально состояние геомагнитного поля в зависимости от значения К - индекса характеризуется как спокойное (К<2), слабовозмущенное (К=2,3), возмущенное (К=4), магнитная буря (К=5,6), сильная магнитная буря (К≥7). Среднее количество геомагнитных возмущений в течение 11-летнего цикла солнечной активности составляет: ≈1700 (К=5); ≈600(К=6); ≈200 (К=7); ≈100 (К=8); ≈4 (К=9).
«Фоновые» значения геоиндуцированного тока, обусловленные слабыми возмущениями геомагнитного поля и недостаточные для насыщения магнитной системы силового трансформатора 2, в диспетчерский пункт 8 не передаются, поскольку в этих случаях отсутствует необходимость в принятии дополнительных диспетчерских решений.
р
ГИТ
I
В периоды геомагнитных возмущений, интенсивность которых характеризуется значением планетарного индекса К≥5, по обмотка высокого напряжения силового трансформатора 2 могут протекать геоиндуцированные токи  (фиг. 1) достаточно большой величины. Реальный характер вариаций геоиндуцированного тока иллюстрирует временная диаграмма (фиг. 3), полученная во время геомагнитной бури 13-14 марта 1989 года.
Как видно, вариации геоиндуцированного тока представляют собой последовательность однополярных выбросов, имеющих форму, близкую к треугольной. Амплитуда выбросов изменяется более чем в 5 раз, а продолжительность составляет не менее (150-200) с. На отдельных временных интервалах геоиндуцированный ток уменьшается до значений (2÷3) А и менее, т.е. до уровня паспортных значений тока холостого хода силового трансформатора. Поэтому между смежными выбросами геоиндуцированного тока возможны продолжительные по сравнению с периодом сетевого напряжения временные интервалы, на которых насыщение магнитной системы силового трансформатора 2 будет прекращаться. Во время таких пауз, сравнительно коротких относительно общей продолжительности геомагнитных возмущений (не менее несколько часов), режим резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 2 должен сохраняться.
I
I
ГИТ(⊥)
x
(
m
)
На фиг. 4(а) представлена идеализированная кривая выброса геоиндуцированного тока  при глухозаземленной нейтрали, амплитуда которого многократно превышает амплитуду  паспортного тока холостого хода силового трансформатора 2. С момента наступления равенства
I
I
ГИТ(⊥)
x(
m
)
=(4)
B
m
начинается одностороннее насыщение магнитной системы силового трансформатора 2. Это объясняется тем, что при амплитудном значении тока холостого хода индукция магнитного поля в стержне магнитной системы увеличивается до значения =(1,6÷1,7) Тл, соответствующего «колену» характеристики намагничивания холоднокатанной электротехнической стали. Поэтому под воздействием геоиндуцированного тока, удовлетворяющего условию (4), характеристика намагничивания холоднокатанной электротехнической стали будет смещаться в область технического насыщения. На интервале выполнения условия
I
I
ГИТ(⊥)
x(
m
)
>(5)
магнитная система силового трансформатора 2 будет находиться в состоянии одностороннего насыщения, которое сопровождается многократным увеличением основной гармоники тока намагничивания и появлением высших гармоник (2-й, 3-й, 4-й, 5-й, 6-й, 7-й, и т.д.) в составе тока намагничивания, придающих последнему практически однополярную форму. Наиболее характерным индикатором одностороннего насыщения служат четные гармоники тока намагничивания, из которых наиболее значимыми являются вторая (до 80% от значения основной гармоники), четвертая (до 60% от значения основной гармоники) и шестая (до 45% от значения основной гармоники) гармоники тока намагничивания.
Однако вторая и четвертая гармоники тока намагничивания образуют системы обратной и прямой последовательностей соответственно и в нейтрали силового трансформатора 2 поэтому не протекают. Шестые гармоники тока намагничивания отдельных фаз образуют систему нулевой последовательности и в нейтрали силового трансформатора 2 суммируются. В результате в нейтрали силового трансформатора 2 в периоды геомагнитных возмущений и при одностороннем насыщении магнитной системы протекает ток, образованный тремя составляющими
(6)
I
ГИТ(⊥)
где  - геоиндуцированный ток в фазной обмотке высокого напряжения в режиме глухозаземленной нейтрали силового трансформатора 2,  - амплитуда гармоники тока нулевой последовательности (k =1,2,3,…).
I
ГИТ(⊥)
Наиболее значимой из четных гармоник тока намагничивания нулевой последовательности является шестая гармоника, которая служит индикатором насыщения магнитной системы силового трансформатора 2, как показано на фиг.  4(а). Чем больше величина геоиндуцированного , тем больше величина шестой гармоники  тока намагничивания и тем продолжительней интервал выполнения условия (5).
I
ГИТ(R)
В режиме резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 2 активное сопротивление токоограничивающего реактора 9 ограничивает величину геоиндуцированного тока до величины . Степень ограничения величины геоиндуцированных токов в обмотках высокого напряжения в режиме резистивного заземления нейтрали определяется выражением
, (7)
r
R
Σ
где - суммарное активное сопротивление обмоток высокого напряжения силового трансформатора 2, фазных проводов примыкающей воздушной линии, заземляющего устройства;  - активное сопротивление токоограничивающего резистора 9;  - относительная величина активного сопротивления токоограничивающего резистора 9.
R
I
*
ГИТ(R)
ГИТ(⊥)
Например при ≥ (3÷4) величина остаточного геоиндуцированного тока  в режиме резистивного заземления нейтрали составляет не более (20÷25)% относительно первоначального уровня I. На фиг.  4(б) иллюстрируется эффект ослабления геоиндуцированного тока до уровня ≈25% относительно первоначальной величины, показанной на фиг.  4(а). При высокой интенсивности геомагнитных возмущений, когда амплитуда выброса геоиндуцированного тока достигает значения, например, 100А, как показано на фиг. 3, такого уровня ослабления (до ≈25А) окажется недостаточным. Остаточная величина геиндуцированного тока значительно превышает паспортное значение тока холостого хода силового трансформатора 2, поэтому сохраняется опасность одностороннего насыщения магнитной системы, хотя продолжительность состояния насыщения и величина шестой гармоники тока намагничивания существенно уменьшается.
Величину активного сопротивления токоограничивающего резистора 9 необходимо выбирать таким образом, чтобы величина остаточного геоиндуцированного тока не превышала амплитуду паспортного тока холостого хода силового трансформатора 2. В этом случае насыщение магнитной системы силового трансформатора 2, как показано на фиг. 4(в), происходить не будет. Такую величину остаточного геоиндуцированного тока можно считать безопасной для силового трансформатора 2.
U
N
В условиях геомагнитных возмущений и одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 2 ток нейтрали, определяемый выражением (6), контролируется датчиком тока 13 на эффекте Холла, на выходе которого формируется сложное по гармоническому составу напряжение , отдельные составляющие которого определяются соотношением
(8)
U
N
(
⊥
)
ГИТ(⊥)
Как видно, в составе формируемого напряжения  присутствует квазипостоянная составляющая, обусловленная геоиндуцированным током I, гармоническая составляющая основной часты 50 Гц, обусловленная током нулевой последовательности , и гармонические составляющие, обусловленные гармониками тока намагничивания нулевой последовательности при одностороннем насыщении магнитной системы силового трансформатора 2.
На выгоде фильтра нижних частот 14 появится напряжение
а на выходе полосового фильтра 15 появится напряжение
f
p
где  - коэффициент передачи по постоянному напряжению фильтра нижних частот 14;  - коэффициент передачи полосового фильтра 15 на резонансной частоте =300 Гц.
На фиг.  5 представлены временные диаграммы, поясняющие функционирование канала мониторинга 3 гармонических составляющих тока нейтрали и канала управления 4 силовыми тиристорами 11, 12 тиристорного ключа 10 для случая, изображенного на фиг.  4(б), когда величины остаточного геоиндуцированного тока оказывается достаточной для насыщения магнитной системы силового трансформатора 2.
U
U
N
(=)
N
(6)
Напряжение , пропорциональное величине геоиндуцированного тока, поступает на вход регенеративного компаратора 31 канала управления 4, а напряжение , пропорциональное амплитуде шестой гармоники тока намагничивания силового трансформатора 2, поступает на вход регенеративного компаратора 32 канала управления 4.
Порог переключения регенеративного компаратора 31 из состояния логического «0» на выходе в состояние логической «1» определяется для конкретного типа силового трансформатора 2 с помощью выражения
В этом случае переключение регенеративного компаратора 31 из состояния логического «0» в состояние логической «1» будет происходить при увеличении геоиндуцированного тока в фазной обмотке высокого напряжения силового трансформатора 2 до значения амплитуды паспортного тока холостого хода силового трансформатора 2, при котором начинает выполняться условие (5).
Порог переключения регенеративного компаратора 32 из состояния логического «0» в состояние логической «1» должен определяться для конкретного типа силового трансформатора 2 с помощью выражения
В этом случае переключение регенеративного компаратора 32 из состояния логического «0» в состоянии «1» будет происходить в начальной стадии процесса одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 2, когда амплитуда шестой гармоники тока намагничивания достигает значения амплитуды паспортного тока холостого хода (т.е. значения нескольких ампер).
t
t
U
t
1
2
N
(=)
2
В исходном состоянии силовой блок 1 обеспечивает режим глухозаземленной нейтрали силового трансформатора 2 (фиг. 2). С момента времени  по фазным обмоткам высокого напряжения силового трансформатора 2 начинает протекать геоиндуцированный ток , который к моменту времени  достигает значения амплитуды паспортного тока холостого хода и начинает выполняться условие (5). Появление геоиндуцированного тока в нейтрали силового трансформатора 2 фиксируется фильтром нижних частот 14, выходное напряжение  которого к моменту времени  достигает значения (11) порога переключения регенеративного компаратора 31 и наступает равенство
U
U
N
(=)
B
(=)
= (13).
t
t
I
2
4
μ
(6
)
С момента времени  на выходе регенеративного компаратора 31 устанавливается уровень логической «1» и сохраняется до момента времени , а также начинается одностороннее насыщение магнитной системы силового трансформатора 2, индикатором которого служит появление в нейтрали шестой гармоники  тока намагничивания.
t
t
I
t
U
t
3
2
μ
(6
)
3
N
(6)
3
На интервале времени (-) амплитуда шестой гармоники  тока намагничивания возрастает под воздействием возрастающего по величине геоиндуцированного тока и к моменту времени  достигает уровня амплитуды паспортного тока холостого хода силового трансформатора 2. На выходе полосового фильтра 15 формируется напряжение , которое к моменту времени  достигает уровня, определяемого выражением (12), и наступает равенство
U
U
N
(6)
B
(6)
=(14),
t
Q
Q
3
приводящее к переключению регенеративного компаратора 32. В момент времени на выходе регенеративного компаратора 32 устанавливается уровень логической «1». В результате на выходе двухвходового конъюнктора 27 формируется сигнал логической «1», который поступает на вход «S» и устанавливает асинхронный RS-триггер 26 в единичное состояние =1. Сигнал =1 запрещает работу автоколебательного генератора 25, формирование управляющих импульсов на выходах «УИ1», «УИ2» прекращается, а на потенциальном выходе «P» устанавливается сигнал логической «1». Силовые тиристоры 11, 12 выключаются, тиристорный ключ 10 прекращает шунтирование токоограничивающего резистора 9 и силовой блок 1 переводится в режим резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 2 (фиг.  2).
t
t
T
3
3
R
В момент времени , когда на потенциальном выходе «P» автоколебательного генератора 25 устанавливается сигнал логической «1», на выходе дифференцирующей цепи 29 формируется короткий импульс, который поступает на вход элемента задержки 28. С момента времени элемент задержки 28 начинает формировать временной интервал , задающий продолжительность режима резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 2 независимо от последующих вариаций геоиндуцированного тока.
t
t
I
t
t
4
3
ГИТ(R)
4
3
На интервале времени (-) происходит уменьшение геоиндуцированного тока от уровня , определяемого интенсивностью геомагнитных возмущений, до уровня , определяемого величиной активного сопротивления токоограничивающего резистора 9. Продолжительность интервала (-) определяется величиной суммарного активного и индуктивного сопротивлений контура протекания геоиндуцированного тока.
t
I
U
t
U
4
x
(
m
)
N
(=)
H
(=)
4
N
(6
)
H
(6
)
В момент времени геоиндуцированный ток уменьшается до уровня (≈0,1⸱), при котором напряжение  на выходе фильтра нижних частот 14 снижается до порога U возврата регенеративного компаратора 31 в состояние логического “0” на выходе. В момент времени прекращается насыщение магнитной системы силового трансформатора 2 из-за снижения геоиндуциированного тока, прекращается протекание в нейтрали тока шестой гармоники, а напряжение на выходе полосового фильтра 15 снижается до порога Uвозврата регенеративного компаратора 32 в состояние логического “0” на выходе.
t
t
I
4
5
x
(
m
)
С момента времени  начинается увеличение остаточного геоиндуцированного тока  под воздействием продолжающихся геомагнитных возмущений с возрастающей интенсивностью. В момент времени  остаточный геоиндуцированный ток  достигает значения амплитуды  паспортного тока холостого хода силового трансформатора 2, выполняется условие (13) и на выходе регенеративного компаратора 31 вновь устанавливается сигнал логической «1».
t
U
t
t
5
N
(6
)
6
6
С момента времени  повторно начинается насыщение магнитной системы силового трансформатора 2, на выходе полосового фильтра 15 появляется напряжение , которое постепенно увеличивается до выполнения условия (14) в момент времени . На выходе регенеративного компаратора 32 в момент времени  повторно устанавливается сигнал логической «1». На выходе двухвходового конъюнктора 27 также повторно устанавливается сигнал логической «1».
t
I
U
7
x
(
m
)
N
(6
)
H
(6)
В момент времени  остаточный геоиндуцированный ток   уменьшается до значения  амплитуды паспортного тока холостого хода силового трансформатора 2, насыщение магнитной системы прекращается, сигнал на выходе  полосового фильтра 15 снижается до порога возвратаU регенеративного компаратора 32 в состояние логического «0» на выходе.
t
I
U
8
x
(
m
)
N
(=)
H
(=)
В момент времени  остаточный геоиндуцированный ток    уменьшается до значения ≈0,1⸱, при котором выходное напряжение  фильтра нижних частот 14 снижается до порога U возврата регенеративного компаратора 31 в состояние логического «0» на выходе.
Q
t
t
t
t
3
8
3
8
Единичное состояние =1 асинхронного RS-триггера 25 с момента времени  установки до момента  окончания текущего выброса геоиндуцированного тока не изменяется. Поэтому на указанном интервале времени ( -) сохраняется блокирование управляющих импульсов силовыми тиристорами 11, 12 и поддерживается режим резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 2.
t
Q
9
R
Только в момент времени  завершается формирование заданного временного интервала T поддержания режима резистивного заземления и на выходе элемента временной задержки 28 появляется задержанный импульс, который сбрасывает асинхронный RS-триггер 26 в нулевое состояние =0 и снимает запрет на формирование управляющих импульсов «УИ1», «УИ2» автоколебательного генератора 25. На потенциальном выходе «Р» автоколебательного генератора 25 устанавливается сигнал логического «0».
t
9
R
R
р
С момента времени  возобновляется режим глухозаземленной нейтрали силового трансформатора 2. Если геомагнитные возмущения продолжаются, то вновь возникают условия (фиг. 2) для возобновления режима резистивного заземления продолжительностью T. Циклы резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 2 будут повторяться до полного окончания геомагнитных возмущений. При выборе продолжительности интервала T на основе данных о среднестатистической продолжительности геомагнитных возмущений, интенсивность которых характеризуется планетарным индексом К≥5, режим резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 2 будет поддерживаться до окончания геомагнитных возмущений или количество прерываний режима резистивного заземления будет минимизировано.
Информацию о текущем режиме заземления нейтрали силового трансформатора 2 несет сигнал с потенциального выхода «Р» автоколебательного генератора 25, который непрерывно передается в диспетчерский пункт 8 по интерфейсу «токовая петля» в составе: передатчик 19 - проводная линия 5 - приемник 22. В диспетчерском пункте 8 уровень сигнала идентифицируется следующим образом:
- логический «0» - режим глухозаземленной нейтрали;
- логическая «1» - режим резистивного заземления нейтрали.
В режиме резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 2 сигнал логической «1» на потенциальном выходе «Р» автоколебательного генератора 25 разрешает работу передатчиков 20 и 21 канала мониторинга 3 и соответственно передачу в диспетчерский пункт 8 информации о величине остаточного геоиндуцированного тока по интерфейсу «токовая петля» в составе: передатчик 20 - проводная линия 6 - приемник 23, а так же информации о величине мощности намагничивания силового трансформатора 2 по интерфейсу «токовая петля» в составе: передатчик 21 - проводная линия 7 - приемник 24.
Помехозащищенность процесса передачи информации в диспетчерский пункт 8, который может располагаться на значительном удалении от силового трансформатора 2 в условиях сложной электромагнитной обстановки подстанции (электростанции), обеспечивается не только использованием интерфейсов «токовая петля», обладающих высоким уровнем собственной помехозащищенности, но и предварительным преобразованием вида «напряжение - частота» аналоговых сигналов.
U
N
(=)
Преобразователь «напряжение - частота» 16 осуществляет преобразование аналогового сигнала , пропорционального величине геоиндуцированного тока, в последовательность импульсов неизменной длительности и амплитуды с частой следования
Гц/В
где  - коэффициент преобразования, имеющий размерность .
Например, микросхема высокоточного преобразователя «напряжение-частота» типа К1108ПП1 осуществляет линейное преобразование напряжение (0…10)В в частоту импульсов (0…10) кГц с погрешностью ±0,01%.
В режиме резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 2 выходная частота преобразователя «напряжение-частота» 16, как показывает расширенная запись (15) с учетом (9),
оказывается, пропорциональной остаточному геоиндуцированному току.
Proc. IEEE 2001 Winter Meeting,
Величина остаточного геоиндуцированного тока  в режиме резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 2, превышающая амплитуду паспортного тока холостого хода, вызывает насыщение магнитной системы и увеличение мощности намагничивания на величину, определяемую известным эмпирическим выражением (Dong X., Liu Y., Kappenman J.G. Consumption Analysis of Exciting Current Harmonics and Reactive Power Consumption from GIC Saturated Transformers. - Columbus, OH, Jan. 2001, pp 318-322)
Q
К
μ
μ
где  - мощность намагничивания силового трансформатора 2 при насыщении магнитной системы под воздействием ;  - мощность намагничивания силового трансформатора 2 (паспортный параметр) при номинальном напряжении и отсутствии геомагнитных возмущений;  - коэффициент пропорциональности, величина которого определяется конструкцией магнитной системы силового трансформатора:
К
μ
=1,18 МВАр/А - броневая конструкция магнитной системы;
К
μ
=0,66 МВАр/А - бронестержневая конструкция магнитной системы;
К
μ
=0,29 МВАр/А - стержневая конструкция магнитной системы.
К
U
μ
Q
Масштабирующий усилитель 17 с коэффициентом усиления  формирует на выходе напряжение , величина которого пропорциональна приращению мощности намагничивания силового трансформатора 2 под воздействием остаточного геоиндуцированного тока
. (18)
U
Q
Преобразователь «напряжение-частота» 18 осуществляет преобразование аналогового сигнала мощности намагничивания силового трансформатора 2 в последовательность импульсов
ΔQ
μ
частота которых пропорциональна приращению мощности намагничивания .
f
f
(=)
Q
Передатчики 20, 21 переводятся в активный режим единичным уровнем сигнала на потенциальном выходе «P» автоколебательного генератора 25 и поэтому информация о величине остаточного геоиндуцированного тока в виде импульсной последовательности передается по интерфейсу «токовая петля» в составе: передатчик 20 - проводная линия 6 - приемник 23, а информация о величине приращения мощности намагничивания в виде импульсной последовательности  передается по интерфейсу «токовая петля» в составе: передатчик 21 - проводная линия 7 - приемник 24. Передача указанной информации в диспетчерский пункт 8 осуществляется только в режиме резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 2, когда геомагнитные возмущения представляют наибольшую опасность, поскольку вызывают насыщение магнитной системы. Эпизодические и даже повторяющиеся импульсные помехи не способны внести существенные погрешности в передаваемую в виде импульсной последовательности информацию.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получить положительный эффект, который заключается в расширении функциональных возможностей за счет обеспечения устойчивости режима резистивного заземления нейтрали силового трансформатора в условиях значительных вариаций геомагнитных возмущений и соответственно параметров выбросов геоиндуцированных токов в обмотках высокого напряжения, а также благодаря передаче в диспетчерский пункт информации о текущем режиме заземления нейтрали, величине остаточного геоиндуцированного тока и мощности намагничивания, обеспечивающих инструментальную поддержку принятия обоснованных диспетчерских решений о дополнительных мерах по защите силового трансформатора, например путем снижения нагрузки, включения компенсирующих устройств для компенсации возрастающей мощности намагничивания, а в случае необходимости и отключения силового трансформатора.
Источники информации
1. Elovaara J., Lindblad P., Viljanen A., Makinen T., Pirjcba R., Larssen S., Rielen B, Geomagnetically induced currents in the Nordic power system and their effects on equipment, control, protection and operation. CIGRE paper N36-301, CIGRE General Sessun 1992, Paris, France, August 31 - September 5, 1992, - 10p.
2. Баранник М.Б., Данилин А.Н., Катькалов Ю.В., Колобов Б.Б., Сахаров У.А., Селиванов В.Н. Система регистрации геоиндуцированных токов в нейтралях силовых трансформаторов. - ПТЭ. - 2012. - №1. - С.112-123.
3. Патент РФ №2660481 МКИ HO1F27/42, HO2H3/20, H02H9/00. Способ управления режимом заземления нейтрали силового трансформатора // Кувшинов А.А., Вахнина В.В., Черненко А.Н. - Заявлено 26.07.2017. Опубликовано 06.07.2018.