УДК 621.313-57

ВОЗНИКНОВЕНИЕ НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Овсепян Ваник Алексанович

Богоутдинов Евгений Ринатович

Компанеец Борис Сергеевич

Аннотация:

В статье представлена информация о возникновении ненормальных режимов работы при включении силовых трансформаторов в сеть. Рассмотрены процессы, сопровождающие изменение режима работы трансформатора, а также возможные негативные последствия, сказывающиеся на состоянии трансформатора и линий электропередач. Приведены некоторые случаи, происходящие в электрических сетях и приводящие к возникновению ненормальных режимов работы трансформатора. Целью исследования является анализ основных причин, приводящих к броскам магнитного потока и тока при включении силовых трансформаторов в сеть и сопровождающихся ненормальным режимом работы. Актуальность статьи обусловлена негативными последствиями таких режимов работы вследствие несовершенства существующих и отсутствия действенных способов борьбы с бросками магнитного потока и, соответственно, тока при включении силовых трансформаторов в сеть.

Ключевые слова: силовые трансформаторы, холостой ход, короткое замыкание, бросок магнитного потока и тока, намагничивающий ток.

В электрических сетях для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты применяются трансформаторы, называемые силовыми [1]. Включение силовых трансформаторов в сеть вызывает переходные процессы, причиной которых является невозможность мгновенного перехода от энергетического состояния, соответствующего докоммутационному режиму, к энергетическому состоянию, соответствующему послекоммутационному режиму [2].

Так, пуск силовых трансформаторов на холостом ходу сопровождается броском магнитного потока, который может в несколько раз превышать периодическую составляющую магнитного потока [3]. В связи с этим в момент включения трансформатора для создания такого магнитного потока возникает бросок намагничивающего тока (рисунок 1), который может быть соизмерим с током короткого замыкания и превышать номинальный ток трансформатора в 5-10 раз, а ток холостого хода – более чем в 100 раз.

В момент пуска силового трансформатора на холостом ходу его работа происходит в режиме, близком к насыщению магнитопровода. В соответствии с рисунком 1 нетрудно заключить, что это приводит к возрастанию доли высших гармоник намагничивающего тока, а также напряжения, что сказывается на качестве электрической энергии потребителей, а также приводит к возрастанию потерь на гистерезис и вихревые токи, вызывает сильный нагрев обмоток и магнитопровода трансформатора, линий электропередач. Помимо этого, ускоряется процесс старения и, следовательно, разрушения электрической изоляции обмоток за счет присутствия в изоляции газовых включений, которые в результате воздействия высокочастотного электрического поля, порождаемого высшими гармониками тока, ионизируют с образованием объемных зарядов и их последующей нейтрализацией с выделением тепловой энергии.

Рисунок 1 – Графическое определение реактивной составляющей намагничивающего тока

Кратность токов включения по отношению к номинальному току силовых трансформаторов на холостом ходу соизмерима с ударным током короткого замыкания, что достаточно для ложного срабатывания устройств релейной защиты и автоматики. Это вызывает необходимость усложнения конструкции и настройки устройств релейной защиты. С целью предотвращения отключения только что включенного трансформатора средствами РЗиА используют сведения о том, что вторая гармоническая составляющая намагничивающего тока составляет 60 %, в то время как доля той же гармоники в токе короткого замыкания менее 30 %. Кроме того, намагничивающий ток в отличие от тока короткого замыкания содержит большую апериодическую составляющую [3].

Однако переходные процессы наблюдаются при любых изменениях конфигурации электрической цепи, например, при коммутации. Следовательно, броски тока в силовых трансформаторах могут быть не только при их пуске на холостом ходу, но и в ряде других случаев. Например, возникновение аварийной ситуации в виде короткого замыкания (в линии электропередач, между витками обмотки и др.) приведет к изменению конфигурации электрической цепи, в частности, ее электромагнитных параметров. Это в свою очередь вызовет переходный процесс, сопровождающийся бросками магнитного потока и тока.

Возникновение короткого замыкания приведет к срабатыванию релейной защиты и автоматики (РЗиА) с последующим отключением силового трансформатора от сети. Послеаварийный пуск трансформатора выполняется через заданный промежуток времени при помощи системы автоматического повторного включения. В случае, если короткое замыкание было неустойчивым, то повторное включение трансформатора может произойти либо на холостом ходу с последующим включением нагрузки ко вторичной обмотке трансформатора (в качестве нагрузки может выступать также другой трансформатор), либо сразу на нагрузку. Если же короткое замыкание оказалось устойчивым, то повторное включение трансформатора будет в режиме короткого замыкания.

Переходные процессы, возникающие в каждом из приведённых случаев, будут отличаться величиной бросков магнитного потока и тока, что вызвано различием энергетических состояний электрической сети до и после коммутации во всех рассмотренных ситуациях. Стоит отметить, что на величину бросков магнитного потока и тока влияют остаточная намагниченность магнитопровода, а также величина и направление магнитного потока периодической составляющей в момент включения.

Протекание повышенных токов по обмоткам трансформатора во время переходного процесса не соответствует нормальному режиму работы трансформатора и чревато негативными последствиями. К ним можно отнести увеличение электродинамических сил, которые стремятся деформировать конструкцию магнитопровода, масляного бака, а также обмотки трансформатора, вызывая разрушение как самих обмоток, так и их изоляции [4]. Это приводит к трудностям при проектировании трансформаторов, вызванным необходимостью расчета возможных усилий (осевых, тангенциальных, скручивающих) с целью выбора соответствующих конструкций и материалов трансформатора.

Из всего вышеизложенного можно заключить, что включение силовых трансформаторов в сеть может сопровождаться различными режимами работы. Возникновение того или иного режима зависит как от предшествующего докоммутационного, так и послекоммутационного энергетического состояния электрической сети и приводит к возникновению переходного процесса. В свою очередь, любой переходный процесс будет сопровождаться бросками магнитного потока и тока в трансформаторе с сопутствующими негативными явлениями.

Список используемой литературы

1. Вольдек А. И. Электрические машины : учеб. для студентов высш. техн. учебн. заведений / А. И. Вольдек. – 3-е изд., перераб. – СПб. : Энергия, 1978. – 832 с. : ил.

2. Теоретические основы электротехники. В 2 т. Том 1. Электрические цепи : учебник для академического бакалавриата / Л. А. Бессонов. – 12-е изд., испр. и доп. – М. : Издательство Юрайт, 2019. – 831 с. – (Серия : Бакалавр. Академический курс).

3. Булат В. А. Электромагнитные переходные процессы : пособие для студентов специальностей 1-43.01.01 «Электрические станции», 1-43.01.02 «Электроэнергетические системы и сети», 1-43.01.03 «Электроснабжение (по отраслям)» и 1-43.01.09 «Релейная защита и автоматика» / В. А. Булат, А. Г. Губанович, С. М. Силюк. – Минск. : БНТУ, 2020. – 214 с. : ил.

4. Электродинамическая стойкость трансформаторов и реакторов при коротких замыканиях / составитель и редактор А. А. Лурье. – М. : Изд-во «Знак», 2005. – 520 с. : ил.

Информация об авторах

Компанеец Б. С. – к. т. н., доцент, Овсепян В. А. – студент группы Э-93, Богоутдинов Е. Р. – студент группы Э-93, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.

-