Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Перенапряжения при феррорезонансных процессах в сети с изолированной нейтралью 15
1.1 Однофазные замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью 15
1.2 Феррорезонансные явления простейшего электроферромагнитного колебательного контура с последовательно соединенными элементами 20
1.3 Автопараметрические колебания в трехфазных электроферромагнитных колебательных контурах 22
1.4 Феррорезонансные перенапряжения электроустановок напряжением 6-35 кВ 26
1.5 Блок диагностики перенапряжения 32
1.6 Измерительные трансформаторы напряжения 33
1.7 Современные антирезонансные установки на базе измерительных трансформаторов напряжения 37
1.8 Методы расчета нелинейных электрических цепей при феррорезонансном процессе 39
1.9 Допущения, принятые для имитационного моделирования 40
Выводы к первой главе 41
Постановка задач исследования 42
Глава 2 Электромагнитные процессы в электротехническом комплексе для диагностики и предотвращения перенапряжений 43
2.1 Процесс намагничивания однофазного стержневого трансформатора 43
2.2 Процесс намагничивания трехфазной группы однофазных трансформаторов 48
2.3 Процесс намагничивания трехфазного стержневого трансформатора ... 53
2.4 Разработка электротехнического комплекса для диагностики и предотвращения перенапряжений 59
Выводы ко второй главе 63
Глава 3 Перенапряжения, вызванные феррорезонансным процессом в сети с изолированной нейтралью 65
3.1 Феррорезонансный в сети с изолированной нейтралью и однофазным трансформатором напряжения 65
3.2 Феррорезонансный процесс в сети с изолированной нейтралью и трехфазным трансформатором напряжения 79
Выводы по третьей главе 103
Глава 4 Разработка оригинальной конструкции и исследование электромагнитных процессов в антирезонансном трансформаторе напряжения 106
4.1 Электромагнитные процессы в антирезонансном трансформаторе напряжения 108
4.2 Экспериментальное исследование антирезонансного трансформатора напряжения 113
4.3 Имитационное моделирование однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью и антирезонансным трансформатором напряжения 131
Выводы к четвертой главе 144
Заключение 147
Список литературы 149
- Автопараметрические колебания в трехфазных электроферромагнитных колебательных контурах
- Допущения, принятые для имитационного моделирования
- Процесс намагничивания трехфазного стержневого трансформатора
- Экспериментальное исследование антирезонансного трансформатора напряжения
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Сети номинального напряжения 6–35 кВ работают с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостного тока замыкания на землю. В сетях 6–35 кВ с изолированной нейтралью при наличии однофазного замыкания на землю возможен феррорезонанс индуктивности трансформатора напряжения (ТН) с емкостью сети, приводящий к перенапряжениям. Повреждениям от феррорезонанса подвержены только ТН с заземленной обмоткой высокого напряжения, контролирующие изоляцию сети относительно земли.
Феррорезонанс ТН с емкостью сети возможен в схемах, работающих с изолированной нейтралью: при самопроизвольном смещении нейтрали в схемах с малыми емкостными токами, при субгармоническом феррорезонансе в схемах с относительно небольшими емкостями коротких линий 6–35 кВ, при однофазных замыканиях на землю через перемежающуюся дугу, при однофазных замыканиях на землю. Наиболее эффективным мероприятием по повышению надежности работы ТН и ликвидации их повреждений является применение антирезонансных ТН.
В настоящее время разработчики пытаются добиться антирезонансных свойств
либо подключением активного сопротивления в нейтраль обмотки высокого
напряжения трансформатора, либо добавлением трансформатора нулевой
последовательности к трехфазному трансформатору, магнитопровод которого выполнен группой однофазных трансформаторов или трехфазным стержневым. Однако ряд работ российских и зарубежных ученых показывает, что эти методы полностью не исключают возникновение феррорезонансного процесса (ФРП) в сети с изолированной нейтралью. К тому же из-за подключения активного сопротивления в нейтраль трансформатора увеличивается погрешность измерений. Поэтому вопрос исследования возможности диагностирования и предотвращения перенапряжений в сети с изолированной нейтралью остается открытым.
Для решения данной проблемы автором предлагается для диагностики перенапряжений в сетях 6–35 кВ с изолированной нейтралью использовать электротехнический комплекс (ЭТК), состоящий из измерительного трансформатора напряжения, измерительных приборов и блока диагностики. Блок диагностики построен на базе микроконтроллера, и его задачей является автоматизированный сбор и оценка информации, получаемой от трансформатора напряжения с возможностью передачи команд в цепи релейной защиты. В блоке диагностики закладывается оригинальный алгоритм оценки степени развития ФРП, полученный на основе исследований автора. Таким образом, диссертация посвящена разработке
ЭТК, который является неотъемлемой составной частью систем более высокого уровня (системы диспетчерского управления).
Степень разработанности темы исследования.
Исследованиям в данной области посвящены работы таких ученых
и специалистов как Г. Р. Рахимов, А. С. Каримов, П. М. Тихомиров, Л. Э. Рогинская,
Д. И. Богданов, А. Г. Овсянников, С. Б. Васютинский, Л. А. Бессонов,
В. Я. Белозеров, Ф. Х. Халилов, К. П. Кадомская, А. С. Серебряков, М. Х. Зихерман, А. И. Федоровская, в том числе ряд известных российских предприятий, таких как ООО «Невский трансформаторный завод «Волхов», ОАО «Электрозавод».
Цель работы: диагностика перенапряжения в сети и его предотвращение с использованием антирезонансного трансформатора напряжения.
В работе были решены следующие задачи:
-
Разработка электротехнического комплекса для диагностики и предотвращения перенапряжения в сети, вызванного феррорезонансным процессом. Создание алгоритма диагностики перенапряжения, реализованного в программном коде.
-
Создание имитационных моделей процесса намагничивания трансформаторов с различными конструкциями магнитопровода и исследование электромагнитных процессов с помощью разработанных моделей.
-
Исследование электромагнитных процессов при феррорезонансном процессе, вызывающим перенапряжения в сети с изолированной нейтралью и трансформаторами с различными конструкциями магнитопровода с помощью имитационных моделей.
-
Разработка оригинальной конструкции и исследование электромагнитных процессов в антирезонансном трансформаторе напряжения для предотвращения перенапряжений, вызванных феррорезонансным процессом. Экспериментальное исследование электромагнитных процессов в разработанном антирезонансном трансформаторе напряжения.
Научная новизна:
-
Разработан электротехнический комплекс для диагностики перенапряжения в сети, вызванного феррорезонансным процессом, создан алгоритм диагностики перенапряжения, реализованный в программном коде.
-
Созданы имитационные модели феррорезонансного процесса, вызывающего перенапряжения в сети с изолированной нейтралью и трансформаторами с различными конструкциями магнитопровода (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015611753 от 05.02.2015 г. «Имитационная
модель феррорезонансных явлений при однофазных КЗ на землю в сети с изолированной нейтралью и трехфазным трехстержневым трансформатором», свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015611278 от 27.01.2015 г. «Имитационная модель феррорезонансных явлений при однофазных КЗ на землю в сети с изолированной нейтралью и трехфазной группой однофазных трансформаторов»). В результате исследования электромагнитных процессов с использованием разработанных имитационных моделей выявлены особенности изменения параметров, характеризующих электромагнитные процессы и их гармонический состав.
3. Создана оригинальная конструкция антирезонансного трансформатора
напряжения, исключающего феррорезонансный процесс в сети с изолированной
нейтралью (Патент РФ № 131231 U1, H01F30/12, 16.01.2013 г. «Антирезонансный
трехфазный трансформатор напряжения с ленточным магнитопроводом»).
Разработана имитационная модель разработанного антирезонансного
трансформатора напряжения (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014618626 от 26.08.2014 г. «Имитационная модель намагничивания антирезонансного трансформатора с витым пространственным магнитопроводом»). В результате исследования электромагнитных процессов на основе имитационных моделей установлено, что применение разработанного антирезонансного трансформатора напряжения предотвращает перенапряжения, вызванные феррорезонансным процессом.
Теоретическая и практическая значимость работы.
-
Электротехнический комплекс для диагностики и предотвращения перенапряжения в сети, вызванного феррорезонансным процессом и алгоритм диагностики перенапряжения позволяют выявить и предотвратить феррорезонансный процесс в сети.
-
Созданные имитационные модели позволяют повысить эффективность исследования электромагнитных процессов в электротехнических комплексах для диагностики и предотвращения перенапряжений в сети, вызванных феррорезонансным процессом.
-
Разработанная оригинальная конструкция антирезонансного трансформатора напряжения, исключающего феррорезонансные процессы в сети, может найти широкое применение в электротехнических комплексах за счет предотвращения перенапряжений.
-
Созданная имитационная модель разработанного антирезонансного трансформатора напряжения позволяет повысить эффективность исследования
электромагнитных процессов, точность и ускорить процесс проектирования антирезонансного трансформатора напряжения.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы аналитические методы исследования магнитного поля, методы теории дифференциального и интегрального исчисления, имитационного моделирования на ПК с использованием пакета MatLab Simulink.
Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях. Исследования проводились на кафедре электромеханики ФГБОУ ВПО «УГАТУ».
Положения, выносимые на защиту:
-
Структурная и функциональная схемы электротехнического комплекса для диагностики и предотвращения перенапряжения в сети, вызванного феррорезонансным процессом и алгоритм его управления.
-
Результаты исследований электромагнитных процессов при перенапряжении, вызванном феррорезонансным процессом в сети с изолированной нейтралью и трансформаторами с различными конструкциями магнитопровода на основе разработанных имитационных моделей.
-
Оригинальная конструкция антирезонансного трансформатора напряжения, разработанная на основе полученных результатов исследований электромагнитных процессов.
-
Результаты исследований электромагнитных процессов на основе имитационной модели разработанного антирезонансного трансформатора напряжения и результаты экспериментального исследования электромагнитных процессов в антирезонансном трансформаторе напряжения для предотвращения перенапряжений, вызванных феррорезонансным процессом.
Степень достоверности и апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих
конференциях: молодежной научно – практической конференции
«Электроэнергетические системы и сети. Энергосбережение», VIII Всероссийской
зимней школе аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2013 г.), Международной
молодежной научной конференции «XXXIX Гагаринские чтения» (Москва, 2013 г.),
VIII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения»
(Казань, 2013 г.), I Международной (IV Всероссийская) научно – техническая
конференция «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование
предприятий», VII Всероссийской молодежная научная конференция
«Мавлютовские чтения» (Уфа, 2013 г.), IX Международной молодежной научной
конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2014 г.), 40-ой Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2014 г.). На перечисленных конференциях работы были отмечены дипломами различной степени.
Диссертационная работа выполнена на основании задания № 8.287.2014/K
на выполнение научно-исследовательской работы в рамках проектной части
государственного задания в сфере научной деятельности в 2014-2016 гг.:
«Исследования и разработка высокоэффективного энергетического комплекса
для повышения энерговооруженности и энергоэффективности космических
аппаратов».
Публикации.
Список публикаций по теме диссертации составляет 27 научных труда, в том числе 7 статей, из них 3 в изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 патент РФ на полезную модель, 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, 16 материалов конференций.
Структура и объем диссертации.
Автопараметрические колебания в трехфазных электроферромагнитных колебательных контурах
В энергосистемах Российской Федерации сети напряжением 6-35 кВ работают с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через большое индуктивное сопротивление ДГР. В этом случае однофазное замыкание на землю не приводит к значительному увеличению токов короткого замыкания, так как ток замыкается через большие сопротивления емкостей фаз [47].
Рассмотрим электромагнитные процессы в двух режимах работы сети с изолированной нейтралью: в нормальных условиях и при однофазном замыкании на землю. Для того, чтобы упростить расчеты, примем, что в сети отсутствует нагрузка, тогда напряжения всех фаз становятся неизменными и равными ЭДС фаз источника питания. Представлена сеть с изолированной нейтралью с источником питания и одной линией электропередач, представляющей всю сеть (рисунок 1.1). Также примем, что емкость фаз С0 относительно земли сосредоточена, а сопротивления R и X линии и емкость источника питания учитывать не будем.
В нормальных условиях напряжения фаз линии А, В и С относительно земли равны фазным напряжениям UA, UB, UC,, которые, в свою очередь, равны ЭДС источника питания ЕА, ЕВ, ЕС. Их векторы составляют симметричную звезду, как показано на рисунке 1.2, а Векторы этих фазных напряжений образуют симметричную звезду (рисунок 1.2, а), их сумма равна нулю, поэтому напряжение в нейтрали N отсутствует: UN = 0. Через емкости фаз СА, СВ,СС относительно земли замыкаются токи, равные [47]: 1А = и J- jXc; їв = UB/- jXc; I с = Ucl- jXc, (1.1) Рисунок 1.1 – Работа сети с изолированной нейтралью в нормальных условиях где Xr= — . (1.2) Если просуммировать емкостные токи, замыкающиеся по фазам сети, то мы получим нуль и, следовательно, 3/0 будет отсутствовать(рисунок 1.2, а). Предположим, что произошло однофазное замыкание на землю фазыв А (рисунок 1.3), в этом случае напряжение фаз сети относительно земли станет . (1) равным нулю (UА = 0). А напряжение нейтрали UN по отношению к земле становится равным напряжению фазы А, но обратному по знаку UA = UKN=-EA. (1.3) Напряжения остальных фаз относительно земли увеличатся до . (1) . (1) междуфазных напряжений UB = UBA и UC = UCA . Междуфазные напряжения не меняют своего значения (рисунок 1.2, б, 1.3). . (1) . (1) . Векторная диаграмма напряжений UB ,Uc ,U линии относительно земли представлена на рисунке 1.2, б, где точки А, В, С - это потенциалы проводов, точка N представляет нейтраль источника питания. а б Рисунок 1.2 – Векторные диаграммы фазных токов и напряжений: а – в нормальном режиме; б – при однофазном замыкании на землю. Из рисунка 1.3 мы видим, что токи, замыкающиеся через емкомсти фаз В и С проходят в месте повреждения - точке К. В неповрежденных фазах появляются токи, опережающие на 90 напряжения Uв и Uс IB(C) = jUBAIХС и 1С(С) = jUCAIХС. (1.4) Ток короткого замыкания I з(С) равен сумме токов в неповрежденных фазах (рисунок 1.3) Із(C) ={ІB(C) + ІC(C)) С учетом (1.1) (и л з(C) ВА UCA] (UBA+UCA X с хс хс Л I (1.5) Рисунок 1.3 – Протекание фазных токов при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью Так как UBA+UCA = -ЪЕА (рисунок 1.2, б), то 13{С)=-ЪЕА1 Хс=-]Ъи АФ1 Хс. (1.6) Как видим из выражения (1.6), ток короткого замыкания в три раза превышает нормальный емкостной ток фазы 1Ф{с) = иФ1Хс и опережает напряжение в нейтрали UN на 90. Его можно определить следующим образом (рисунок 1.2,6) 1э{С) =Ъ1сФ=Ъ иФ1 Хс=ЪиФ coCJ (1.7) где l – это протяженность фазы сети, м; Cуд – емкость 1 км фазы относительно земли, Ф. В сетях воздушных линий электропередач однофазный ток короткого замыкания составляет несколько десятков ампер, в кабельных сетях он может достигать 200–400 А. При однофазном замыкании на землю в напряжениях и токах фаз появляются составляющие нулевой последовательности (НП) (рисунок 1.4):
Токи нулевой последовательности создают во всех фазах потоки нулевой последовательности Ф0п, которые во времени совпадают по фазе. В этом отношении они аналогичны третьим гармоникам потока трехфазных трансформаторов, возникающих вследствие насыщения магнитной цепи и проходят в серднчниках таким же образом. В трансформаторах броневой и бронестержневой конструкции, а также в трехфазной группе однофазных трансформаторов Ф0п замыкаются по замкнутым стальным сердечникам. Поэтому в данном случае магнитное сопротивление для потоков Ф0п мало и уже небольшие токи Iaо=Ibо =Icо способны создавать большие потоки Ф0п. Действительно, если ток Iaо равен току холостого хода трансформатора, то поток Ф0п равен нормальному рабочему потоку трансформатора. В трехстержневом трансформаторе потоки нулевой последовательности напрвлены в каждый момент времени во всех стержнях одинаково и поэтому замыкаются от одного ярма к другому через масло или бак трансформатора. В этом случае магнитное сопротивление для Ф0п относительно велико, а в стенках бака индуктируются вихревые токи и возникают потери [48].
Допущения, принятые для имитационного моделирования
Как видно, магнитный поток трансформатора несинусоидальный и имеет седлообразный характер, его амплитуда составляет 0,06 Вб (рисунок 2.10, а), в гармоническом составе, помимо основной, присутствует третья гармоническая, в размере 20 % от основной (рисунок 2.11, а). Несинусоидальную форму имеет и намагничивающий ток трансформатора, изменяется с амплитудой 0,3 А (рисунок 2.10, б). В гармоническом составе, помимо основной, присутствует пятая гармоника, в размере 20 % от основной (рисунок 2.11, б).
В трехфазной группе однофазных трансформаторов поток Ф3, как и поток Ф1, замыкается по магнитопроводу, магнитное сопротивление которого мало. В этом случае поток Ф3 может достигать 10–20 % от Ф1, а наводимые им в обмотках ЭДС третьей гармоники составят 30–60 % от ЭДС первой гармоники. Это не только искажает кривые фазных ЭДС первичной и вторичной обмоток, но и увеличивает их амплитудное значение на 30–60 %, вызывая соответствующее возрастание напряженности электрического поля в изоляции, понижая тем самым прочность последней. Одновременно увеличивается на 5–17 % и действующее значение фазных ЭДС [56].
В то же время, несмотря на существенное искажение фазных ЭДС, линейные ЭДС остаются синусоидальными, поскольку в них третьи гармоники отсутствуют.
Рассмотрим режим работы трехфазного стержневого трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y (рисунок 2.12).
В трехфазном стержневом трансформаторе третьи гармонические составляющие потоков фаз (рисунок 2.13) замыкаются через стенки бака, встречая на своем пути большие сопротивления немагнитных промежутков. Поэтому магнитное сопротивление для третьих гармонических потоков получается в десятки раз большим, чем для первых гармонических, которые составляющие приходится определять по различным характеристикам намагничивания: третью гармоническую Ф3 – по линейной характеристике Ф3=f3(i3), первую Ф1 – по нелинейной характеристике намагничивания, полученной для синусоидально изменяющегося потока Ф1=f1(i0) (рисунок 2.14) [48, 71].
Следует отметить, что в трехфазном стержневом трансформаторе третьи гармонические магнитных потоков ФА3, Фв3, Фс3 по замкнутому пути в сердечнике замыкаться не могут, так как в каждый момент времени они имеют во всех стержнях одинаковое направление. Поэтому магнитные потоки ФА3, Фв3, Фс3 замыкаются от одного ярма к другому через трансформаторное масло или воздух, а также через крепежные детали и стенки бака трансформатора, что приводит к уменьшению величины потоков ФА3, Фв3, Фс3 по сравнению с этими потоками в трансформаторах других типов. Замыкание потока через крепежные детали и стенки бака трехстержневого трансформатора вызывает потери на вихревые токи [48].
Заметим, что хотя третьи гармонические магнитных потоков из-за большого магнитного сопротивления воздуха невелики, тем не менее, проходя по стенкам стального бака и стяжным болтам, третьи гармонические магнитных потоков индуктируют в этих конструктивных элементах вихревые токи, что вызывает местный нагрев и снижение КПД трансформатора. При больших значениях индукции (более 1,6 Тл) потери в баке от вихревых токов могут достигать 50 % от потерь в сердечнике [75].
Отметим, что при соединении обмоток по схеме Yн/Y третьи гармоники намагничивающего тока замыкаются по нулевому проводу, ток в котором /н = 3/03. Следовательно, намагничивающий ток в каждой фазе содержит третью гармонику, т.е. является несинусоидальным, а магнитный поток и ЭДС -синусоидальными [56].
При соединении Гн третьи гармонические токов протекают в линейных проводах и замыкаются через емкости линии передачи и нейтральный провод. Они оказывают вредное влияние на линии связи или вызывают добавочные потери в оболочках кабелей, поскольку их внешнее магнитное поле, в соответствии с законом полного тока, не равно нулю [71].
Для диагностики и предотвращения перенапряжений, вызванных феррорезонансным процессом в сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью предлагается использовать электротехнический комплекс (рисунок 2.18), состоящий из измерительного трансформатора напряжения, измерительных приборов и блока диагностики. Блок диагностики построен на базе микроконтроллера STM32F100-Discovery, и его задачей является автоматизированный сбор и оценка информации, получаемой от трансформатора напряжения с возможностью передачи команд в цепи релейной защиты. В блоке диагностики закладывается оригинальный алгоритм оценки степени развития ФРП, полученный на основе исследований автора.
Трансформатор напряжения подсоединяется к сети и с помощью датчика напряжения замеряет амплитуду, гармонический состав и форму сигнала напряжения. С датчика напряжения информация поступает на блок диагностики. Блок диагностики сравнивает параметры напряжения с номинальными, и в случае скачка амплитуды напряжения, изменения гармонического состава и изменения формы сигнала, передает сигнал на цепи релейной защиты и в систему диспетчерского управления. Цепи релейной защиты, в свою очередь, отключают трансформатор от сети, и феррорезонансный процесс не развивается.
Таким образом, с помощью разработанного электротехнического комплекса появляется возможность диагностики феррорезонансного процесса и его немедленной ликвидации.
Для блока управления был разработан алгоритм управления БД (рисунок 2.19). На основе разработанного алгоритма управления БД был написан оригинальный программный код блока диагностики (Приложение Б).
На АЦП поступает 8 сигналов с датчиков напряжения, которые подключены к трансформатору напряжения. По каждой фазе поступает сигнал, высчитывается среднеквадратичное значение. Если среднеквадратичное значение напряжения соответствует нормальному значению, то алгоритм повторяется и АЦП вновь обрабатывает 8 сигналов с датчиков напряжения по каждой фазе, высчитывая среднеквадратичное значение. Если среднеквадратичное значение напряжения больше установленного, то на микроконтроллере загорается лампа, сигнализирующая о превышении амплитуды напряжения. Информация передается на пункт диспетчерского управления, где с помощью релейной защиты отключается трансформатор напряжения от сети. Далее цикл повторяется.
На рисунке 2.20 приведена схема блока диагностики. Блок диагностики состоит из микроконтроллера STM32F100-Discovery. К микроконтроллеру подключаются датчики напряжения через джамперы JP1, JP2 и JP3 и через резистивные делители напряжения R1, R2, R5, необходимые для уменьшения напряжения до требуемых значений, сигнал передается на АЦП. При превышении среднего значения напряжения с АЦП сигнал через резистивные делители напряжения R3, R8, R9, R10 передается на светодиоды-индикаторы аварии LED1, LED2, LED3, LED4. Сигнал поступает на контроллер HD44780. Питание схемы стандартное.
Процесс намагничивания трехфазного стержневого трансформатора
На рисунках 3.14-3.17 представлены результаты имитационного моделирования нормальной работы сети с изолированной нейтралью и трехфазным измерительным трансформатором напряжения, магнитопровод которого выполнен трехфазной группой однофазных трансформаторов. Подаваемое напряжение 10 кВ, магнитный поток по прямой и обратной последовательности несинусоидальный, амплитуда составляет 0,06 Вб (рисунок 3.14, а), в гармоническом составе присутствует третья гармоника (рисунок 3.16, а), магнитный поток по нулевой последовательности синусоидальный, амплитуда составляет 10"3 Вб (рисунок 3.14, б), изменяется с основной частотой (рисунок 3.16, б), фазный ток по прямой и обратной последовательности несинусоидальный, амплитуда составляет 0,25 А (рисунок 3.14, в), в гармоническом составе, помимо основной, присутствует пятая гармоническая составляющая (рисунок 3.16, в), фазный ток по нулевой последовательности несинусоидальный, амплитуда составляет 1,3-10"3 А (рисунок 3.15, а), в гармоническом составе в незначительной степени присутствует третья и пятая гармонические (рисунок 3.17, а), напряжение на емкостном элементе синусоидальное, амплитуда составляет 20 В (рисунок 3.15, б), в изменяется с основной частотой (рисунок 3.17, б), напряжение на индуктивном элементе синусоидальное, амплитуда составляет 3000 В (рисунок 3.15, в), изменяется с основной частотой (рисунок 3.17, в).
Результаты моделирования электромагнитных процессов в сети с изолированной нейтралью и измерительным трансформатором напряжения, магнитопровод которого выполнен трехфазной группой однофазных трансформаторов показывают, что в нормальном режиме работы кривые тока и потока по прямой и обратной последовательности изменяются согласно режиму холостого хода, ток и поток нулевой последовательности незначительные, амплитуда напряжения на индуктивном элементе превышает напряжение на емкостном элементе, а оно, в свою очередь, мало.
Гармонический состав кривых, полученных при моделировании электромагнитных процессов при феррорезонансе в сети с изолированной нейтралью и измерительным трансформатором напряжения, магнитопровод которого выполнен трехфазной группой однофазных трансформаторов: а – ток по нулевой последовательности; б – напряжение на емкостном элементе; в – напряжение на индуктивном элементе. На рисунках 3.18–3.21 представлены результаты имитационного моделирования электромагнитных процессов в сети с изолированной нейтралью и трехфазным измерительным трансформатором напряжения, магнитопровод которого выполнен трехфазной группой однофазных трансформаторов при повышении напряжения до 10,1 кВ. Как видим, магнитный поток по прямой и обратной последовательности несинусоидальный, амплитуда составляет 0,06 Вб (рисунок 3.18, а), в гармоническом составе присутствует третья гармоническая (рисунок 3.20, а), магнитный поток по нулевой последовательности синусоидальный, амплитуда составляет 0,015 Вб (рисунок 3.18, б), изменяется с основной частотой (рисунок 3.20, б), фазный ток по прямой и обратной последовательности несинусоидальный, амплитуда составляет 0,25 А (рисунок 3.18, в), в гармоническом составе присутствует пятая гармоническая (рисунок 3.20, в), фазный ток по нулевой последовательности несинусоидальный, амплитуда увеличилась до 10 А (рисунок 3.19, а), в гармоническом составе присутствуют третья, пятая и седьмая гармонические (рисунок 3.21, а), напряжение на емкостном элементе несинусоидальное, амплитуда увеличилась до 150000 В (рисунок 3.19, б), изменяется с основной частотой (рисунок 3.21, б), напряжение на индуктивном элементе несинусоидальное, амплитуда возросла до 42000 В (рисунок 3.19, в), изменяется с основной частотой (рисунок 3.21, в).
Таким образом, при феррорезонансе в сети с изолированной нейтралью и трехфазным измерительным трансформатором напряжения, магнитопровод которого выполнен трехфазной группой однофазных трансформаторов, скачком возрастают токи и магнитные потоки по нулевой последовательности, изменяется их гармонический состав. Напряжение на емкостном элементе становится значительно выше, чем на индуктивном. 3.2.2 Феррорезонанс в сети с изолированной нейтралью и измерительным трансформатором напряжения, магнитопровод которого выполнен трехфазным стержневым и
Для исследования работы сети с изолированной нейтралью измерительным трансформатором напряжения, магнитопровод которого выполнен трехфазным стержневым, на основании уравнений (3.6–3.17) была разработана имитационная модель (рисунок 3.22) и представлены результаты моделирования (рисунки 3.23-3.30).
Экспериментальное исследование антирезонансного трансформатора напряжения
На рисунках 4.27-4.30 представлены результаты имитационного моделирования работы сети с изолированной нейтралью и антирезонансным трансформатором напряжения. Подаваемое напряжение 6000 В, магнитный поток по прямой и обратной последовательности синусоидальный, амплитуда составляет Ю-3 Вб (рисунок 4.27, а), изменяется с основной частотой (рисунок 4.29, а), магнитный поток по нулевой последовательности синусоидальный, амплитуда составляет 1,7-10"4 Вб (рисунок 4.27, б), изменяется с основной частотой (рисунок 4.29, б), фазный ток по прямой и обратной последовательности несинусоидальный, амплитуда составляет 0,08 А (рисунок 4.27, в), в гармоническом составе присутствуют пятая и седьмая гармоники (рисунок 4.29, в), фазный ток по нулевой последовательности синусоидальный, амплитуда составляет 0,05 А (рисунок 4.28, а), изменяется с основной частотой (рисунок 4.30, а), напряжение на емкостном элементе синусоидальное, амплитуда составляет 16 В (рисунок 4.28, б), изменяется с основной частотой (рисунок 4.30, б), напряжение на индуктивном элементе синусоидальное, амплитуда составляет 3000 В (рисунок 4.28, в), изменяется с основной частотой (рисунок 4.30, в).
На рисунках 4.31-4.34 представлены результаты имитационного моделирования электромагнитных процессов работы сети с изолированной нейтралью и антирезонансным трансформатором напряжения при повышении подаваемого напряжения до 7000 В. Магнитный поток по прямой и обратной последовательности синусоидальный, амплитуда составляет 1,2-10 3 Вб (рисунок 4.31, а), изменяется с основной частотой (рисунок 4.33, а), магнитный поток по нулевой последовательности синусоидальный, амплитуда составляет 2-10"4 Вб (рисунок 4.31, б), изменяется с основной частотой (рисунок 4.33, б), фазный ток по прямой и обратной последовательности несинусоидальный, амплитуда составляет 0,1 А (рисунок 4.31, в), изменяется с основной частотой (рисунок 4.33, в), фазный ток по нулевой последовательности синусоидальный, амплитуда составляет 0,06 А (рисунок 4.32, а), изменяется с основной частотой (рисунок 4.34, а), напряжение на емкостном элементе синусоидальное, амплитуда составляет 20 В (рисунок 4.32, б), изменяется с основной частотой (рисунок 4.34, б), напряжение на индуктивном элементе синусоидальное, амплитуда составляет 3100 В (рисунок 4.32, в), изменяется с основной частотой (рисунок 4.34, в).
Таким образом, при однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью и антирезонансным трансформатором перенапряжение, вызванное феррорезонансным процессом не наступает. Это достигается тем, что, возникающие при однофазном замыкании на землю составляющие нулевой последовательности в каждом кольце магнитопровода компенсируются, благодаря встречному напряжению и в обмотках фаз на стержнях магнитопровода протекает только ток по прямой и обратной последовательности. Выводы к четвертой главе 1. Разработана оригинальная конструкция антирезонансного трансформатора напряжения, защищенная патентом РФ №131231 от 16.01.2013г. «Антирезонансный трехфазный трансформатор напряжения с ленточным магнитопроводом». 2. Созданы имитационные модели электромагнитных процессов в антирезонансном трансформаторе напряжения на основании разработанной системы уравнения (защищена свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014618626 от 26.08.2014 г. «Имитационная модель намагничивания антирезонансного трансформатора с витым пространственным магнитопроводом»). 145 3. Установлено, что в процессе намагничивания антирезонаного трансформатора напряжения кривая тока холостого хода несинусоидальна, но не содержит гармоник, кратных трём, амплитуда тока составляет 0,08 А. Магнитный поток в стержне трансформатора, создаваемый потоками в двух кольцах, синусоидален, изменяется с основной частотой с амплитудой 10"3 Вб. Магнитный поток в одном кольце магнитопровода трансформатора имеет уплощенную форму, в гармоническом составе присутствует третья гармоника в размере 20 % от основной, его амплитуда составляет 3-Ю"4 Вб. Осциллограмма ЭДС, наводимой в обмотке, выполненной в одном кольце магнитопровода трансформатора имеет заостренную форму, в гармоническом составе присутствует третья гармоника, она достигает 60 % от первой, амплитуда составляет 0,2 В (для исследуемых численных параметров при напряжении 6 кВ). 4. Проведено экспериментальное исследование электромагнитных процессов в разработанном антирезонансном трансформаторе напряжения. Экспериментальные исследования подтверждают имитационное моделирование -напряжение в одном кольце магнитопровода имеет заостренную форму, третья гармоническая составляет более 45 % от основной. Напряжение в стержне магнитопровода имеет синусоидальную форму, в гармоническом составе присутствует только первая гармоническая. При однофазном питании трансформатора с навитой магнитной системой форма кривой напряжения на стержне и тока в обмотке остается синусоидальной, в их гармоническом составе присутствует только первая составляющая, а напряжение в обмотке на кольце магнитопровода становится синусоидальным, его амплитуда увеличивается. 5. Разработана имитационная модель однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью и антирезонансным трансформатором напряжения. При однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью и антирезонансным трансформатором перенапряжение, вызванное феррорезонансным процессом, не наступает. Выявлено, что разработанный антирезонансный трансформатор предотвращает перенапряжения в сети. Это достигается тем, что, возникающие при однофазном замыкании на землю составляющие нулевой последовательности в каждом кольце магнитопровода компенсируются, благодаря встречному напряжению и в обмотках фаз на стержнях магнитопровода протекает только ток по прямой и обратной последовательности.