„Київський політехнічний інститут”

Бубряк Анатолій Ернестович

УДК 621.3.013.62

621.314.21

621.314.222.8

Небезпечні внутрішні перенапруги на елементах комбінованої ізоляції

(умови виникнення та заходи обмеження на прикладі ТН типу НОМ-10)

Спеціальність: 05.09.13 – Техніка сильних електричних та магнітних полів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електропостачання промислових підприємств, міст і сільського господарства Національного університету „Львівська політехніка” Міністерства освіти та науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Никонець Леонід Олексійович,

Національний університет „Львівська політехніка”, професор кафедри електропостачання промислових підприємств, міст і сільського господарства

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Бржезицький Володимир Олександрович,

Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри техніки та електрофізики високих напруг

кандидат технічних наук, доцент

Дергільов Михайло Павлович

Донецький національний технічний університет, доцент кафедри електричних станцій

Провідна установа: Національний технічний університет “Харківський політехнічний

інститут”, кафедра електроізоляційної та кабельної техніки

Захист відбудеться „21травня 2007 р. о 15 годині 00 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради К .002.06 Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги 37, корп. 20, ауд. 3, тел. 241-76-62.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут”.

Автореферат розіслано „12квітня 2007 р. |

Учений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент

В.О. Шостак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Необхідність підвищення експлуатаційної надійності вимірювальних трансформаторів напруги (ТН) вимагає поглибленого вивчення реальних умов їх роботи і, зокрема, усіх видів навантажень на ізоляцію. Природне старіння ізоляції, недостатні об’єми робіт з реконструкції станцій та підстанцій, що спостерігається впродовж останніх років, і неефективність системи профілактичних випробувань робить проблему підвищення експлуатаційної надійності обладнання особливо актуальною. Це в свою чергу вимагає досліджень перехідних процесів та перенапруг в електромережі, що можливо якісно зробити при мінімальних витратах лише за допомогою комп’ютерного моделювання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи відповідає напрямку наукових досліджень Національного університету „Львівська політехніка”, який затверджено Вченою Радою Національного університету „Львівська політехніка”, протокол №14 від 28 січня 2003 р.: „Ресурсозберігаючі технології та інтелектуальні системи керування в енергозабезпеченні об’єктів економічної діяльності”, а саме розділ „Математичне моделювання, автоматизоване проектування та розробка електромеханічних перетворювачів та систем керування ними. Розробка методів і засобів неруйнівного контролю та технічної діагностики електричних машин, трансформаторів і апаратів”. Отримані результати лягли в основу держбюджетної роботи „Режими роботи ізоляції трансформатора напруги в електричній мережі”, номер державної реєстрації 0106U004707.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є визначення умов виникнення небезпечних внутрішніх перенапруг і розробка заходів щодо їх обмеження.

Для її досягнення необхідно розв’язати такі задачі: встановити причини, що зумовлюють аварійність трансформаторів напруги під впливом внутрішніх перенапруг; розробити метод визначення електричних властивостей ізоляції на прикладі реального високовольтного трансформатора напруги; синтезувати математичну модель ізоляції ТН, що адекватно відтворює її електричні властивості; дослідити режими роботи ізоляції такого трансформатора за дії внутрішніх перенапруг в мережі 10 кВ; розробити метод підвищення надійності роботи трансформаторів напруги в електричних мережах.

Об’єкт дослідження. Внутрішні перенапруги в електромережах 10 кВ з електромагнітними трансформаторами напруги.

Предмет дослідження. Умови виникнення на ізоляції трансформатора напруги небезпечних внутрішніх перенапруг.

Методи досліджень. Методи математичного моделювання процесів в електромережах і теорії натурного експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше доведено, що для врахування впливу зумовлених струмами витоку з високовольтної обмотки трансформатора напруги магнітних потоків в діапазоні частот, модель повинна містити послідовно з’єднані елементи типу R-C і типу R-C-L, а критерієм її адекватності є збіжність частотних характеристик моделі та оригіналу.

2. Розвинута узагальнена модель, що відтворює характеристики ізоляції між виводами високовольтної обмотки, корпусом та обмоткою низької напруги, яка складається із визначеної сукупності двополюсників між згаданими елементами, що дозволяє адекватно описувати характеристики високовольтного трансформатора напруги.

3. Експериментально та теоретично обґрунтовано діапазон резонансних частот 4000-5150 Гц для високовольтного трансформатора напруги типу НОМ-10.

4. Доведено, що встановлений досвідом експлуатації факт залежності надійності роботи трансформаторів напруги від їх місця встановлення в електричній мережі, може бути обумовлений появою при замиканні фази електричної мережі на землю коливань, що знаходяться в діапазоні резонансних частот високовольтного трансформатора напруги.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Обґрунтовані розрахункові схеми для визначення частотних характеристик ізоляції високовольтного ТН, які забезпечують визначення параметрів двополюсників узагальненої заступної схеми.

2. Синтезовано сумісну комплексну схему електричної мережі та ізоляції трансформатора, що дозволяє прогнозувати небезпечні впливи комутаційних перенапруг.

3. Запропоновано метод підвищення надійності роботи трансформаторів напруги в електричних мережах, яким передбачається проводити заходи щодо регулювання резонансної частоти мережі живлення.

4. Для трансформатора напруги типу НОМ-10 визначено діапазон небезпечних резонансних частот.

Особистий внесок здобувача. Результати, викладені в роботі, отримано автором особисто. В наукових працях, що написані у співавторстві, авторові належить: формування загальних підходів щодо синтезу математичних моделей ізоляції трансформаторів напруги [1,2]; визначення резонансних частот ТН типу НОМ-10 [2]; оцінка ефективності випробувань високою напругою промислової частоти [2]; визначення параметрів елементів моделі ізоляції ТН типу НОМ-10 [3]; перевірка синтезованої моделі ізоляції НОМ-10 на адекватність відтворення параметрів оригіналу [3]; комп’ютерне моделювання перехідних процесів, що діють на ізоляцію ТН типу НОМ-10 в резонансних режимах роботи мережі [4]; розробка можливих шляхів підвищення надійності роботи НОМ-10 в електричних мережах [4].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на науковому семінарі НАН України „Моделі та методи комп’ютерного аналізу електричних кіл та електромеханічних систем” (Львів 2006р.), науковому семінарі кафедри техніки і електрофізики високих напруг НТУУ “Київський політехнічний інститут” (Київ 2006р.), відкритому конкурсі молодих вчених та спеціалістів “Молодь – енергетиці України-2006”, (Київ 2006 р.), наукових семінарах кафедри електричні станції та кафедри електропостачання промислових підприємств, міст і сільського господарства НУ „Львівська політехніка” (Львів 2003-2006 роки).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи відображено у 4 публікаціях, серед яких 4 статті у фахових виданнях ВАКу.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, переліку літератури із 96 найменувань. Загальний обсяг дисертації складає 143 сторінки, із них 97 сторінок основного тексту, 53 рисунки, 4 таблиці та 1 додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційного дослідження, сформульовано мету та задачі роботи, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено критичний огляд літератури з аналізу досвіду експлуатації трансформаторів в електричних мережах та існуючих підходів до проектування, виготовлення, випробувань та експлуатації високовольтної ізоляції. Показано як можливість впливу параметрів електричної мережі на надійність роботи обладнання, так і те, що жоден з відомих методів профілактики пошкоджень ні безпосередньо ні опосередковано не здатен виявити цей вплив. Висунуто гіпотезу про вплив частоти на пошкоджуваність обладнання. Для дослідження впливу частоти внутрішніх перенапруг на ізоляцію трансформатора напруги (ТН) з подальшою видачею рекомендацій щодо їх запобігання, обґрунтовано необхідність синтезу математичної моделі ізоляції ТН, як складової моделі електричної мережі, котра б адекватно відтворювала реальні електричні властивості ізоляційної конструкції. У висновках розділу сформульовані задачі досліджень.

У другому розділі обґрунтовано вибір для досліджень вимірювального трансформатора напруги типу НОМ-10 – другого за поширеністю у вітчизняних розподільчих мережах 6-10 кВ та одночасно із цим найпростішого за конструкцією. Під час синтезу адекватної до реального об’єкту моделі виходили з того, що параметри, які характеризують конкретний тип ізоляції електрообладнання до початку виникнення незворотних процесів в ізоляції, лінійні. Для такого об’єкту і його моделі часові характеристики параметрів режиму будуть ідентичними, якщо їх частотні характеристики збігаються. Властивості об’єктів, конструктивні дані яких є невідомі, можна визначити експериментально шляхом знімання частотних характеристик. Задачею моделювання таких об’єктів буде синтез схем, які максимально точно відтворювали б частотну характеристику об'єкта.

Такі підходи до синтезу моделі формально гарантують повну ідентичність параметрів режиму на виводах багатополюсника, яким є модель, і на довільному провідному зонді всередині об’єму реального високовольтного трансформатора напруги.

Якщо врахувати, що на кришці НОМ-10 наявні виводи обмотки НН і розглядати обмотку НН, як провідний зонд, розташований в просторі, обмеженому поверхнями бака, то можна запропонувати модель ізоляції у вигляді пятиполюсника (виводи В1, В2, Н1, Н2, корпус К) (рис.1). Така модель дозволить за заданими напругами, прикладеними до виводів В1 і В2 ТН отримати інформацію не лише стосовно струмів обмотки ВН але й, що важливо, про параметри напруги, що діє на ізоляцію обмотки НН ТН. Таким чином, можна отримати відповідь стосовно розподілу потенціалів напруги всередині корпусу ТН.

Як видно з рис.1 для кожної частоти є десять невідомих значень опорів Z1Z10. Для їх визначення необхідно провести на кожній частоті по десять незалежних вимірів вхідних опорів реального об’єкта НОМ-10. Оскільки конструкція реального об’єкта симетрична, логічно прийняти, що Z2=Z4; Z5=Z6; Z8=Z9; Z7=Z10 (рис.1). Таке припущення скорочує кількість потрібних незалежних дослідів з десяти до шести.

У випадку коли електрорушійна сила (ЕРС) джерела прикладалась до виводів Н1-Н2 ТН, вхідний опір виявлявся на кілька порядків меншим ніж в інших незалежних дослідах. Фізично це можна пояснити тим, що опір обмотки НН ТН, який на рис.1 позначений узагальненим двополюсником Z3 набагато менший ніж інші опори цієї схеми (власне ізоляції). Цим опором можна знехтувати і виводи Н1,Н2 з’єднати в один вузол Н. Тоді узагальнена заступна схема ТН рис.1 може бути перетворена у простішу схему рис.2. Нумерація узагальнених опорів у цій схемі змінена порівняно із схемою на рис.1.

Зокрема, варто зупинитися на двополюснику Z1. Якщо взяти до уваги те, що ввімкнення (або вимкнення) ТН в мережу не може істотно змінити параметри самої мережі, а, отже, і частоту її власних коливань, то наявність чи відсутність двополюсника Z1 в моделі ТН не призведе до зміни режиму роботи ізоляції ТН. Іншими словами, різниця потенціалів між виводами В1 и В2 ТН визначається параметрами мережі та не зміниться від наявності чи відсутності в моделі ізоляції ТН двополюсника Z1. Тому опір Z1 в подальших дослідженнях можна не враховувати.

Таким чином, в заступній схемі залишилось всього три опори, значення яких потрібно визначити на основі трьох незалежних дослідів.

Такі досліди можна провести, шунтуючи різні виводи ТН. Наприклад, вхідна провідність А схеми на рис.2 із зашунтованими двополюсниками Z1 і Z2 буде описуватись залежністю . Відповідно для зашунтованих Z1 і Z3 вхідна провідність ТН буде а для зашунтованих Z1 і Z4 провідність .

Для синтезу моделі окремо досліджувалися частотні характеристики ізоляції обмотки ВН відносно корпуса (за замкненої обмотки НН – рис.3), частотні характеристики ізоляції обмотки НН відносно корпуса (за замкненої обмотки ВН – рис.4) і частотні характеристики ізоляції обмоток ВН та НН відносно корпусу (рис.5).

Рис.3. Частотні характеристики НОМ-10 (дослід №1)

При вимірюваннях в якості джерела живлення використовувався генератор сигналів низької частоти типу ГЗ-109, характеристики якого дозволяють міняти частоту в межах 17200000 Гц, і прикладену напругу в межах 0180 В. Опір об’єкту Zвх вимірювався по методу “вольтметра-амперметра” цифровими приладами типу В7-21А. Фаза зсуву між прикладеною напругою і струмом вимірювалася за допомогою двопроменевого осцилографа типу С1-77.

Рис.4 Частотні характеристики НОМ-10 (дослід №2)

Характеристики на рис.3,4 чітко вказують на наявність резонансних точок – максимумів та мінімумів вхідних опорів. Першим настає резонанс напруг (mod ZВХ min), потім резонанс струмів (mod ZВХ max). Такі резонансні частоти, як мінімум, спостерігаються в двох діапазонах: 4000-5150 Гц і 78000-86000 Гц.

На частотних характеристиках ізоляції обмоток ВН і НН відносно корпуса у випадку, коли їх виводи було замкнено між собою (рис.5), не видно явних резонансів. А на частотних характеристиках ізоляції обмоток високої напруги і низької напруги, знятих окремо, чітко видно резонанс (рис.3,4). Це може бути пояснено шунтуванням резонансних елементів в такій схемі експериментальної установки елементом із значно меншим опором. Саме тому майже весь струм іде через низькоомний нерезонансний елемент ізоляційної конструкції трансформатора напруги, а на графіку рис.5 резонанси непомітні (за логарифмічної шкали).

Вільні складові коливань комутаційних перенапруг мережі поряд зі складовою промислової частоти варто розглядати як вимушену напругу, що прикладається до вводів трансформатора напруги. З появою такої напруги усередині трансформатора

Рис.5 Частотні характеристики НОМ-10 (дослід №3)

напруги обов'язково повинні виникати вільні коливання (з врахуванням результатів експериментальних досліджень наведених на рис.3,4). Якщо частоти вільних коливань мережі і системи "обмотка-ізоляція" збігаються (або будуть близькими) у системі "обмотка-ізоляція" виникнуть резонансні перенапруги, амплітуди яких у кілька разів будуть перевищувати амплітуди прикладеної до трансформатора комутаційної перенапруги. На наш погляд, це є однією з основних причин пошкодження внутрішньої ізоляції вимірювальних трансформаторів напруги в експлуатації.

Важливою характеристикою ізоляції також є так звані передатні функції (спектральні характеристики) (рис.6) які, на відміну від частотних характеристик, дозволяють виключити етап моделювання ізоляції. Маючи форму напруги, що діє на ізоляцію, попередньо розкладену в тригонометричний ряд, можна з використанням передатних функцій (рис.6) відтворити форму збурень на поверхні зонду всередині об’єму ізоляції об’єкта. В нашому випадку, в ролі поверхні зонду виступає обмотка НН трансформатора напруги.

Як видно із рис.6, на частоті 50 Гц напруга на обмотці НН відносно корпусу UHK складає біля 20від прикладеної до обмотки ВН напруги UBK, на інтервалі ж частот1002000 Гц напруга на обмотці НН становить вже біля 30від прикладеної до ВН, а на частоті 4550 Гц наближається до 95Тобто в цьому випадку майже вся UВК діє на ізоляцію обмотки НН відносно корпусу.

Рис.6 Передатна функція UHK/UBK=F(fвх) між обмотками ВН і НН

та схема експерименту.

При комутаційних перенапругах з частотами в діапазоні до 2 кГц напруга на поверхні зонду всередині бака трансформатора (в якості якої використано обмотку НН) відносно корпусу буде в 1,5 рази більшою за ту, що була на ній при випробуваннях підвищеною напругою промислової частоти, а при резонансних частотах напруга збільшиться в 4-5 рази, що може бути причиною пошкодження ізоляції.

З аналізу передатної функції ізоляції трансформатора напруги НОМ-10 можна зробити висновок, що дія випробувальних напруг з частотою 50 Гц не еквівалентна дії реальних комутаційних перенапруг з частотою власних коливань, відмінною від частоти 50 Гц.

У третьому розділі для діапазону частот 20-100000 Гц шляхом розв’язання трьох рівнянь з трьома невідомими були побудовані залежності модуля та аргументу для обчислених значень Z2, Z3, Z4 (рис.2), від частоти. Таким чином було отримано частотну характеристику кожного двополюсника спрощеної заступної схеми ТН типу НОМ-10 на рис.2. Наступним кроком був синтез математичної моделі кожного з елементів схеми заміщення за умовою повного відтворення цими моделями частотних характеристик двополюсників.

Поставлена задача була спрощена окремим моделюванням ділянки частотної характеристики без резонансів і ділянки з резонансами.

Нерезонансна ділянка частотних характеристик була змодельована ланцюговою n ланковою схемою, кожна j - ланка якої складається з паралельно з'єднаних резистора rj і конденсатора cj (рис.7,а), що дозволяє врахувати явища електропровідності і поляризації в окремих ділянках ізоляції.

Параметри нерезонансних елементів моделі визначалися за допомогою програми, розробленої співробітниками кафедр ЕПМС і ОП Національного університету „Львівська політехніка” шляхом порівняння за частотною характеристикою отриманого експериментально значення модуля повного опору ізоляції на частоті і модуля комплексного опору заступної схеми , тобто

де - кругова частота.

Рис.7 Елементи заступної спрощеної схеми трансформатора напруги НОМ-10:

а – модель нерезонансних елементів заступної схеми; б – розрахункова схема для визначення параметрів резонансних елементів заступної схеми;

Резонансні ділянки частотної характеристики найзручніше моделювати у вигляді ділянки кола з паралельно з’єднаних індуктивності LP, ємності CP і активного опору RP, котрі вмикаються послідовно з моделлю нерезонансних (R-C) елементів (рис.7,а), як це описано вище. Кількість зафіксованих на характеристиці двополюсника діапазонів резонансних явищ відповідає кількості в його моделі резонансних елементів, наприклад, в моделі Z2 їх є два, в Z4 – один, а в Z3 немає зовсім. В результаті отримуємо розрахункову схему для визначення параметрів LP, CP, RP, наведену на рис.7,б. Тут RM, CM – результуючі параметри моделі рис.7,а для заданої резонансної частоти; U=f1(); I=f2() – значення напруги і струму, отримані при досліді визначення частотної характеристики ізоляції ТН для заданої резонансної частоти; LP, CP, RP – значення параметрів, які необхідно визначити.

Схему на рис.7,б для двох відомих резонансних частот описують наступні рівняння:

;

;

Цих рівнянь достатньо для визначення невідомих LP, CP, RP, які необхідні для визначення параметрів моделей двополюсників Z2, Z3, Z4 (рис.2).

Для оцінки адекватності визначених та розрахункових параметрів досліди, аналогічні відображеним на рис.3-5 повторювались з допомогою синтезованої моделі. Частота прикладеної ЕРС змінювалась в діапазоні 20-100000 Гц. Отримані дані порівнювали з визначеними експериментально частотними характеристиками. Відносна похибка моделювання при цьому не перевищила 5%.

У четвертому розділі за допомогою цифрового комплексу, розробленого співробітниками кафедр ЕСМ і ЕПМС НУ „Львівська політехніка”, відповідно до спрощеної узагальненої заступної схеми ізоляції рис.2 складено повну математичну модель ізоляції трансформатора напруги типу НОМ-10 у вигляді заступної схеми (рис.8). При цьому електрична мережа змодельована параметрами силового трансформатора номінальною потужністю SТ=1000 кВА та еквівалентної ємності мережі СМ. Повздовжні параметри заступної схеми силового трансформатора змодельовані індуктивністю 19,34 мГн і активним опором 1,55 Ом, а поперечні параметри – індуктивністю 7,02 Гн і активним опором 18,38 кОм (рис.8). Зміна форми імпульсу, що діє на ізоляцію, досягалася зміною СМ – еквівалентної ємності мережі.

Розрахункова схема електричної мережі сформована на базі рівнянь стану за використання методу контурних струмів. Для інтегрування диференційних рівнянь застосовувався метод диференціювання назад (ФДН), робоча формула якого має вигляд:

;

Синтезовану математичну модель ізоляції трансформатора напруги використано як складову частину моделі електричної мережі для визначення параметрів дії зовнішніх перенапруг на окремий елемент ізоляції. На рис.8 прилади фіксують U1, U2 – миттєві значення напруг фаз мережі, до яких під’єднано трансформатор напруги, U3 – миттєве значення напруги на провідній поверхні (в даному випадку – обмотка низької напруги) відносно землі, І1, І2 – миттєві значення струмів через ізоляцію обмотки високої напруги, І3 – миттєве значення струму витоку через корпус трансформатора напруги на землю.

Рис.8 Математична модель ізоляції трансформатора напруги НОМ-10, як складова моделі електричної мережі.

На фазі без трансформатора напруги в момент, що відповідає найбільшій можливій амплітуді перенапруг (через 0,0047 с після початку розрахунку) за допомогою ключа Q імітується металеве замикання на землю. Цифрограми такого режиму при СМ=0,023 мкФ наведено на рис.9. Саме при такій ємності власні частоти

Рис.9 Цифрограми параметрів режиму при еквівалентній ємності мережі 0,023 мкФ, обмотка НН трансформатора напруги не заземлена, частота власних коливань мережі 4480 Гц.

системи і трансформатора напруги збігаються, що викликає резонанс. З рис.9 видно, що значення струмів витоку, що стікають з обмоток трансформатора напруги, в режимі однофазного замикання на землю мережі в резонансному режимі перевищують струм в нормальному режимі у 79,05 рази; значення струму витоку з корпуса трансформатора в 182,8 рази; значення напруги на обмотках високої напруги більші за номінальну в 2,44 рази і в 6,17 рази для напруги на незаземленій в цьому досліді обмотці низької напруги відносно землі. Тут KU і KI – відношення значень напруг і струмів в режимі металевого замикання на землю та в робочому режимі.

Рис.10 Цифрограми параметрів режиму при еквівалентній ємності мережі 10 мкФ, обмотка НН трансформатора напруги не заземлена.

Якщо власні частоти системи (200 Гц) і трансформатора напруги (4550 Гц) не збігаються, то режим роботи не буде для ізоляції такий екстремальний. Цифрограми режиму при СМ=10 мкФ показано на рис.10. Значення струмів витоку, що стікають з обмоток трансформатора напруги, в режимі однофазного замикання на землю мережі перевищують струм в нормальному режимі у 4,82 рази, а значення струму витоку з корпуса трансформатора в 9,93 рази; значення напруги на обмотках високої напруги більші за номінальну в 2,71 рази, а для напруги на обмотці НН відносно землі в 4,38 рази. Значення струмів на порядок менші за аналогічні на рис.2, також на третину менший рівень перенапруг на обмотці низької напруги. Рівень внутрішніх перенапруг на підстанції з такими параметрами буде прийнятним для електричної міцності ізоляції трансформатора напруги.

У п’ятому розділі для зниження аварійності трансформаторів напруги запропоновано метод підвищення надійності роботи ТН в електричних мережах.

В основу винаходу покладено задачу удосконалення способу неруйнівної діагностики передаварійного стану електрообладнання з обмотками високої напруги, який полягає у вимірюванні опору його ізоляції в діапазоні частот 0-100 кГц шляхом додаткового визначення для розрахункового режиму значення опору мережі живлення відносно точок підключення вищезгаданого електрообладнання в діапазоні частот 0-100 кГц.

Далі визначають частоту вільних коливань електромережі та резонансні частоти системи „обмотка-ізоляція” електрообладнання, які порівнюють між собою. Якщо резонансні частоти близькі або збігаються – роблять висновок про велику ймовірність пошкодження ізоляції електрообладнання, чим обґрунтовується потреба заходів щодо зміни резонансних частот електромережі і, як наслідок, підвищення надійності роботи електрообладнання.

У випадку доцільності внесення змін в конструкцію електрообладнання з метою зміни значення резонансної частоти та уточнення параметрів дії зовнішніх перенапруг на окремі елементи конструкції, в середині об’єму електрообладнання розташовують в наперед визначеному місці зонд, ізольований вивід від якого виводять назовні.

Далі синтезують узагальнену модель ізоляції електрообладнання у вигляді сукупності двополюсників, які розташовують між виводами електрообладнання та виводом зонду і корпусом для усіх можливих варіантів їх сполучення.

З метою визначення частотних характеристик кожного двополюсника знімають незалежні частотні характеристики ізоляції по черзі між виводами електрообладнання і корпусом, між виводами електрообладнання і корпусом при заземленому зонді, між виводами електрообладнання та ізольованим виводом зонду, між заземленими виводами електрообладнання та ізольованим виводом зонду, між ізольованим виводом зонду та корпусом.

На підставі отриманих незалежних частотних характеристик відносно всіх виводів електрообладнання синтезують математичну модель ізоляції електрообладнання, яку використовують як складову частину моделі електричної мережі для визначення параметрів дії зовнішніх перенапруг на окремий елемент ізоляції електрообладнання.

Поставлена задача досягається також тим, що паралельно до точок приєднання електрообладнання встановлюється фільтр, що має малий опір на резонансній частоті електрообладнання.

Технічним результатом від застосування методу є підвищення надійності роботи електрообладнання і як наслідок – зменшення витрат, пов’язаних з ремонтами обладнання та перервами в електропостачанні споживачів.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено нове вирішення наукової задачі дослідження режимів роботи ізоляції електрообладнання, на прикладі трансформатора напруги в електричній мережі з розземленою нейтраллю, що дозволило визначити причини пошкодження ізоляції та запропонувати метод підвищення надійності роботи електрообладнання. З метою узагальнення результатів дисертаційного дослідження та вироблення практичних пропозицій щодо їхнього використання нижче сформульовано основні висновки роботи.

1. Обґрунтовано схеми для зняття незалежних частотних характеристик електрообладнання та доведено, що встановлений досвідом експлуатації факт залежності надійності роботи трансформаторів напруги від їх місця встановлення в електричній мережі, може бути обумовлений появою в аварійних режимах при певних параметрах мережі вільних коливань з в діапазоні резонансних частот, що призводить до виникнення в ізоляції ТН класичного резонансу струмів або напруг.

2. Вперше синтезовано повну модель ізоляції ТН, що для врахування впливу зумовлених струмами витоку з високовольтної обмотки трансформатора напруги магнітних потоків в діапазоні частот містить послідовно з’єднані елементи типу R-C і типу R-C-L і дозволяє визначити параметри збурень навіть на зонді всередині конструкції ізоляції.

3. Аналіз змін параметрів моделі синтезованої за періодично знятими частотними характеристиками конкретного електрообладнання в часі, дозволить якісніше ніж це передбачено відомими методами контролю якості ізоляції, оцінювати стан ізоляції електрообладнання.

4. Кратність перенапруг на зонді всередині об’єму ізоляції ТН в резонансних режимах, у будь-якому випадку, більше ніж вдвічі перевищує кратності перенапруг на вводах ВН ТН; в нерезонансних режимах також присутнє істотне, приблизно в 1,3-1,5 рази, перевищення кратності перенапруг на вводах ВН ТН, обумовлене різними коефіцієнтами розподілу напруги на елементах ізоляції в залежності від частоти прикладеної напруги.

5. Для обладнання з обмотками ВН, виготовленого із врахуванням ГОСТ , розподіл напруги по елементам внутрішньої ізоляції в разі прикладання розрахункових випробувальних напруг промислової частоти не еквівалентний розподілу напруги при реальних внутрішніх перенапругах, а, отже, такі випробування не можуть гарантувати надійну роботу обладнання.

6. Стандартні комутаційні імпульси напруги, що використовуються при випробувані електричної міцності ізоляції ТН, можуть бути вибраними за допомогою синтезованої моделі та повинні мати амплітуди, що скоординовані з електричною міцністю розрядників та ОПН, що їх захищають, а частоту затухаючого коливного імпульсу таку, яка співпадає із кожною із резонансних частот характеристики ізоляції ТН.

7. Запропоновано метод підвищення надійності роботи трансформаторів напруги в електричних мережах, яким передбачається проводити заходи щодо зміни в розрахунковому режимі резонансної частоти мережі живлення.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Никонець Л.О., Бубряк А.Е. Узагальнена заступна схема ізоляції трансформатора напруги НОМ-10 // Вісник Національного університету “Львівська політехніка” “Електроенергетичні і електромеханічні системи”.-2006.- № 563.- С.105-108.

2. Никонець Л.О., Бубряк А.Е. Узагальнена заступна схема ізоляції та частотні характеристики трансформатора напруги НОМ-10. // Новини енергетики.-2006.- №9.- С.36-42.

3. Никонець Л.О., Бубряк А.Е. Математична модель ізоляції трансформатора напруги типу НОМ-10 та її перевірка на адекватність. // Новини енергетики.-2006.- №10.- С.34-39.

4. Никонець Л.О., Бубряк А.Е. Дослідження умов роботи трансформатора напруги НОМ-10 в електричних мережах за допомогою моделі його ізоляції. // Новини енергетики.-2006.- №11.- С.41-44.

АНОТАЦІЯ

Бубряк А.Е. Небезпечні внутрішні перенапруги на елементах комбінованої ізоляції (умови виникнення та заходи обмеження на прикладі ТН типу НОМ-10). – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.09.13 – техніка сильних електричних та магнітних полів. Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”. – Київ, 2007.

В дисертаційній роботі визначено причини пошкодження і розроблено метод підвищення надійності роботи трансформаторів напруги.

Сформульовано загальні підходи до синтезу математичних моделей ізоляції трансформаторів напруги з врахуванням усіх сучасних вимог, щодо їх інформативності, прикладного застосування та адекватності отриманих результатів. На їх основі синтезовано математичну модель ізоляції ТН, як елемента електричної мережі. Після досліджень умов роботи ізоляції ТН типу НОМ-10, за допомогою синтезованої моделі, було зроблено висновок про те, що в системі „обмотка-ізоляція” трансформатора напруги при зовнішній електричній дії, виникають затухаючі коливальні процеси з її власною частотою fвл.із. а також, що в разі збігу власної частоти коливань fвл.із з частотою збурень з боку мережі fм – можливе різке збільшення величини напруги, що діє на ізоляцію трансформатора.

Ключові слова: резонанс, математична модель ізоляції, трансформатор напруги, частотна характеристика.

АННОТАЦИЯ

Бубряк А.Э. Опасные внутренние перенапряжения на элементах комбинированной изоляции (условия возникновения и мероприятия ограничения на примере ТН типа НОМ-10). – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.13 - техника сильных электрических и магнитных полей. Национальный технический университет Украины „Киевский политехнический институт” – Киев, 2007.

В диссертационной работе показана возможность влияния параметров электрической сети на надежность работы оборудования, а также замечено, что ни один из известных методов профилактики повреждений ни прямо, ни косвенно, не способен его обнаружить.

Выдвинута гипотеза о влиянии частоты на повреждаемость оборудования. Для исследования влияния частоты внутренних перенапряжений на изоляцию высоковольтного трансформатора напряжения (ТН) с последующей выдачей рекомендаций относительно их предотвращения, обосновано необходимость синтеза математической модели изоляции ТН, как составной модели электрической сети.

В работе сформулированы общие подходы к синтезу математических моделей изоляции трансформаторов напряжения с учетом всех современных требований, относительно их информативности, прикладного применения и адекватности полученных результатов. Теоретические основы электротехники утверждают, что временные характеристики параметров режима реального линейного объекта (которым является изоляция до возникновения в ней необратимых процессов) и его модели будут идентичными, если их частотные характеристики совпадают. Поэтому задачей моделирования стал синтез таких схем, которые максимально точно воспроизводили бы частотную характеристику объекта.

Было проделано серию опытов, в результате которых получено ряд частотных характеристик ТН типа НОМ-10 и определена его собственная частота колебаний. В результате анализа экспериментальных данных был сделан вывод о неэффективности испытаний изоляции повышенным напряжением промышленной частоты, а также коммутационными импульсами, вследствие неравномерного распределения напряжений на элементах изоляционной конструкции на разных частотах.

На основании вышеупомянутых подходов была синтезирована и проверена на адекватность воспроизведения реальных электрических свойств изоляционной конструкции, математическая модель изоляции трансформатора напряжения. Поставленная задача была упрощена отдельным моделированием участков частотной характеристики трансформатора напряжения НОМ-10 без резонансов и участков с резонансами.

Отличительной чертой созданной модели изоляции стало присутствие в ней индуктивности L, как коэффициента пропорциональности между токами утечки с высоковольтной обмотки трансформатора напряжения и магнитным потоком, который они создают.

После исследований условий работы изоляции ТН типа НОМ-10, с помощью синтезированной модели, как элемента электрической сети, был сделан вывод о том, что в системе „обмотка-изоляция” трансформатора напряжения при внешнем электрическом воздействии, возникают затухающие колебательные процессы с ее собственной частотой fсоб.из а также, что в случае совпадения собственной частоты колебаний fсоб.из с частотой возмущений со стороны сети fс - возможно резкое увеличение величины напряжения, воздействующего на изоляцию трансформатора.

В результате проведенных исследований, для снижения аварийности ТН на отдельной конкретной подстанции, был предложен способ повышения надежности работы трансформаторов напряжения, а также ряд конкретных мер по предотвращению возникновения резонансов в рассматриваемом узле сети.

В основу изобретения поставлено задачу усовершенствования способа неразрушающей диагностики предаварийного состояния электрооборудования, который состоит в измерении сопротивления его изоляции в диапазоне частот 0-100 кГц, путём дополнительного определения для расчетного режима сопротивления сети питания относительно точек подключения вышеупомянутого оборудования в диапазоне частот 0-100 кГц.

Далее определяют резонансные частоты сети питания и изоляции электрооборудования, которые сравнивают между собой, если они близки или совпадают – делают вывод о величине вероятности повреждения изоляции электрооборудования, чем обеспечивается возможность проведения мероприятий, касательно изменения резонансных частот сети питания и, как следствие, повышение надёжности роботы электрооборудования.

В случае целесообразности внесения изменений в конструкцию электрооборудования с целью изменения резонансной частоты и уточнения параметров воздействия внешних перенапряжений на отдельные элементы конструкций, внутри объёма электрооборудования размещают в заранее определённых местах проводящую поверхность, изолированный вывод которой выводят вовне. Далее синтезируют обобщенную модель изоляции в виде совокупности двухполюсников, которые размещают между выводами электрооборудования, выводом проводящего зонда и корпусом для всех возможных вариантов их соединения. Независимые частотные характеристики изоляции снимают в количестве достаточном для определения частотных характеристик каждого двухполюсника по очереди между соответствующими выводами электрооборудования, зондом внутри объема изоляции и корпусом.

На основе полученных частотных характеристик синтезируют относительно всех выводов электрооборудования математическую модель изоляции, которую используют, как составную часть модели электрической сети для определения параметров воздействия внешних перенапряжений на отдельный элемент изоляции электрооборудования.

Для уменьшения перенапряжений параллельно точкам подключения электрооборудования устанавливается фильтр с малым сопротивлением на резонансной частоте электрооборудования.

Ключевые слова: резонанс, математическая модель изоляции, трансформатор напряжения, частотная характеристика.

ANNOTATION

Bubryak A.E. Dangerous internal overvoltages on the elements of the combined insulation (terms of origin and arresting on the example of VT as HOM-10). – Manuscript.

The thesis for Ph.D. degree on the specialty 05.09.13 – technique of the strong electric and magnetic fields. Kiev Polytechnic National University of Ukraine, Kiev, 2007.

Reasons of damage and the method for increase of reliability of voltage transformers work is developed in this thesis.

The general approaches to synthesis of mathematical model of insulation of voltage transformers are formulated taking into account all modern requirements, in relation to their informing applied application and adequacy of the got results. On their basis the mathematical model of VT insulation is synthesized, as element of electric network. The electromagnetic processes are investigated in insulation of the voltage transformer НОМ-10 at internal overvoltages in a network 10In the system “winding-insulation” of transformer at external influence there are attenuation swaying processes with frequency of fins. At commutations of electric network on the insulation of equipment except for compelled one an also attenuation free constituent operates with frequency of fnеt. If fnеt ? fins there is resonance.

Keywords: resonance, mathematical model of insulation, voltage transformer, frequency characteristic.