Drgania ferrorezonansowe stanowią zjawisko będące źródłem poważnych zagrożeń i zakłóceń w sieciach elektrycznych różnych napięć. Procesy te mogą wystąpić w obwodach elektrycznych zawierających elementy pojemnościowe i nieliniowe indukcyjności. Pod wpływem nagłego wzrostu napięcia na zaciskach przekładnika (napięciowego) jego rdzeń może ulec nasyceniu, co może zainicjować nieliniowe oscylacje napięć i prądów o częstotliwościach równych, wyższych lub niższych od częstotliwości sieciowej. Drganiom tym towarzyszą przepięcia i przetężenia zagrażające elementom systemu, a zwłaszcza przekładnikom napięciowym. W artykule zaprezentowano wybrane metody zapobiegania ferro rezonansowi.

Przykładowe oscylacje prądów w uzwojeniach pierwotnych czyli górnego napięcia przekładników napięciowych oraz napięcia na tychże uzwojeniach podczas ferrorezonansu pokazano na rysunku 1. Niedopuszczalnie wysoka krotność przetężeń i przepięć ferrorezonansowych zmusza projektantów układów sieciowych, a w szczególności konstruktorów przekładników napięciowych do poszukiwania i wdrażania sposobów zapobiegania i eliminacji tego niebezpiecznego zjawiska. W elektroenergetyce krajowej, jak i zagranicznej powszechne zastosowanie znalazło kilka dość prostych środków zaradczych [1]:

Rys. 1. Prąd i napięcie w uzwojeniu GN przekładnika
w czasie ferrorezonansu i po jego wytłumieniu przez VT guard

• włączenie rezystora tłumiącego w obwód otwartego trójkąta uzwojeń wtórnych przeznaczonych do pomiaru składowej zerowej napięcia,
• uziemienie przez opornik punktu gwiazdowego uzwojeń pierwotnych przekładnika,
• uziemienie przez opornik punktu gwiazdowego transformatora lub punktu neutralnego sieci,
• zastosowanie bezpieczników w obwodach pierwotnych przekładnika,
• zastosowanie przekładników o podwyższonym napięciu „kolanowym” (zatem nieulegających nasyceniu przy występujących przepięciach).
Najpowszechniej stosowaną metodą jest użycie rezystorów tłumiących ferrorezonans włączonych w obwód drgań na stałe lub ewentualnie dołączanych dopiero po zainicjowaniu procesu. Sposób ten wykorzystano w nowoczesnym elemencie rezystancyjnym typu VT guard (rys. 2) oferowanym przez firmę ABB. Aparat ten zastępuje tradycyjne rezystory mocy lub żarówki włączone w obwód otwartego trójkąta. W porównaniu ze zwykłym opornikiem VT guard wykazuje niższą rezystancję przy oscylacjach ferrorezonansowych, lecz wyższą przy zwarciach z ziemią. Dzięki temu jego obecność w mniejszym stopniu obniża dokładność pomiaru składowej zerowej napięcia przez zabezpieczenie ziemnozwarciowe. Tłumiące działanie tego elementu ilustruje oscylogram drgań ferrorezonansowych pokazany na rysunku 1. Bardziej wyrafinowane rozwiązania zapobiegające temu zjawisku zostały wdrożone w Rosji.

Rys. 2. Element rezystancyjny VT guard firmy ABB

Sposoby eliminacji ferrorezonansu w sieciach elektroenergetycznych Rosji

Większość sieci średnich napięć (SN) 3-35 kV w Rosji pracuje z izolowanym punktem neutralnym transformatora zasilającego, co zdecydowanie zwiększa ryzyko wystąpienia ferrorezonansu.
Wysoka awaryjność przekładników napięciowych i niezadowalająca skuteczność tradycyjnego sposobu tłumienia ferrorezonansu (czyli włączania rezystora w otwarty trójkąt uzwojeń wtórnych) wymusiła w tym kraju przejście od tradycyjnego układu uzwojeń Y/y/d (otwarty trójkąt) do nowej koncepcji tzw. przekładników „antyrezonansowych” spełniających wszystkie dotychczasowe zadania metrologiczne. Dzięki odmiennej budowie i połączeniom uzwojeń aparaty te nie uczestniczą w procesie ferrorezonansu oraz są odporne na wpływ niestabilnych zwarć łukowych i na przepięcia w sieci (w tym także rezonansowe).

Rys. 3. Antyrezonansowy przekładnik napięciowy typu NAMI-6-10-35

Od końca lat 80. XX wieku są tam seryjnie produkowane i instalowane elektromagnetyczne przekładniki antyrezonansowe, z których pierwszym był trójfazowy przekładnik olejowy typu NAMI-10-U2. Od tamtej pory asortyment urządzeń tego rodzaju dla sieci SN i WN (110-330 kV) znacznie rozszerzył się i obecnie dostępnych jest szereg konstrukcji o odmiennej budowie i zasadzie działania.
Do najczęściej stosowanych należą antyrezonansowe przekładniki napięciowe typu NAMI-6-10-35 (rys. 3), które zawierają w jednej obudowie dwa oddzielne transformatory: trójfazowy i jednofazowy. Na kolumnach pierwszego z nich nawinięto uzwojenia górnego (GN) i dolnego (DN) napięcia połączone w gwiazdy oraz zwarty trójkąt uzwojeń wtórnych. Zamknięty trójkąt uzwojeń pełni funkcję obwodu kompensacyjnego dla prądów składowej zerowej pojawiających się przy ferrorezonansie w uzwojeniach GN przekładnika. Uzwojenia tego trójkąta o niewielkiej rezystancji i indukcyjności powodują bocznikowanie podczas ferrorezonansu nieliniowych indukcyjności uzwojeń GN. Jest to więc działanie analogiczne do pracy tradycyjnego obwodu otwartego trójkąta zamkniętego rezystorem. Z powodu takiego wykorzystania obwodu trójkąta uzwojeń wtórnych w tego typu przekładnikach napięcie składowej zerowej uzyskuje się z oddzielnego jednofazowego transformatora.

Rys. 4. Antyrezonansowy przekładnik napięciowy NAMI-10/6

Punkt gwiazdowy uzwojeń GN uziemiono przez uzwojenie pierwotne tego transformatora nawinięte na osobnym rdzeniu. W uzwojeniu wtórnym a-x uzyskuje się napięcie U0. Wskutek uziemienia punktów gwiazdowych uzwojeń GN i DN przez reaktancję klasa pomiaru napięć fazowych może zmniejszyć się do zaledwie 3.
Oprócz funkcji pomiarowej uzwojenie pierwotne tego transformatora przyczynia się do tłumienia ewentualnych oscylacji ferrorezonansowych z udziałem indukcyjności uzwojeń GN. Zatem antyrezonansowe własności tych przekładników osiąga się zarówno dzięki uzwojeniom trójkąta kompensacyjnego, jak i transformatorowi składowej zerowej.
Innym antyrezonansowym przekładnikiem napięciowym tej rodziny jest NAMI-10/6 (rys. 4). W nim także zastosowano dwa oddzielne transformatory: jeden służy do transformacji napięć międzyfazowych AB i CB w układzie niepełnej gwiazdy, drugi w wykonaniu jednofazowym realizuje pomiar napięcia fazy B.
Zastosowanie tego jednofazowego transformatora pozwala na pomiar wszystkich napięć fazowych, gdyż napięcia pozostałych faz można otrzymać w zewnętrznych obwodach przez dodanie napięcia UB do UCB = UC – UB i UAB = UA – UB.
Dodatkowe uzwojenia wtórne obu transformatorów połączono w otwarty trójkąt w celu pomiaru napięcia 3U0. Ta oryginalna konfiguracja spełnia powyższe zadanie dzięki odpowiedniemu wyborowi przekładni zwojowych tych transformatorów (przekładnia transformatora jednofazowego jest trzy razy większa). W rezultacie przy symetrii napięć fazowych sieci w otwartym trójkącie występuje jedynie niewielkie napięcie uchybowe, natomiast w stanach niesymetrycznych pojawia się napięcie proporcjonalne do składowej zerowej.

Rys. 5. Trójfazowy zespół jednofazowych przekładników typu 3 x ZNIOL dla napięć 6-10 kV

Antyrezonansowe własności tego przekładnika, uzyskane wskutek odziemienia punktu gwiazdowego uzwojeń GN, ograniczają się niestety tylko do faz A i C. Uzwojenie fazy B pozostaje wskutek połączenia z ziemią podatne na zjawisko ferrorezonansu, co stanowi pewną niedoskonałość konstrukcji przekładników NAMI-6/10.
Następną wadą rosyjskich antyrezonansowych przekładników napięciowych z izolacją olejową jest zagrożenie pożarowe.
Oprócz olejowych przekładników napięcia w Rosji produkowane są także przekładniki z izolacją suchą.
Należy do nich trójfazowy zespół jednofazowych przekładników typu 3 x ZNIOL dla napięć 6-10 kV. Odporność na ferrorezonans osiągnięto tu przez włączenie w przewód neutralny gwiazdy uzwojeń GN dodatkowego rezystora o wartości 800-1000 ohm. Dla ochrony tych uzwojeń wywołanych przez przepięcia w sieci przekładniki te wyposaża się we wbudowane bezpieczniki.

Opracował
Piotr Olszowiec
na podstawie materiałów firm
OAO „ZWWA”, OAO „RETZ”, ABB

Literatura:
[1] Henryk Cichoń „Praktyczne sposoby eliminacji ferrorezonansu w sieciach elektroenergetycznych” COSiW SEP Warszawa 2005