Разработка методики расчета токов намагничивания силовых трансформаторов систем электроснабжения
|
Введение 4
1 Анализ негативного воздействия постоянного тока на силовые
трансформаторы систем электроснабжения 10
1.1 Процессы на солнце 10
1.1.1 Солнце 10
1.1.2 Солнечные вспышки 12
1.1.3 Корональный выброс массы 14
1.1.4 Протуберанцы 15
1.1.5 Солнечные пятна 20
1.1.6 Солнечный ветер 22
1.2 Влияние геомагнитных бурь на Землю 25
1.2.1 Влияние постоянных токов на силовые трансформаторы систем
электроснабжения 25
1.2.2 Примеры различных аварий в системах электроснабжения 27
2 Силовые трансформаторы в системах электроснабжения 37
2.1 Принцип действия и их основные конструктивные элементы 37
2.1.1 Принцип действия 37
2.1.2 Виды трансформаторов 39
2.1.3 Магнитопроводы трансформаторов 40
2.1.4 Конструкция сердечников 45
2.1.5 Обмотки трансформаторов 47
2.1.6 Изоляция 51
2.1.7 Способы охлаждения масляных трансформаторов 54
2.1.8 Ввода силового трансформатора 59
2.1.9 Бак силового трансформатора с арматурой 61
2.1.10 Регулирование напряжения силового трансформатора 62
2.2 Намагничивание сердечников трансформаторов 67
2.2.1 Процесс намагничивания 67
2.2.2 Трёхфазный трансформатор с соединением обмоток звезда/треугольник 69
2.2.3 Трёхфазный трансформатор с соединением обмоток звезда/звезда .... 723 Компьютерное моделирование токов намагничивания в силовых
трансформаторах при протекании постоянных токов в системе электроснабжения 75
3.1 Выбор типа моделей силовых трансформаторов 75
3.2 Компьютерное моделирование токов намагничивания в бронестержневых
трансформаторах при протекании постоянных токов в системе электроснабжения 78
3.3 Анализ полученных данных для бронестержневого трансформатора 86
3.4 Компьютерное моделирование токов намагничивания в стержневых трансформаторах при протекании постоянных токов в системе
электроснабжения 89
3.5 Анализ полученных данных для стержневого трансформатора 96
Заключение 100
Список использованной литературы 102
1 Анализ негативного воздействия постоянного тока на силовые
трансформаторы систем электроснабжения 10
1.1 Процессы на солнце 10
1.1.1 Солнце 10
1.1.2 Солнечные вспышки 12
1.1.3 Корональный выброс массы 14
1.1.4 Протуберанцы 15
1.1.5 Солнечные пятна 20
1.1.6 Солнечный ветер 22
1.2 Влияние геомагнитных бурь на Землю 25
1.2.1 Влияние постоянных токов на силовые трансформаторы систем
электроснабжения 25
1.2.2 Примеры различных аварий в системах электроснабжения 27
2 Силовые трансформаторы в системах электроснабжения 37
2.1 Принцип действия и их основные конструктивные элементы 37
2.1.1 Принцип действия 37
2.1.2 Виды трансформаторов 39
2.1.3 Магнитопроводы трансформаторов 40
2.1.4 Конструкция сердечников 45
2.1.5 Обмотки трансформаторов 47
2.1.6 Изоляция 51
2.1.7 Способы охлаждения масляных трансформаторов 54
2.1.8 Ввода силового трансформатора 59
2.1.9 Бак силового трансформатора с арматурой 61
2.1.10 Регулирование напряжения силового трансформатора 62
2.2 Намагничивание сердечников трансформаторов 67
2.2.1 Процесс намагничивания 67
2.2.2 Трёхфазный трансформатор с соединением обмоток звезда/треугольник 69
2.2.3 Трёхфазный трансформатор с соединением обмоток звезда/звезда .... 723 Компьютерное моделирование токов намагничивания в силовых
трансформаторах при протекании постоянных токов в системе электроснабжения 75
3.1 Выбор типа моделей силовых трансформаторов 75
3.2 Компьютерное моделирование токов намагничивания в бронестержневых
трансформаторах при протекании постоянных токов в системе электроснабжения 78
3.3 Анализ полученных данных для бронестержневого трансформатора 86
3.4 Компьютерное моделирование токов намагничивания в стержневых трансформаторах при протекании постоянных токов в системе
электроснабжения 89
3.5 Анализ полученных данных для стержневого трансформатора 96
Заключение 100
Список использованной литературы 102
Электроэнергетика - отрасль энергетики Российской Федерации, включающая в себя производство, передачу электрической энергии, оперативно-диспетчерское управление в электроэнергетике, сбыт и потребление электрической энергии. Электроэнергетика является важным инструментом функционирования экономики и жизнеобеспечения любого современного государства.
Система электроснабжения (СЭС) - совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией.
Главными требованиями предъявляемые к системам электроснабжения являются:
1. Обеспечение потребителей необходимым количеством электрической энергии.
2. Надежное функционирование всех её составляющих.
3. Обеспечение требуемого качества электроснабжения потребителей.
4. Удобство и безопасность обслуживания.
Любая технологическая система не застрахована от аварий, СЭС не является исключением. В результате аварий происходят вывод из строя электротехнического оборудования, пожары и взрывы на подстанциях, гибель обслуживающего персонала, остановка электроснабжения на неопределенный срок, экономические потери.
Аварии в СЭС можно разделить на следующие виды:
1. Ошибочные действия электротехнического персонала довольно частое явление. Возникают они из-за низкой квалификации, невнимательности, нарушения оперативной дисциплины при выполнении обязанностей. Чаще всего, это такие нарушения как подача напряжения путем включения коммутационных аппаратов, на заземленные токоведущие части. Подача напряжения на неисправное или находящееся в ремонте оборудование. Отключение либо включение нагрузки, коммутационными аппаратами не предназначенными для этого. Ошибочные действия оперативного персонала при переключениях в цепях оперативного тока и цепях релейной защиты и автоматики (РЗиА).
2. Некачественный электромонтаж или ремонт. К этим причинам можно отнести такие недоработки как плохая регулировка приводов коммутационных аппаратов, плохо протянутые контакты, неправильно настроенная система РЗиА, заводские дефекты электрооборудования. Не затянутые контакты под нагрузкой начинают греться и гореть, возникает электрическая дуга и если защиты настроены плохо, возникает пожар на подстанции. Из-за плохой регулировки вката ячеек могут происходить короткие замыкания.
3. Неисправности в сетях РЗиА могут быть следующие: неправильно настроенные токовые уставки, вследствие чего неселективное срабатывание защиты или ее отказ в момент короткого замыкания. Нарушение изоляции или обрывы проводов, в цепях оперативного тока, неисправность релейных или микропроцессорных блоков защиты.
4. Однофазные замыкания на землю в сетях 6-35кВ опасны тем, что если произойдёт замыкание любой из фаз, то напряжение этой фазы относительно земли станет равно нулю, в то время как напряжение "здоровых" фаз повышается до линейных. Возникающие при этом перенапряжения приводят к пробою изоляции и возникновению электрической дуги. Все это приводит к разрушению изоляторов, оплавлению шин и проводов.
5. Грозовые и коммутационные перенапряжения в электрических сетях, могут стать причиной повреждения изоляции электрооборудования. Поэтому устройства грозозащиты подстанций и линий электропередач, должны быть в исправном состоянии и проходить регулярные проверки, в установленные нормативами сроки.
6. Стихийные бедствия. К ним относятся ураганы, землетрясения, наводнения, пожары, град, геомагнитные бури. Каждое из названных бедствий может привести к выходу из строя оборудования открытого распределительного устройства (ОРУ) подстанции, разрушению подстанции, созданию ненормальных режимов работы оборудования.
Относительно новым стихийным бедствием являются геомагнитные бури. Рассмотрим их процесс возникновения и влияния на СЭС.
Геомагнитную бурю вызывают возмущенные потоки солнечного ветра, которые, взаимодействуя с ионосферой нашей планеты (рисунок 1), индуцируют на поверхности Земли медленно меняющееся электрическое поле, которое наводит ЭДС между заземлёнными нейтралями силовых трансформаторов СЭС. Значение этого ЭДС на протяженных линиях электропередач (ЛЭП), свыше 300 км, может достигать нескольких киловольт, которое, в свою очередь, вызывает протекание по ЛЭП геоиндуцированных токов, которые по отношению к частоте питающей сети 50 Гц, являются постоянными (рисунок 2). В силовых трансформаторах эти токи вызывают насыщение магнитной системы, вследствие чего увеличиваются несинусоидальные намагничивающие токи, протекающие в сети. Таким образом, в СЭС начинают протекать высшие гармоники напряжения и тока, увеличивается потребление реактивной мощности, и пропускная способность сети снижается, происходит падение напряжения, также возможны ложные срабатывания РЗиА, и, как следствие, нарушение нормальной работы потребителей.
В качестве примеров выхода из строя оборудования СЭС можно привести отключения в Дании (2003 г.), ЮАР (2003 г.), Англия (1989 г.), Финляндии (1982, 1986 г.г.), Швеции (1982, 1986, 1991, 2003 г.г.), США и Канады (1958, 1980, 1989, 1991, 1994, 2003 г.г.). Самой крупной аварией в электрических сетях ХХ века считается авария 13 марта 1989 года в Канадской провинции Квебек. В результате этой аварии электричество отсутствовало 9 часов, а её последствия устранялись несколько недель. В ходе расследования было установлено, что причиной аварии является значительное увеличение постоянных токов, в результате усиленного возмущенного потока солнечного ветра во время магнитной бури. Из-за увеличения постоянных токов, протекающих через нулевые провода глухозаземленных силовых трансформаторов, в последних увеличились протекающие гармоники, что привело к перегреву частей трансформаторов, их пробою и выходу из строя (рисунок 3).
В России данной проблемой стали заниматься относительно недавно. К слову, мониторинг постоянных токов в России сегодня осуществляется лишь на Кольском полуострове в рамках европейского проекта EURISGIC. Ко всему прочему, провести эксперимент на действующей подстанции не представляется возможным, так как стоимость оборудования подстанции достаточно высока, в случае выхода из строя силового трансформатора подстанция начинает работать в ненормальном режиме, также составляет сложность генерирование постоянных токов. Поэтому для исследования постоянных токов пользуются математическим моделированием, позволяющем приблизительно определить степень влияния постоянных токов на СЭС, последствия такого воздействия, меры по предотвращению протекания постоянных токов в СЭС. В нашей стране большой вклад в исследование и моделирование процессов влияния постоянных токов на СЭС сделали Вахнина В.В. и Кувшинов А.А., Сушко В.А. и Косых Д.А.
Как стало понятно, наибольшее влияние постоянных токов происходит на силовые трансформаторы с глухозаземленной нейтралью. Необходимо учитывать, что силовые трансформаторы являются одним из основных элементов СЭС. Вывод его из строя может привести к отключению большого количества потребителей, что является неприемлемым действием. Следовательно, необходимо определить степень влияния постоянных токов на силовые трансформаторы, во избежание их выходов из строя.
Целью работы является разработка методики расчета токов намагничивания в силовых трансформаторах систем электроснабжения.
Согласно указанной цели были поставлены для решения следующие задачи:
1. Анализ негативного воздействия постоянных токов при геомагнитных бурях на силовые трансформаторы систем электроснабжения.
2. Разработка математической модели силового трансформатора с учётом конструкции магнитной системы.
3. Анализ токов намагничивания с учётом типа силового трансформатора
Система электроснабжения (СЭС) - совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией.
Главными требованиями предъявляемые к системам электроснабжения являются:
1. Обеспечение потребителей необходимым количеством электрической энергии.
2. Надежное функционирование всех её составляющих.
3. Обеспечение требуемого качества электроснабжения потребителей.
4. Удобство и безопасность обслуживания.
Любая технологическая система не застрахована от аварий, СЭС не является исключением. В результате аварий происходят вывод из строя электротехнического оборудования, пожары и взрывы на подстанциях, гибель обслуживающего персонала, остановка электроснабжения на неопределенный срок, экономические потери.
Аварии в СЭС можно разделить на следующие виды:
1. Ошибочные действия электротехнического персонала довольно частое явление. Возникают они из-за низкой квалификации, невнимательности, нарушения оперативной дисциплины при выполнении обязанностей. Чаще всего, это такие нарушения как подача напряжения путем включения коммутационных аппаратов, на заземленные токоведущие части. Подача напряжения на неисправное или находящееся в ремонте оборудование. Отключение либо включение нагрузки, коммутационными аппаратами не предназначенными для этого. Ошибочные действия оперативного персонала при переключениях в цепях оперативного тока и цепях релейной защиты и автоматики (РЗиА).
2. Некачественный электромонтаж или ремонт. К этим причинам можно отнести такие недоработки как плохая регулировка приводов коммутационных аппаратов, плохо протянутые контакты, неправильно настроенная система РЗиА, заводские дефекты электрооборудования. Не затянутые контакты под нагрузкой начинают греться и гореть, возникает электрическая дуга и если защиты настроены плохо, возникает пожар на подстанции. Из-за плохой регулировки вката ячеек могут происходить короткие замыкания.
3. Неисправности в сетях РЗиА могут быть следующие: неправильно настроенные токовые уставки, вследствие чего неселективное срабатывание защиты или ее отказ в момент короткого замыкания. Нарушение изоляции или обрывы проводов, в цепях оперативного тока, неисправность релейных или микропроцессорных блоков защиты.
4. Однофазные замыкания на землю в сетях 6-35кВ опасны тем, что если произойдёт замыкание любой из фаз, то напряжение этой фазы относительно земли станет равно нулю, в то время как напряжение "здоровых" фаз повышается до линейных. Возникающие при этом перенапряжения приводят к пробою изоляции и возникновению электрической дуги. Все это приводит к разрушению изоляторов, оплавлению шин и проводов.
5. Грозовые и коммутационные перенапряжения в электрических сетях, могут стать причиной повреждения изоляции электрооборудования. Поэтому устройства грозозащиты подстанций и линий электропередач, должны быть в исправном состоянии и проходить регулярные проверки, в установленные нормативами сроки.
6. Стихийные бедствия. К ним относятся ураганы, землетрясения, наводнения, пожары, град, геомагнитные бури. Каждое из названных бедствий может привести к выходу из строя оборудования открытого распределительного устройства (ОРУ) подстанции, разрушению подстанции, созданию ненормальных режимов работы оборудования.
Относительно новым стихийным бедствием являются геомагнитные бури. Рассмотрим их процесс возникновения и влияния на СЭС.
Геомагнитную бурю вызывают возмущенные потоки солнечного ветра, которые, взаимодействуя с ионосферой нашей планеты (рисунок 1), индуцируют на поверхности Земли медленно меняющееся электрическое поле, которое наводит ЭДС между заземлёнными нейтралями силовых трансформаторов СЭС. Значение этого ЭДС на протяженных линиях электропередач (ЛЭП), свыше 300 км, может достигать нескольких киловольт, которое, в свою очередь, вызывает протекание по ЛЭП геоиндуцированных токов, которые по отношению к частоте питающей сети 50 Гц, являются постоянными (рисунок 2). В силовых трансформаторах эти токи вызывают насыщение магнитной системы, вследствие чего увеличиваются несинусоидальные намагничивающие токи, протекающие в сети. Таким образом, в СЭС начинают протекать высшие гармоники напряжения и тока, увеличивается потребление реактивной мощности, и пропускная способность сети снижается, происходит падение напряжения, также возможны ложные срабатывания РЗиА, и, как следствие, нарушение нормальной работы потребителей.
В качестве примеров выхода из строя оборудования СЭС можно привести отключения в Дании (2003 г.), ЮАР (2003 г.), Англия (1989 г.), Финляндии (1982, 1986 г.г.), Швеции (1982, 1986, 1991, 2003 г.г.), США и Канады (1958, 1980, 1989, 1991, 1994, 2003 г.г.). Самой крупной аварией в электрических сетях ХХ века считается авария 13 марта 1989 года в Канадской провинции Квебек. В результате этой аварии электричество отсутствовало 9 часов, а её последствия устранялись несколько недель. В ходе расследования было установлено, что причиной аварии является значительное увеличение постоянных токов, в результате усиленного возмущенного потока солнечного ветра во время магнитной бури. Из-за увеличения постоянных токов, протекающих через нулевые провода глухозаземленных силовых трансформаторов, в последних увеличились протекающие гармоники, что привело к перегреву частей трансформаторов, их пробою и выходу из строя (рисунок 3).
В России данной проблемой стали заниматься относительно недавно. К слову, мониторинг постоянных токов в России сегодня осуществляется лишь на Кольском полуострове в рамках европейского проекта EURISGIC. Ко всему прочему, провести эксперимент на действующей подстанции не представляется возможным, так как стоимость оборудования подстанции достаточно высока, в случае выхода из строя силового трансформатора подстанция начинает работать в ненормальном режиме, также составляет сложность генерирование постоянных токов. Поэтому для исследования постоянных токов пользуются математическим моделированием, позволяющем приблизительно определить степень влияния постоянных токов на СЭС, последствия такого воздействия, меры по предотвращению протекания постоянных токов в СЭС. В нашей стране большой вклад в исследование и моделирование процессов влияния постоянных токов на СЭС сделали Вахнина В.В. и Кувшинов А.А., Сушко В.А. и Косых Д.А.
Как стало понятно, наибольшее влияние постоянных токов происходит на силовые трансформаторы с глухозаземленной нейтралью. Необходимо учитывать, что силовые трансформаторы являются одним из основных элементов СЭС. Вывод его из строя может привести к отключению большого количества потребителей, что является неприемлемым действием. Следовательно, необходимо определить степень влияния постоянных токов на силовые трансформаторы, во избежание их выходов из строя.
Целью работы является разработка методики расчета токов намагничивания в силовых трансформаторах систем электроснабжения.
Согласно указанной цели были поставлены для решения следующие задачи:
1. Анализ негативного воздействия постоянных токов при геомагнитных бурях на силовые трансформаторы систем электроснабжения.
2. Разработка математической модели силового трансформатора с учётом конструкции магнитной системы.
3. Анализ токов намагничивания с учётом типа силового трансформатора
Разработана методика расчёта токов намагничивания силовых трансформаторов при протекании постоянных токов в системе электроснабжения.
На основании анализов процессов, протекающих на Солнце, определили механизм возникновения постоянных токов в нейтралях силовых трансформаторах.
На основании подробного разбора принципа действия силового трансформатора и его конструкции определили, что для моделирования двухобмоточного трансформатора в программной среде MATLAB необходимо использовать Т-образную схему.
После сбора схемы в программной среде MATLAB смоделировали протекание постоянного тока через нейтрали силовых бронестержневых трансформаторов, а также через шунтовые резисторы с помощью источника постоянного напряжения 5 В. У повышающего и понижающего трансформатора ток намагничивания переходит в режим перенасыщения, тем самым в трансформаторах возникают гармоники кратные трём, которые приводят к нагреву трансформатора, понижению рабочего напряжения и тока.
Затем провели моделирования протекания постоянного тока в нейтралях силовых стержневых трансформаторах с постоянным напряжением 5 В. Величины токов намагничивания в моделировании стержневых трансформаторах меньше соответствующих величин бронестержневых трансформаторов. Как уже было сказано, такие результаты получились из-за того, что рабочая точка стержневого трансформатора находится ниже рабочей точки бронестержневого трансформатора. Тем самым можно сказать, что для перехода в режим перенасыщения для стержневого трансформатора понадобится величина постоянного тока гораздо большая, чем для бронестержневого трансформатора. Т.е. Бронестержневой трансформатор гораздо менее устойчив к влиянию внешних постоянных токов, которые могут протекать в его нейтрали, и возникающих под влиянием внешних изменяющихся электрических полей.
Таким образом, в собранной схеме наглядно продемонстрировано влияние протекания постоянных токов в системе электроснабжения на величину токов намагничивания силовых трансформаторов.
На основании анализов процессов, протекающих на Солнце, определили механизм возникновения постоянных токов в нейтралях силовых трансформаторах.
На основании подробного разбора принципа действия силового трансформатора и его конструкции определили, что для моделирования двухобмоточного трансформатора в программной среде MATLAB необходимо использовать Т-образную схему.
После сбора схемы в программной среде MATLAB смоделировали протекание постоянного тока через нейтрали силовых бронестержневых трансформаторов, а также через шунтовые резисторы с помощью источника постоянного напряжения 5 В. У повышающего и понижающего трансформатора ток намагничивания переходит в режим перенасыщения, тем самым в трансформаторах возникают гармоники кратные трём, которые приводят к нагреву трансформатора, понижению рабочего напряжения и тока.
Затем провели моделирования протекания постоянного тока в нейтралях силовых стержневых трансформаторах с постоянным напряжением 5 В. Величины токов намагничивания в моделировании стержневых трансформаторах меньше соответствующих величин бронестержневых трансформаторов. Как уже было сказано, такие результаты получились из-за того, что рабочая точка стержневого трансформатора находится ниже рабочей точки бронестержневого трансформатора. Тем самым можно сказать, что для перехода в режим перенасыщения для стержневого трансформатора понадобится величина постоянного тока гораздо большая, чем для бронестержневого трансформатора. Т.е. Бронестержневой трансформатор гораздо менее устойчив к влиянию внешних постоянных токов, которые могут протекать в его нейтрали, и возникающих под влиянием внешних изменяющихся электрических полей.
Таким образом, в собранной схеме наглядно продемонстрировано влияние протекания постоянных токов в системе электроснабжения на величину токов намагничивания силовых трансформаторов.
Подобные работы
- Исследование токов намагничивания силовых трансформаторов напряжением 110/10 кВ
Дипломные работы, ВКР, электроэнергетика. Язык работы: Русский. Цена: 6300 р. Год сдачи: 2018 - Исследование влияния несинусоидальных нагрузок на работу силовых трансформаторов 10(6)/0.4кВ
Дипломные работы, ВКР, электроэнергетика. Язык работы: Русский. Цена: 6300 р. Год сдачи: 2018 - Исследование влияния геоиндуцированных токов на работу силовых трансформаторов в составе ЭЭС
Магистерская диссертация, электроэнергетика. Язык работы: Русский. Цена: 4925 р. Год сдачи: 2021 - Исследование погрешностей трансформаторов напряжения в распределительных сетях 6-35 кВ
Дипломные работы, ВКР, электроэнергетика. Язык работы: Русский. Цена: 4250 р. Год сдачи: 2017