Феррорезонанс в трансформаторе напряжения — почему незаземлённая сеть или сеть, заземлённая через дугогасящую катушку, может развить необъяснимые перенапряжения

Руководство о дугогасящей катушке Петерсена рассматривает, как резонансно заземлённая сеть среднего напряжения намеренно позволяет сохраняться единичному замыканию на землю без немедленного отключения. Эта статья рассматривает другое явление, которое может возникать именно в этом типе сети — а также в полностью незаземлённой сети (IT), см. руководство об обнаружении первого повреждения в системе IT — совершенно независимо от какого-либо реального замыкания на землю: феррорезонанс между трансформатором напряжения и ёмкостью самой сети.

Почему нежёстко заземлённая нейтраль делает возможным феррорезонанс

В сети с глухозаземлённой нейтралью напряжение каждой фазы относительно земли фиксировано, вынужденное этим низкоимпедансным соединением с землёй. В незаземлённой или резонансно заземлённой (дугогасящая катушка Петерсена) сети среднего напряжения, напротив, нейтраль вообще не соединена с землёй либо соединена лишь через высокий импеданс — потенциал нейтрали относительно земли в таком случае не фиксирован жёстко, а определяется балансом ёмкостей трёх фаз относительно земли. Если в такой сети индуктивный трансформатор напряжения подключён между фазой и землёй (например, для измерения напряжения или для системы сигнализации замыканий на землю), индуктивность намагничивания этого трансформатора вместе с ёмкостью сети относительно земли образует LC-контур — именно те компоненты, которые необходимы для возникновения резонансных явлений.

Почему это не обычный, линейный резонанс

Обычный резонансный LC-контур имеет одну, постоянную резонансную частоту, определяемую постоянной индуктивностью и постоянной ёмкостью. Индуктивность намагничивания сердечника трансформатора напряжения, однако, сильно нелинейна: при низком магнитном потоке сердечник ведёт себя как относительно высокая индуктивность, но по мере приближения сердечника к насыщению эффективная индуктивность резко падает. Эта нелинейность приводит к тому, что LC-контур может резонировать не только на одной постоянной частоте, но — в зависимости от случайного инициирующего импульса, например переключения ненагруженного кабеля или трансформатора, либо кратковременного замыкания на землю, которое само исчезает — может "зафиксироваться" в одном из нескольких возможных, устойчивых резонансных состояний: например, на самой частоте сети, на субгармонической частоте (доле частоты сети) или на более высокой гармонике. В каждом из этих состояний напряжение на обмотке трансформатора и протекающий через неё ток могут существенно превысить нормальные рабочие значения и — в отличие от обычного, кратковременного переходного процесса при переключении — устойчиво оставаться на этом повышенном уровне, пока контур не будет нарушен каким-либо иным образом.

Что феррорезонанс вызывает на практике

Перегрев и выход из строя самого трансформатора напряжения: значительно увеличенный ток намагничивания во время феррорезонанса может нагружать сердечник и обмотку трансформатора напряжения далеко за пределами его тепловых границ, что может привести к выгоранию трансформатора.
Необъяснимое, слышимое гудение или вибрации сердечника трансформатора, часто первый заметный симптом перед фактическим отказом трансформатора.
Перенапряжение на самих фазах сети, которое может нагружать другое подключённое к сети оборудование, независимо от трансформатора, в котором возникло явление.
Вводящие в заблуждение измерения: измерение напряжения или сигнализация замыкания на землю, показывающая кажущееся замыкание на землю во время феррорезонанса, в то время как в реальности в сети нет никакого повреждения, что может вызвать ненужный и трудоёмкий поиск неисправности.

Распространённая мера противодействия: нагрузочный резистор на разомкнутом треугольнике

Наиболее распространённый способ подавления феррорезонанса в трансформаторе напряжения в незаземлённой или резонансно заземлённой сети — установка достаточно низкоомного нагрузочного резистора на обмотке разомкнутого треугольника (вспомогательной обмотке, обычно используемой для обнаружения замыканий на землю) комплекта трансформатора. Этот резистор демпфирует энергию в LC-контуре достаточно, чтобы удерживать нелинейный сердечник вне феррорезонансного состояния или вывести его из этого состояния, не нарушая нормальную измерительную или сигнализирующую функцию трансформатора. Резистор может быть подключён постоянно (рассчитан термически для непрерывного рассеивания мощности) или включаться только после обнаружения феррорезонансного состояния — конструктивный выбор, зависящий от допустимой постоянной нагрузки трансформатора и желаемого демпфирования.

Примечание: точный подбор нагрузочного резистора и выбор между постоянным и коммутируемым исполнением определяются системным исследованием, учитывающим фактическую ёмкость сети и тип и характеристику намагничивания применяемого трансформатора; эта статья рассматривает принцип, а не готовую формулу подбора для каждой конфигурации сети.

Практическое значение

При проектировании или оценке системы обнаружения замыканий на землю с индуктивными трансформаторами напряжения в незаземлённой или резонансно заземлённой сети среднего напряжения необходимо явно проверить, имеется ли на обмотке разомкнутого треугольника достаточно подобранный демпфирующий резистор — его отсутствие является известной причиной необъяснимых отказов трансформаторов и кажущихся сигналов замыкания на землю, которые при более тщательном исследовании оказываются ложными.

Частые ошибки

Подключение индуктивного трансформатора напряжения к незаземлённой или резонансно заземлённой сети без демпфирующего резистора на обмотке разомкнутого треугольника — это оставляет сеть уязвимой к феррорезонансу после каждого переключения или кратковременного нарушения замыканием на землю.
Путаница феррорезонансного отказа трансформатора с обычным дефектом изоляции или производственным браком — без распознавания этого явления заменяющий трансформатор может снова выйти из строя без устранения первопричины.
Занижение параметров или пропуск демпфирующего резистора ради "большей чувствительности" измерений — слишком высокоомный или отсутствующий резистор снижает демпфирование именно тогда, когда оно наиболее необходимо.
Восприятие кажущейся сигнализации замыкания на землю во время феррорезонанса как реального замыкания без дальнейшей проверки — это может привести к длительному, безрезультатному поиску неисправности, в то время как сеть в действительности свободна от повреждений.