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

Феррорезонанс — одна из наиболее распространённых причин повреждения трансформаторов напряжения в распределительных сетях 6–35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью. При определённых режимах работы сети он способен вызвать опасные перенапряжения, перегрев трансформатора и ложные срабатывания защит. Разберём, почему возникает феррорезонанс в сетях 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ, и какие способы защиты трансформаторов напряжения от феррорезонанса применяются на практике, включая устройство AFR 31.

Что такое феррорезонанс простыми словами

Феррорезонанс — это резонанс в цепи, где вместе с ёмкостью работает нелинейная индуктивность — магнитопровод трансформатора напряжения, который входит в насыщение.

В отличие от обычного резонанса, феррорезонанс может возникать при вполне штатной частоте сети (50 Гц) и зависит не только от параметров цепи, но и от режима насыщения магнитопровода трансформатора. В обычном резонансе участвуют линейные элементы: индуктивность и ёмкость колеблются на одной частоте, и всё предсказуемо. С магнитопроводом ТН сложнее: по мере роста напряжения сердечник насыщается, индуктивность скачкообразно меняется, и цепь «перескакивает» в резонансный режим. Напряжение и ток принимают аномально большие значения, возможны субгармонические, гармонические и квазипериодические режимы, при которых форма напряжения существенно отличается от синусоидальной.

Почему феррорезонанс чаще возникает именно в сетях 6–35 кВ

В распределительных сетях среднего напряжения широко применяются трансформаторы напряжения с подключением к сборным шинам через выключатели и предохранители. Одновременно такие сети обладают заметной собственной ёмкостью, обусловленной кабельными линиями, распределительными устройствами и оборудованием подстанций.

При определённых коммутациях или однофазных замыканиях на землю ёмкость сети начинает взаимодействовать с нелинейной индуктивностью магнитопровода трансформатора напряжения. Именно это сочетание создаёт условия для возникновения феррорезонансного режима.

Основные причины феррорезонанса

Чаще всего феррорезонанс развивается при сочетании сразу нескольких факторов:

• большая ёмкость кабельной сети (ёмкостный ток 0,3–3,5 А);
• работа сети с изолированной или компенсированной нейтралью;
• применение трансформаторов напряжения с насыщающимся магнитопроводом;
• коммутации вакуумными выключателями;
• однофазные дуговые замыкания на землю;
• обрыв одной из фаз;
• перегорание предохранителя ТН.

Где чаще всего возникает феррорезонанс

Феррорезонанс наиболее вероятен в следующих типах электроустановок:

• КРУ 6–10 кВ — комплектные распределительные устройства с вакуумными выключателями;
• КРУЭ — комплектные распределительные устройства элегазовые;
• РП — распределительные пункты с кабельными вводами;
• ТП — трансформаторные подстанции 6–10/0,4 кВ;
• ПС 35 кВ — подстанции напряжением 35 кВ с трансформаторами напряжения на шинах;
• Кабельные сети большой протяжённости — чем длиннее кабельная линия, тем выше ёмкостный ток сети и тем больше риск.

Какие трансформаторы напряжения наиболее подвержены феррорезонансу

Феррорезонанс может возникнуть практически с любым электромагнитным трансформатором напряжения, однако наиболее часто описывается для:

• НТМИ — наиболее известный «классический» случай;
• ЗНОЛ — особенно в кабельных сетях;
• НАМИ — антирезонансные, но не исключающие риск полностью;
• ЗНОМ, ЗНОГ и другие ТН с подключением через разомкнутый треугольник.

При этом вероятность феррорезонанса зависит не только от модели ТН, но и от параметров сети — ёмкостного тока, режима нейтрали и характера коммутаций.

Когда феррорезонанс НЕ возникает

Феррорезонанс практически исключён:

• в сетях без значительной кабельной ёмкости (преимущественно воздушные линии малой протяжённости);
• при использовании некоторых схем подключения ТН, исключающих разомкнутый треугольник;
• при отсутствии условий насыщения магнитопровода (например, при правильно подобранных антирезонансных ТН);
• в сетях, где применяются специализированные устройства защиты, активно демпфирующие колебания.

Как распознать феррорезонанс

Феррорезонанс не всегда очевиден, особенно на ранних стадиях. Однако есть несколько характерных признаков, на которые стоит обратить внимание:

• Ложные сигналы контроля изоляции — устройства сигнализации замыканий на землю срабатывают без реального повреждения сети.
• Нестабильные показания вольтметров — стрелки или цифровые индикаторы «плавают» без видимой причины.
• Нагрев трансформатора напряжения — температура корпуса ТН выше обычной при неизменной нагрузке.
• Перегорание предохранителей в цепи ТН — частая и необъяснимая замена предохранителей.
• Аномальный шум или усиленный гул — трансформатор начинает работать заметно громче обычного из-за нелинейного режима намагничивания магнитопровода.
• Изменение характера гула и вибрации — в отдельных случаях возможно усиление вибрации и изменение характера гула трансформатора, связанные с работой магнитопровода в режиме насыщения.

Один или несколько из этих признаков — повод проверить режим работы ТН и принять меры защиты.

Почему инженеры часто не замечают феррорезонанс

Именно поэтому феррорезонанс часто остаётся незамеченным до момента отказа оборудования.

Почему феррорезонанс опасен

Последствия не ограничиваются «странными показаниями приборов». При феррорезонансе происходит реальное повреждение оборудования:

На практике феррорезонанс способен привести к:

• выходу из строя трансилов и предохранителей;
• пробою изоляции ТН;
• ложным отключениям оборудования;
• отсутствию контроля напряжения;
• дорогостоящему ремонту ячеек.

По данным эксплуатационных организаций, значительная часть повреждений трансформаторов напряжения в сетях 6–35 кВ связана именно с феррорезонансными процессами и возникающими при них перенапряжениями.

Затраты на установку устройства защиты несопоставимо ниже стоимости замены трансформатора, времени простоя ячейки и возможных штрафных санкций за недостоверный учёт электроэнергии.

Условия возникновения феррорезонанса

Феррорезонанс не возникает «сам по себе» — нужен толчок, который выведет магнитопровод в нелинейную область:

• Однофазные дуговые замыкания на землю (ОДЗ) — главный триггер в сетях с изолированной нейтралью. Дуга то гаснет, то загорается, и каждый цикл «раскачивает» контур.
• Неполнофазные режимы: перегорание предохранителя, обрыв фазы, неодновременная коммутация выключателя.
• Коммутации шин и включение секций — особенно при коммутациях вакуумными выключателями, сопровождающихся переходными процессами.
• Ёмкостный ток сети — для ряда распространённых типов ТН вероятность феррорезонанса возрастает при ёмкостных токах сети порядка 0,3–3,5 А: в этом случае реактивные параметры сети и трансформатора создают наиболее благоприятные условия для возникновения феррорезонанса.

Как проверить, есть ли риск феррорезонанса

Если одновременно выполняются несколько условий, вероятность феррорезонанса высокая:

• ☑ сеть кабельная (значительная ёмкость);
• ☑ нейтраль изолирована или компенсирована;
• ☑ установлен электромагнитный ТН;
• ☑ были ложные срабатывания контроля изоляции;
• ☑ периодически горят предохранители ТН.

При совпадении нескольких факторов рекомендуется предусмотреть меры защиты.

Типичные ошибки при защите от феррорезонанса

• Менять ТН, не устранив причину — новый трансформатор выйдет из строя так же, как и предыдущий.
• Устанавливать новый ТН вместо применения защиты — проблема остаётся в сети, а не в оборудовании.
• Использовать только резистор при неподходящих режимах сети — резистор не всегда эффективен при субгармонических режимах.
• Не учитывать ёмкостный ток при проектировании — выбор ТН без учёта параметров сети приводит к повторению проблем.

Как избежать феррорезонанса

Кроме установки устройств защиты рекомендуется:

• применять антирезонансные исполнения ТН (НАМИ, некоторые исполнения ЗНОЛ);
• соблюдать рекомендации производителя по схемам подключения;
• контролировать состояние предохранителей;
• учитывать ёмкостный ток сети при проектировании;
• использовать устройства защиты при реконструкции КРУ.

Способы защиты ТН от феррорезонанса

Традиционных мер три, и у каждой есть ограничения.

Резистор в разомкнутом треугольнике. Классическое решение, рекомендованное для многих типов трансформаторов напряжения, например НТМИ. Резистор демпфирует колебания, но подключён постоянно: греется, слегка искажает контроль изоляции и при некоторых режимах (например, при субгармоническом феррорезонансе) не справляется.

Антирезонансные трансформаторы напряжения — специальные антирезонансные исполнения (например, НАМИ и некоторые исполнения ЗНОЛ). Они существенно снижают вероятность возникновения феррорезонанса, но не исключают её полностью: в неблагоприятном сочетании ёмкости сети и режима коммутаций сработать может и «устойчивый» ТН.

Специализированные устройства защиты — СЗТн-2 (СЗТТ), ФРЗ-НТЗ (НТЗВ), VT-Guard (ABB) и AFR 31 (KPB Intra). Их идея в том, чтобы подключать демпфирующий элемент только в момент реального феррорезонанса, а в остальное время оставаться пассивными.

Выбор способа защиты зависит от типа трансформатора напряжения, схемы вторичных соединений, режима нейтрали сети и требований к надёжности эксплуатации. На современных объектах всё чаще применяют специализированные электронные устройства защиты, которые воздействуют на цепь только при возникновении феррорезонансного режима.

Сравнение способов защиты

AFR 31 — интеллектуальная защита от феррорезонанса

AFR 31 — устройство защиты трансформаторов напряжения от феррорезонанса производства KPB Intra s.r.o. (Чехия). СПБ-Интра — официальный партнёр KPB Intra в России, AFR 31 есть в наличии, поставляется по всей РФ с гарантией.

Как это работает. Устройство контролирует напряжение в цепи разомкнутого треугольника ТН. В нормальном режиме и при несимметрии (обычном замыкании на землю) AFR 31 пассивен — не греется, не искажает показания, не вмешивается в работу контроля изоляции. При обнаружении феррорезонансного режима устройство автоматически подключает демпфирующую цепь, быстро подавляет феррорезонансный процесс и после его завершения снова возвращается в пассивный режим.

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 Uном = 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 влияет на работу контроля изоляции;
• автоматически обнаруживает феррорезонанс;
• быстро подключает демпфирующую цепь;
• не требует постоянного обслуживания;
• 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 практически не требует обслуживания и автоматически возвращается в режим ожидания после подавления феррорезонанса.

Главное отличие от резистора — AFR 31 работает только тогда, когда это нужно. Резистор платит за защиту постоянно: нагрев, погрешность контроля изоляции, ограниченная эффективность. AFR 31 подключает демпфирующую цепь только при возникновении феррорезонанса и после подавления процесса автоматически возвращается в режим ожидания.

FAQ по защите от феррорезонанса

Можно ли полностью исключить феррорезонанс?
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.

Чем AFR 31 лучше классического резистора?
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.

На какие напряжения можно ставить AFR 31?
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.

Подходит ли AFR 31 к ТН типа НАМИ и ЗНОЛ?
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.

Что происходит, если феррорезонанс не подавить?
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.

Вывод

Феррорезонанс представляет собой опасный режим работы электрической сети, который способен привести к повреждению трансформаторов напряжения, ложной работе защит и перенапряжениям в распределительном устройстве. Наибольшая вероятность его возникновения наблюдается в сетях 6–35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью.

Снизить риск можно за счёт применения антирезонансных трансформаторов напряжения, демпфирующих цепей и специализированных устройств защиты. При выборе решения важно учитывать схему вторичных соединений ТН, параметры сети и особенности эксплуатации конкретной подстанции.

Нужна помощь с подбором защиты?

Специалисты ООО «СПБ-Интра» помогут подобрать трансформатор напряжения, устройство AFR 31 и схему подключения для КРУ, КРУЭ, РП и подстанций 6–35 кВ. Для подбора достаточно сообщить тип ТН, схему вторичных соединений и параметры сети.

Оставьте заявку через форму на сайте или свяжитесь с менеджером — подберём оптимальное исполнение под вашу ячейку.