Феррорезонанс у трансформаторі напруги — чому незаземлена мережа або мережа, заземлена через дугогасну котушку, може розвинути незрозумілі перенапруги

Посібник про дугогасну котушку Петерсена розглядає, як резонансно заземлена мережа середньої напруги навмисно дозволяє зберігатися одиничному замиканню на землю без негайного відключення. Ця стаття розглядає інше явище, яке може виникати саме в цьому типі мережі — а також у повністю незаземленій мережі (IT), див. посібник про виявлення першого пошкодження в системі IT — цілком незалежно від будь-якого реального замикання на землю: феррорезонанс між трансформатором напруги та ємністю самої мережі.

Чому нежорстко заземлена нейтраль уможливлює феррорезонанс

У мережі з глухозаземленою нейтраллю напруга кожної фази відносно землі фіксована, вимушена цим низькоімпедансним з'єднанням із землею. У незаземленій або резонансно заземленій (дугогасна котушка Петерсена) мережі середньої напруги, навпаки, нейтраль взагалі не з'єднана із землею або з'єднана лише через високий імпеданс — потенціал нейтралі відносно землі в такому разі не фіксований жорстко, а визначається балансом ємностей трьох фаз відносно землі. Якщо в такій мережі індуктивний трансформатор напруги підключений між фазою та землею (наприклад, для вимірювання напруги або для системи сигналізації замикань на землю), індуктивність намагнічування цього трансформатора разом з ємністю мережі відносно землі утворює LC-контур — саме ті компоненти, які необхідні для виникнення резонансних явищ.

Чому це не звичайний, лінійний резонанс

Звичайний резонансний LC-контур має одну, постійну резонансну частоту, визначену постійною індуктивністю та постійною ємністю. Індуктивність намагнічування осердя трансформатора напруги, однак, сильно нелінійна: при низькому магнітному потоці осердя поводиться як відносно висока індуктивність, але з наближенням осердя до насичення ефективна індуктивність різко падає. Ця нелінійність призводить до того, що LC-контур може резонувати не лише на одній постійній частоті, а — залежно від випадкового ініціювального імпульсу, наприклад перемикання ненавантаженого кабелю або трансформатора, або короткочасного замикання на землю, яке саме зникає — може "зафіксуватися" в одному з кількох можливих, стійких резонансних станів: наприклад, на самій частоті мережі, на субгармонічній частоті (частці частоти мережі) або на вищій гармоніці. У кожному з цих станів напруга на обмотці трансформатора та струм, що протікає через неї, можуть суттєво перевищити нормальні робочі значення і — на відміну від звичайного, короткочасного перехідного процесу при перемиканні — стійко залишатися на цьому підвищеному рівні, поки контур не буде порушений якимось іншим чином.

Що феррорезонанс викликає на практиці

• Перегрів і вихід з ладу самого трансформатора напруги: значно збільшений струм намагнічування під час феррорезонансу може навантажувати осердя та обмотку трансформатора напруги далеко за межами його теплових меж, що може призвести до вигоряння трансформатора.
• Незрозуміле, чутне гудіння чи вібрації осердя трансформатора, часто перший помітний симптом перед фактичною відмовою трансформатора.
• Перенапруга на самих фазах мережі, яка може навантажувати інше підключене до мережі обладнання, незалежно від трансформатора, в якому виникло явище.
• Оманливі вимірювання: вимірювання напруги або сигналізація замикання на землю, що показує уявне замикання на землю під час феррорезонансу, тоді як насправді в мережі немає жодного пошкодження, що може спричинити непотрібний і трудомісткий пошук несправності.

Поширений засіб протидії: навантажувальний резистор на розімкненому трикутнику

Найпоширеніший спосіб придушення феррорезонансу в трансформаторі напруги в незаземленій або резонансно заземленій мережі — встановлення достатньо низькоомного навантажувального резистора на обмотці розімкненого трикутника (допоміжній обмотці, зазвичай використовуваній для виявлення замикань на землю) комплекту трансформатора. Цей резистор демпфує енергію в LC-контурі достатньо, щоб утримувати нелінійне осердя поза феррорезонансним станом або вивести його з цього стану, не порушуючи нормальну вимірювальну чи сигналізувальну функцію трансформатора. Резистор може бути підключений постійно (розрахований термічно для безперервного розсіювання потужності) або вмикатися лише після виявлення феррорезонансного стану — конструктивний вибір, що залежить від допустимого постійного навантаження трансформатора та бажаного демпфування.

Примітка: точний підбір навантажувального резистора та вибір між постійним і комутованим виконанням визначаються системним дослідженням, що враховує фактичну ємність мережі та тип і характеристику намагнічування застосовуваного трансформатора; ця стаття розглядає принцип, а не готову формулу підбору для кожної конфігурації мережі.

Практичне значення

При проектуванні або оцінці системи виявлення замикань на землю з індуктивними трансформаторами напруги в незаземленій або резонансно заземленій мережі середньої напруги необхідно явно перевірити, чи є на обмотці розімкненого трикутника достатньо підібраний демпфувальний резистор — його відсутність є відомою причиною незрозумілих відмов трансформаторів і уявних сигналів замикання на землю, які при ретельнішому дослідженні виявляються хибними.

Часті помилки

1. Підключення індуктивного трансформатора напруги до незаземленої або резонансно заземленої мережі без демпфувального резистора на обмотці розімкненого трикутника — це залишає мережу вразливою до феррорезонансу після кожного перемикання чи короткочасного порушення замиканням на землю.
2. Плутанина феррорезонансної відмови трансформатора зі звичайним дефектом ізоляції чи виробничим браком — без розпізнавання цього явища замінний трансформатор може знову вийти з ладу без усунення першопричини.
3. Заниження параметрів або пропуск демпфувального резистора заради "більшої чутливості" вимірювань — занадто високоомний або відсутній резистор знижує демпфування саме тоді, коли воно найбільш потрібне.
4. Сприйняття уявної сигналізації замикання на землю під час феррорезонансу як реального замикання без подальшої перевірки — це може призвести до тривалого, безрезультатного пошуку несправності, тоді як мережа насправді вільна від пошкоджень.

Пов'язані матеріали

• Дугогасна котушка Петерсена — резонансно заземлена мережа
• Резистивне заземлення (NGR) — низькоомна чи високоомна нейтраль
• Система IT — IMD і виявлення першого пошкодження
• Трансформатор напруги (ТН) — клас точності та навантаження (burden)