Защита трансформаторов напряжения контроля изоляции в сетях с изолированной нейтралью

Опыт эксплуатации измерительных трансформаторов напряже­ния (ТН), используемых для подключения к ним общей сигнализа­ции от замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью, свидетельствует об их частой повреждаемости, особенно в сельской местности. Имеются сети, которые из-за регулярных повреж­дений ТН длительно эксплуатируются без устройства общей сигна­лизации от замыканий на землю. По данным ряда работ, например [39], основной причиной повреждения ТН следует считать ферро-резонансные явления, вследствие которых через обмотки высшего напряжения трансформатора проходят токи, многократно превы­шающие номинальные значения.

Возможны различные причины появления феррорезонансных процессов. Одна из них — повышение напряжения любой из фаз источника питания. При этом в сети самопроизвольно развиваются колебания на основной и высших гармонических. Этот процесс со­провождается, как правило, перенапряжениями, которые, по дан­ным [40], могут достигать четырехкратного фазного напряжения. Последствием таких перенапряжений являются нарушения изоля­ции, которые приводят к однофазным замыканиям на землю и к многофазным коротким замыканиям. Вторая причина феррорезо­нансных процессов — переходные процессы, вызванные коммута­циями в схеме электроснабжения, например включение секции шин, отключение замыкания на землю и др. В этих случаях могут возникать феррорезонансные процессы не только на основной и высших гармонических, но и на низших гармонических — субгармо­нических.

Согласно ряду работ, например [41], значительная доля повре­ждений ТН связана с однофазными замыканиями на землю. Ме­таллическое однофазное замыкание и замыкание через устойчивую дугу по воздействию на ТН незначительно различаются между со­бой. Токи в обмотках высшего напряжения трансформатора в этих режимах не превышают допустимых и не являются опасными. Опас­ные токи могут возникнуть при отключении поврежденного при­соединения или при самопогасании дуги и последующем появлении феррорезонансных колебаний, обусловленных колебательным раз­рядом неповрежденных фаз через обмотки ТН. Наиболее опасны для ТН длительные однофазные замыкания на землю через пере­межающуюся дугу.

Применяемые в отечественной и зарубежной практике меро­приятия по снижению повреждаемости ТН можно разделить на несколько групп: включение нагрузочных резисторов в цепь вто­ричной обмотки ТН, соединенной в разомкнутый треугольник; включение резистора в нейтраль обмоток высшего напряжения; применение разрядников; применение специальных демпфирующих устройств на стороне высшего напряжения ТН; компенсация ем­костных токов в сети с помощью дугогасящих реакторов.

Наиболее простым и доступным является способ, предусматри­вающий включение в цепь вторичной обмотки ТН, соединенной в разомкнутый треугольник нагрузочного резистора. Защитное дейст­вие резистора заключается в создании потери энергии свободных колебаний составляющих нулевой последовательности.

Поэтому сопротивление резистора должно быть небольшим. Од­нако при этом ТН дополнительно нагружается токами и перегре­вается. Рекомендованные сопротивления резисторов R = 25÷12,5 Ом не обоснованы и, как показывает практика, не обеспечи­вают защиту ТН при феррорезонансных процессах.

На основе анализа переходных процессов в ТН при замыканиях на землю установлено, что эффективность защитного действия ре­зистора можно повысить за счет уменьшения его сопротивления до R = 5 Ом и включения резистора в момент возникновения ферро-резонанса и только на время его существования.

Поскольку ТН является нелинейным элементом, задачу анализа переходных процессов в нем целесообразно решать без применения метода симметричных со­ставляющих. В таком случае должна быть составлена одна схема замещения, удовлетворяющая условиям прохождения токов всех последовательностей. Этим условиям соответствует схема, изображенная на рис. 6.26 а. Здесь Ů_A, Ů_B , Ů_C — фазные напряжения источника питания; r _т — активные сопротивления обмотки высшего напряжения ТН; L — нелинейная индуктивность, соответствующая кри­вой намагничивания ТН; r_μ — активные сопротивления, соответствующие поте­рям в стали ТН; r — эквивалентное активное сопротивление, соответствующее резистору в цепи обмотки ТН, соединенной в разомкнутый треугольник; С — эк­вивалентная емкость сети относительно земли. При составлении схемы приняты следующие допущения:

· источник питания считается источником неограниченной мощности. При та­ком условии наличие междуфазных емкостей сети и емкости фаз на землю не влияет на прохождение токов прямой и обратной последовательностей в ТН;

· не учитываются продольные сопротивления сети и реактивности рассеяния ТН, т.к. они малы по сравнению с сопротивлениями поперечных емкостей сети и ветвей намагничивания трансформатора;

· не учитываются токи во вторичной обмотке ТН, соединенной в звезду.

Схеме замещения соответствует следующая система уравнений:

                      = (Ů_A – Ů_N - r _т i_LA),

                       = (Ů_B – Ů_N - r _т i_LB),

                       = (Ů_C – Ů_N - r _т i_LC),

                       = [ (i_LA + i_LB + i_LC) – (1 - ) Ů_N ],

                          i_LA = , i_LB = ,

                                                i_LC = .

где a_n – коэффициент полинома, апроксимирующего кривую намагничивания; n = 1, 2 … m.

Приведенная система уравнений является нелинейной, решение ее было по­лучено при помощи ЦВМ. При этом, в частности, была определена требуемая величина резистора не более 5 Ом.

Одна из возможных схем защиты ТН изображена на рис. 6.26,6. Измерительным органом является электрическая цепь, состоящая из нелинейного реактора LR и двух резисторов Rl, R2 и подключа­емая к обмоткам ТН, соединенным в разомкнутый треугольник.

Рис. 6.26. Защита трансформатора напряжения от переходных про­цессов в сети

В нормальном режиме работы сети напряжение U₀ на входе измерительного органа практически равно нулю, схема находится в исходном состоянии, транзи­сторы VTl, VT2 и тиристоры VDT1 и VDT2 закрыты. В режиме однофазного металлического замыкания на землю напряжение U₀ изменяется практически синусоидально с номинальной частотой сети. При этом падение напряжения на резисторах Rl и R2 недостаточно для создания необходимого тока управления и открытия транзисторов. При наличии в напряжении U₀ высших гармонических ток в цепи Rl—LR—R2 мал вследствие большого сопротивления реактора и паде­ние напряжения на резисторах также недостаточно для создания необходимого тока управления.

Устройство приходит в действие только при появлении в напряжении U₀ субгармонических составляющих. При этом в связи с уменьшением индуктивного сопротивления реактора ток в цепи Rl—LR—R2 возрастает. Падение напряже­ния на резисторах Rl и R2 увеличивается и становится достаточным для от­крытия транзисторов VTl и VT2. Токами транзисторов поочередно открываются тиристоры, подключая нагрузочные резисторы R3 и R4 к обмотке ТН. Диоды VD1 и VD2 защищают транзисторы от обратного напряжения, а переменные резисторы R5, R6 предназначены для установки напряжения срабатывания за­щиты.

Представляет интерес разработка и использование устройств безтрансформаторного контроля изоляции. В этом случае трансфор­матор напряжения необходим только для измерения и его нейтраль можно разземлить, а необходимость в защите самого трансформа­тора отпадает. Для сетей напряжением 6—10 кВ в Ульяновском политехническом институте разработаны такие устройства, осно­ванные на использовании высоковольтных фильтров напряжения нулевой последовательности — резисторного и емкостного. В рези-сторном фильтре использованы сопротивления утечки опорных изо­ляторов типаОФ. Измерительный орган устройства выполнен на основе операционных усилителей. Емкостный фильтр для сетей на­пряжением 10 кВ в каждой фазе содержит два соединенных после­довательно конденсатора типа ФГТ 220пФ±10 %, 20 кВ. Измери­тельным органом служит реле РН-50. Устройство с резисторным фильтром имеет более высокую чувствительность, но для него тре­буется источник постоянного оперативного тока. Достоинством устройства с емкостным фильтром является его относительная простота.

Глава 7