Феррорезонанс в электрических цепях

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.

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.

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.

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

Особенности явления феррорезонанса в трансформаторах напряжения

В электрических сетях 6-35 кВ возникает феррорезонанс в трансформаторе напряжения (ТН) при:

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:

НАМИ-10-95

Антирезонансное, масляное, измерительное оборудование состоит из:

НАЛИ-СЭЩ-6(10)

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:

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

Явление феррорезонанса

Иногда в электрических цепях может возникать явление феррорезонанса. Что это за явление и каковы его последствия мы попытаемся разобраться в этой статье.

В электрических цепях содержащих емкость и нелинейную индуктивность плавное изменение напряжения может приводить к резким скачкам амплитуды и фазы тока, и, наоборот, плавное изменение тока может приводить к резким скачкам амплитуды и фазы основной гармоники напряжения на некоторых участках цепи. Итак, феррорезонанс – это явление изменения угла сдвига между основными гармониками тока и напряжения при изменении тока или напряжения источника питания, обусловленное нелинейностью катушек со сталью. Подобные явления принципиально не возможны в линейных цепях.

Точный анализ феррорезонанса с учетом несиносоидальности формы кривых является задачей очень трудной, поэтому в дальнейшем применяются упрощения, при которых ток, магнитный поток и напряжение заменяются эквивалентными синусоидами, а индуктивность принимается условно-нелинейной и зависящей от тока (рисунок ниже).

Для упрощения расчетов в дальнейшем предполагается, что катушки со сталью не имеют потерь и, что угол сдвига фаз между эквивалентными синусоидами напряжения и тока катушки φ = π / 2, а также зависимость между их действующими значениями задана некоторым графиком, аналогичным зависимости, представленной на рисунке ниже.

Феррорезонанс напряжений и токов будет рассмотрен в отдельных статья.

Источник

Феррорезонанс в электрических цепях

Советы по выбору

Конструкция выпрямителей постоянно модернизируется, повышается качество их схем, что позволяет переносить значительные феррорезонансные перенапряжения. Современные модели выделяются высоким уровнем быстродействия, точностью настройки и длительным эксплуатационным сроком. Режимы устанавливаются мощностными характеристиками прибора и его типом.

Основное условие выбора феррорезонансного стабилизатора – место его подсоединения. Обычно его устанавливают на входе электросети в помещение либо вблизи бытовой техники. Если выпрямитель устанавливается для всей техники, необходимо выбирать устройства с высоким уровнем мощности и подключать их сразу же за распределительным щитком.

Феррорезонансные явления в электрических сетях

Основные факторы, которые порождают феррорезонансные явления в электрических сетях – это элементы ёмкостного и индуктивного типа. Они способны формировать колебательные контуры в периоды переключения. Этот эффект особо заметен в трансформаторах силового типа, линейного вольтодобавочного, шунтирующих контурах и в аналогичных устройствах, которые оборудуются массивной обмоткой.

Данное явление бывает 2 типов: резонанс токов и напряжения.

Феррорезонанс напряжений возможен, когда в сети имеется индуктивность, характеризующаяся нелинейным вольт-амперным свойством. Данная характеристика свойственна катушкам индуктивности, где сердечники производятся из ферромагнитных компонентов. Особенно это касается выпрямителей линейки НКФ. Такое негативное явление обуславливается небольшим показателем сопротивлений омического и индуктивного типов по отношению к силовым трансформаторам.

Феррорезонанс и способы защиты от него

Феррорезонансный контур в сети с изолированной нейтралью — это контур нулевой последовательности с нелинейной характеристикой намагничивания. Трехфазный заземляемый трансформатор напряжения, по конструктиву, это три однофазных трансформатора, соединенные по схеме звезда/звезда, с обособленной магнитной системой. При перенапряжениях в сети индукция в магнитопроводе увеличивается, как минимум в 1,73 раза. В таких режимах возможно насыщение магнитопровода и, как следствие, возникновение феррорезонанса в сети. По данным служб энергоснабжения, ежегодно в эксплуатации повреждается 7–9% трансформаторов напряжения по причине феррорезонанса.

Существует множество способов защиты ТН от резонансных явлений в сети:

Все эти меры в той или иной степени защищают измерительный трансформатор напряжения, но не решают проблему в корне.

Феррорезонансные стабилизаторы

Феррезонансный стабилизатор

Феррорезонансные выпрямители не оборудуются встроенным вольтметром, вследствие чего сложно замерять выходной показатель напряжения сети. Отрегулировать величину напряжения собственноручно не получится. Стабилизаторы феррорезонансного типа частично искажают реальные показания, величина погрешности составляет до 12%.

Тем, кто долго пользуется такими устройствами, необходимо помнить, что они способны излучать магнитное поле, которое может нарушить правильное функционирование бытовой электротехники. Стабилизаторы такого класса настраиваются в заводских условиях, никаких дополнительных настроек в быту они не требуют.

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.

Практическое значение

Феррорезонанс может возникать в электрических сетях как вредное явление, приводящее к серьёзным повреждениям оборудования. Наиболее вреден режим с периодом системы; характерны также субгармонические режимы на 1/3 и 1/5 частоты, с меньшими действующими токами. Значительное количество аварий в энергосистемах с неустановленными причинами объясняется феррорезонансом.

Может быть инициирован в результате подключений, отключений, переходных процессов, грозовых перенапряжений, то есть при смене режима работы сети, при авариях, либо в результате внешнего воздействия. Работа сети в режиме феррорезонанса может долгое время оставаться незамеченной.

При феррорезонансе нередко повреждаются электромагнитные трансформаторы напряжения, из-за чрезмерного тока и перегрева. Технические меры по предотвращению аварий заключаются в основном во временном или постоянном увеличении активных потерь в резонансном контуре. Тем самым удается прекратить феррорезонанс или не допустить его возникновения. Намеренное увеличение потерь, в частности, может достигаться выбором конструкции трансформатора, когда магнитопровод частично выполняется из толстолистовой конструкционной стали.

Принцип действия феррорезонансных стабилизаторов

Обмотка первичного типа, на которую поступает входное напряжение, находится на магнитопроводе. Он обладает большим поперечным сечением, что позволяет держать сердечник в ненасыщенном состоянии. На входе напряжение формирует магнитные потоки.

На зажимах обмотки вторичного типа формируется выходное напряжение. К этой обмотке подсоединяется нагрузка, которая находится на сердечнике, обладает небольшим сечением и пребывает в насыщенном состоянии. При аномалиях сетевого напряжения и магнитного потока его значение фактически не модифицируется, а также неизменным остаётся показатель ЭДС. Во время увеличения магнитного потока некоторая его доля будет замкнута на магнитном шунте.

Магнитный поток принимает синусоидальную форму и при его подходе к амплитудному показателю отдельный его участок переходит в режим насыщения. Повышение магнитного потока при этом прекращается. Замыкание потока по магнитному шунту будет осуществляться лишь тогда, когда показатель магнитного потока сравнится с амплитудным.

Наличие конденсатора позволяет феррорезонансному стабилизатору работать с увеличенным мощностным коэффициентом. Показатель стабилизации зависит от уровня наклона кривой горизонтального типа по отношению к абсциссе. Наклон данного участка значительный, поэтому обрести высокий уровень стабилизации без вспомогательного оборудования невозможно.

Феррорезонанс — ток

Феррорезонанс токов может наблюдаться при параллельном соединении катушки с магнитопроводом и конденсатора при питании цепи от источника синусоидального напряжения. Анализ феррорезонанса токов аналогичен анализу феррорезонанса напряжений.

Возникновение феррорезонанса токов наступает при определенном значении тока, причем нагрузка блока увеличивает ток наступления феррорезонанса.

В стабилизаторах с феррорезонансом токов для фильтров обычно используется основная емкость стабилизатора.

У ФСН с феррорезонансом токов устранение дестабилизирующего влияния изменения частоты входного напряжения в пределах / ( 0 97 ч — 1 02) fHOM возможно за счет применения компенсационных обмоток, расположенных на линейном дросселе стабилизатора. У ФСН с феррорезонансом напряжений для устранения дестабилизирующего влияния изменения частоты необходимы специальные схемы.

Преимущества стабилизаторов с феррорезонансом токов раскрыты и доказаны, поэтому ниже рассматриваются ФСН только этой группы. Полученные аналитические и графические выражения характеристик таких ФСН весьма близки к действительным, но не учитывают высших гармоник тока и напряжения, всегда имеющих место в реальном стабилизаторе. Эти зависимости примерно одинаковы для широкого класса рассматриваемых ФСН и поэтому в известной мере их можно считать типичными.

Указанные свойства стабилизаторов с феррорезонансом токов имеют важное значение, особенно для полупроводниковых преобразователей.

В отличие от стабилизаторов с феррорезонансом токов в рассматриваемых стабилизаторах вступление в рабочий режим и выход из него всегда происходят скачкообразно. При плавном изменении входного напряжения ( а также нагрузки, частоты или параметров схемы) переход в рабочий ( квазистационарный) режим может произойти при условии Ubm Us, так как только в этом случае на протяжении каждого полупериода питающего напряжения дроссель насыщается и через него может осуществиться разряд емкости.

Явление — феррорезонанс

Явление феррорезонанса подробно рассматривается во всех курсах теоретических основ электротехники. Анализ их проводится методом эквивалентных синусоид, и поэтому полученные результаты достаточно близко совпадают с результатами опыта только при значениях индукции в магнитопроводе нелинейных индуктивных элементов несколько выше колена характеристики намагничивания. При таких условиях содержание высших гармонических в токах и напряжениях относительно невелико и неучет их не приводит к существенным погрешностям расчета.

Явление феррорезонанса широко используется в технике. Оно позволяет создать бесконтактные реле, которые, в отличие от рассмотренных выше, не нуждаются ни в обмотках обратной связи, ни и выпрямителях.

Чем отличается явление феррорезонанса от явления резонанса в линейных цепях.

При анализе явления феррорезонанса в целях упрощения пользуются эквивалентными синусоидами напряжения и тока в катушке.

Для пояснения явления феррорезонанса напряжений будем пренебрегать всеми видами потерь энергии в цени, а также высшими гармониками напряжений и тока.

Феррорезонансные стабилизаторы могут быть основаны на явлениях феррорезонанса напряжений и токов.

Незаземляемые ТН

Для решения всех вопросов, связанных с эксплуатацией заземляемых трансформаторов напряжения в сетях с изолированной нейтралью, на нашем предприятии разработана новая трехфазная группа. Трехфазная 3хНОЛ.08-6(10)М группа, состоящая из трех незаземляемых трансформаторов, соединенных по схеме треугольник/треугольник. Основное преимущество 3хНОЛ.08-6(10)М — отсутствие заземляемого вывода с ослабленной изоляцией. Это значит, что трансформатор не подвержен влиянию феррорезонанса и не требует дополнительных защит от его воздействия. Также изоляцию этого трансформатора возможно испытать приложенным одноминутным напряжением промышленной частоты в условиях эксплуатации, так как в этом случае нет необходимости в источнике повышенной частоты.

Трансформатор напряжения НОЛ.08-6(10)М

У незаземляемых трансформаторов нет высоковольтных выводов с ослабленной изоляцией, что так-же позволит избежать нарушений, которые зачастую случаются в эксплуатации, при определении сопротивления изоляции вывода «Х», так как есть разночтения в нормативной документации. На сегодняшний день большое количество пунктов коммерческого учета (ПКУ) имеют в своем составе заземляемые трансформаторы напряжения со встроенными предохранителями (ЗНОЛП). При однофазных замыканиях на землю, а они как указывалось выше, случаются достаточно часто в воздушных распределительных сетях, срабатывает встроенное защитное предохранительное устройство (ЗПУ). Встраиваемое ЗПУ, прежде всего, предназначено для защиты трансформатора напряжения от коротких замыканий во вторичных цепях.

Так как ток срабатывания предохранителя достаточно мал, то при различных перенапряжениях, вызванных, в том числе, и однофазными замыканиями на землю, — происходит отключение ТН. ЗПУ защищает обмотку ВН от сверхтоков, которые возможны при различных технологических нарушениях в электрических сетях. При срабатывании предохранителя учет электроэнергии будет отсутствовать. Для восстановления учета, необходимо заменить плавкую вставку ЗПУ.

Условия возникновения

В нормальных режимах работы трёхфазной сети феррорезонанс маловероятен, так как ёмкости конструкционных элементов оказываются зашунтированными индуктивным сопротивлением входной питающей сети.

Нормальный режим является симметричным. Наиболее распространенная на практике причина феррорезонанса — незаземленная (изолированная) нейтраль в сочетании с неполнофазным режимом. При изолированной нейтрали ёмкость сети относительно земли
соединяется последовательно с обмотками силового
трансформатора или электромагнитного трансформатора напряжения, что создает благоприятное условие для феррорезонанса. Неполнофазный режим может возникать при неполнофазном включении, при разрыве одной фазы или при несимметричном коротком замыкании.

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:

НАМИ-10-95

Антирезонансное, масляное, измерительное оборудование состоит из:

НАЛИ-СЭЩ-6(10)

НАЛИ-СЭЩ-6(10) исполнен посредством четырех активных элементов:

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