Предварительные результаты натурных исследований эмиссии импульсных возмущений в силовом трансформаторе 110 кВ

УДК 621.311

Б. В. Ефимов, Ю. М. Невретдинов, А. В. Бурцев, Г. П. Фастий, А. А. Смирнов

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭМИССИИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В СИЛОВОМ ТРАНСФОРМАТОРЕ 110 КВ

Аннотация

В натурных условиях проверена методика импульсных измерений на крупногабаритном оборудовании. Приведены результаты предварительной обработки натурных исследований эмиссии импульсных возмущений в силовом трансформаторе 110 кВ.

Ключевые слова:

эмиссия электромагнитных возмущений, импульсные перенапряжения, силовой трансформатор, функции передачи.

B. V. Efimov, A. V. Burtsev, Y. M. Nevretdinov, G. P. Fastiy, А. А. Smirnov

PILOT STUDIES RESULTS OF IMPULS DISTURBANCES EMISSION IN THE POWER TRANSFORMER 110 KV

Abstract

In full-scale conditions the impulse measurements technique on the large-size equipment has been checked. Full-scale researches results of preliminary processing of impulsive disturbances issue in the 110 kV power transformer have been given. Keywords:

electromagnetic disturbances emission, power transformer, impulse overvoltages, transfer function.

Задачей экспериментальных обследований силового трансформатора действующей подстанции являются экспериментальная проверка эффективности разрабатываемой методики импульсных измерений на крупногабаритных элементах высоковольтной сети [1, 2], а также изучение процессов развития грозовых перенапряжений и характеристик каналов распространения импульсных воздействий в трансформаторе.

Натурные исследования эмиссии импульсных напряжений в силовом трансформаторе выполнены на подстанции 110 кВ электроснабжения открытого рудника горнорудного предприятия «Апатит». Место расположения подстанции характеризуется повышенным уровнем гололедо-изморозевых отложений и аномально высоким удельным сопротивлением грунта (5-10 кОм-м), что практически исключает возможность осуществления эффективных

грозозащитных заземлений опор воздушных линий (ВЛ). Поэтому на подходе ВЛ 110 кВ к подстанции отсутствует грозозащитный трос. На подстанции установлены два силовых трансформатора 110/6 кВ, один из которых имеет заземленную нейтраль обмотки 110 кВ. Схема подстанции приведена на рис.1.

Подстанция является тупиковой, на ней установлены два силовых трансформатора. В соответствии с требованиями релейной защиты нейтраль одного из трансформаторов подстанции заземлена. Характеристики

трансформаторов представлены ниже.

31

схемы электроснабжения рудника

32

Характеристики трансформатора

Тип трансформатора...............

Мощность.........................

Схема и группа соединения обмоток.... Номинальное значение напряжения

ВН/НН, кВ ........................

Потери холостого хода............

Потери короткого замыкания.......

Ток холостого хода...............

Напряжение короткого замыкания..

Индуктивность намагничивания.....

Активное сопротивление............

Реактивное сопротивление.........

Индуктивность рассеивания.........

ТДН-10000/110 5Ном=10 МВА Ун/Д-11

СТУ 72-30189-62

110 ± (4) 2.5 % / 6.5 Рх=28.2 кВт Рк=75.6 кВт iX=2.1 % m^=10.2 %

L= 183.5 Гн RT=9.2 Ом ХТ= 123.4 Ом Lp=0393 Гн

Программой экспериментального обследования силового трансформатора предусмотрены следующие режимы:

1. Воздействие импульсного напряжения по аналогии с грозовой волной, набегающей по ВЛ, т.е. выводы обмотки ВН включены на согласующее сопротивление, равное волновому сопротивлению фазного провода (в экспериментах 500 Ом).

2. Нейтраль обмотки ВН заземлена или изолирована от земли.

3. Варьирование параметров нагрузки на обмотку НН, в т.ч. ненагруженный режим, включение емкостной нагрузки «фаза - земля».

4. Схема подключения ГИН к трансформатору и вводов обмоток ВН и НН показана на рис. 2.

Рис.2. Схема импульсных измерений при генерировании импульсного напряжения на фазе А 110 кВ силового трансформатора

33

Отметим, что на выходе ГИН установлен делитель напряжения, при котором эквивалентное сопротивление ГИН на выходе равно 250 Ом - половине эквивалентного сопротивления фазы ВЛ - 500 Ом. Добавочный резистор Ядоб=250 Ом включён в цепь ГИН непосредственно около ввода фазы А 110 кВ трансформатора. Это позволяет с помощью измерений напряжений на вводе фазы А (рис.2, точка 2) и в точке подключения провода генерирующего контура к резистору Ядоб (рис.2, точка 1) по разности напряжений определить ток на вводе фазы А трансформатора.

Пример осциллограмм напряжений в точке 1 (Ur), в точке 2 (UA) приведён на рис.3. Здесь же приведена кривая падения напряжения на добавочном резисторе, пропорциональная току воздействия на трансформатор.

и, кВ

> Ur

V \иА

иг\

-101 23-156789

t мкс

Рис.3. Осциллограммы напряжений на вводе фазы А 110 кВ трансформатора

Процессы распространения грозового импульса в фазных обмотках 110 кВ трансформатора иллюстрируются осциллограммами, приведёнными на рис.4а, б.

Формируемый от ГИН импульс напряжения имеет фронт 1.8 мкс, время полуспада 28 мкс. Амплитуда импульса на вводе фазы А 110 кВ около 8 кВ. На рис.4 показано напряжение на вводе фазы В 110 кВ UB(t) в экспериментах с заземлённой и изолированной нейтралью этой обмотки.

Как видно, при напряжении импульса на фазе А от ГИН около 8 кВ на фазе В формируется напряжение с амплитудой около 2.5 кВ в режиме заземлённой нейтрали, т. е. более 30 %, а в режиме изолированной нейтрали амплитуда напряжения на фазе В снижается почти в 2 раза и составляет около 1.2 кВ, т. е. 15 % от амплитуды импульса на фазе А. Напряжение UB(t) имеет характер сложного затухающего колебательного процесса, полярность на

интервале 5....90 (100) мкс противоположна воздействию на фазе А.

В начальной части формируемого напряжения UB(t) можно отметить эффект запаздывания на 5...7 мкс в зависимости от режима заземления нейтрали. Максимум напряжения UB(t) значительно отстаёт от максимума воздействия (Ua) - примерно на 75 мкс в обоих режимах нейтрали. В данном эксперименте максимум UB зарегистрирован при почти значительном спаде импульса воздействия до 0.8 кВ (при длине импульса воздействия 28 мкс).

34

а

б

Рис.4. Влияние режима нейтрали на формирование напряжений на вводе фазы В 110 кВ:

а - развёрнутые осциллограммы; б - сжатые осциллограммы

Здесь же (на рис.4) показана осциллограмма напряжения на изолированной нейтрали UN, которая имеет форму сложного затухающего колебательного процесса.

Как видно, максимум UN смещён относительно амплитуды воздействия на 35 мкс, т. е. практически в 2 раза меньше смещения амплитуды напряжения UB. При этом максимум напряжения в нейтрали (UN) 0.73 кВ соответствует спаду импульса воздействия UA до значения 3.2 кВ.

Осциллограмма напряжения в нейтрали с разверткой 0.2 мс на деление приведена на рис.5.

35

Рис.5. Осциллограмма напряжения на изолированной нейтрали

По предварительным оценкам, частота собственных колебаний напряжения в нейтрали составила около 6.7 кГц (рис.4) около 150 мкс, что согласуется с данными [3]. Спад напряжения в нейтрали существенно превышает длину воздействующего импульса (рис.5) и имеет гармонику около 300 Гц. Форма напряжения UN в пределах 0.1 мс имеет вид, характерный для волновых процессов и не исключает влияния длительности и формы воздействующего на трансформатор импульса UA.

Необходимо отметить, что в отличие от экспериментальных исследований в лабораторных условиях на трехфазном трансформаторе без корпуса [4] заметного влияния режима заземления нейтрали на величину напряжения UA не выявлено, что можно объяснить влиянием входной емкости трансформатора. Однако влияние режима нейтрали на формирование напряжения на фазах В и С наблюдается (рис.4).

Процессы формирования напряжения на низкой стороне НН 6 кВ представлены на рис.6.

Как видно, максимальное напряжение формируется на вводе фазы а обмотки 6 кВ и составляет 0.7 кВ, т.е. около 9 % от амплитуды импульса на вводе фазы А 110 кВ. В режиме изолированной нейтрали максимум напряжения Ua увеличивается до 10.5 %, форма напряжения Ua остаётся прежней. Это свидетельствует о слабом влиянии режима нейтрали.

На спаде воздействующего импульса UA(t) напряжение Ua(t) имеет форму сложного колебательного процесса, наложенного на апериодическую составляющую. После спада воздействия напряжения Ua, UB, Uc. имеют вид затухающих колебаний с частотой основных гармоник около 16 и 28 кГц. На рис.7 показаны осциллограммы линейных напряжений UaB, UBC, Uac, полученные в результате обработки цифровых осциллограмм Ua, UB, Uc.

36

UA, кВ л IV

/ \Ub Г \ ц

ГА V,A \ /j f /

\ и J \ \/ /

1 у и\ ив, кВ Ub, кВ

Uc, кВ

ал

0,2

о

-0,2

-ал

-0,6

-0,8

0,4

0,2

о

-0,2

-0,4

-0,0

-0,8

-5

10 15 20 25 30 35 40 45

t МКС

иА, кВ „ Д 1 1 г

Г Л Щ \U

7

Ту Vua иа, кВ иь, кВ

[/Ua Uc, кВ

-20 О

20 40 00 80 100 120 140 100 180

Рис.6. Формирование перенапряжений на выводах 6 кВ

t МКС

37

Рис.7. Осциллограммы линейных напряжений на выводах 6 кВ трансформатора

Как видно, в обмотках НН колебания с частотой отсутствуют, т.е. эти колебания возникают в контуре обмотка 6 кВ - земля, включающем ёмкость обмотки 6 кВ на землю и ёмкость подключённых конденсаторов около 0.01 мкФ.

Максимумы линейных напряжений составили 0.7 кВ; 0.8 кВ и 0.82 кВ, т. е. от 9 до 10.5 % от амплитуды воздействия UA 110 кВ. В начальной части формируемого напряжения UBC(t) можно отметить эффект запаздывания более чем на 2 мкс.

В результате импульсного обследования силового трансформатора ТДН-10000/110 действующей подстанции получено более двух сотен осциллограмм напряжений для различных вариантов импульсного воздействия на трансформатор - на фазу обмотки ВН, на фазу обмотки НН и в изолированную от земли нейтраль. Эти данные требуют тщательного анализа, результаты которого будут представлены позже.

Предварительный анализ приведенных регистраций показал, что максимум перенапряжений в нейтрали может зависеть как от типа трансформатора, так и от длины и формы грозового воздействия. Этот вопрос

38

необходимо уточнить при проведении дальнейших экспериментов. При воздействии на действующий высоковольтный трансформатор 110/6 кВ импульсом напряжения апериодической формы не выявлено влияния режима заземления нейтрали на величину напряжения в точке воздействия.

Для приведенных осциллограмм следует отметить запаздывание реакции -напряжения на фазах В и С примерно на 5...7 мкс (в зависимости от режима заземления нейтрали), что свидетельствует об отсутствии влияния процессов на неповрежденных фазах на формирование грозовых перенапряжений на поврежденной фазе в пределах первых 5..7 мкс.

Выводы

1. В натурных условиях в РУ 110 кВ выполнена экспериментальная проверка разрабатываемой методики импульсных измерений на крупногабаритных элементах высоковольтной сета.

2. Получен большой объем экспериментальных данных о формировании импульсных процессов в силовом трансформаторе действующей сети.

3. Первичный анализ подтвердил возможность применения однолинейных моделей распределительных устройств воздушной волны для расчетов первой стадии формирования перенапряжений (по предварительным оценкам до 5 мкс).

Литература

1. Бурцев А. В., Невретдинов Ю. М. Разработка генераторно-измерительного

комплекса для обследования импульсных характеристик силовых

трансформаторов // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып. 7. 2013. С.73-80.

2. Власко Д. И. 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.

3. Алиев Ф. Г. Перенапряжения в нейтрали силовых трансформаторов 6-220 кВ и методы их ограничения / Ф. Г. Алиев, А. К. Горюнов, А. Н Евсеев, А. И. Таджибаев, Ф. Х. Халилов. СПб.: ПЭИПК, 2001. 120 с.

4. Бурцев А. В., Невретдинов Ю. М., Смирнов А. А. Лабораторные экспериментальные исследования импульсных характеристик силового трансформатора // Труды Кольского научного центра РАН. Вып. 9. Энергетика. 2014. С.35-39.

Сведения об авторах

Ефимов Борис Васильевич,

Директор Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

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

Невретдинов Юрий Масумович,

Ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

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

39

Бурцев Антон Владимирович,

Младший научный сотрудник лаборатории высоковольтной энергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН,

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

Фастий Галина Прохоровна,

научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера Учреждения Российской академии наук Кольского научного центра РАН.

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

Смирнов Андрей Анатольевич,

ведущий инженер отдел буро-взрывных работ Управления АО «Апатит»,

Россия, 184250, Мурманская область, г.Кировск, ул.Ленинградская, д.1 Эл. почта: smirnov1104@yandex.ru

УДК 621.311

Б. В. Ефимов, Ю. М. Невретдинов, А. В. Бурцев, Г. П. Фастий, А. А. Смирнов

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭМИССИИ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СИЛОВОМ ТРАНСФОРМАТОРЕ

Аннотация

Представлена методика измерений импульсных напряжений на силовом трансформаторе высоковольтной сети. Приведены первичные результаты исследований процессов развития грозовых перенапряжений в трансформаторе. Ключевые слова:

силовой трансформатор, импульсные напряжения, нейтраль, грозовые перенапряжения.

B. V. Efimov, Y. M. Nevretdinov, A. V. Burtsev, G. P. Fastiy, А. А. Smirnov

THE PILOT STUDIES TECHNIQUE OF STORM OVERVOLTAGE ISSUE IN THE POWER TRANSFORMER

Abstract

The measurement technique of surge voltages on the power transformer has been described. The initial research results of the thunderstorm overvoltages evolvements on the power transformer have been given.

Keywords:

power transformer, surge voltages, neutral, thunderstorm overvoltages.

Наиболее достоверным способом анализа математических моделей, используемых для исследований и прогнозирования грозовых перенапряжений, являются импульсные обмеры элементов высоковольтной сети. Задачей экспериментальных обследований силового трансформатора являются изучение процессов развития грозовых перенапряжений в нейтрали, в обмотках среднего напряжения и подключенной к ним сети, а также характеристик каналов распространения импульсных воздействий в трансформаторе.

40