Полный текст

Введение. Подключение к питающей сети силового трансформатора может сопровождаться возникновением переходного процесса, при котором возникают броски токов намагничивания (БТН), превышающие по величине в несколько раз номинальные токи трансформатора и в несколько сотен раз токи его холостого хода. БТН вызывают значительные электродинамические усилия на токоведущих элементах и обмотках трансформаторов, что приводит к уменьшению ресурса силовых трансформаторов. Также переходной ток способен вызвать перенапряжения, ведущие к старению изоляции, и ложное срабатывание релейной защиты [1]. На рис. 1 представлена зависимость тока намагничивания от времени. Причиной возникновения бросков токов намагничивания является несоответствие остаточного магнитного потока в магнитопроводе трансформатора и вынужденного магнитного потока в момент включения. При наличии разности между этими двумя потоками на вынужденный синусоидальный магнитный поток накладывается апериодическая составляющая, причем суммарный магнитный поток может в два раза превышать номинальное значение магнитного потока. Большое значение суммарного магнитного потока приводит к насыщению магнитопровода, падению индуктивного сопротивления трансформатора и последующему росту тока первичной обмотки, называемому броском тока намагничивания. t I Рис. 1. Ток намагничивания трансформатора при включении Исследование переходных процессов при включении трансформатора в электрических сетях 6-10 кВ является актуальным, что также подтверждается важностью и повсеместным распространением рассматриваемой нагрузки. Существуют несколько путей снижений бросков тока намагничивания, которые применяются в настоящее время: - использование постоянных включенных резисторов или реакторов; - использование предвключаемых резисторов или реакторов; - уменьшение рабочей магнитной индукции трансформатора; - использование специальных устройств и алгоритмов включения трансформаторов. Данные способы по каким-либо причинам являются неэффективными или экономически невыгодными. Наиболее эффективным способом снижения БТН является применение специальных коммутирующих устройств и алгоритмов включения трансформаторов. В настоящее время в мире проведены исследования и выполнен ряд разработок, основная часть из которых выполнена для трансформаторов высших классов напряжений. Ссылаясь на это, есть необходимость применения данных разработок к низким классам напряжений 6-10 кВ [2, 3, 4]. Известен способ управляемой коммутации. 1. Особенности управляемой коммутации. Концепция управляемой коммутации заключается в последовательной коммутации полюсов выключателя по заданному алгоритму. Такая коммутация позволяет предотвратить появление опасных бросков тока, высокочастотных перенапряжений и увеличивать коммутационный ресурс оборудования. На примере емкостной нагрузки управляемое включение представляет собой процесс замыкания контактов выключателя в строго определенный момент времени с опережением момента перехода напряжения источника через ноль: Tcont = Tzero - Tm - (Tclosing - Tprestriking) = Tzero - Tm - Tmaking. (1) На рис. 1 представлен принцип управляемого включения индуктивной нагрузки. Оптимальным временем включения является пик напряжения при условии, что время предпробоев при включении меньше полупериода. Контроллер задерживает команду на включение на некоторое время Ttotal, которое является суммой времени реакции контроллера Tw и преднамеренной задержки времени синхронизации Tcont. Контроллер вводит задержку Tcont относительно соответствующего перехода напряжения источника через ноль, которая рассчитывается по (1) с учетом времени включения выключателя Tclosing и времени предпробоев Tprestriking. Ток начинает течь в момент времени tmake. Интервал Tm определяется временем tmake и следующим за ним временем перехода напряжения источника через ноль. Время включения Tclosing есть интервал времени от момента подачи питания на катушку включения выключателя до момента механического касания контактов. Время предпробоев при включении Tprestriking - это интервал времени между моментом начала предпробоев и моментом механического касания контактов. Время Tmaking является промежутком времени от момента подачи питания на катушку включения до момента начала предпробоев tmake [5]. На рис. 2 представлен принцип управляемого включения. Рис. 2. Принцип управляемого включения Концепция управляемой коммутации представляет собой последовательную пофазную коммутацию по заданному алгоритму при переходе синусоиды тока (напряжения) через ноль. Такая коммутация позволяет предотвращать появление опасных бросков тока и перенапряжений, увеличивать коммутационный ресурс оборудования [6, 7, 8]. Использование управляемой коммутации в нормальном режиме эффективно как при включении, так и при отключении цепи. В рабочих режимах управляемое включение выключателя на реактивную нагрузку позволяет существенно уменьшить броски тока, а при управляемом отключении снизить вероятность повторных пробоев и, как следствие, возникновения перенапряжений [9, 10]. 3. Поиск алгоритма управляемого включения силового трансформатора. Общий вид разработанной модели изображен на рис. 3. Трехфазный источник питания Кабельная линия Кабельная линия Вакуумный выключатель Силовой трансформатор Рис. 3. Блок-схема разработанной модели Имитационная модель служит для моделирования процесса включения силового трансформатора и даёт возможность снятия осциллограмм токов и напряжений системы и нагрузки. Данная модель разработана в программном комплексе MatLab/Simulink. Моделирование производилось при следующих заданных параметрах: напряжение сети 6 кВ, мощность трансформатора 1000 кВА, длина кабельной линии между выключателем и нагрузкой 200 м, сечение кабельной линии 95 мм2 [11, 12, 13]. С использованием представленной имитационной модели был выполнен ряд опытов по подбору наилучшего алгоритма управляемой коммутации силового трансформатора. Также проведено исследование переходных процессов при неуправляемой коммутации трансформатора, результаты которого представлены на рис. 4. t, мс Рис. 4. Изменение величины тока при неуправляемой коммутации Показаны максимальные значения бросков тока при включении силового трансформатора без остаточного потока в зависимости от момента коммутации. Данный опыт подтверждает целесообразность использования метода управляемой коммутации. Максимальный ток достигает значения в 5,54∙Iном. Далее представлен выбор алгоритма управляемой коммутации. Изначально, используя редактор параметра выключателя, задавалось время замыкания одной фазы, исходя из того, что сеть трехфазная с изолированной нейтралью, при включении одной фазы нет пути для протекания тока. Следовательно, сделан вывод о том, что нужно коммутировать, как минимум, две фазы. Путем варьирования времени включения фаз СВ от 20 до 31 мс получен следующий график, представленный на рис. 5. t, мс Рис. 5. Изменение величины тока от времени коммутации для фазы В График изменения представлен для фазы В, так как картина изменения для фазы С аналогична. Исходя из данного опыта, был сделан вывод, что наилучшее время включения для фаз СВ составляет 20 мс, так как величина тока при этом включении минимальна: Imax/Iном = 0,012 о.е. Далее, фиксируем СВ на 20 мс и включаем фазу А, подбирая для нее наилучшее время. Полученные результаты представлены на рис. 6. t, мс Рис. 6. Изменение величины тока от времени коммутации для алгоритма СВ-А Выводы. Исследование процессов включения трансформатора с соединением первичной обмотки в треугольник позволяет утверждать о целесообразности применения алгоритма СВ-А как способа существенного снижения бросков тока намагничивания. Опыты показали, что наилучшее время включения: TB = TC = 20 мс, TA = 25 мс, значение тока при данном времени составляет 0,039 о.е. Осциллограммы включения трансформатора по оптимальному алгоритму коммутации представлены на рис. 7. Рис. 7. Управляемое включение трансформатора 1000 кВА; Uл, Uф - линейное и фазное напряжение в электрической сети до выключателя; I - ток трансформатора Из осциллограмм видно, что включение фаз CB соответствует максимальному линейному напряжению между этими фазами (TC = TB = 20 мс), а включение фазы А соответствует максимальному напряжению включаемой фазы (TA = 25 мс). 4. Факторы, влияющие на величину броска тока. Рассмотрим влияние различных факторов на величину БТН. Напряжение сети. Поскольку исходное напряжение 6 кВ, изменение варьировалось с 5 до 7 кВ. После снятия показаний бросков тока при разном напряжении сети, представим эти изменения в виде графика (рис. 8). U, кВ Рис. 8. Бросок тока при изменении напряжения Исходя из данного опыта, можно сделать вывод, что при увеличении напряжения сети величина броска тока тоже увеличивается. Это объясняется тем, что при увеличении напряжения увеличивается магнитный поток, который пропорционален напряжению, и, следовательно, ток также увеличивается. Длина линии. Длина линии меняется от 200 до 3000 м. Полученные результаты представлены на рис. 9. L, м Рис. 9. Бросок тока при изменении длины линии На графике видно, что в конечном итоге при кардинальном изменении длины до 3000 м величина БТН уменьшается, что объясняется увеличением сопротивления линии. Сечение линии. Параметры сечения линии меняем при значениях - от 25 до 240 мм2. Полученные результаты представлены на рис. 10. S, мм2 Рис. 10. Бросок тока при изменении сечения Можно сделать вывод, что при увеличении сечения линии величина тока увеличивается за счет того, что чем больше сечение, тем меньше сопротивление и тем больше величина БТН. Электрическая прочность (количество предпробоев). Полученные результаты представлены на рис. 11. K, кВ/мс Рис. 11. Бросок тока при изменении скорости снижения электрической прочности С увеличением количества предпробоев бросок тока уменьшается. Объяснение этому явлению в рассеивании энергии и ее передаче в сеть (размагничивание магнитопровода) при предпробоях. Изменение мощности трансформатора. Полученные результаты представлены на рис. 12. S, кВА Рис. 12. Бросок тока при изменении мощности трансформатора При увеличении мощности трансформатора БТН уменьшается. Представленные факторы оказывают не столь значительное уменьшение бросков тока и не всегда могут быть применимы с точки зрения экономических соображений. Основным фактором, оказывающим влияние на амплитуду бросков тока при включении трансформатора, является остаточный магнитный поток в сердечнике трансформатора [14, 15]. Это явление объясняется неравенством установившегося потока в момент коммутации и остаточного потока в трансформаторе. При наибольшем различии этих потоков результирующий магнитный поток может в два раза и более превышать номинальный магнитный поток, что приводит к насыщению стали трансформатора, снижению его индуктивного сопротивления и, как результат, возникновению максимальных бросков тока намагничивания. В силу важности данного явления были проведены опыты с наличием остаточного потока с помощью редактора параметров трансформатора. Результаты представлены на рис. 13. n Рис. 13. Величина броска токов при изменении остаточного магнитного потока в фазе А Цифры от 1 до 4 соответствуют заданному остаточному потоку 1 - (-0,5;0,5;0); 2 - (0,5;0,5;0); 3 - (0;0,5;0); 4 - наилучший вариант управляемой коммутации без наличия остаточного потока. При изменении остаточного потока лишь для фазы А можно сделать вывод, что уровни бросков тока возрастают при увеличении остаточного магнитного потока трансформатора. Наличие остаточной намагниченности трансформатора при известных ее значениях предъявляет к выключателю более высокие требования по точности срабатывания полюсов. При этом коммутация должна проводиться в следующей последовательности: в первую очередь включается обмотка с наименьшим по модулю остаточным потокосцеплением путем одновременного замыкания двух полюсов выключателя в момент совпадения остаточного и установившегося потокосцеплений первой включаемой обмотки. Далее замыкается третий полюс выключателя в момент наименьшего расхождения между соответствующими потокосцеплениями оставшихся обмоток трансформатора. Для опыта с остаточной намагниченностью, ссылаясь на осциллограммы магнитных потоков, был также подобран алгоритм управляемой коммутации. Выводы. Применение традиционных способов снижения бросков тока в большинстве случаев оказывается неэффективным или экономически невыгодным. Приведен принцип управляемого включения и рассмотрены преимущества и особенности управляемой коммутации. Разработан и подробно описан поиск алгоритма включения силового трансформатора. По полученным зависимостям можно отметить эффективность использования управляемой коммутации. Рассмотрено влияние различных факторов на величину бросков тока. Основным фактором, оказывающим влияние на амплитуду бросков тока при включении трансформатора, является остаточный магнитный поток в сердечнике трансформатора, который требует изменения алгоритма.

Об авторах

Д. С Сельменева

Новосибирский государственный технический университет

Е. Г Лиске

Новосибирский государственный технический университет

Д. Е Шевцов

Новосибирский государственный технический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 50

PDF (Russian) - 88

Ссылки

• Ссылки не определены.