Феррорезонанс в сетях 6–35 кВ: причины, защита ТН и AFR 31

Феррорезонанс — опасный нелинейный режим, который может возникать в распределительных сетях 6–35 кВ с изолированной нейтралью при определённых сочетаниях ёмкости сети, индуктивности трансформатора напряжения и переходных процессов. Для трансформаторов напряжения феррорезонанс особенно опасен из-за насыщения магнитопровода, роста намагничивающего тока, перегрева и возможного повреждения обмоток. Отдельные феррорезонансные процессы могут сопровождаться аномальным напряжением нулевой последовательности, искажением показаний контроля изоляции и ложными сигналами о замыкании на землю.

В сетях 6–35 кВ встречаются разные механизмы феррорезонанса: самопроизвольное смещение нейтрали при коммутациях, субгармонические режимы и феррорезонанс при однофазных замыканиях на землю через перемежающуюся дугу. Отдельный класс процессов связан с неполнофазными режимами, когда феррорезонанс может развиваться уже между ёмкостью сети и индуктивностью намагничивания потребительского трансформатора.

Нормативная основа

При рассмотрении феррорезонансных процессов в сетях 6–35 кВ следует учитывать требования и рекомендации действующих нормативных документов и методических указаний. В частности, вопросы феррорезонанса, выбора режима нейтрали, компенсации ёмкостного тока и повышения устойчивости трансформаторов напряжения рассматриваются в СТО 56947007-29.240.10.191-2014 — «Методические указания по защите от резонансных повышений напряжения в электроустановках 6–750 кВ», разработанный ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», содержащем методические указания по выбору средств защиты от феррорезонанса.

Положения указанного документа используются в статье для пояснения механизмов возникновения феррорезонанса и рассмотрения технических способов его предотвращения. При практическом проектировании и реконструкции электроустановки необходимо также учитывать действующие нормативные документы, требования эксплуатирующей организации и техническую документацию конкретного оборудования.

Что такое феррорезонанс простыми словами

Феррорезонанс — это резонансный процесс в электрической цепи, в котором ёмкость взаимодействует с нелинейной индуктивностью. В случае трансформатора напряжения такой индуктивностью является его магнитопровод, характеристики которого резко изменяются при насыщении.

В отличие от обычного линейного резонанса, феррорезонанс может развиваться при штатной частоте сети 50 Гц, а также на субгармониках этой частоты. Поведение цепи определяется не только ёмкостью и индуктивностью, но и нелинейной характеристикой намагничивания магнитопровода.

При определённом переходном процессе магнитный поток в магнитопроводе увеличивается, сталь входит в насыщение, индуктивность намагничивания изменяется, а ток резко возрастает. В результате система может перейти в устойчивый феррорезонансный режим. Напряжения и токи при этом могут принимать аномальные значения, а форма сигналов существенно отличаться от синусоидальной.

Коротко

Феррорезонанс — это взаимодействие ёмкости сети с нелинейной индуктивностью магнитопровода. При насыщении магнитопровода режим становится нелинейным и может перейти в устойчивые колебания на частоте 50 Гц или на субгармониках. Это способно вызвать повышенный ток, перегрев и повреждение трансформатора напряжения.

Почему феррорезонанс возникает в сетях 6–35 кВ

Распределительные сети среднего напряжения обладают собственной ёмкостью относительно земли. Она определяется конструкцией кабельных и воздушных линий, длиной линий, параметрами шин, распределительных устройств и подключённого оборудования.

Одновременно электромагнитный трансформатор напряжения имеет индуктивность намагничивания, которая является нелинейной. При нормальной работе магнитопровод находится в рабочей области характеристики намагничивания. При определённых переходных процессах магнитный поток увеличивается, сердечник входит в насыщение, а условия взаимодействия индуктивности и ёмкости изменяются.

Поэтому для возникновения феррорезонанса обычно требуется сочетание нескольких условий: определённая ёмкость сети, соответствующая характеристика ТН, режим нейтрали и переходное воздействие — например, коммутация или замыкание на землю.

При этом сама по себе большая длина линии ещё не означает повышенный риск. Для разных видов феррорезонанса опасными могут оказаться различные диапазоны ёмкости. В частности, методические указания отдельно рассматривают субгармонический феррорезонанс при относительно небольших ёмкостях коротких линий 6–35 кВ.

ОЗЗ /
Коммутация

→

Изменение
режима сети

→

Ферро-
резонанс

→

Насыщение
ТН

→

Перегрев
обмоток

→

Повреждение
ТН

Основные виды феррорезонанса в сетях 6–35 кВ

Для правильного выбора защиты важно понимать, что феррорезонанс не является одним единственным режимом. Для сетей 6–35 кВ с электромагнитными ТН необходимо учитывать несколько механизмов, отличающихся условиями возникновения и характером воздействия на оборудование.

Самопроизвольное смещение нейтрали

Один из вариантов феррорезонанса связан с коммутациями сети. При разновременном включении фаз выключателя на ёмкостях сети могут появляться нескомпенсированные заряды. Они создают постоянную составляющую напряжения, которая увеличивает магнитный поток в магнитопроводах фаз ТН.

Если условия для феррорезонанса выполняются, процесс может развиваться на частоте 50 Гц. Такой режим называют самопроизвольным смещением нейтрали. На практике он может проявляться как «ложная земля» — появление значительного напряжения нулевой последовательности без соответствующего устойчивого повреждения изоляции.

Субгармонический феррорезонанс

В сетях 6–35 кВ с изолированной нейтралью возможны феррорезонансные процессы на субгармониках частоты сети: 1/2, 1/3, 1/5 и других. Такие режимы особенно характерны для определённых схем с электромагнитными трансформаторами напряжения.

Особенность субгармонического режима заключается в том, что он может возникать при относительно небольших ёмкостях сети. Потокосцепление отдельных фаз ТН при этом способно значительно увеличиваться, магнитопровод глубоко насыщается, а намагничивающий ток превышает допустимое значение. Это приводит к интенсивному нагреву обмоток и может закончиться разрушением трансформатора.

Для отдельных условий в сетях 35 кВ особенно опасным может оказаться наличие нескольких километров воздушной линии на одну трёхфазную группу ТН. Поэтому нельзя считать, что опасность феррорезонанса возникает только при большой ёмкости длинных кабельных сетей.

Феррорезонанс при однофазном замыкании через перемежающуюся дугу

При однофазном замыкании на землю через перемежающуюся дугу дуга периодически гаснет и повторно зажигается. Такой процесс создаёт переходные воздействия, которые могут возбуждать феррорезонансную цепь.

Каждое повторное зажигание и гашение дуги изменяет состояние ёмкости сети и магнитного потока в магнитопроводе ТН. Если условия неблагоприятны, колебательный процесс поддерживается, магнитопровод входит в насыщение, а ток намагничивания увеличивается.

Феррорезонанс и нулевая последовательность

Рассматриваемые феррорезонансные процессы ТН связаны прежде всего с нулевой последовательностью. Поэтому особенно важно учитывать трансформаторы напряжения с заземлённой первичной обмоткой, которые используются для контроля изоляции сети относительно земли.

Особенность таких процессов заключается в том, что феррорезонанс может практически не изменять междуфазные напряжения, но при этом существенно изменять фазные напряжения относительно земли и напряжение нулевой последовательности.

Именно поэтому феррорезонанс иногда проявляется не как очевидная авария, а как нестабильный контроль изоляции, появление ложного сигнала замыкания на землю или необычное поведение напряжения 3U₀.

Что такое «ложная земля»

Одним из характерных проявлений самопроизвольного смещения нейтрали является так называемая «ложная земля». При этом в сети появляется заметное напряжение нулевой последовательности, хотя устойчивого замыкания фазы на землю может не быть.

В зависимости от режима процесс способен самостоятельно затухнуть, сохраняться длительное время или повторяться после очередной коммутации. Поэтому единичный сигнал контроля изоляции ещё не всегда означает повреждение кабеля или другого оборудования.

Важно

Ложный сигнал замыкания на землю нельзя автоматически считать феррорезонансом. Необходимо сопоставить показания контроля изоляции с фазными напряжениями, напряжением нулевой последовательности, состоянием ТН и режимом коммутации сети.

Феррорезонанс при неполнофазных режимах

Отдельный механизм возникает при нарушении полнофазности сети. Причиной могут стать перегорание плавкого предохранителя, обрыв одной из фаз, неодновременная коммутация фаз выключателя или обрыв провода воздушной линии.

В таком случае феррорезонанс может развиваться не непосредственно между ёмкостью сети и магнитопроводом ТН, а между ёмкостью сети и индуктивностью намагничивания потребительского трансформатора.

Этот режим особенно опасен из-за значительных перенапряжений. В зависимости от характера феррорезонансного процесса напряжение на оборванной фазе может достигать 2,5–3,0 U_н.раб, а напряжение 3U₀ на дополнительной обмотке ТН может превышать 200 В.

При другом варианте феррорезонансного режима напряжение на неповреждённых фазах может повышаться до 1,8–2,0 U_н.раб. Поэтому неполнофазные режимы представляют опасность не только для ТН, но и для всей изоляции присоединения.

Повышенное напряжение воздействует на силовые кабели, кабельные муфты, вводы, оборудование КРУ и ограничители перенапряжений (ОПН). Поэтому после возникновения такого режима необходимо оценивать стойкость не только самого ТН, но и всей изоляции присоединения к возникшим перенапряжениям.

Важно

Перегорание предохранителя или обрыв одной фазы нельзя рассматривать только как локальную неисправность. В сетях 6–35 кВ неполнофазный режим способен сформировать условия для феррорезонанса и значительных перенапряжений. Если такой режим уже привёл к повреждению ТН, необходимо проверить также кабели, муфты, изоляцию оборудования и ОПН.

Основные причины феррорезонанса

Чаще всего феррорезонанс развивается при сочетании нескольких факторов:

ёмкость сети, соответствующая опасной области для конкретного ТН;
работа сети с изолированной нейтралью;
применение электромагнитного трансформатора напряжения с насыщаемым магнитопроводом;
разновременная коммутация фаз выключателя;
однофазные замыкания на землю через перемежающуюся дугу;
неполнофазные режимы;
перегорание предохранителя одной из фаз;
обрыв одной из фаз;
переходные процессы при коммутации шин и линий.

При этом нельзя выделить один универсальный «главный» фактор. Вероятность возникновения феррорезонанса определяется сочетанием характеристик сети, ТН и конкретного переходного процесса.

Важно

Феррорезонанс почти никогда нельзя объяснить только одним параметром. При анализе необходимо учитывать режим нейтрали, ёмкость сети, тип и конструкцию ТН, схему соединения его обмоток и характер коммутационного или аварийного процесса.

Где чаще всего возникает феррорезонанс

Феррорезонансные процессы могут возникать в различных электроустановках 6–35 кВ, особенно при наличии электромагнитных ТН и соответствующих условий сети:

КРУ 6–10 кВ — при определённых коммутациях и переходных процессах;
КРУЭ — при соответствующем сочетании параметров сети и коммутационных процессов;
РП — при наличии кабельных вводов и электромагнитных ТН;
ТП 6–10/0,4 кВ — при определённых неполнофазных режимах;
ПС 35 кВ — в том числе при подключении воздушных линий с определёнными параметрами ёмкости;
сети с изолированной нейтралью — особенно при наличии условий для смещения нейтрали, субгармонического феррорезонанса или перемежающегося ОЗЗ.

Какие трансформаторы напряжения требуют особого внимания

Степень устойчивости ТН к феррорезонансу определяется не только его обозначением, но и конструкцией магнитопровода, схемой соединения обмоток, режимом нейтрали и параметрами конкретной сети. Поэтому некорректно относить все электромагнитные ТН к одинаково подверженным феррорезонансу.

При анализе риска прежде всего необходимо выделять обычные электромагнитные ТН, конструкция которых не предусматривает специальных мер повышения устойчивости к феррорезонансным процессам.

НТМИ — классические электромагнитные ТН, для которых феррорезонанс является известным эксплуатационным риском при определённых сочетаниях ёмкости сети, схемы и параметров магнитопровода;
ЗНОЛ и аналогичные электромагнитные ТН — устойчивость к феррорезонансу зависит от конкретного исполнения, схемы соединения обмоток и предусмотренных конструкцией средств демпфирования;
ЗНОМ, ЗНОГ и другие электромагнитные ТН — возможность возникновения феррорезонансных процессов необходимо оценивать с учётом конкретной схемы включения и параметров сети;
другие обычные электромагнитные ТН — при отсутствии подтверждённых антирезонансных характеристик их устойчивость необходимо проверять расчётом, документацией производителя или испытаниями.

Антирезонансные ТН НАМИ и НАМИТ

НАМИ и НАМИТ не следует относить к наиболее подверженным феррорезонансу. Напротив, эти конструкции относятся к специальным антирезонансным трансформаторам напряжения, разработанным для повышения устойчивости к феррорезонансным процессам.

Например, НАМИ-10 прямо позиционируется как антирезонансный трансформатор напряжения. Для отдельных исполнений НАМИ заявляется устойчивость к феррорезонансу и длительным однофазным замыканиям на землю.

Однако термин «антирезонансный» не означает, что любой ТН серии НАМИ или НАМИТ обладает абсолютно одинаковой устойчивостью ко всем возможным режимам. Конструкции разных поколений могут существенно отличаться. Например, технические публикации отмечают, что ранние исполнения НАМИ-10 могли иметь ограничения по отдельным субгармоническим режимам, тогда как более поздние исполнения получили более высокую устойчивость.

Поэтому при выборе антирезонансного ТН необходимо смотреть не только на название серии, но и на конкретное исполнение, заявленную область устойчивости и результаты испытаний.

Важно

Антирезонансный ТН нельзя выбирать только по надписи «антирезонансный». Необходимо проверить, к каким именно видам феррорезонанса устойчиво конкретное исполнение, при каких условиях и в течение какого времени.

Какие меры снижают вероятность феррорезонанса

Для защиты от феррорезонанса нельзя выделить одно универсальное решение. В зависимости от механизма процесса применяются антирезонансные ТН, резистивное демпфирование, изменение режима нейтрали, компенсация ёмкостного тока и специализированные устройства.

В частности, СТО 56947007-29.240.10.191-2014 рассматривает применение антирезонансных ТН и изменение режима нейтрали как способы предотвращения резонансных повышений напряжения.

При этом эффективность конкретной меры определяется тем, какой именно феррорезонансный механизм необходимо подавить. Решение, эффективное для одного режима, не обязательно будет достаточным для другого.

Компенсация ёмкостного тока и выбор ДГР

Режим нейтрали сети 6–35 кВ необходимо выбирать с учётом ёмкостного тока замыкания на землю. При превышении установленных значений работа сети без компенсации не допускается, а мощность дугогасящего реактора выбирается по фактическому ёмкостному току сети.

Номинальное напряжение сети	Предельный ёмкостный ток
6 кВ	30 А
10 кВ	20 А
15–20 кВ	15 А
35 кВ	10 А

При превышении соответствующего значения сеть должна работать с компенсацией ёмкостного тока. ДГР выбирается по параметрам сети и должен обеспечивать необходимую настройку компенсации.

Для сетей на железобетонных и металлических опорах методические указания устанавливают отдельные требования к применению ДГР уже при ёмкостном токе более 10 А.

Поэтому при анализе феррорезонансной опасности необходимо определить не только тип ТН, но и фактическую ёмкость сети, соответствующий ей ток замыкания на землю и выбранный режим нейтрали.

Важно

Выбор ДГР нельзя выполнять только по номинальному напряжению сети. Мощность реактора определяется параметрами ёмкости сети и необходимой степенью компенсации.

Высокоомный резистор в нейтрали

Одним из способов изменения условий возникновения феррорезонанса является заземление нейтрали через высокоомный резистор. При этом сопротивление резистора должно быть не менее ёмкостного сопротивления сети:

R ≥ X_C

Такое соотношение позволяет сохранить основные свойства сети с изолированной нейтралью и одновременно изменить условия, при которых может развиваться феррорезонанс.

При выборе резистора необходимо учитывать не только его сопротивление, но и допустимую тепловую нагрузку. При длительном однофазном замыкании на землю резистор должен выдерживать соответствующий ток и мощность либо должна быть предусмотрена допустимая продолжительность работы сети в таком режиме.

Применение низкоомных резисторов порядка 50–200 Ом для предотвращения феррорезонанса не следует рассматривать как универсальное решение. Такое сопротивление значительно увеличивает ток однофазного замыкания на землю и может изменить установленный режим работы сети и требования к отключению ОЗЗ релейной защитой.

Важно

Высокоомный резистор нельзя рассматривать как универсальное средство защиты от всех видов феррорезонанса. Его параметры должны определяться для конкретной сети с учётом ёмкостного сопротивления, тока ОЗЗ, тепловой нагрузки и требований к режиму нейтрали.

Как распознать феррорезонанс

Феррорезонанс не всегда очевиден, особенно на ранних стадиях. Однако есть несколько признаков, которые должны насторожить эксплуатационный персонал:

Ложные сигналы контроля изоляции — устройства контроля изоляции сигнализируют о замыкании на землю, хотя устойчивого повреждения сети не обнаружено.
Нестабильные показания вольтметров — фазные напряжения относительно земли изменяются без очевидной причины.
Появление или увеличение напряжения нулевой последовательности — особенно после коммутационных операций.
Нагрев трансформатора напряжения — температура корпуса ТН становится выше обычной при неизменной нагрузке.
Перегорание предохранителей цепи ТН — особенно если неисправность повторяется после замены предохранителей.
Аномальный шум или усиленный гул — признак работы магнитопровода в нелинейном режиме.
Изменение характера вибрации — возможно при выраженном насыщении магнитопровода.

Однако ни один из этих признаков сам по себе не является достаточным доказательством феррорезонанса. Необходимо анализировать режим сети и измеряемые величины.

Совет

Если регулярно появляются ложные сигналы замыкания на землю, перегревается ТН или повторно перегорают его предохранители, не ограничивайтесь заменой повреждённого оборудования. Зафиксируйте режим сети и проверьте возможность феррорезонансного процесса.

Важно

Феррорезонанс может протекать без очевидного аварийного отключения. Поэтому повторяющиеся нестабильные показания контроля изоляции или повреждения ТН требуют анализа режима сети, даже если короткого замыкания не обнаружено.

Почему инженеры часто не замечают феррорезонанс

✔ нет короткого замыкания

✔ автомат не отключается

✔ защита может молчать

✔ ТН постепенно перегревается

Феррорезонанс может развиваться как относительно длительный процесс без обычных признаков короткого замыкания. Поэтому неисправность иногда обнаруживается только после повторного перегорания предохранителей, появления ложной земли или повреждения трансформатора напряжения.

Почему феррорезонанс опасен

Последствия не ограничиваются нестабильными показаниями приборов. В зависимости от вида феррорезонанса возможны:

глубокое насыщение магнитопровода;
значительное увеличение намагничивающего тока;
перегрев обмоток ТН;
повреждение изоляции;
перегорание предохранителей;
ложные сигналы контроля изоляции;
ложная работа устройств релейной защиты;
потеря достоверного контроля напряжения;
повреждение ОПН и другого оборудования при неполнофазных феррорезонансных режимах;
перенапряжение и повреждение изоляции силовых кабелей, муфт и других элементов присоединения.

Особенно опасны режимы, при которых напряжение относительно земли значительно увеличивается. Для отдельных неполнофазных процессов напряжение на оборванной фазе может достигать 2,5–3,0 U_н.раб, а на неповреждённых фазах — порядка 1,8–2,0 U_н.раб.

Поэтому после выявления неполнофазного феррорезонанса необходимо проверять не только трансформатор напряжения, но и стойкость всей изоляции присоединения — кабелей, муфт, вводов, оборудования КРУ и ОПН.

Вывод

Феррорезонанс — не просто «нестабильная работа ТН», а полноценный нелинейный режим, способный привести к насыщению магнитопровода, перегреву и повреждению оборудования. При неполнофазных режимах он может создавать опасные перенапряжения во всей электрической сети, поэтому необходимо оценивать состояние не только ТН, но и изоляции присоединения.

Условия возникновения феррорезонанса

Феррорезонанс возникает при определённом сочетании электрических параметров сети и переходного воздействия. Наиболее характерны следующие условия:

Разновременная коммутация фаз. При неодновременном включении фаз выключателя на ёмкостях сети могут возникать нескомпенсированные заряды, вызывающие смещение нейтрали и увеличение магнитного потока в ТН.
Однофазное замыкание через перемежающуюся дугу. Повторное гашение и зажигание дуги создаёт переходные процессы, способные возбуждать феррорезонанс.
Субгармонический режим. При определённых параметрах сети феррорезонанс может развиваться на частотах 1/2, 1/3, 1/5 и других субгармониках 50 Гц.
Неполнофазный режим. Перегорание предохранителя, обрыв фазы или неодновременная коммутация могут создать феррорезонанс между ёмкостью сети и индуктивностью намагничивания потребительского трансформатора.
Определённое соотношение ёмкости сети и характеристик ТН. Опасность определяется не просто величиной ёмкости, а её сочетанием с нелинейной индуктивностью конкретного трансформатора.

Как проверить, есть ли риск феррорезонанса

Чек-лист для проверки риска

Вероятность феррорезонансных процессов следует проверить особенно внимательно, если одновременно выполняется несколько условий:

сеть работает с изолированной нейтралью;
установлен электромагнитный ТН с заземлённой первичной обмоткой;
сеть имеет заметную ёмкость относительно земли;
происходят коммутации с возможной неодновременностью включения фаз;
были случаи перемежающихся ОЗЗ;
наблюдались ложные сигналы контроля изоляции;
периодически перегорают предохранители ТН;
наблюдается необычный нагрев или гул трансформатора;
в сети возникали неполнофазные режимы.

При проектировании следует определить ёмкость сети, характеристики установленных ТН, режим нейтрали и возможные переходные процессы. Для антирезонансных ТН необходимо учитывать результаты испытаний конкретного исполнения, а не только его обозначение как «антирезонансного».

Типичные ошибки при защите от феррорезонанса

Ошибка 1. Менять ТН, не анализируя режим сети

Если причиной повреждения является феррорезонансный режим, установка другого трансформатора без анализа условий сети не гарантирует устранения проблемы. Необходимо определить механизм возникновения феррорезонанса и проверить устойчивость нового ТН.

Ошибка 2. Считать, что проблема всегда связана только с ТН

Феррорезонанс является результатом взаимодействия характеристик сети и оборудования. В некоторых режимах в феррорезонансном процессе участвует не ТН, а индуктивность намагничивания потребительского трансформатора.

Ошибка 3. Использовать резистор как универсальное решение

Резистивное демпфирование эффективно для определённых режимов, но не является универсальным средством от всех видов феррорезонанса. Необходимость и достаточность резистора должны определяться для конкретной сети и конкретного режима.

Ошибка 4. Не учитывать ёмкость сети

Выбор ТН без анализа ёмкостных параметров сети может привести к повторению проблем. При проектировании необходимо оценивать сочетание ёмкости сети с характеристиками магнитопровода ТН.

Ошибка 5. Считать любой сигнал контроля изоляции замыканием на землю

Феррорезонанс и самопроизвольное смещение нейтрали могут создавать значительное напряжение нулевой последовательности без устойчивого повреждения изоляции. Поэтому повторяющийся сигнал «земли» необходимо сопоставлять с режимом сети и показаниями ТН.

Ошибка 6. Считать любой ТН НАМИ автоматически устойчивым ко всем режимам

Само обозначение серии НАМИ или НАМИТ не заменяет проверку конкретного исполнения. При выборе необходимо изучить техническую документацию, заявленную область устойчивости и результаты испытаний конкретного трансформатора.

Критическая ошибка

Игнорировать первые признаки феррорезонанса. Повторяющийся нагрев ТН, ложные сигналы контроля изоляции и перегорание предохранителей нельзя автоматически списывать на качество сети. При повторении таких событий необходимо проверить возможность феррорезонансного режима.

Золотое правило

Защита от феррорезонанса начинается на этапе проектирования: необходимо учитывать режим нейтрали, ёмкость сети, конструкцию ТН и возможные переходные процессы. Для существующих установок при повторяющихся признаках феррорезонанса необходимо сначала определить его механизм и только после этого выбирать способ защиты.

Пример антирезонансного исполнения: НАМИТ-10-2

Одним из примеров конструктивного решения для повышения устойчивости трансформатора напряжения к феррорезонансу является НАМИТ-10-2. В этой конструкции объединены трансформатор напряжения контроля изоляции ТНКИ и трансформатор нулевой последовательности ТНП.

ТНП включён в нейтраль ТНКИ и связан с цепью, определяющей условия возникновения феррорезонансного процесса. Его вторичная обмотка в нормальном режиме замкнута. При возникновении феррорезонансного процесса схема релейной защиты выполняет её дешунтирование.

При размыкании вторичной обмотки изменяется режим работы ТНП и, соответственно, индуктивное сопротивление цепи, связанной с землёй. Таким образом, условия существования феррорезонансного контура изменяются непосредственно в процессе работы защиты.

Это показывает, что антирезонансные свойства ТН могут обеспечиваться не только характеристиками магнитопровода, но и изменением параметров цепи нулевой последовательности с помощью специальной схемы.

При этом такое решение имеет ограничения: его эффективность зависит от надёжности работы релейной защиты, а устойчивость конкретного исполнения должна подтверждаться испытаниями.

Способы защиты ТН от феррорезонанса

На практике применяются несколько принципиально разных подходов. Их нельзя считать полностью взаимозаменяемыми, поскольку они рассчитаны на разные механизмы возникновения феррорезонанса.

Резистор в разомкнутом треугольнике. Классическое решение для демпфирования определённых феррорезонансных процессов. Для режима самопроизвольного смещения нейтрали методические указания предусматривают резистор 25 Ом мощностью 400 Вт. Однако эффективность и необходимость такого решения должны определяться для конкретной схемы сети.

Высокоомный резистор в нейтрали. Может применяться для изменения условий возникновения феррорезонанса при соответствующем проектном решении. Сопротивление должно быть не менее ёмкостного сопротивления сети, а тепловые параметры резистора должны соответствовать режимам работы.

Антирезонансные трансформаторы напряжения. Это специальные конструкции ТН, устойчивость которых обеспечивается характеристиками магнитопровода, схемой соединения обмоток и другими конструктивными решениями. К этой группе относятся, в частности, различные исполнения НАМИ и НАМИТ. При выборе необходимо учитывать подтверждённую устойчивость конкретного исполнения к каждому из возможных видов феррорезонанса.

Изменение режима нейтрали. Методические указания рассматривают заземление нейтрали через дугогасящий реактор и через высокоомный резистор как способы изменения условий возникновения феррорезонансных процессов. Применение низкоомного сопротивления для предотвращения феррорезонанса не следует рассматривать как универсальное решение, поскольку оно увеличивает ток замыкания на землю и изменяет режим работы сети.

Специализированные устройства защиты. Такие устройства предназначены для активного демпфирования феррорезонансных процессов. В отличие от постоянно подключённого резистора, принцип их работы заключается в воздействии на цепь только при обнаружении соответствующего режима.

Сравнение способов защиты

Решение	Принцип действия	Особенность	Применение
Резистор в разомкнутом треугольнике	Демпфирование определённых режимов	Постоянно подключённая нагрузка	Для предусмотренных схемой видов феррорезонанса
Высокоомный резистор в нейтрали	Изменение условий возникновения процесса	R ≥ X_C, требуется расчёт тепловой нагрузки	При соответствующем проектном решении
Антирезонансный ТН	Конструктивная устойчивость	Требуется подтверждение характеристик конкретного исполнения	При проектировании и замене ТН
Изменение режима нейтрали	Изменение условий возникновения процесса	Требует изменения схемы сети	При соответствующем проектном решении
Специализированное устройство	Управляемое демпфирование	Воздействует на цепь при обнаружении феррорезонанса	Для защиты существующих ТН

AFR 31 — интеллектуальная защита от феррорезонанса

AFR 31 — устройство защиты трансформаторов напряжения от феррорезонанса производства KMB Systems s.r.o. (Чехия). AFR 31 поставляется для применения в цепях защиты ТН.

Как это работает. Устройство контролирует напряжение в цепи разомкнутого треугольника ТН. В нормальном режиме и при обычной несимметрии сети AFR 31 находится в пассивном состоянии. При обнаружении феррорезонансного режима устройство автоматически подключает демпфирующую цепь, подавляет феррорезонансный процесс и после его завершения возвращается в режим ожидания.

Технические характеристики AFR 31

Монтаж на DIN-рейку 35 мм;
Степень защиты IP20;
Габариты 69×86×58 мм;
Регулируемый порог срабатывания: 20 / 25 / 30 В;
Временная задержка срабатывания: 4 секунды по умолчанию;
Подключение к разомкнутому треугольнику ТН с U_ном = 100/3 В, 110/3 В или 120/3 В;
Номинальная частота сети: 50 Гц.

Преимущества AFR 31

не нагружает цепь ТН в нормальном режиме;
не вмешивается в работу контроля изоляции при отсутствии феррорезонанса;
автоматически обнаруживает феррорезонанс;
подключает демпфирующую цепь только при необходимости;
после подавления процесса возвращается в режим ожидания;
компактно устанавливается на DIN-рейку.

Установка и настройка. AFR 31 устанавливается на стандартную DIN-рейку 35 мм в шкафу вторичной коммутации. После выбора порога срабатывания устройство автоматически контролирует состояние цепи и возвращается в режим ожидания после подавления феррорезонанса.

Главное отличие от постоянно подключённого резистора заключается в принципе работы: устройство подключает демпфирующую цепь только при обнаружении соответствующего феррорезонансного режима.

Что делать после повреждения ТН при феррорезонансе

Если трансформатор напряжения уже вышел из строя, не следует ограничиваться его заменой. В первую очередь необходимо установить, какой именно режим предшествовал повреждению.

зафиксировать момент и условия повреждения ТН;
проверить, выполнялись ли непосредственно перед аварией коммутационные операции;
проанализировать фазные напряжения и 3U₀;
проверить историю срабатывания контроля изоляции и релейной защиты;
проверить состояние и схему подключения предохранителей ТН;
определить ёмкость сети и ток однофазного замыкания на землю;
проверить режим нейтрали и наличие ДГР либо резистивного заземления;
проверить возможность неполнофазного режима;
оценить устойчивость установленного ТН к соответствующему виду феррорезонанса;
при неполнофазном феррорезонансе проверить состояние изоляции кабелей, муфт, оборудования КРУ и ОПН.

Только после определения механизма феррорезонанса следует выбирать способ защиты и принимать решение о замене типа ТН.

Вывод

Феррорезонанс в сетях 6–35 кВ представляет собой нелинейный процесс, возникающий при определённом сочетании ёмкости сети, характеристик электромагнитного трансформатора и переходного режима. Для ТН наиболее важны процессы самопроизвольного смещения нейтрали, субгармонический феррорезонанс и феррорезонанс при однофазных замыканиях через перемежающуюся дугу.

Отдельную опасность представляют неполнофазные режимы, при которых феррорезонанс может развиваться между ёмкостью сети и индуктивностью намагничивания потребительского трансформатора. В таких режимах напряжение на оборванной фазе может достигать 2,5–3,0 U_н.раб, а на неповреждённых фазах — порядка 1,8–2,0 U_н.раб. Поэтому опасности подвергается не только ТН, но и изоляция всего присоединения: кабели, муфты, вводы, оборудование КРУ и ОПН.

Нормативно-технической основой анализа резонансных повышений напряжения является, в частности, СТО 56947007-29.240.10.191-2014, распространяющийся на сетевые электроустановки 6–750 кВ. Документ рассматривает способы предотвращения резонансных процессов и требования к выбору соответствующих защитных мероприятий.

Выбор режима нейтрали должен выполняться с учётом ёмкостного тока замыкания на землю. Для сетей 6–35 кВ установлены предельные значения, при превышении которых требуется компенсация ёмкостного тока с применением ДГР. Мощность реактора выбирается по параметрам сети.

Защита от феррорезонанса должна подбираться по результатам анализа конкретной сети. В зависимости от механизма применяются антирезонансные конструкции ТН, резистивное демпфирование, высокоомное заземление нейтрали, изменение режима нейтрали и специализированные устройства защиты.

Главное правило: если ТН повторно перегревается, перегорают его предохранители, появляются ложные сигналы замыкания на землю или оборудование уже было повреждено после неполнофазного режима, нельзя ограничиваться заменой трансформатора. Необходимо определить механизм феррорезонанса, проверить режим нейтрали и ёмкость сети, оценить устойчивость конкретного исполнения ТН, а при наличии перенапряжений — проверить состояние всей изоляции присоединения.

Часто задаваемые вопросы

Полностью исключить возможность возникновения феррорезонанса невозможно, поскольку режим зависит одновременно от параметров сети, коммутаций, состояния оборудования и характера повреждений. Однако применение антирезонансных ТН и специализированных устройств защиты позволяет существенно снизить вероятность возникновения опасного режима и минимизировать его последствия.

Резистор включён в схему постоянно: греется, снижает точность контроля изоляции и при субгармонических режимах может не успеть погасить процесс. AFR 31 подключает демпфирование только при реальном феррорезонансе и быстро подавляет его, в остальное время оставаясь пассивным.

AFR 31 подключается к цепям разомкнутого треугольника трансформаторов напряжения с номинальным вторичным напряжением 100/3 В, 110/3 В или 120/3 В, что соответствует трансформаторам напряжения для сетей 6, 10 и 35 кВ. Регулируемый порог 20/25/30 В позволяет настроить устройство под конкретный тип ТН.

Да. Устройство включается в цепь разомкнутого треугольника и не зависит от конструкции магнитопровода. Антирезонансный ТН существенно снижает вероятность феррорезонанса, но не исключает её полностью — AFR 31 закрывает оставшиеся сценарии. Это совместимые, а не конкурирующие меры.

Если феррорезонанс не подавить, он может сохраняться достаточно долго, вызывая перегрев магнитопровода и обмоток трансформатора напряжения, перенапряжения во вторичных цепях и ложную работу устройств контроля изоляции. При длительном воздействии возрастает риск повреждения трансформатора.

Феррорезонанс в сетях 6–35 кВ: причины, защита ТН и AFR 31

Что вы узнаете из статьи

Что такое феррорезонанс простыми словами

Почему феррорезонанс возникает в сетях 6–35 кВ