Результаты длительных регистраций токов в нейтралях силовых трансформаторов

В.Н.Селиванов, А.Н.Данилин, В.В.Колобов, Я.А.Сахаров, М.Б.Баранник

РЕЗУЛЬТАТЫ ДЛИТЕЛЬНЫХ РЕГИСТРАЦИЙ ТОКОВ В НЕЙТРАЛЯХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Аннотация

Проведен анализ результатов длительного измерения токов в нейтралях силовых трансформаторов Кольской энергосистемы, полученных с помощью системы регистрации геоиндуктированных токов. Показано, что измерение тока в нейтрали позволяет проводить сбор и анализ данных, прямо или косвенно характеризующих влияние различных внешних воздействий на работу энергосистемы и исследовать ее реакцию на эти воздействия.

Ключевые слова:

силовой трансформатор, нейтраль, измерение тока

V.N.Selivanov, V.V.Kolobov, A.N.Danilin, Ya.A.Sakharov, M.B.Barannik

results of long-term monitoring of Neutral Currents

IN A POWER TRANSFORMER Abstract

The results of long-term neutral currents monitoring in a Kola power system transformer is analyzed. It is shown that the measurement of neutral current makes it possible to carry out acquisition and analysis of data, directly or indirectly characterizing influence different external actions on the work of power system and to investigate its reaction to these actions.

Keywords:

power transformer, neutral, current measurement

С ноября 2003 г. на ряде подстанций Кольской энергосистемы нами проводятся измерения токов в нейтралях трансформаторов и автотрансформаторов. Основная цель этих измерений - регистрация геоиндуктированных токов (ГИТ), протекающих в нейтралях в периоды геомагнитных бурь (ГМБ) [1]. Однако анализ накопленных данных показывает, что устройства регистрации ГИТ позволяют также получать информацию о таких явлениях в энергосистеме, как переходные процессы при коммутациях, грозовые перенапряжения, влияние сторонних источников и т.д.

Система регистрации ГИТ подробно описана в предыдущих работах [2, 3]. В данной статье основное внимание уделим частотным характеристикам измерительного канала.

Измеряемый ток протекает в нейтралях силовых трансформаторов и автотрансформаторов в сетях 110-330 кВ с глухозаземленной и эффективно заземленной нейтралью. Этот ток складывается из токов нулевой последовательности, возникающих в результате несимметрии и нелинейности источников и нагрузок сети в нормальных и аварийных режимах, а также синфазных токов от сторонних источников энергии, таких как молния, геомагнитные возмущения, железнодорожные тяговые сети и др. В частотном спектре тока нейтрали могут присутствовать как постоянные (или квазипостоянные) составляющие - геоиндуктированные и тяговые токи, так и

высокочастотные компоненты коммутационных и грозовых перенапряжений в высоковольтной сети. При разработке системы регистрации ГИТ выбор первичного преобразователя определялся частотным диапазоном геомагнитных возмущений, которые представляют собой короткопериодные колебания геомагнитного поля и характеризуются квазипериодической структурой, занимая диапазон частот от тысячных долей герца до нескольких герц. Кроме того, в нейтралях трансформаторов помимо геомагнитного тока присутствует ток несимметрии, имеющий сложный гармонический состав. При больших значениях ГИТ магнитопровод трансформатора может насыщаться, что приводит к повышению уровня гармоник в нейтрали, поэтому информация об уровне гармоник является столь же полезной, как и значение ГИТ. Это означает, что полоса пропускания первичного датчика должна быть достаточной для регистрации нескольких гармоник промышленной частоты.

Для измерения токов в нейтралях трансформаторов наилучшим решением является использование токовых клещей с датчиком Холла. Эти датчики предназначены для бесконтактного измерения постоянного, переменного и импульсного токов в широком диапазоне частот и амплитуд. При проведении измерения клещи смыкаются вокруг проводника с током без разрыва цепи, обеспечивая гальваническую развязку между проводником и цепью преобразования сигнала. Датчики имеют аналоговый выход, напряжение на котором прямо пропорционально величине тока, протекающего через проводник. Для системы регистрации ГИТ мы выбрали две модели недорогих клещей-адаптеров с датчиком Холла открытого типа - APPA 32 фирмы APPA Technology Corporation (http://www.appatech.com) и ATA-2502 производства Актаком (www.aktakom.ru). Одним из критериев выбора был диаметр захвата, так как клещи должны охватывать плоскую шину заземления нейтрали трансформатора, ширина которой может достигать 40-50 мм. Эти модели имеют похожие характеристики, представленные в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики токовых клещей

Модель Пределы измерений, А Погрешность Частотный диапазон, Гц Коэффициент преобразования

APPA 32 100 ±(2%+2 А) DC, 45... 400 10 мВ/А

600 1 мВ/А

ATA-2502 200 ±(1,5%+1 А) DC, 40...400 1 мВ/А

1000 ±

Клещи-адаптер предназначены для работы с мультиметром, поэтому производители указывают соответствующий им частотный диапазон. Исходя из принципа работы преобразователей с датчиком Холла, можно было ожидать более широкого частотного диапазона, поэтому нами была экспериментально определена амплитудно-частотная характеристика клещей АТА-2502,

приведенная на рисунке 1. Клещи АРРА 32 имеют похожую АЧХ.

Как видно из рисунка, реальный частотный диапазон клещей находится в пределах от 0 до 5000 Гц (в пределах погрешности, указанной производителем). На более высоких частотах клещи переходят в дифференцирующий режим (выходное напряжение возрастает пропорционально частоте измеряемого тока).

10 100 1 103 1 Ю4 1 -105 1 106

Частота, Гц

Рис.1. АЧХтоковых клещей

Аналоговый сигнал с токовых клещей после усиления поступает на интегрирующий фильтр, который “размазывает” высокочастотные составляющие и выбросы, после чего сигнал преобразуется в дискретную форму посредством 10-битного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с частотой дискретизации порядка 15 кГц, входящего в состав микроконтроллера. Следующий этап преобразования происходит в микроконтроллере уже в цифровом виде по заданному алгоритму. Для уменьшения объема регистрируемой информации оцифрованный сигнал подвергается преобразованию Фурье на временном интервале 0,1 с, т.е. в операции участвует порядка 1500 точек. На хранение передаются следующие составляющие полного тока: квазипостоянная составляющая (диапазон частот 0-5 Гц), несущая информацию непосредственно о ГИТ, амплитудные значения токов первой, второй и третьей гармоники сети, позволяющие оценить изменение гармонического состава полного тока в нейтрали при протекании геоиндуктированных токов значительной амплитуды.

Таким образом, частотные характеристики устройства вполне удовлетворяют поставленной задаче - регистрация геоиндуктированных токов и первых гармоник сетевого напряжения.

За годы проведения регистраций ГИТ накопилось значительное количество данных, касающихся не только ГМБ, но и иных явлений, как в высоковольтных сетях, так и в магнитосфере. В качестве примера, относящегося к магнитосферным явлениям, можно привести регистрацию пульсаций типа Pc1.

Геомагнитные пульсации Рс1 представляют собой квазисинусоидальные колебания с периодом от 0.2 до 5 с, имеющие характерную модуляцию амплитуды в виде отдельных волновых пакетов, создающих сложную картину биений. Пульсации Рс1 иногда называют "жемчужинами", поскольку их магнитограмма напоминает нитку жемчужного ожерелья. Длительность серий Рс1 составляет от получаса до нескольких часов [4]. Амплитуда данных пульсаций не превышает десятков пТл, тем не менее система регистрации ГИТ неоднократно фиксировала возмущения, подобные приведенным на рис.2.

6:30:00 7:00:00 7:30:00 8:00:00 8:30:00

Рис. 2. Пример участка осциллограммы и динамического спектра геомагнитный

пульсаций Рс1 10 апреля 2010 г.

Следующий пример связан с процессами в самих электрических сетях. Установленное на одной из подстанций Кольской энергосистемы устройство регистрации ГИТ регулярно фиксирует возникновение постоянной составляющей тока в нейтрали силового трансформатора явно техногенного характера. Источник этого тока пока не выяснен, это может быть либо тяговая подстанция проходящей рядом железной дороги, либо, что наиболее вероятно, технологические установки ОАО «Апатит», питание которых осуществляется от сети 150 кВ данной подстанции. На рис.3 приведена схема питания потребителей 150 кВ от подстанции. В нормальном режиме к линии 330 кВ подключены два автотрансформатора 330/150 кВ, от каждого из которых отходит по одной ЛЭП 150 кВ. В этом режиме максимальное значение постоянной составляющей тока в нейтрали не превышает 2 А, амплитуда второй гармоники тока порядка 0,1 А, что составляет от 0,5 до 1% от амплитуды тока первой гармоники (что, кстати, превышает значения, нормируемые ГОСТ 13109-97).

Рис. 3. Схема подключения потребителей 150 кВ

Периодически один из автотрансформаторов вместе с линией 150 кВ выводится из работы для планового профилактического обслуживания. В этом режиме постоянная составляющая тока многократно увеличивается, вплоть до значения 50 А, что сопровождается значительным ростом содержания второй гармоники, что связано с намагничиванием магнитопровода автотрансформатора и смещением его рабочей точки. На рисунке 4 приведены кривые токов постоянной составляющей и второй гармоники тока в нейтрали АТ-2 в момент изменения режима работы подстанции. Процентное содержание второй гармоники в токе нейтрали, а, следовательно, и в фазных токах автотрансформатора, достигает 10%. Каждое такое воздействие длится до 10 минут с периодом повторения от 0,5 до 2 ч. При этом содержание третьей гармоники увеличивается незначительно, примерно на 20-30%, и составляет 1,52% от уровня первой гармоники тока нейтрали. Полученные результаты демонстрируют, чего можно ожидать в данном узле энергосистемы при воздействии на нее экстремальной геомагнитной бури, во время которой могут возникать геоиндуктированные токи со значением до 100 А. Также по полученным данным можно произвести оценочный расчет параметров магнитной системы автотрансформатора для использования их в модели воздействия ГМБ на энергосистему.

Время

Время

Рис.4. Кривые токов постоянной составляющей и второй гармоники тока в нейтрали автотрансформатора

Приведенные выше примеры касаются сигналов, частотный спектр которых соответствует полосе пропускания измерительной системы. Анализ накопленных данных свидетельствует о том, что система позволяет также фиксировать явления с гораздо более высокой частотой, такие, как грозовые

воздействия или коммутационные процессы в сети. Несмотря на то, что любые процессы с длительностью меньшей, чем 0,2 с, будут зафиксированы единственной точкой на кривой тока в нейтрали, факт возникновения такого события регистрируется достаточно надежно, а в некоторых случаях можно даже оценить относительную энергию явления. Этот факт обусловлен тем, что уже по мере распространения в сети, прохождения по обмоткам автотрансформатора спектр высокочастотного сигнала расширяется (рассеивается), в целом сохраняя свое энергетическое содержание. Измерительный тракт регистрирующего устройства также вносит свой вклад в “размывание” спектра. Уровень интенсивных воздействий оказывается достаточным для того, чтобы отличить их от низкочастотных составляющих. В качестве примера приведем записи, полученные во время грозового сезона 2010 г., который на Кольском п-ове отличался особой интенсивностью. Острые пики на рис.5 соответствуют воздействиям молнии, причем на осциллограмме постоянной составляющей тока нейтрали таких пиков в десятки раз больше за тот же промежуток времени, но только некоторые из них имеют отклик в токе первой гармоники. Можно предположить, что такие разные картины дают перенапряжения от далеких разрядов и от прямых или близких ударов молнии. Прямые удары молнии возбуждают в сети переходные процессы длительностью в десятки секунд, подобные показанным на рис.6.

Время

Рис. 5. Кривая тока первой гармоники тока в нейтрали автотрансформатора во время грозы 27 июня 2010 г.

Можно привести еще ряд примеров различного рода воздействий как техногенного, так и природного происхождения, зарегистрированных за семь лет практически непрерывной регистрации токов в нейтралях четырех трансформаторов Кольской энергосистемы. Линии электропередачи, связанные с этими трансформаторами, являются гигантскими антенными системами,

улавливающими электромагнитные волны на большой территории. Измерение тока в нейтрали позволяет проводить сбор и анализ данных, прямо или косвенно характеризующих влияние различных внешних воздействий на работу энергосистемы и исследовать ее реакцию на эти воздействия.

І

І

11:20:50 11:21:00 11:21:10 Время

Рис. 6. Переходный процесс, вызванный грозовым перенапряжением

Литература

1. Данилин А.Н., Сахаров Я.А., Селиванов В.Н. Регистрация геоиндуктированных токов в Кольской энергосистеме // Сборник докладов Десятой Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности ЭМС-2008 (24-26 сентября 2008 г., Санкт-Петербург, Россия). - Санкт-Петербург: ВИТУ. - 2008.

2. Катькалов Ю.В., Колобов В.В., Сахаров Я.А., Селиванов В.Н. Разработка системы регистрации геоиндуктированных токов // Научно-технические проблемы развития энергетики Севера. - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2009.

3. Данилин А.Н., Колобов В.В., Селиванов В.Н. Первичные преобразователи для системы регистрации геоиндуктированных токов // Научно-технические проблемы развития энергетики Севера. - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2009.

4. Клейменова Н.Г. Геомагнитные пульсации // http://www.kosmofizika.ru/abmn /kleimenova/pulsations.htm.

Сведения об авторах Селиванов Василий Николаевич

ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru

Данилин Аркадий Николаевич

заведующий лабораторией высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: danilin@ien.kolasc.net.ru

Колобов Виталий Валентинович

старший научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А

Сахаров Ярослав Алексеевич

заведующий лабораторией геофизических наблюдений Полярного геофизического института КНЦ РАН, к.ф.-м.н.

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 26А эл.почта: sakharov@pgia.ru

Баранник Максим Борисович

ведущий инженер лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: maxbar@ien.kolasc.net.ru

УДК 621.311

А.Н.Данилин, Б.В.Ефимов, О.В.Залесова, В.Н.Селиванов, М.В.Якубович*

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТ НА ЛИНИЯХ ПОД НАВЕДЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ

Аннотация

Рассмотрены причины появления наведенных напряжений на выведенных в ремонт высоковольтных линиях. Приведены расчетные и экспериментальные данные по оценке значений наведенных напряжений, рассмотрены способы снижения уровня наведенных напряжений, уменьшающие опасность поражения персонала, выполняющего работы на отключенной линии.

Ключевые слова:

линии электропередачи, наведенное напряжение, безопасность работ

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 09-08-00276).