Что такое опрокидывание фазы

Феррорезонансные явления в электрических сетях

Причиной возникновения феррорезонансных процессов в электрических сетях является наличие индуктивных и емкостных элементов, которые в процессе переключений могут создавать колебательные контуры. Ярко выраженным индуктивным характером обладают силовые трансформаторы, шунтирующие реакторы, трансформаторы напряжения, линейные вольтодобавочные трансформаторы и другое оборудование с массивной обмоткой.

Значительной емкостью в электрических сетях обладают разветвленные высоковольтные линии электропередач, ошиновка подстанций, конденсаторы шунтирующие разрывы высоковольтных выключателей.

В электрических сетях существует два вида этих явлений, это: резонанс токов и напряжений. Они могут возникнуть в системе с параллельным соединением индуктивного и емкостного элемента. Резонанс напряжений возникает в системах с последовательным соединением реактивных элементов.

Переходные процессы в электрических сетях носят сложный характер, при плановых или аварийных отключениях создается множество LC-цепочек, поэтому и резонансные явления имеют смешанный характер.

Феррорезонанс подразумевает наличие индуктивности, имеющей нелинейную вольт-амперную характеристику. Такой характеристикой обладают катушки индуктивности с сердечником из ферромагнитных материалов. Трансформаторы напряжения серии НКФ, широко применяемые на подстанциях и в наши дни, сильно подвержены резонансным явлениям.

Это объясняется небольшой величиной омического и индуктивного сопротивления, по сравнению с силовыми трансформаторами или реакторами. Трансформаторы напряжения выполняют функцию преобразования первичного напряжения до уровней пригодных к использованию приборами учета и УРЗА, а следовательно и подключаются к линиям, системам сборных шин, шинных мостов трансформаторов.

При этом создаются последовательно соединенные LC-цепочки, которые и представляют собой резонансный контур. При последовательном соединении индуктивного элемента, с нелинейной вольтамперной характеристикой и емкостного элемента, напряжение, приложенное к участку этой цепи носит активно-индуктивный характер.

Это объясняется тем, что напряжение в индуктивных элементах опережает ток, на электрический угол 90º, а в емкостных отстает от тока на те же 90º. С течением времени, магнитопровод насыщается и напряжение на индуктивности достигает своего конечного значения, в то время как напряжение на емкостном элементе продолжает увеличиваться.

Момент времени, когда напряжение на емкостном элементе равно напряжению на индуктивности, при их последовательном соединении, называется резонансом напряжений. При дальнейшем плавном увеличении напряжения, приложенного к контуру, характер общего напряжения изменяется на активно-емкостный.

При феррорезонансных явлениях, изменение тока, протекающего в контуре происходит скачкообразно, вместе с током значительно увеличиваются и напряжения приложенные к индуктивному и емкостному элементу.

Резкое изменение характера приложенного напряжения с активно – индуктивного на активно – емкостный называется «опрокидыванием фазы». На основе феррорезонанасных свойств LC-цепочек создают специальные электронные приборы. Однако, если такие процессы происходят незапланировано, то они могут представлять опасность для электрооборудования.

Резонанс токов имеет те же последствия, что и резонанс напряжений, только происходит он в цепях с параллельным соединением LC-цепочек. Резонанс в этом случае наступает при совпадении токов на реактивных элементах контура.

В процессе переключений на подстанциях напряжением 220 кВ и выше могут образовываться последовательные и последовательно – параллельные цепочки LC-элементов. Например, при выводе в ремонт СШ-220 кВ, после отключения выключателей серии ВМТ-220, создаются условия для возникновения феррорезонансных явлений.

Контактная система выключателя ВМТ зашунтирована конденсаторами, после отключения главных контактов, на системе остается напряжение, обусловленное электрическим полем шунтирующих конденсаторов. Ошиновка имеет небольшое омическое сопротивление, к шинам также остается подключенным трансформатор напряжения.

Процесс может и не возникнуть; все зависит от соотношения величин всех элементов, участвующих в контуре. Однако при возникновении резонанса, напряжение на шинах повышается до 300 кВ, а ток скачком поднимается до величин, при которых происходит тепловое разрушение обмоток.

Во избежании появления процесса, в программах и бланках переключений предусматривают определенную последовательность операций, при которой эти процессы расстраиваются. Помимо оперативных мер, препятствующих возникновению феррорезонансных явлений, к системам шин дополнительно могут быть подключены элементы, сопротивление которых препятствует возникновению этого явления.

Источник

Особенности явления феррорезонанса в трансформаторах напряжения

В электрических сетях 6-35 кВ возникает феррорезонанс в трансформаторе напряжения (ТН) при:

Феррорезонанс особенно опасен для критических перегрузок на основной частоте (50 Гц). Возможны субгармонические резонансы на 1/3 и 1/5 от основной частоты.

Что такое феррорезонанс

Феррорезонанс— это явление резкого возрастания тока, приводящее к перегреву и повреждению преобразователя и сопутствующего электротехнического оборудования.

Вызывающий аварию резонанс наблюдается при возникновении колебательного контура с последовательным соединением индуктивности ТН и емкостью сети.

Почему появляется в трансформаторах

Явление резонанса возникает при незаземленной (изолированной) нейтрали совместно с неполнофазным режимом. При изолированной нейтрали ёмкость сети относительно земли образует последовательное соединение с индуктивностью конструкции незаземленного ТН. Неполнофазный режим возникает при частичном включении фаз, при фазовом разрыве или при коротком замыкании несимметричного типа.

Механизм возникновения явления

Вольтамперная характеристика (ВАХ)

ТН содержат катушки индуктивности с сердечниками из ферромагнитных материалов, имеющими нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ). На линейной ВАХ каждому значению напряжения U_i соответствует единственное значение тока I_i. На нелинейной ВАХ для определенного (резонансного) U_р реализуется режим с двумя различными величинами тока — I₁ и I₂.

Резонансный переход

При значении U_р на обмотках ТН сопротивление резко падает. Происходит мгновенный переход от I₁ к I_2, приводящий к «опрокидывание фазы» приложенного U_р, характер которого изменяется с активно-индуктивного на активно-емкостной.

Длительные колебания, вызванные резкими переходами тока в первичных обмотках ТН, вызывают тепловой пробой изоляции.

Какие трансформаторы нейтрализуют эффект феррорезонанса

Для предотвращения скачкообразных токовых перегрузок защитные ТН исполняются совместно с трансформаторами нулевой последовательности (ТНП). Такие специализированные устройства называются антирезонансными.

НАМИТ-10-2

Оборудование относится к типу ТН (Н), А — антирезонансный (А), с естественным масляным охлаждением (М), для измерительных цепей (И), трехфазный (Т), номинальным напряжением 10 кв, вариант исполнения— 2.

Измерительное оборудование состоит из двух единиц, размещенных в общем корпусе:

НАМИ-10-95

Антирезонансное, масляное, измерительное оборудование состоит из:

НАЛИ-СЭЩ-6(10)

Отличием литого исполнения от масляного является высокая пожаро- и взрывобезопасность, что обусловливает применение в особых условиях, например на АЭС.

НАЛИ-СЭЩ-6(10) исполнен посредством четырех активных элементов:

НАЛИ-СЭЩ-1

Оборудование выполнено из однофазных ТН с литой изоляцией типа НОЛ-6(10) и ТНП на основе принципа действия и релейной схемы устройства НАМИТ-10-2.

НАЛИ-СЭЩ-2

Данный тип повторяет НАЛИ-СЭЩ-1 при исключении дополнительной вторичной обмотки, соединенной по схеме открытого треугольника, а также при исключении релейной схемы дешунтирования постоянно включенного ТНП. Явление фоторезонанса в трансформаторе напряжения НАЛИ-СЭЩ-2 не возникает при работе с пониженной рабочей индукцией. Защитная конструкция обеспечивает практически линейную ВАХ.

Источник

Феррорезонанс в электрических цепях

Советы по выбору

Конструкция выпрямителей постоянно модернизируется, повышается качество их схем, что позволяет переносить значительные феррорезонансные перенапряжения. Современные модели выделяются высоким уровнем быстродействия, точностью настройки и длительным эксплуатационным сроком. Режимы устанавливаются мощностными характеристиками прибора и его типом.

Основное условие выбора феррорезонансного стабилизатора – место его подсоединения. Обычно его устанавливают на входе электросети в помещение либо вблизи бытовой техники. Если выпрямитель устанавливается для всей техники, необходимо выбирать устройства с высоким уровнем мощности и подключать их сразу же за распределительным щитком.

Феррорезонансные явления в электрических сетях

Основные факторы, которые порождают феррорезонансные явления в электрических сетях – это элементы ёмкостного и индуктивного типа. Они способны формировать колебательные контуры в периоды переключения. Этот эффект особо заметен в трансформаторах силового типа, линейного вольтодобавочного, шунтирующих контурах и в аналогичных устройствах, которые оборудуются массивной обмоткой.

Данное явление бывает 2 типов: резонанс токов и напряжения.

Феррорезонанс напряжений возможен, когда в сети имеется индуктивность, характеризующаяся нелинейным вольт-амперным свойством. Данная характеристика свойственна катушкам индуктивности, где сердечники производятся из ферромагнитных компонентов. Особенно это касается выпрямителей линейки НКФ. Такое негативное явление обуславливается небольшим показателем сопротивлений омического и индуктивного типов по отношению к силовым трансформаторам.

Феррорезонанс и способы защиты от него

Феррорезонансный контур в сети с изолированной нейтралью — это контур нулевой последовательности с нелинейной характеристикой намагничивания. Трехфазный заземляемый трансформатор напряжения, по конструктиву, это три однофазных трансформатора, соединенные по схеме звезда/звезда, с обособленной магнитной системой. При перенапряжениях в сети индукция в магнитопроводе увеличивается, как минимум в 1,73 раза. В таких режимах возможно насыщение магнитопровода и, как следствие, возникновение феррорезонанса в сети. По данным служб энергоснабжения, ежегодно в эксплуатации повреждается 7–9% трансформаторов напряжения по причине феррорезонанса.

Существует множество способов защиты ТН от резонансных явлений в сети:

Все эти меры в той или иной степени защищают измерительный трансформатор напряжения, но не решают проблему в корне.

Феррорезонансные стабилизаторы

Феррезонансный стабилизатор

Феррорезонансные выпрямители не оборудуются встроенным вольтметром, вследствие чего сложно замерять выходной показатель напряжения сети. Отрегулировать величину напряжения собственноручно не получится. Стабилизаторы феррорезонансного типа частично искажают реальные показания, величина погрешности составляет до 12%.

Тем, кто долго пользуется такими устройствами, необходимо помнить, что они способны излучать магнитное поле, которое может нарушить правильное функционирование бытовой электротехники. Стабилизаторы такого класса настраиваются в заводских условиях, никаких дополнительных настроек в быту они не требуют.

Механизм возникновения явления

Вольтамперная характеристика (ВАХ)

ТН содержат катушки индуктивности с сердечниками из ферромагнитных материалов, имеющими нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ). На линейной ВАХ каждому значению напряжения U_i соответствует единственное значение тока I_i. На нелинейной ВАХ для определенного (резонансного) U_р реализуется режим с двумя различными величинами тока — I₁ и I₂.

Резонансный переход

При значении U_р на обмотках ТН сопротивление резко падает. Происходит мгновенный переход от I₁ к I_2, приводящий к «опрокидывание фазы» приложенного U_р, характер которого изменяется с активно-индуктивного на активно-емкостной.

Длительные колебания, вызванные резкими переходами тока в первичных обмотках ТН, вызывают тепловой пробой изоляции.

Практическое значение

Феррорезонанс может возникать в электрических сетях как вредное явление, приводящее к серьёзным повреждениям оборудования. Наиболее вреден режим с периодом системы; характерны также субгармонические режимы на 1/3 и 1/5 частоты, с меньшими действующими токами. Значительное количество аварий в энергосистемах с неустановленными причинами объясняется феррорезонансом.

Может быть инициирован в результате подключений, отключений, переходных процессов, грозовых перенапряжений, то есть при смене режима работы сети, при авариях, либо в результате внешнего воздействия. Работа сети в режиме феррорезонанса может долгое время оставаться незамеченной.

При феррорезонансе нередко повреждаются электромагнитные трансформаторы напряжения, из-за чрезмерного тока и перегрева. Технические меры по предотвращению аварий заключаются в основном во временном или постоянном увеличении активных потерь в резонансном контуре. Тем самым удается прекратить феррорезонанс или не допустить его возникновения. Намеренное увеличение потерь, в частности, может достигаться выбором конструкции трансформатора, когда магнитопровод частично выполняется из толстолистовой конструкционной стали.

Принцип действия феррорезонансных стабилизаторов

Обмотка первичного типа, на которую поступает входное напряжение, находится на магнитопроводе. Он обладает большим поперечным сечением, что позволяет держать сердечник в ненасыщенном состоянии. На входе напряжение формирует магнитные потоки.

На зажимах обмотки вторичного типа формируется выходное напряжение. К этой обмотке подсоединяется нагрузка, которая находится на сердечнике, обладает небольшим сечением и пребывает в насыщенном состоянии. При аномалиях сетевого напряжения и магнитного потока его значение фактически не модифицируется, а также неизменным остаётся показатель ЭДС. Во время увеличения магнитного потока некоторая его доля будет замкнута на магнитном шунте.

Магнитный поток принимает синусоидальную форму и при его подходе к амплитудному показателю отдельный его участок переходит в режим насыщения. Повышение магнитного потока при этом прекращается. Замыкание потока по магнитному шунту будет осуществляться лишь тогда, когда показатель магнитного потока сравнится с амплитудным.

Наличие конденсатора позволяет феррорезонансному стабилизатору работать с увеличенным мощностным коэффициентом. Показатель стабилизации зависит от уровня наклона кривой горизонтального типа по отношению к абсциссе. Наклон данного участка значительный, поэтому обрести высокий уровень стабилизации без вспомогательного оборудования невозможно.

Феррорезонанс — ток

Феррорезонанс токов может наблюдаться при параллельном соединении катушки с магнитопроводом и конденсатора при питании цепи от источника синусоидального напряжения. Анализ феррорезонанса токов аналогичен анализу феррорезонанса напряжений.

Возникновение феррорезонанса токов наступает при определенном значении тока, причем нагрузка блока увеличивает ток наступления феррорезонанса.

В стабилизаторах с феррорезонансом токов для фильтров обычно используется основная емкость стабилизатора.

У ФСН с феррорезонансом токов устранение дестабилизирующего влияния изменения частоты входного напряжения в пределах / ( 0 97 ч — 1 02) fHOM возможно за счет применения компенсационных обмоток, расположенных на линейном дросселе стабилизатора. У ФСН с феррорезонансом напряжений для устранения дестабилизирующего влияния изменения частоты необходимы специальные схемы.

Преимущества стабилизаторов с феррорезонансом токов раскрыты и доказаны, поэтому ниже рассматриваются ФСН только этой группы. Полученные аналитические и графические выражения характеристик таких ФСН весьма близки к действительным, но не учитывают высших гармоник тока и напряжения, всегда имеющих место в реальном стабилизаторе. Эти зависимости примерно одинаковы для широкого класса рассматриваемых ФСН и поэтому в известной мере их можно считать типичными.

Указанные свойства стабилизаторов с феррорезонансом токов имеют важное значение, особенно для полупроводниковых преобразователей.

В отличие от стабилизаторов с феррорезонансом токов в рассматриваемых стабилизаторах вступление в рабочий режим и выход из него всегда происходят скачкообразно. При плавном изменении входного напряжения ( а также нагрузки, частоты или параметров схемы) переход в рабочий ( квазистационарный) режим может произойти при условии Ubm Us, так как только в этом случае на протяжении каждого полупериода питающего напряжения дроссель насыщается и через него может осуществиться разряд емкости.

Явление — феррорезонанс

Явление феррорезонанса подробно рассматривается во всех курсах теоретических основ электротехники. Анализ их проводится методом эквивалентных синусоид, и поэтому полученные результаты достаточно близко совпадают с результатами опыта только при значениях индукции в магнитопроводе нелинейных индуктивных элементов несколько выше колена характеристики намагничивания. При таких условиях содержание высших гармонических в токах и напряжениях относительно невелико и неучет их не приводит к существенным погрешностям расчета.

Явление феррорезонанса широко используется в технике. Оно позволяет создать бесконтактные реле, которые, в отличие от рассмотренных выше, не нуждаются ни в обмотках обратной связи, ни и выпрямителях.

Чем отличается явление феррорезонанса от явления резонанса в линейных цепях.

При анализе явления феррорезонанса в целях упрощения пользуются эквивалентными синусоидами напряжения и тока в катушке.

Для пояснения явления феррорезонанса напряжений будем пренебрегать всеми видами потерь энергии в цени, а также высшими гармониками напряжений и тока.

Феррорезонансные стабилизаторы могут быть основаны на явлениях феррорезонанса напряжений и токов.

Незаземляемые ТН

Для решения всех вопросов, связанных с эксплуатацией заземляемых трансформаторов напряжения в сетях с изолированной нейтралью, на нашем предприятии разработана новая трехфазная группа. Трехфазная 3хНОЛ.08-6(10)М группа, состоящая из трех незаземляемых трансформаторов, соединенных по схеме треугольник/треугольник. Основное преимущество 3хНОЛ.08-6(10)М — отсутствие заземляемого вывода с ослабленной изоляцией. Это значит, что трансформатор не подвержен влиянию феррорезонанса и не требует дополнительных защит от его воздействия. Также изоляцию этого трансформатора возможно испытать приложенным одноминутным напряжением промышленной частоты в условиях эксплуатации, так как в этом случае нет необходимости в источнике повышенной частоты.

Трансформатор напряжения НОЛ.08-6(10)М

У незаземляемых трансформаторов нет высоковольтных выводов с ослабленной изоляцией, что так-же позволит избежать нарушений, которые зачастую случаются в эксплуатации, при определении сопротивления изоляции вывода «Х», так как есть разночтения в нормативной документации. На сегодняшний день большое количество пунктов коммерческого учета (ПКУ) имеют в своем составе заземляемые трансформаторы напряжения со встроенными предохранителями (ЗНОЛП). При однофазных замыканиях на землю, а они как указывалось выше, случаются достаточно часто в воздушных распределительных сетях, срабатывает встроенное защитное предохранительное устройство (ЗПУ). Встраиваемое ЗПУ, прежде всего, предназначено для защиты трансформатора напряжения от коротких замыканий во вторичных цепях.

Так как ток срабатывания предохранителя достаточно мал, то при различных перенапряжениях, вызванных, в том числе, и однофазными замыканиями на землю, — происходит отключение ТН. ЗПУ защищает обмотку ВН от сверхтоков, которые возможны при различных технологических нарушениях в электрических сетях. При срабатывании предохранителя учет электроэнергии будет отсутствовать. Для восстановления учета, необходимо заменить плавкую вставку ЗПУ.

Условия возникновения

В нормальных режимах работы трёхфазной сети феррорезонанс маловероятен, так как ёмкости конструкционных элементов оказываются зашунтированными индуктивным сопротивлением входной питающей сети.

Нормальный режим является симметричным. Наиболее распространенная на практике причина феррорезонанса — незаземленная (изолированная) нейтраль в сочетании с неполнофазным режимом. При изолированной нейтрали ёмкость сети относительно земли
соединяется последовательно с обмотками силового
трансформатора или электромагнитного трансформатора напряжения, что создает благоприятное условие для феррорезонанса. Неполнофазный режим может возникать при неполнофазном включении, при разрыве одной фазы или при несимметричном коротком замыкании.

Какие трансформаторы нейтрализуют эффект феррорезонанса

Для предотвращения скачкообразных токовых перегрузок защитные ТН исполняются совместно с трансформаторами нулевой последовательности (ТНП). Такие специализированные устройства называются антирезонансными.

НАМИТ-10-2

Оборудование относится к типу ТН (Н), А — антирезонансный (А), с естественным масляным охлаждением (М), для измерительных цепей (И), трехфазный (Т), номинальным напряжением 10 кв, вариант исполнения— 2.

Измерительное оборудование состоит из двух единиц, размещенных в общем корпусе:

НАМИ-10-95

Антирезонансное, масляное, измерительное оборудование состоит из:

НАЛИ-СЭЩ-6(10)

НАЛИ-СЭЩ-6(10) исполнен посредством четырех активных элементов:

НАЛИ-СЭЩ-1

Оборудование выполнено из однофазных ТН с литой изоляцией типа НОЛ-6(10) и ТНП на основе принципа действия и релейной схемы устройства НАМИТ-10-2.

НАЛИ-СЭЩ-2

Данный тип повторяет НАЛИ-СЭЩ-1 при исключении дополнительной вторичной обмотки, соединенной по схеме открытого треугольника, а также при исключении релейной схемы дешунтирования постоянно включенного ТНП. Явление фоторезонанса в трансформаторе напряжения НАЛИ-СЭЩ-2 не возникает при работе с пониженной рабочей индукцией. Защитная конструкция обеспечивает практически линейную ВАХ.

Источник