Устройство для заземления нейтрали трансформатора

 

Г (72) Авторы . изобретения

И.К. Кагда и А.Vi. Назаров (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО. ДЛЯ ЗАЗЕИЙЕНИЯ НЕЙТРАЛК

ТРАНС4:ОРИАТОРА

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, воздействующим на ограничение внутренних перенапряжений в мощных сило .вых сетях высокого напряжения при эффективном заземлении нейтрали в нормальном режиме работы.

Известно устройство для заземления нейтрали трансформаторов, которое эффективно снижает коммутационные перенапряжения, способствует повышению быстродействия ограничения указанных перенапряжений и содержит насыщающийся реактор, обмотка переменного тока которого включена в нейтраль обмоток силового трансформатора, а обмотка управления подсоединена к источнику постоянного тока, защитный промежуток и трансформатор тока включен в цепь обмотки переменного тока, быстродействующий автомат с замыкающим контактом,подсоединенным параллельно защитному промежутку и размыкающим контактом, включенным в цепь обмотки управле- ния постоянного тока f1).

Недостатком устройства является то, что предварительно насыщенный реактор не ограничивает ток однофаз ного и двухфазного коротких замыканий на землю, а следовательно, и не способствует исключению вероятности возникновения феррорезонансных явлений в сетях, кроме того, в пе1Е реходных режимах насыщения реактора возможно возникновение феррорезонансных перенапряжений на линиях электропередач и изоляции электроИ технического оборудования и отсутствует воэможность комплексного воздействия устройства на ограничение и при необходимости снижение параметров феррорезонансных перенапряжений и токов короткого замыкания до безопасных величин для изоляции электротехнического оборудования, при отключениях силовых трансформаторов с предлагаемыми устройго, возможно некоторое запаздывание по времени комплексного воздействия предлагаемого устройства с переходными режимами в сетях 110-750 кВ при аварийных ситуациях по сравнению с временем достижения феррорезонансными перенапряжениями максимальных величин в пределе от трех до шести полупериодов, а наличие коммутационных аппаратов снижает при некоторых аварийных режимах эффект быстродействия ограничения защитным устройством феррорезонансных перенапряжений.

Цель изобретения — полное обеспечение возможностей ограничения феррорезонансных перенапряжений до безопасных величин в случае их возникновения в нормальных и аварийных режимах.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для заземления нейтрали трансформатора, содержащее два заземленные ветви, подключенные через искровые промежутки,шунтированные коммутационными аппаратами, одна ветвь содержит насыщающийся реактор, а вторая ветвь содержит два последовательно соединенных резистора, один из которых шунтирован нелинейным ферромагнитным элементом, а второй подсоединен к диагонали выгрямительного моста, вторая диагональ которого подсоединена к обмотке управления насыщающегося реактора, трансформаторы напряжения, подсоединенные к обеим ветвям после искрового промежутка, и трансформаторы тока, установленные в обеих ветвях со второны земли, трансформаторы напряжения выполнены с двумя вторичными обмотками, одна из которых соединена в разомкнутый треугольник, а вторая соединена по схеме звезда с выведенным нулем, и снабженное дополнительным выпрямительным блоком, дополнительным резистором, защитной цепочкой, состоящей из последовательно соединенных конденсатора и резистора, дополнительным разрядником, дополнительными трансформаторами тока, реле тока и напряжения, причем выпрямительный дополнительный блок подсоединен одной диагональю к разомкнутому треугольнику обмотки трансформатора напряжения, к тем же выводам подсоединена защитная цепочка и

3 907683 ствами в нейтралях от систем шин, особенно при аварийных режимах, полностью исключается возможность ограничения феррорезонансных перенапряжений в случае их возникновения, особенно резонансных перенапряжений в случае их возникновения,особенно непосредственно на трансформаторах напряжения типа НКФ 110750 к>. 10

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для заземления нейтрали трансформатора, содержащее две заземленные ветви, в одну из которых включен через искровой f5 промежуток шунтированный коммутационным аппаратом дроссель, рабочая обмотка которого включена последовательно с искровым промежутком, а обмотка управления подключена к щ источнику постоянного тока через размыкающий контакт коммутационного аппарата и трансформатор тока, а во вторую ветвь включены через искровой промежуток тоже шунтированные 25 коммутационным аппаратом два резистора, один из которых шунтируется нелинейным ферромагнитным элементом, а к другому подсоединено выпрямительное устройство своей диагональю, обеспечивающее от другой диагонали питание постоянным током обмотки управления дросселя при включенных контактах коммутационного аппарата,соединительную ветвь с резистором, один конец которой глухо подсоединен ко второй ветви между резисторами,а другой конец через размыкающий контакт коммутационного аппарата подсоединен к первой ветви между искровым промежутком и дросселем и два трансформатора напряжения, подключенных к искровым промежуткам со стороны земли (21.

Однако несмотря на наличие второй ветви в защитном устройстве со сни-. женной величиной пробивного напряже" ния искрового промежутка по сравнению с пробивным напряжением искрового промежутка в первой ветви, не исключа-5О ется полностью возможность ограничения феррорезонансных перенапряже" ний в случае их возникновения, осб" бенно непосредственно на трансформаторах напряжения типа НКФ !10-7 0 кВ 55 после отключения силовых трансформаторов с предложенными устройствами в нейтралях от систем шин, кроме то5 076В дополнительный разрядник, ко второй диагонали выпрямительного дополнительного блока подсоединен дополнительный резистор, один из дополнительных трансформаторов тока включен в нейтраль первичной обмотки трансформатора напряжения, а три в проводники той ветви, к которой подключен трансформатор напряжения, и к выводам их подсоединены реле о тока, а реле напряжения подсоединены к выводам обмотки реле напряжения, выполненной с выведенным нулем. На чертеже изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит систему шин

1 напряжением 110-750 кВ, к которой через соответствуюций разъединитель

2 подключена первичная обмотка 3 вы- 2о сокого напряжения электромагнитного трансформатора напряжения, соединенная по схеме звезда с заземленной нейтралью. Вторичная обмотка 4,соеди-. ненная по схеме звезда с выведенной 25 нейтралью при заземленном отводе обмотки средней фазы, обеспечивает питание реле 5 напряжений, реагирующих на изменения фазных напряжений.

Вторичная обмотка 6, соединенная з» по схеме разомкнутого треугольника при заземленном отводе обмотки средней фазы, обеспечивает питание дополнительного выпрямительного блока

7, состоящего из управляемых вентилей 8, обеспечивающих при своей работе протекание выпрямленного тока через дополнительный резистор 9.

В заземленную нейтраль первичной обмотки высокого напряжения указанного трансформатора включен трансФорматор 10 тока, обеспечивающий питание реле ll тока, а от трансфор" матора 12 тока системы шин питаются реле 13 токов, реагирующих на измене- 5 ния фазных токов.

При возникновении в силовых цепях. переменного тока внутренних перенапряжений следует учитывать возможность повреждения электромагнитных трансформаторов напряжения типа

НКФ 110-750 кВ после их отключения воздушными выключателями вследствие возникновения феррореэонансы в цепи, содержащей индуктивное сопротивление трансформатора напряжения, которое является нелинейным, так как оно быстро снижается при насыщении стали магнитопровода, и емкостное сопротивление внешних цепей.

Феррорезонанс возникает потому, что после отключения воздушных выключателей трансформаторы напряжения указанных конструкций не отделяются от сети, а остаются включенными через емкости конденсаторов, шунтирующих отделители этих выключателей.

Параллельно выпрямительному устройству подключены со стороны источника питания защитный дополнительный разрядник 14 и защитная цепочка 15 иэ последовательно соединенных резистора 16 и конденсатора 17.

При нормальном режиме работы сети у электромагнитного трансформатора напряжения сумма векторов фазных на55 пряжений всех трех фаз вторичной обмотки 4 равна нулю, а следовательно, и результирующее напряжение 3 Ур

3 6 между разомкнутыми концами вторичной обмотки 6 тоже равно нулю.

Устройства блокировки защит при повреждениях во вторичных цепях напряжения указанных измерительных трансформаторов подсоединены к вторичной обмотке 4, а следовательно, подсоединение предлагаемого защитного устройства к дополнительной вторичной обмотке 6 не меняет по технической сущности схем применяемых эацит.

Напряжение, обеспечивающее срабатывание реле, подключаемых к цепи разомкнутого треугольника, возникает только при замыканиях на землю на стороне первичной обмотки 3 высокого напряжения трансформатора напряжения.

При этом векторная сумма фазных напряжений на вторичной обмотке 6 не равна нулю и согласно методу симметричных составляющих является утроенным напряжением нулевой последовательности 3 И, подаваемым на реле сигнализации или защиты., Наибольшее значение при отсутствии внутренних перенапряжений в сети с эффективно заземленной нейтралью напряжение

3 Ue имеет при однофазном замыкании на землю с максимальной возможной величиной, равной Фазному напряжению, что обеспечивает практически полную техническую независимость работы предлагаемого защитного устройства и от действия этих релейных защит.

907683

Перенапряжения, возникающие при неполнофазных режимах питания, тоже имеют нелинейный феррорезонансный характер, особенно при неполнофазных питаниях обмоток с замыканиями на землю фаз, отделенных от питания, приводящих к нарушению симметричности проводимостей фаз питающей сети, появлению в ней опасных смещений нейтрали и феррорезонансных перенапряжений.

Выпрямительное устройство 7, подсоединенное при отключениях ненагруженных линиях к вторичной обмотке

6 трансформатора напряжения по однофазной мостовой схеме, состоит из управляемых вентилей 8. К одной диагонали выпрямительного устройства

7 подводится при аварийных режимах в сетях напряжение 3 11о, а в другую диагональ подключена нагрузка, состоящая из соответствующего резистора

Сбщая точка катодов управляемых вентилей 8 является положительным полюсом,а общая точка их анодов является отрицательным полюсом.

При возникновении аварийных процессов в сетях указанного напряжения, сопровождающихся опасными величинами феррорезонансных перенапряжений выше регламентируемых величин и тепловыми воздействиями на изоляцию в результате прохождения токов в нейтрали первичной обмотки 3 высокого напряжения, подобранные по соответствующим параметрам управляемые вентили 8 в этой схеме работают парами поочередно. В положительный полупериод напряжения проводит ток одна пара вентилей, а к вентилям другой пары приложено обратное напряжение.

Ток в резисторе 9 проходит все время в одном направлении, в то время ток в дополнительной вторичной обмотке 6 меняет свое направление каждые полпериода и является в принципе синусоидальным.

Перевод управляемых вентилей 8 из закрытого состояния в открытое O в предлагаемом защитном устройстве осуществляется двумя способами.

1. Подачей на аноды управляемых вентилей о прямого напряжения,гревышающего их напряжение переключе- 55 ния, при этом резко уменьшается сопротивление выпрямительного устройства 7 и увеличивается выпрямленныф ток, величина которого ограничивает ся только резистором 9, так как падение напряжения в открытом вентиле мало и не превышает 0,5-1,2 В. Такой пример отпирания вентиля происходит очень быстро за время порядка не более 5-20 мкс.

2. Подачей на управляющие электроды управляемых вентилей 8 напряжения управления от источника управляющего сигнала, обеспечивающего прохождение выпрямленного тока через вентили 8 при меньшей величине напряжения, приложенного к выпрямительному устройству 7, т.е. меньшей величине напряжения переключения, приложенного к вентилям 8.

При внезапном возникновении феррорезонансных явлений в сетях 110750 кВ, воздействующих на первичную обмотку 3 высокого напряжения с указанными кратностями перенапряжений, соответственно увеличивается напряжение 3 LÓD на дополнительной вторичной обмотке 6, приводящее к практически мгновенному срабатыванию выпрямительного устройства 7 в связи с появлением на управляемых вентилях

8 напряжения, превышающего напряжение их переключений, а это, в свою очередь, обеспечивает беспрерывное прохождение выпрямленного тока через резистор 9, в результате чего осуществляется своевременное закорачивание в допустимых пределах вторичной обмотки 6 и в течение уже первых полупериодов по времени происходит эффективное снижение феррорезонансных перенапряжений до совершенно безопасных величин.

В случае появления указанных перенапряжений с относительно более длительным воздействием по времени осуществляется подача тока управления на управляющие электроды управляемых вентилей 6 в результате действия соответствующих релейных защит, реагирующих как на появление токов в трансформаторах 10 тока через токовое реле 11 или 12, через токовые реле 13, так и на появление напряжений в основной вторичной обмотке 4 трансформатора напряжения через реле 5 напряжений.

Более того, абсолютная величина подобранного по техническим условиям работы резистора 9 в каждом конкретном случае способствует ограничению величины феррорезонансных перена907ЬЬ3 пряжений до заданных параметров, обеспечивает одновременно снижение тока замыкания в дополнительной вторичной обмотке 6 до безопасной вели- чины и, естественно, снижение тока в управляемых вентилях 9, и приложенного к ним напряжения.

Однако необходимо отметить, что воздействия указанных факторов на управляемые вентили 6 весьма своеоб- 10 разно зависят от параметров внешней цепи. В первом приближении ток через указанные вентили за время их включения не зависит от нагрузки, в то время как изменение напряжения на tS зажимах вентилей зависит от нагрузки сильно.

Только когда внешняя цепь носит чисто омический характер, ток и напряжение изменяются по одинаковым за- га конам, в том случае ток устанавливается за то же время, за какое снижается напряжение. На практике этот идеальный случай, однако, встречается очень редко. Реальные цепи 2S всегда могут быть сведены к последовательному соединению емкости либо индивидуальности с активным сопротивлением. 8 цепи из последовательно соединенных индуктианости дополни- За тельной вторичной обмотки 6 и активного сопротивления резистора 9 при работе управляемых вентилей б выпрямительного у ройства 7 нарастание тока замедленно, а то время как напряжение снижается быстро, что весьма полезно применительно к предлагаемому защитному устройству, благодаря последовательному соединению укаэанных сопротивлений в части появления дополнительных положительных факторов оптимального ограничения тока во вторичной обмотке 6 и управляемых вентилях 8, а также снижения напряжения на выпрямительном устройстве

7 в более тяжелый начальный период переходных процессов при возникновении феррорезонансных явлений.

Для предотвращения субгармонических колебаний, не сопровождающихся значительным повышением напряжения, но опасных для изоляции трансформаторов напряжения в связи с тем, что они способствуют возникновению в первичных обмотках 3 высокого на" пряжения больших токов, предусматривается установка в заземленной нейтрали указанных обмоток трансформа10 тора 10 тока, от которого с помощью реле !1 тока подается управляющий сигнал на управляемые вентили 8 выпрямительного устройства 7,срабатывающего в результате таких воздействий уже при относительно пониженном напряжении их срабатывания.

Таким образом, предлагаемое защитное устройство оказывает комплексное воздействие как на ограничение феррореэонансных и ренапряжений, возникающих в процессе аварийных режимов на системе шин 1 и высоковольтной обмотке 3 трансформатора напряжения, так и на ограничение токов в нейтрали указанной обмотки при возникновении субгармонических колебаний.

Для защиты угравляемых вентилей

9 от перенапряжений в предлагаемом устройстве применяются разрядные цепочки, состоящие иэ последовательно соединенных резистора 16 и конденсатора 17, подключенных параллельно выпрямительному устройству 7 со стороны источника питания, получаемого от дополнительной вторичной обмотки

6. укаэанные коммутационные перенапряжения обусловлены тем, что при закрытии управляемых вентилей О прямой анодный ток резко спадает до нуля, а импульсы обратного напряжения превышают нормальную величину гериодически прикладываемых допустимых обратных напряжений и могут разрушить вентили 8.

Использование конденсатора 7 в комбинации с резистором 16 позволяет, с одной стороны, накапливать в конденсаторах часть энергии перенапряжений и, с другой стороны, снижать скорость нарастания этих перенапряжений.

Практически невозможно найти наилучшее решение для защиты управляемых вентилей 8 в предлагаемом устройстве, так как предложенная защита связана с изменениями параметров напряжений на дополнительной вторичной обмотке

6 и токов в нейтрали первичной обмотки 3 высокого напряжения электромагнитного трансформатора напряжения.

Еще одним иэ весьма положительных преимуществ предлагаемого защитного устройства является полная независимость выпрямительного устройства 7, подключенного к дополнительной вторичной обмотке 6, от коммутационных перенапряжений, возникающих на первичной обмотке 3 высокого напря907683 жения и системе шин 1, особенно при прерывании намагничивающего тока трансформатора напряжения в результате выполнения им функций промежуточного трансформатора, благодаря отсутствию электрической связи между обмотками.

Кроме того, цепочка из последовательно соединенных резистора 16 и конденсатора 7 обладает значи- 1О тельной способностью рассеивания энергии в случаях прерывания намагничивающего тока трансформатора напряжения или тока сильно индуктивной цепи. 15

С целью защиты предлагаемого устройства в случаях возникновения феррорезонансных перенапряжений повышенных частот применен защитный разрядник 14, подсоединенный параллель- ув но выпрямительному устройству 7 со стороны дополнительной вторичной обмотки 6, который срабатывает согласно своим защитным электрическим характеристикам в случае мгновен- Zs ного превышения выше допустимой величины на выпрямительном устройстве

7 до начала его работы, так и при появлении напряжения выше регламентируемой величины на резисторе 9 в щ первый момент времени до срабатывания защитной цепочки.

Таким образом, предлагаемое защитное устройство полностью исключает необходимость целого ряда режимных мероприятий, сложных схемных решений и ответственных оперативных переключений в высоковольтных сетях в результате решения целого комплекса технических задач простыми техническими средствами, способствующими эффективному повышению надежности работы электротехнического оборудования и линий электропередач в существующих электрических схемах

4s мощных энергосистем.

Указанные преимущества предлагаемого защитного устройства обеспечивают весьма существенное снижение. электрических потерь в сетях, а

se следовательно, и экономию топлива на тепловых электрических станциях.

Кроме того, полный комплекс положительных факторов устройства гарантирует снижение численности обслуживающего персонала, повышение произ55 водительности, улучшение условий, а следовательно, и обеспечение безопасности его труда.

12

Экономический эффект выражается по предварительным реальным определениям, применительно к энергосистемам даже средних мощностей, суммой в пределах от 100 до 150 тыс.рублей в год на один млн. кВт установленной мощности.

Формула изобретения

Устройство для заземления нейтрали трансформатора, содержащее две заземленные ветви, подключенные через искровые промежутки, шунтированные коммутационными аппаратами, одна ветвь содержит насыщающийся реактор, а вторая ветвь содержит два госледовательно соединенных резистора, один из которых шунтирован нелинейным ферромагнитным элементом, а второй подсоединен к диагонали выпрямительного моста, вторая диагональ которого подсоединена к обмотке управления насыщающегося реактора, трансформаторы напряжения, подсоединенные к обеим ветвям после искрового промежутка, и трансформаторы тока, установленные в обеих ветвях со стороны земли, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью ограничения феррорезонансных перенапряжений в нормальных и аварийных режимах, трансформаторы напряжения выполнены с двумя вторичными обмотками, одна из которых соединена в . разомкнутый треугольник,а вторая соединена по схеме звезда с выведенным нулем, и снабженное дополнительным выпрямительным блоком, дополнительным резистором, защитной цепочкой, состоящей из последовательно соединенных конденсатора и резистора, дополнительным разрядником, дополнительными трансформаторами тока, реле тока и напряжения,причем выпрямительный дополнительный блок подсоединен одной диагональю к разомкнутому треугольнику обмотки трансформатора напряжения, к тем же выводам подсоединена защитная цепочка и дополнительный разрядник, ко второй диагонали выпрямительного дополиительного блока подсоединен дополнительный резистор, один из дополнительных трансформаторов тока включен в нейтраль первичной обмотки трансформатора напряжения, 907683

Составитель Л. Дементьева

Редактор Л. Гратилло Техред И.Рейвес Корректор О. Билак

Тираж 670 Подписное

6НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, в-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 603/64

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4 а три -.в проводники той ветви, к которой подключен трансформатор напряжения, и к выводам их подсоединены реле тока, а реле напряжения подсоединены к выводам обмотки реле напряжения, выполненной с выведенным нулем.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР и 550713. кл. H 02 H 9/02, 1977

2. Авторское свидетельство СССР

661679, кл. Н 02 Н 9/02, 1979.