Способ управления режимом заземления нейтрали силового трансформатора
METHOD FOR MANAGING EFFICIENT EARTHING OF POWER TRANSFORMER NEUTRAL LINE REGIME

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для защиты от воздействия геоиндуцированных токов в периоды геомагнитной активности силовых трансформаторов электрических станций и подстанций, работающих в электрических сетях с номинальным напряжением 110 кВ и выше.
Известен способ управления режимом заземления нейтрали силового трансформатора через встречно-параллельно соединенные тиристоры, заключающийся в том, что на управляющие электроды тиристоров подают управляющие импульсы при отсутствии геомагнитной активности и прекращают подачу управляющих импульсов в периоды геомагнитных возмущений [1].
Известный способ позволяет осуществлять переход из режима глухозаземленной нейтрали при отсутствии геомагнитных возмущений в режимы изолированной нейтрали на период геомагнитных возмущений, исключая таким образом возможность протекания геоиндуцированных токов по обмоткам высокого напряжения. Однако режим изолированной нейтрали недопустим в электрических сетях с номинальным напряжением выше 110 кВ. Кроме того, изменение режима заземления нейтрали осуществляется без учета состояния магнитной системы силового трансформатора в периоды геомагнитных возмущений и поэтому не исключает возможности повышения потерь реактивной мощности вследствие одностороннего насыщения, вызываемого геоиндуцированными токами.
Наиболее близким к предлагаемому является способ управления режимом заземления нейтрали силового трансформатора через параллельно соединенные токоограничивающий резистор и тиристорный ключ, заключающийся в том, что обеспечивают непрерывную проводимость тиристорного ключа подачей управляющих импульсов, фиксируют появление постоянной составляющей тока нейтрали и в случае превышения допустимого значения блокируют подачу управляющих импульсов, а возобновляют подачу управляющих импульсов только после прекращения постоянной составляющей тока нейтрали [2].
Известный способ позволяет осуществлять переход из режима глухозаземленной нейтрали при отсутствии геомагнитных возмущений в режим резистивного заземления на период геомагнитных возмущений. Одностороннее насыщение магнитной системы силового трансформатора под воздействием геоиндуцированных токов идентифицируется появлением второй гармоники в составе фазного тока обмоток высокого напряжения. Однако относительное содержание второй гармоники уменьшается при увеличении нагрузки силового трансформатора. Это объясняется тем, что величина второй гармоники тока связана только с глубиной насыщения магнитной системы, тогда как основная гармоника (50 Гц) фазного тока обмотки высокого напряжения определяется коэффициентом загрузки силового трансформатора. Например, смещение режима перемагничивания под воздействием геоиндуцированных токов на границу области технического насыщения электротехнической стали магнитопровода сопровождается увеличением тока намагничивания в (3-5) раз по сравнению с паспортным значением тока холостого хода силового трансформатора. Пропорционально возрастает и мощность намагничивания силового трансформатора. Однако при нагрузке силового трансформатора, близкой к номинальной, даже после такого увеличения ток намагничивания не превысит нескольких процентов фазного тока обмотки высокого напряжения. Относительное содержание второй гармоники в составе фазного тока при номинальной нагрузке еще меньше, не позволяя своевременно обнаружить наступление одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора. Поэтому в условиях воздействия геомагнитного поля, интенсивность которого характеризуется как «слабовозмущенное», «возмущенное», возможна длительная работа силового трансформатора с повышенным уровнем потерь реактивной мощности. Кроме того, для обнаружения второй гармоники в составе фазного тока необходим трансформатор тока с изоляцией, соответствующей классу напряжения обмоток высокого напряжения силового трансформатора. Это существенно усложняет практическую реализацию известного способа.
Цель предлагаемого изобретения - уменьшение потерь реактивной мощности в силовом трансформаторе в периоды геомагнитных возмущений и упрощение практической реализации.
Поставленная цель достигается тем, что фиксируют появление шестой гармоники тока нейтрали и начинают блокирование управляющих импульсов в момент превышения током шестой гармоники допустимого значения.
На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ. На фиг. 2 представлен дискретный спектр тока намагничивания силового трансформатора при одностороннем насыщении магнитной системы под воздействием геоиндуцированных токов.
Устройство содержит токоограничивающий резистор 1, тиристорный ключ 2, соединенные между собой параллельно. Один общий вывод токоограничивающего резистора 1 и тиристорного ключа 2 соединен с нейтралью обмоток высокого напряжения силового трансформатора 3, а второй общий вывод заземлен через датчик тока 4. Тиристорный ключ 2 образован встречно-параллельно соединенными силовыми тиристорами 5, 6, управляющие электроды которых подключены к блоку управления 7. Выход датчика тока 4 соединен через фильтр нижних частот 8 с входом триггера Шмитта 9, а через полосовой фильтр 10 соединен с входом триггера Шмитта 11. Прямые выходы триггеров Шмитта 9 и 11 соединены с выходами двухвходового коньюнктора 12. Инверсный выход триггера Шмитта 9 соединен с установочным входом «S», а выход двухвходового коньюнктора 12 соединен с установочным входом «R» асинхронного RS-триггера 13. Прямой выход асинхронного RS-триггера 13 соединен с входом «Пуск» блока управления 7, а инверсный выход асинхронного RS-триггера 13 соединен с входом «Стоп» блока управления 7.
Предлагаемый способ управления режимом заземления нейтрали силового трансформатора заключается в следующем.
При отсутствии геомагнитных возмущений и соответственно насыщения магнитной системы в нейтрали силового трансформатора 3 протекает ток
N
(0)
I=I,
(0)
равный току нулевой последовательности I, который изменяется с частотой 50 Гц под воздействием напряжения нулевой последовательности. Величина последнего определяется несимметрией фазных напряжений обмоток высокого напряжения силового трансформатора 3
,
0
ном
U(0)
где U - действующее значение напряжения нулевой последовательности; U - номинальное междуфазное напряжение обмоток высокого напряжения силового трансформатора 3; K - коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности, нормально допустимое значение которого составляет 2%, а предельно допустимое значение - 4%.
Ток в нейтрали силового трансформатора 3 контролируется датчиком тока 4 с ячейкой Холла, который позволяет измерять как постоянный, так и переменный ток с частотой до 1 МГц, обеспечивает гальваническую развязку и преобразует измеряемый ток в пропорциональную величину выходного напряжения
(I)
где K - коэффициент передачи датчика тока 4.
c
(0)
Частота среза фильтра нижних частот 8 выбирается равной ƒ≈0,1 Гц максимально возможной частоте геоиндуцированных токов. При протекании через датчик тока 4 только составляющей нулевой последовательности I с частотой 50 Гц выходное напряжение фильтра нижних частот 8 практически равно нулю, т.е. .
p
(0)
N(6)
Резонансная частота полосового фильтра 10 выбирается равной ƒ=300 Гц частоте 6-й гармоники тока намагничивания, которая появляется в нейтрали только при одностороннем насыщении магнитной системы силового трансформатора 3 под воздействием геоиндуцированных токов. При протекании через датчик тока 4 только тока нулевой последовательности I с частотой 50 Гц выходное напряжение U полосового фильтра 10 имеет практически нулевое значение, т.е. .
В этих условиях на прямом выходе триггера Шмитта 9 устанавливается сигнал логического «0», а на инверсном выходе - сигнал логической «1». На прямом выходе триггера Шмитта 11 устанавливается сигнал логического «0». Таким образом, на входы двухвходового коньюнктора 12 поступают сигналы логического «0», устанавливая и на выходе уровень логического «0». В результате формируется комбинация сигналов S=1, R=0, которая устанавливает асинхронный RS - триггер 13 в единичное состояние Q=1, .
(0)
Комбинация выходных сигналов Q=1,  асинхронного RS-триггера 13 служит командой «Пуск» для блока управления 7, разрешая формирование управляющих импульсов силовыми тиристорами 5, 6 и обеспечивая непрерывную проводимость тиристорного ключа 2. Дифференциальное сопротивление силовых тиристоров 5, 6 в проводящем состоянии не превышает нескольких десятков мОм. В результате тиристорный ключ 2 в проводящем состоянии шунтирует токоограничивающий резистор 1 и создает режим глухозаземленной нейтрали силового трансформатора 3. Через силовые тиристоры 5, 6 будет протекать ток нулевой последовательности I - одна полуволна через силовой тиристор 5, а другая полуволна через силовой тиристор 6.
В периоды геомагнитных возмущений по обмоткам высокого напряжения силового трансформатора 3 протекают геоиндуцированные токи, которые характеризуются крайне низкой частотой измерения (не более 0,1 Гц). На интервале десятков, сотен периодов сетевого напряжения геоиндуцированные токи остаются практически постоянными и вызывают одностороннее насыщение магнитной системы силового трансформатора 3, которое сопровождается многократным увеличением тока намагничивания за счет только одной полуволны и появлением высших гармоник.
На фиг. 2 представлен гармонический состав тока намагничивания силового трансформатора номинальной мощностью 630 MBА при протекании по обмоткам высокого напряжения геоиндуцированных токов, величина которых превышает в ≈2,86 раза паспортное значение тока холостого хода. Уровень высших гармоник указан в процентах от значения основной гармоники тока намагничивания. Наиболее характерной особенностью является присутствие в спектре четных гармоник, из которых наиболее значимыми являются вторая (более 80% от значения основной гармоники), четвертая (более 60% от значения основной гармоники) и шестая (≈44,5% от значения основной гармоники) гармоники.
Следует отметить, что амплитуда 6-й гармоники тока намагничивания в ≈2 раза меньше амплитуды 2-й гармоники и в ≈1,5 раза меньше амплитуды 4-й гармоники. Однако 2-я и 4-я гармоники тока намагничивания в нейтрали силового трансформатора 3 не протекают. Шестые гармоники тока намагничивания отдельных фаз, образуя систему нулевой последовательности, в нейтрали силового трансформатора 3 суммируются. Поэтому в нейтрали силового трансформатора 3 протекает утроенное значение 6-й гармоники тока намагничивания, превышающее в ≈1,5 раза амплитуду 2-й гармоники в составе фазного тока обмотки высокого напряжения.
Таким образом, в нейтрали силового трансформатора 3 в периоды геомагнитных возмущений протекает ток, образованный тремя составляющими
ГИТ
μ(n)
где I - величина геоиндуцированного тока в фазной обмотке высокого напряжения силового трансформатора 3; I - гармоники тока намагничивания нулевой последовательности (к=1, 2, 3 …).
В условиях геомагнитных возмущений ток, определяемый выражением (2), фиксируется датчиком тока 4, на выходе которого появляется напряжение, содержащее как постоянную составляющую, так и высшие гармонические составляющие нулевых последовательностей. На выходе фильтра нижних частот 8 появится напряжение
,
а на выходе полосового фильтра 10 появится напряжение
,
(6)
(=)
(6)
p
где I - значение 6-й гармоники тока намагничивания силового трансформатора 3; k - коэффициент передачи постоянного напряжения фильтром нижних частот 8; k - коэффициент передачи полосового фильтра 10 на резонансной частоте ƒ=300 Гц.
0→1
1→0
0→1
1→0
0→1
Передаточная характеристика триггеров Шмитта 9 и 11 обладает гистерезисом, благодаря которому порог переключения U из состояния логического «0» в состояние логической «1» на выходе превышает порог возврата U в исходное состояние, т.е. U>U. Порог переключения U триггера Шмита 11 определяет допустимую величину 6-й гармоники тока намагничивания и соответственно глубину одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 3 под воздействием геоиндуцированных токов.
N(=)
Если уровень выходного сигнала U датчика тока 4
N(6)
превысит порог включения  триггера Шмита 9, то на прямом выходе последнего и на соответствующем входе двухвходового коньюнктора 12 установится сигнал логической «1». Одновременно на инверсном выходе триггера Шмита 9 и соответственно на входе «S» асинхронного RS-триггера 13 устанавливается сигнал логического «0». При недостаточном для одностороннего насыщения магнитной системы силового трансформатора 3 уровне геоиндуцированных токов входное напряжение U полосового фильтра 10
не достигает порога включения  триггера Шмита 11 и на выходе двухвходового коньюнктора 12 сохраняется сигнал логического «0». В этом случае на входах асинхронного RS-триггера 13 устанавливается комбинация сигналов S=0, R=0. Однако такая комбинация не приведет к переключению асинхронного RS-триггера 13, который остается в единичном состоянии, продолжая формировать команду «Пуск» для блока управления 7. Подача управляющих импульсов на силовые тиристоры 5, 6 также продолжается и режим глухозаземленной нейтрали силового трансформатора 3 сохраняется.
N(6)
В периоды повышенной геомагнитной активности, когда уровень выходного напряжения U полосового фильтра 10 достигает порога включения  триггера Шмита 11 и начинают выполняться два условия одновременно
,
,
на выходе двухвходового коньюнктора 12 устанавливается сигнал логической «1». В результате формируются установочные сигналы R=1, S=0, которые сбрасывают асинхронный RS-триггер 13 в нулевое состояние Q=0, . Комбинация выходных сигналов Q=0,  асинхронного RS-триггера 13 служит командой «Стоп» для блока управления 7, запрещая подачу управляющих импульсов на силовые тиристоры 5, 6. Режим заземления нейтрали силового трансформатора 3 становится резистивным и осуществляется через токоограничивающий резистор 1. Степень ограничения величины геоиндуцированных токов в режиме резистивного заземления определяется выражением
,
ГИТ(R)
Σ
где I,  - величина геоиндуцированных токов в режимах резистивного заземления нейтрали и глухозаземленной нейтрали соответственно; R - сопротивление токоограничивающего резистора 1; r - суммарное активное сопротивление обмоток высокого напряжения силового трансформатора 3, фазных проводов примыкающей воздушной линии и заземляющего устройства;  - относительная величина сопротивления токоограничивающего резистора 1.
2
Σ
При  величина геоиндуцированных токов в режиме резистивного заземления нейтрали силового трансформатора 3 уменьшается более чем на (75÷80)% относительно первоначального уровня. Например, для сети 220 кВ с воздушной линией длиной 100 км, сечением фазного провода (240÷400) мм и силовым трансформатором с номинальной мощностью (40÷400) МВА суммарное сопротивление составит r=(2,53÷5,8) Ом. Для снижения геоиндуцированных токов до 20% и менее первоначального значения необходимо выбирать для резистивного заземления нейтрали R≥(10÷23,2) Ом. В качестве токоограничивающего резистора 1 целесообразно использовать силовые кремниевые резисторы таблеточной конструкции типа РК173, которые имеют диапазон номинальных сопротивлений (3,3÷5,6)Ом и номинальную мощность рассеяния 4000 Вт.
N(=)
N(6)
После выключения тиристорного ключа 2 и перехода силового трансформатора 3 в режим резистивного заземления нейтрали происходит уменьшение величины геоиндуцированных токов, глубины одностороннего насыщения магнитной системы и соответственно значения 6-й гармоники тока намагничивания. Пропорционально снизятся и уровни напряжений U, U на выходах фильтра нижних частот 8 и полосового фильтра 10 соответственно. Однако благодаря гистерезису передаточной характеристики не произойдет выключения триггеров Шмита 9 и 11 и на входах двухвходового коньюнктора 12 сохраняется уровни сигналов логической «1». Достаточно обеспечить выполнение условий
,
,
где ,  - выходные напряжения фильтра нижних частот 8 и полосового фильтра 10 соответственно после перехода силового трансформатора 3 в режиме резистивного заземления.
При снижении интенсивности геоиндуцированных токов до уровня, при котором прекращается одностороннее насыщение магнитной системы силового трансформатора 3, выходное напряжение полосового фильтра 10 снижается до нуля, т.е.  и соответственно . Триггер Шмита 11 выключается и на соответствующем входе двухвходового коньюнктора 12 устанавливается сигнал логического «0». На входе «R» асинхронного RS-триггера 13 также устанавливается сигнал логического «0». Однако новая комбинация установочных сигналов R=0, S=0 не изменяет состояния асинхронного RS-триггера 13 и команда «Стоп» для блока управления 7 не снимается. Режим резистивного заземления нейтрали силового трансформатора продолжается.
При дальнейшем снижении интенсивности геоиндуцированных токов вплоть до полного прекращения выходное напряжение  фильтра нижних частот 8 также снижается до нуля. Как только начинает выполняться условие , триггер Шмита 9 выключается и на инверсном выходе устанавливается сигнал логической «1». В результате формируется комбинация сигналов S=1, R=0, которая устанавливает асинхронный RS-триггер 13 в единичное состояние Q=1, , возобновляя команду «Пуск» для блока управления 7. Силовые тиристоры 5, 6 начинают поочередно включаться, обеспечивая непрерывную проводимость тиристорного ключа 2 и вновь создавая режим глухозаземленной нейтрали силового трансформатора 3.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет идентифицировать состояние магнитной системы силового трансформатора уже на границе области технического насыщения электротехнической стали магнитопровода, поскольку ток, регистрируемый только в нейтрали, практически не зависит от коэффициента загрузки силового трансформатора. Переход в режим резистивного заземления возможен при геомагнитных возмущениях более низкой интенсивности, когда состояние геомагнитного поля вербально определяется как «слабовозмущенное» и «возмущенное» и происходит наиболее часто. В результате исключается длительная работа силового трансформатора с повышенным уровнем потерь реактивной мощности из-за воздействия геоиндуцированных токов в периоды геомагнитных возмущений не только высокой, но и сравнительно низкой интенсивности. Кроме того, использование только одного датчика тока с уровнем гальванической развязки вторичных цепей во много раз меньшим класса напряжения обмоток высокого напряжения существенно упрощает практическую реализацию предлагаемого способа управления режимом заземления нейтрали силового трансформатора.
Источники информации
1. 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. Опубл. 20.09.2015. Бюл. №26.
2. Патент РФ №2586326 МКИ H01F 27/42, Н02Н 3/20, Н02Н 9/00. Способ эффективного заземления нейтрали силового трансформатора // А.А. Кувшинов, В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, Т.А. Рыбалко. - Заявлено 03.03.2015. Опубл. 10.06.2016. Бюл. №16.