onetwoclick.ru
Исследованы перенапряжения при коммутациях силового блочного трансформатора типа ТДЦ-400000/500, которые могли инициироваться элегазовым выключателем 500 кВ.
Проведены экспериментальные исследования по измерению фактического уровня коммутационных перенапряжений. Экспериментально измеренные амплитуды коммутационных перенапряжений оказались значительно меньше испытательных. Приведен анализ и даны рекомендации по измерению частотных характеристик, и определению резонансных частот в условиях эксплуатации.
На Бурейской ГЭС в течение трех лет дважды выходила из строя фаза А силового блочного трансформатора Т4 типа ТДЦ-400000/500. В первом случае отказ был вызван витковым замыканием обмотки ВН 500 кВ, во втором случае произошел пробой изоляционного промежутка между нижним экраном высоковольтного ввода 500 кВ и стенкой адаптера.
Одно из предположений о причинах выхода из строя трансформатора было связано с воздействием высокочастотных перенапряжений (ВЧ – перенапряжений), которые могли инициироваться при коммутациях трансформатора элегазовым выключателем 500 кВ. В связи с этим было принято решение провести экспериментальные исследования по измерению фактических уровней коммутационных перенапряжений.
Объект исследований. Часть однолинейной схемы присоединения Бурейской ГЭС к внешней сети приведена на рис.1.
Блочные трансформаторы Т3-Т4 связаны с КРУЭ-500 посредством кабельной линии КЛ-1 длиной 880 м, а трансформаторы Т5-Т6 связаны с КРУЭ-500 с помощью КЛ-2 длиной 920 м. Кабельные вставки выполнены на основе кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена типа 2XS(FL)2Y1x800RM/150. Кабельные линии соединяют “малое” КРУЭ 500 кВ объединенных блоков Г3-Г4, Г4-Г6, расположенное на стороне нижнего бьефа станции, с “большим” КРУЭ-500, расположенным в верхнем бьефе станции. КРУЭ-500 типа ELK-3 (фирмы АВВ) выполнено по схеме шестиугольника. В КРУЭ 500 кВ заводятся два объединенных блока Г3-Г4 и Г5-Г6, автотрансформатор, три ВЛ: одна до ПС Амурская 500 кВ и две до ПС Хабаровская 500 кВ. В КРУЭ-500 применяются элегазовые однополюсные выключатели типа ELK SP3 с двухразрывным дугогасительным устройством и автокомпрессионным гашением электрической дуги.
На момент проведения эксперимента в работе находились генераторы Г5-Г6, а генераторы Г3-Г4 были отключены, т.е. происходила коммутация холостых блочных трансформаторов Т3-Т4 при их раздельном и параллельном подключении. Для обеспечения различной конфигурации схемы КРУЭ-500 коммутация блочных трансформаторов Т3 и Т4 осуществлялась элегазовыми выключателями В3-500 и В4-500. В общей сложности было проведено 4 серии опытов включения и выключения трансформаторов, а в каждой серии проводилось по три коммутации включения и выключения.
Методика измерений. Для регистрации перенапряжений использовался принцип емкостного деления высокого напряжения, а в качестве верхнего плеча делителя напряжения использовалась емкость основной изоляции ввода. К измерительным выводам вводов трех фаз реактора подключались дополнительные емкости.
Выходные сигналы с них передавались коаксиальными кабелями на входы цифрового осциллографа Tektronix DPO 3014. Осциллограф помещался в металлический кожух и питался от источника бесперебойного питания.
Включение. Анализ осциллограмм при включении выключателей показал, что перенапряжения, воздействовавшие на Т4, были существенно ниже испытательного напряжения коммутационного импульса по [1] (табл.1). Однако вызвала интерес начальная часть переходного процесса для случая включения В4-500. Схема эксперимента отвечала наличию в работе всех присоединений – трех воздушных линий 500 кВ, второй кабельной связи КЛ-2 и автотрансформатора связи. На рис. 2, а показана исходная осциллограмма перенапряжений, а на рис. 2, б – с развернутой по времени начальной частью переходного процесса и выделенными характерными участками кривой напряжения.
Согласно осциллограмме на рис.2,б на фазе В можно выделить три участка (этапа) переходного процесса, характеризующиеся своими амплитудами и частотным спектром. Здесь важен тот факт, что процесс окончательного включения кабельной вставки с трансформатором к КРУЭ-500 происходил не мгновенно, а через некоторое время (точка 3 на рис.2, б).
В качестве основной версии появления характерных участков на кривой перенапряжения было предположено наличие нескольких предпробоев элегазового промежутка. Возможность их возникновения не противоречит физическим представлениям о работе элегазовоговыключателя. Удивляет только факт погасания канала предпробоя, но и он, по-видимому, может быть объяснен малым током и изменением его полярности, обусловленным переходными процессами.
Рассмотрим последовательно этапы процесса включения фазы В и постараемся объяснить их физическую картину. Для этого выполним моделирование процесса в пакете ATP-EMTP. Расчетная схема в однолинейной постановке приведена на рис. 3.
При моделировании контролировались: напряжение на трансформаторе (рис. 4), ток через выключатель (рис. 5) и напряжение на контактах выключателя (рис. 6).
Нумерация участков на рис. 4 – 6 соответствует нумерации на рис. 2.
Этап 1 (участок 1 на осциллограммах рис. 2, б и рис. 4, б): при сближении контактов выключателя В4-500 уменьшающийся межконтактный промежуток пробивается, зажигается дуга, и в схеме возникает затухающий переходный процесс с частотой, определяемой параметрами контура «емкость КРУЭ-500 – емкость кабельной вставки – индуктивность холостого трансформатора» (частота колебаний f = 46,6 кГц). Примерно через 0,2 мс ток через выключатель снижается от переходного до установившегося значения (рис.5, б), ионизация канала дуги уменьшается, и в контактной системе создаются условия для гашения его гашения. Канал первого пробоя гаснет, и напряжение между контактами выключателя начинает восстанавливаться (рис. 6, б). Время восстановления напряжения находится в интервале между концом участка 1 и началом участка 2 и составляет примерно 1 мс.
Этап 2 (участок 2 на осциллограммах рис. 2,б и рис. 4, б): в этот момент снова появляется электрическая связь между контактами выключателя, и опять наблюдается затухающий переходный процесс, после чего из-за уменьшения тока до установившегося значения искра гаснет, и второй раз начинается процесс восстановления напряжения между контактами с временем восстановления, отвечающим временному интервалу между концом второго и началом третьего участков. При этом напряжение восстанавливается до меньшего значения по сравнению с этапом 1, так как расстояние между контактами становится меньше.
Необходимо отметить некоторое различие в осциллограммах на рис. 2 и рис. 4. При первом погасании дуги, в интервале между концом участка 1 и началом участка 2, напряжение на фазе В изменяется согласно с напряжением на остальных фазах. Это свидетельствует о наличии магнитной связи между всеми фазами. При моделировании в однофазной постановке такой связи нет, и напряжение на этом участке остается неизменным, лишь слегка снижаясь из-за активных потерь в кабеле и трансформаторе. Этим же объясняется меньшая амплитуда колебаний второго этапа при моделировании.
При этом моменты размыкания контактов на рассматриваемых участках хорошо совпадают с синусоидой рабочего напряжения. Этот факт по крайне мере не противоречит изложенной версии протекания переходного процесса при включении элегазового выключателя в исследуемой схеме.
Анализ осциллограмм остальных опытов регистрации перенапряжений показывает, что принципиально характер кривых переходного процесса не сильно отличается. Основным отличительным моментом является то, что в разных опытах меняются фазовые углы включения. Соответственно изменяется количество участков с высокочастотными колебаниями и амплитуда перенапряжения. 
Отключение. Регистрация переходных процессов в исследуемой схеме показала, что при отключении ненагруженных трансформаторов от шин КРУЭ-500 существенных перенапряжений практически нет. Это обстоятельство даже несколько усложнило процесс регистрации перенапряжений. Достаточно сказать, что из 12 опытов отключения связки «кабельная вставка – блочный(е) трансформатор(ы)» удалось зафиксировать лишь четыре осциллограммы. В остальных случаях не происходил запуск цифрового осциллографа с уровнем внутреннего запуска развертки, превышающим на единицы процентов амплитудное значение напряжения на шинах.Формы полученных осциллограмм (рис.7) при отключении двух ненагруженных трансформаторов Т3+Т4 (или одного ненагруженного трансформатора Т4) 500 кВ элегазовым выключателем в КРУЭ 500 кВ можно объяснить следующим образом.
После отключения выключателя образуется контур, содержащий нелинейную индуктивность силового трансформатора и емкость кабельной вставки, соединяющей трансформатор с «верхним» КРУЭ-500. Значительная энергия, запасенная в емкости кабельной вставки и в магнитопроводе трансформатора, будпостепенно расходоваться на активные потери в нем.
При этом, если бы индуктивность трансформатора была линейной – то имел бы место известный процесс разряда в RLC -контуре. Однако вследствие нелинейности индуктивности силового трансформатора, а также из-за нелинейной зависимости активных потерь в магнитопроводе от остаточной индукции, процесс саморазряда емкости обмоток ВН трансформатора отличается от синусоидального, но также имеет затухающий колебательный характер.
Заключение.
Главный итог работы состоит в том, что экспериментально измеренные амплитуды коммутационных перенапряжений оказались значительно меньше испытательных напряжений. Но этот вывод следует воспринимать с разумной долей оптимизма.
Во-первых, не все нормальные, а тем более аварийные режимы работы были промоделированы.
Во-вторых, форма коммутационных перенапряжений существенно отличается от стандартной волны испытательного напряжения 250/2500 мкс. В реальных воздействиях имеют место высокие крутизны нараста ния напряжения (до 450 кВ/мкс) и колебания высокой частоты (десятки килогерц), что может повлиять на ресурс электрической изоляции.
В-третьих, измерение перенапряжений относительно внешних выводов трансформатора не дает представления о процессах, происходящих внутри обмотки. Меж тем, например, в [2] показано, что при воздействии высокочастотных колебаний в обмотке может возникнуть резонанс напряжений и почти четырехкратное превышение напряжения внутри обмотки по отношению к напряжению на выводах (в [2] исследовался блочный трансформатор 25000/110/15 кВ; резонансная частота была очень высокой – 2 МГц). Рассмотрение процессов, происходящих внутри обмотки, является трудной задачей, так как получить доступ к обмотке оборудования, находящегося в эксплуатации, невозможно. Получить требуемые параметры расчетным путем затруднительно из-за сложности расчетов и отсутствия данных о геометрии обмоток и изоляционной системы. Очевидно, что без участия завода-изготовителя эти задачи решить трудно. Однако в условиях эксплуатации можно измерить частотные характеристики, определить резонансные частоты и сделать хотя бы качественные выводы о возможности инициирования резонансных процессов при включении трансформатора элегазовым выключателем.
