Феррорезонанс в электрических цепях

В 1907 году французский инженер Джозеф Бетено опубликовал статью «О резонансе в трансформаторах» (Sur le Transformateur ? Rйsonance), где он впервые обратил внимание на такое явление как феррорезонанс.

Непосредственно же термин «феррорезонанс», спустя 13 лет, ввел тоже француз, инженер и преподаватель электротехники, Пауль Бушеро в своей статье 1920 года, которая назвалась «Существование двух режимов феррорезонанса» (Йxistence de Deux Rйgimes en Ferrorйsonance). Бушеро проанализировал явление феррорезонанса, и показал, что существует две стабильные резонансные частоты в цепи, состоящей из конденсатора, резистора и нелинейной индуктивности.

Таким образом, явление феррорезонанса связано с нелинейностью индуктивного элемента в цепи контура . Нелинейный резонанс, могущий возникнуть в электрической цепи называется феррорезонансом, и для его возникновения необходимо, чтобы контур обязательно содержал нелинейную индуктивность и обычную емкость.

Очевидно, линейным цепям феррорезонанс абсолютно не свойственен. В случае, если индуктивность в контуре линейна, а емкость нелинейна, то возможно явление аналогичное феррорезонансу. Основной особенностью феррорезонанса является то, что для одной цепи характерны различные режимы этого нелинейного резонанса, в зависимости от вида возмущения.

От чего индуктивность может быть нелинейна? Главным образом из-за того, что магнитопровод этого элемента изготовлен из материала, нелинейно реагирующего на магнитное поле. Обычно сердечники изготавливают из ферромагнетиков либо ферримагнетиков, и когда термин «феррорезонанс» был введен Паулем Бушеро, теория ферримагнетизма еще не была сформирована до конца, а все материалы такого рода называли ферромагнетиками, вот и возник термин «феррорезонанс» для обозначения явления резонанса в цепи с нелинейной индуктивностью.

Феррорезонанс предполагает резонанс с насыщающейся индуктивностью . В обычном резонансном контуре емкостное и индуктивное сопротивления все время равны друг другу, и единственное условие возникновения перенапряжения или сверхтока — совпадение колебаний с резонансной частотой, это только одно стабильное состояние, и его легко предотвратить благодаря непрерывному контролю частоты или введением активного сопротивления.

С феррорезонансом ситуация иная. Индуктивное сопротивление связано с плотностью магнитного потока в сердечнике, например в железном сердечнике трансформатора, и принципиально получается два индуктивных сопротивления в зависимости от ситуации относительно кривой насыщения: индуктивное сопротивление линейное и индуктивное сопротивление при насыщении.

Итак, феррорезонанс, как и резонанс в RLC-контуре, может быть двух основных видов: феррорезонанс токов и феррорезонанс напряжений . При последовательном соединении индуктивности и емкости имеет место тенденция для феррорезонанса напряжений, при параллельном соединении — для феррорезонанса токов. Если цепь сильно разветвлена, имеет сложные соединения, то в таком случае нельзя точно сказать, феррорезонанс ли будет в ней токов или же напряжений.

Режим феррорезонанса может быть основным, субгармоническим, квазипериодическим или хаотическим . В основном режиме колебания токов и напряжений соответствуют частоте системы. В субгармоническом режиме токи и напряжения имеют меньшую частоту, для которой основная частота является гармоникой. Квазипериодический и хаотический режимы встречаются редко. То, какой режим феррорезонанса возникнет в системе, зависит от параметров системы и от начальных условий.

Феррорезонанс в штатных условиях функционирования трехфазных сетей маловероятен, поскольку емкости элементов, составляющих сеть, оказываются шунтированы индуктивностью питающей входной сети.

В сетях с незаземленной нейтралью при неполнофазном режиме феррорезонанс более вероятен. Изолированность нейтрали приводит к тому, что емкость сети относительно земли оказывается последовательно соединенной с силовым трансформатором, и такие условия феррорезонансу благоприятствуют. Такой благоприятный для феррорезонанса неполнофазный режим возникает тогда, когда например одна из фаз разорвана, имеет место неполнофазное включение или несимметричное КЗ.

Возникнувший внезапно в электрической сети феррорезонанс вреден, он может привести к выходу оборудования из строя. Наиболее опасен основной режим феррорезонанса, когда его частота совпадает с основной частотой системы. Субгармонический феррорезонанс на частотах в 1/5 и 1/3 основной частоты менее опасен, поскольку токи оказываются меньше. Так, большое количество аварий в сетях электроснабжения и прочих энергосистемах связаны именно с феррорезонансом, хотя вначале причина может показаться неявной.

Отключения, подключения, переходные процессы, грозовые перенапряжения могут стать причинами возникновения феррорезонанса. Смена режима работы сети или внешнее воздействие либо авария могут инициировать феррорезонансный режим, хотя это может быть и незаметно на протяжении долгого времени.

Повреждения трансформаторов напряжения часто имеют причиной именно феррорезонанс, который приводит к разрушительному перегреву из-за действия превышающих все мыслимые пределы токов. Для предотвращения подобных неприятностей, связанных с перегревом, принимают технические меры, связанные с постоянным или временным увеличением в резонансной цепи активных потерь, сводя резонансный эффект к минимуму. Такие технические меры заключаются, например, в том, чтобы магнитопровод трансформатора выполнить частично из толстых листов стали.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

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:

• дуговом замыкании на землю,
• работы сети с неполнофазной нагрузкой;
• переключениях с недогруженными линиями.
• В условиях перегрузок ТН выходит из строя, создавая аварии в сети.

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:

• ТНКИ — это трехобмоточный ТН контроля изоляции;
• ТНП — это двухобмоточный ТНП, выполняющий защиту ТНКИ от аварий при замыканиях отдельных фаз. Фоторезонанс компенсируется индуктивным сопротивлением ТНП в первичной цепи преобразователя.

НАМИ-10-95

Антирезонансное, масляное, измерительное оборудование состоит из:

• трехфазного трехстержневого ТН прямой (обратной) последовательности с дополнительной вторичной обмоткой;
• однофазного двухстержневого ТНП со вторичной обмоткой, соединенной по схеме замкнутого треугольника, снижающей сопротивление нулевой последовательности устройства до величины сопротивления рассеяния.

НАЛИ-СЭЩ-6(10)

Оборудование НАЛИ-СЭЩ -6(10) представлено литой (Л) трехфазной антирезонансной группой измерителей номинальным напряжением 6(10)кв.

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:

• блока из трех однофазных, двухполюсных, измерительных ТН НОЛ-СЭЩ, каждый из которых содержит до трех вторичных обмоток;
• одного ТНП-СЭЩ, выполняющего функцию защиты НОЛ-СЭЩ от скачкообразных токовых переходов.

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