Ferrorezonans w przekładniku napięciowym — dlaczego sieć nieuziemiona lub uziemiona przez dławik Petersena może rozwinąć niewyjaśnione przepięcia

Poradnik o dławiku Petersena omawia, jak sieć średniego napięcia uziemiona rezonansowo celowo pozwala na utrzymanie się pojedynczego zwarcia doziemnego bez natychmiastowego wyłączenia. Ten artykuł omawia inne zjawisko, które może wystąpić specjalnie w tym typie sieci — oraz w całkowicie nieuziemionej sieci (IT), zob. poradnik o detekcji pierwszego uszkodzenia w układzie IT — całkowicie niezależnie od jakiegokolwiek rzeczywistego zwarcia doziemnego: ferrorezonans między przekładnikiem napięciowym a pojemnością samej sieci.

Dlaczego punkt neutralny nieuziemiony solidnie umożliwia ferrorezonans

W sieci z solidnie uziemionym punktem neutralnym napięcie każdej fazy względem ziemi jest ustalone, wymuszone przez to niskoimpedancyjne połączenie z ziemią. W sieci nieuziemionej lub uziemionej rezonansowo (dławik Petersena) średniego napięcia, przeciwnie, punkt neutralny w ogóle nie jest połączony z ziemią albo jedynie poprzez wysoką impedancję — potencjał punktu neutralnego względem ziemi nie jest wtedy ustalony, lecz określony przez równowagę pojemności trzech faz względem ziemi. Jeśli w takiej sieci indukcyjny przekładnik napięciowy zostanie podłączony między fazą a ziemią (na przykład do pomiaru napięcia lub do systemu sygnalizacji zwarć doziemnych), indukcyjność magnesowania tego przekładnika, wraz z pojemnością sieci względem ziemi, tworzy obwód LC — dokładnie składniki potrzebne do wystąpienia zjawisk rezonansowych.

Dlaczego nie jest to zwykły, liniowy rezonans

Zwykły obwód rezonansowy LC ma jedną, stałą częstotliwość rezonansową, określoną przez stałą indukcyjność i stałą pojemność. Indukcyjność magnesowania rdzenia przekładnika napięciowego jest jednak silnie nieliniowa: przy niskim strumieniu magnetycznym rdzeń zachowuje się jak stosunkowo wysoka indukcyjność, ale w miarę zbliżania się rdzenia do nasycenia efektywna indukcyjność gwałtownie spada. Ta nieliniowość sprawia, że obwód LC może rezonować nie tylko na jednej stałej częstotliwości, ale — w zależności od przypadkowego impulsu wyzwalającego, na przykład przełączenia nieobciążonego kabla lub transformatora, albo krótkotrwałego zwarcia doziemnego, które samo ustępuje — może "zablokować się" w jednym z kilku możliwych, stabilnych stanów rezonansowych: na przykład na samej częstotliwości sieciowej, na częstotliwości subharmonicznej (ułamku częstotliwości sieciowej) lub na wyższej harmonicznej. W każdym z tych stanów napięcie na uzwojeniu przekładnika i prąd przez nie płynący mogą wzrosnąć znacznie powyżej normalnych wartości roboczych i — w przeciwieństwie do zwykłego, krótkotrwałego stanu przejściowego przy przełączaniu — utrzymywać się na tym podwyższonym poziomie, dopóki obwód nie zostanie zakłócony w inny sposób.

Co ferrorezonans powoduje w praktyce

• Przegrzanie i uszkodzenie samego przekładnika: znacznie zwiększony prąd magnesowania podczas ferrorezonansu może obciążyć rdzeń i uzwojenie przekładnika napięciowego znacznie powyżej jego granic termicznych, co może skutkować przepaleniem przekładnika.
• Niewyjaśniony, słyszalny brzęczący dźwięk lub drgania rdzenia przekładnika, często pierwszy zauważalny objaw przed faktyczną awarią przekładnika.
• Przepięcie na samych fazach sieciowych, które może obciążyć inne urządzenia podłączone do sieci, niezależnie od przekładnika, w którym zjawisko powstało.
• Mylące pomiary: pomiar napięcia lub sygnalizacja zwarcia doziemnego wskazujące pozorne zwarcie doziemne podczas ferrorezonansu, podczas gdy w rzeczywistości w sieci nie ma żadnego uszkodzenia, co może spowodować niepotrzebne i czasochłonne poszukiwanie usterki.

Powszechny środek zaradczy: rezystor obciążający na otwartym trójkącie

Najpowszechniejszym sposobem tłumienia ferrorezonansu w przekładniku napięciowym w sieci nieuziemionej lub uziemionej rezonansowo jest zamontowanie wystarczająco niskoomowego rezystora obciążającego na uzwojeniu otwartego trójkąta (uzwojeniu pomocniczym normalnie używanym do wykrywania zwarć doziemnych) zestawu przekładnika. Ten rezystor tłumi energię w obwodzie LC na tyle, aby utrzymać nieliniowy rdzeń poza stanem ferrorezonansowym lub wyciągnąć go z niego, nie zakłócając normalnej funkcji pomiarowej lub sygnalizacyjnej przekładnika. Rezystor może być podłączony na stałe (dobrany termicznie do ciągłego rozpraszania mocy) lub włączany dopiero po wykryciu stanu ferrorezonansowego — wybór konstrukcyjny zależący od dopuszczalnego ciągłego obciążenia przekładnika i pożądanego tłumienia.

Uwaga: dokładny dobór rezystora obciążającego oraz wybór między wykonaniem stałym a przełączanym wynikają ze studium systemowego uwzględniającego rzeczywistą pojemność sieci oraz typ i charakterystykę magnesowania zastosowanego przekładnika; ten artykuł omawia zasadę, a nie gotowy wzór doboru dla każdej konfiguracji sieci.

Znaczenie praktyczne

Przy projektowaniu lub ocenie systemu wykrywania zwarć doziemnych z indukcyjnymi przekładnikami napięciowymi w sieci nieuziemionej lub uziemionej rezonansowo średniego napięcia należy wyraźnie sprawdzić, czy na uzwojeniu otwartego trójkąta obecny jest wystarczająco dobrany rezystor tłumiący — jego brak jest znaną przyczyną niewyjaśnionych uszkodzeń przekładników i pozornych alarmów zwarcia doziemnego, które po dokładniejszym zbadaniu okazują się fałszywe.

Częste błędy

1. Podłączenie indukcyjnego przekładnika napięciowego do sieci nieuziemionej lub uziemionej rezonansowo bez rezystora tłumiącego na uzwojeniu otwartego trójkąta — pozostawia to sieć podatną na ferrorezonans po każdym przełączeniu lub krótkotrwałym zaburzeniu zwarciem doziemnym.
2. Mylenie ferrorezonansowej awarii przekładnika ze zwykłym uszkodzeniem izolacji lub wadą fabryczną — bez rozpoznania zjawiska zastępczy przekładnik może ulec ponownej awarii bez usunięcia przyczyny źródłowej.
3. Niedobór lub pominięcie rezystora tłumiącego w celu uczynienia pomiarów "bardziej czułymi" — zbyt wysokoomowy lub brakujący rezystor zmniejsza tłumienie dokładnie wtedy, gdy jest najbardziej potrzebne.
4. Traktowanie pozornej sygnalizacji zwarcia doziemnego podczas ferrorezonansu jako rzeczywistego zwarcia bez dalszego sprawdzenia — może to prowadzić do długotrwałego, bezowocnego poszukiwania usterki, podczas gdy sieć jest w rzeczywistości wolna od uszkodzeń.

Powiązane materiały

• Dławik Petersena — sieć uziemiona rezonansowo
• Uziemienie rezystancyjne (NGR) — niskoomowy kontra wysokoomowy punkt neutralny
• Układ IT — IMD i detekcja pierwszego uszkodzenia
• Przekładnik napięciowy (VT) — klasa dokładności i obciążenie (burden)