Главными факторами, вызывающими феррорезонансные явления в электросетях, являются ёмкостные и индуктивные элементы, способные образовывать колебательные контуры в моменты переключений. Особенно заметно данный эффект проявляется в силовых трансформаторах, линейных вольтодобавочных трансформаторах, трансформаторах напряжения, шунтирующих контурах и в подобном оборудовании, оснащённом массивной обмоткой.
Феррорезонансные явления в электрических сетях
Основные факторы, которые порождают феррорезонансные явления в электрических сетях – это элементы ёмкостного и индуктивного типа. Они способны формировать колебательные контуры в периоды переключения. Этот эффект особо заметен в трансформаторах силового типа, линейного вольтодобавочного, шунтирующих контурах и в аналогичных устройствах, которые оборудуются массивной обмоткой.
Данное явление бывает 2 типов: резонанс токов и напряжения.
Феррорезонанс напряжений возможен, когда в сети имеется индуктивность, характеризующаяся нелинейным вольт-амперным свойством. Данная характеристика свойственна катушкам индуктивности, где сердечники производятся из ферромагнитных компонентов. Особенно это касается выпрямителей линейки НКФ. Такое негативное явление обуславливается небольшим показателем сопротивлений омического и индуктивного типов по отношению к силовым трансформаторам.
Подготовка оборудования для проведения опытов с нелинейными ферромагнетиками
Надо отметить, что умение проектировать и рассчитывать устройства, основанные на использовании явления феррорезонанса, можно считать высшим пилотажем. Причиной тому являются малоизвестные нелинейные процессы, происходящие в катушках с ферромагнитным сердечником, которые неподготовленный человек не сможет не то, чтобы спрогнозировать, но даже предположить саму возможность существования нелинейности.
Для съёмки опытов с нелинейными процессами и явлением феррорезонанса специально для этого я решил собрать трансформатор. Он будет использован для целой серии опытов с нелинейными процессами.
Особое внимание при подготовке трансформатора пришлось уделить электрической изоляции стальных пластин друг от друга, чтобы максимально снизить энергию, затрачиваемую не только на перемагничивание сердечника трансформатора, но и на достижение порога его насыщения.
Сечение стержней трансформатора 50х52 мм. Высота стержней (считая от перегородки) 145 мм.
Смотрим короткий видеофрагмент №1:
Левую (на фото) обмотку для проведения некоторых опытов я специально выполнил литцендратом. Фото этой обмотки приведено на иллюстрации ниже. Литцендрат выполнен из 7 перекрученных между собой медных проводов в лаковой изоляции. Диаметр каждого равен 0,7 мм, а площадь сечения литцендарата – около 16 мм2. Общая длина литцендарата получилась около 50 метров, которых хватило на 160 витков обмотки.
Правая (на фото) обмотка трансформатора осталась заводского исполнения.
Трансформатор собран таким образом, чтобы можно было его легко разбирать, снимать верхний пакет пластин, быстро снимать и добавлять прокладки между двумя пакетами пластин.
Вес в сборе трансформатора более 15 килограммов.
Феррорезонанс в трансформаторе напряжения
Когда трансформатор напряжения подключается к сети, в ней формируются последовательно совмещённые LC-цепи, являющие собой контур резонансного типа. При последовательном подключении индуктивного элемента с нелинейным вольт-амперным свойством к элементу ёмкостного типа напряжение в этой зоне цепи характеризуется как активно-индуктивное.
По окончании определённого временного периода значение напряжения на индуктивном элементе становится пиковым, магнитопровод питается, а напряжение на компоненте ёмкостного типа продолжает расти. Феррорезонанс в трансформаторе напряжения наступает, когда напряжение индуктивности и ёмкостного элемента становится равнозначным.
Быстрый переход приложенного напряжения из активно-индуктивного типа в активно-ёмкостной именуется как «опрокидывание фазы». Такой эффект опасен для электроприборов.
Что такое нелинейные процессы?
Вспомним, как выглядят формулы для расчёта ёмкости конденсаторов и индуктивности катушек.
Как видно, в формулах присутствуют два параметра ε
μ
, характеризующие параметры диэлектрических и магнитных материалов, присутствующих в сосредоточенных либо распределённых
ёмкостных
и
индуктивных
элементах.
Если изменять геометрические параметры, например, меняя площадь обкладок конденсатора, расстояние между обкладками C
или длину катушки индуктивности
L
, которые входят в состав колебательных контуров, то мы сможем наблюдать возникновение
параметрического резонанса
. Сама причина возникновения этого резонанса была прояснена и наглядно представлена в моих роликах о работе конденсаторов и катушек индуктивности. В этой работе заниматься параметрическим резонансом мы не будем.
Обычно, когда мы занимаемся расчётами устройств, основанных на катушках индуктивности и конденсаторах, мы подразумеваем, что параметры ε
и
μ
в расчётах являются постоянными. Но на самом деле это не так. Параметры окружающей среды, диэлектрических (
ε
) и магнитных (
μ
) материалов и зависят от напряжённости электрического
Е
и магнитного
Н
поля, хотя и в разной степени, поэтому правильно будет переписать формулы иначе:
Теперь вспомним формулы, учитывающие зависимость энергии
конденсатора
WС
от величины его ёмкости (
С
), а также
энергии
катушки
WL
от её индуктивности (
L
):
1) для конденсатора энергия линейно зависит от величины С
;
2) для катушки индуктивности энергия линейно зависит от величины L.
Поэтому, на основании зависимости ε
(
Е
) и
μ
(
Н
) будет правильным записать
С
(
Е
) и
L
(
Н
). Другими словами величина ёмкости дополнительно будет зависеть от напряжённости электрического поля
Е
, а величина индуктивности – от напряжённости магнитного поля
Н
. На основании этого зависимость энергии
WС
от
С
и
WL
от
L
тоже будет нелинейной. Таким образом, причиной нелинейности ёмкости конденсатора является нелинейная реакция на электрическое поле материала диэлектрика ёмкостного элемента цепи (конденсатора).
Наша промышленность выпускает в основном конденсаторы, у которых зависимость ёмкости от приложенного напряжения очень незначительна. Сегодня трудно найти конденсаторы, у которых в качестве диэлектрика применяется сегнетоэлектрики, благодаря чему у них сильно выражена зависимость ёмкости от приложенного напряжения. В советское время такие конденсаторы выпускались промышленностью, которые назывались варикондами. О нелинейных ёмкостных элементах здесь сказано лишь для полноты картины. В этой работе мы будем заниматься только нелинейными индуктивными элементами
.
Причиной нелинейности
у индуктивности является
нелинейная реакция
материала магнитопровода
на магнитное поле
у индуктивного элемента
.
Для иллюстрации этого рассмотрим зависимость магнитной проницаемости
μ
ферроматериалов от напряжённости магнитного поля
Н
, и для разных материалов их график имеет вид:
Магнитная проницаемость разных материалов:
1– пермаллой
; 2 –
чистое железо
.
На графике видно, что при напряжённости магнитного поля около 3-4 А/м реакция у пермаллоя на незначительные изменения напряжённости поля колоссальны. Его магнитная проницаемость μ
изменяется от десятков единиц, до десятков тысяч!
По-другому происходит изменение μ
у железа. При росте напряжённости магнитного поля от единиц А/м до 30 А/м, магнитная проницаемость железа становится максимальной, а при дальнейшем увеличении снова начинает уменьшаться. Поэтому величина индуктивности катушки, намотанной на сердечник из железа, сильно зависит от напряжённости магнитного поля, создаваемого самой катушкой, то есть от величины в ней тока.
Феррорезонансные стабилизаторы
Феррезонансный стабилизатор
Феррорезонансные выпрямители не оборудуются встроенным вольтметром, вследствие чего сложно замерять выходной показатель напряжения сети. Отрегулировать величину напряжения собственноручно не получится. Стабилизаторы феррорезонансного типа частично искажают реальные показания, величина погрешности составляет до 12%.
Тем, кто долго пользуется такими устройствами, необходимо помнить, что они способны излучать магнитное поле, которое может нарушить правильное функционирование бытовой электротехники. Стабилизаторы такого класса настраиваются в заводских условиях, никаких дополнительных настроек в быту они не требуют.
Последствия и борьба с резонансными явлениями
На силовых трансформаторах с рабочим напряжением 220 кВ в результате резонанса напряжение может скачкообразно увеличиться до 300 кВ, а ток мгновенно поднимается до такой силы, при которой обмотки разрушаются в результате теплового воздействия (электродинамический удар).
Чтобы подобных явлений не возникало, в программах переключений обычно планируют специальные операции, исключающие протекание процессов резонанса, а в систему шин нередко специально устанавливают элементы, сопротивление которых призвано бороться с явлением резонанса.
Влияние стабилизатора на технику
Феррорезонансный стабилизатор напряжения, принцип работы которого непрост, воздействует на бытовую технику следующим образом:
- Радиоприёмник – чувствительность приёма сигнала может быть уменьшена, показатель выходной мощности существенно снижается.
- Музыкальный центр – выходная мощность такой техники может существенно снизиться, стирание и запись новых дисков значительно ухудшаются.
- Телевизор – при подсоединении к стабилизатору можно наблюдать значительное снижение качества картинки на ТВ, отдельные цвета передаются неправильно.
Электрическая схема современных нормализаторов феррорезонансного типа улучшена, что позволяет им выдерживать большие нагрузки. Такие устройства могут гарантировать точную регулировку сетевого напряжения. Процедура корректировки выполняется трансформатором.
Режимы эксплуатации
Эксплуатационные режимы стабилизаторов зависят от ряда факторов. Прямое влияние имеет показатель мощности и класс устройства. Мощностные характеристики прибора могут быть разными, выбирать их надо с учётом типа подсоединяемой электротехники.
Режимы функционирования выпрямителя зависят от таких типов нагрузки:
- индуктивная;
- активная;
- ёмкостная.
Активная нагрузка в чистой форме наблюдается крайне редко. Она необходима только в тех цепях, где переменное значение устройства не имеет ограничений. Нагрузки ёмкостного типа могут применяться только для тех выпрямителей, которые обладают невысокой мощностью.
Коммутации холостых ошиновок
Выключатели 500 кВ являются многоразрывными. У современных выключателей разрывов обычно два, причем как у воздушных, так и у элегазовых (в т.ч. зарубежных, например, фирмы ABB). Для равномерного распределения напряжения по разрывам параллельно им включаются специальные конденсаторы (делители напряжения). После отключения выключателя отключенный объект (система шин) остается связанным с источником напряжения через эквивалентную емкость делителей на разрывах.
Для полного отключения присоединения требуется коммутация разъединителя. Eмкость конденсаторов, шунтирующих разрывы выключателей, совместно с емкостью ошиновки и подключенного к ней оборудования на землю образуют феррорезонансный контур.
В сетях 110-220 кВ количество одновременно отключаемых выключателей при коммутации ошиновки может быть очень велико.
На ПС 500 кВ обычно присоединений значительно меньше, кроме того, ОРУ-500 обычно проектируются по схемам 3/2 или 4/3. Схема ОРУ-500, выполненная по схеме 3/2, приведена на рис. 3, а. Трансформатор напряжения установлен на секции СШ1. При отключении этой секции параллельно отключаются два выключателя 500 кВ. Eмкости делителей в выключателях 500 кВ изменяются в довольно широких пределах в зависимости от типа выключателя.
Наименьшие емкости у выключателей типа ВНВ — 330 пФ, наибольшая у выключателей типа ВВ — 550 пФ.
Таким образом, суммарная эквивалентная емкость делителей выключателей в схеме на рис. 3, а может составлять 660-1100 пФ. Суммарную емкость на землю можно оценить как емкость ТН (125 пФ), емкость всех разъединителей (2 x 200 пФ), выключателей (2 x 125 пФ) и ошиновки (10 пФ/м ~ 300пФ), то есть 1075 пФ. Расчетная схема для исследования процессов при отключении холостой ошиновки приведена на рис. 3, б. Результаты моделирования отключения холостой ошиновки в схеме с ТН типа НКФ-500 и НАМИ-500 приведены на рис. 4. и рис. 5, соответственно.
Eмкости делителей и ошиновки: C1 = 1100 пФ, C2 = 1075 пФ, напряжение источника 500/v–3 кВ, отключение выключателя происходит в момент максимума напряжения на ТН (0,1 c от начала расчета).
Из компьютерных осциллограмм видно, что в ТН типа НКФ в этом случае возникает устойчивый феррорезонанс, при этом действующий ток составляет 0,73 А. В этом режиме ТН быстро выйдет из строя.
В эксплуатации известен случай повреждения ТН типа НКФ500 в 1973 г. на Костромской ГРЭС, причем соотношение емкостей ошиновки и выключателей было: 1,1/1,015 нФ. В ТН типа НАМИ также возникает устойчивый процесс, но на субгармонике 1/3 и со значительно меньшим действующим током. Возможность возникновения феррорезонанса в схеме на рис. 3, б (при отключении холостой ошиновки) зависит от двух основных факторов: напряжения источника и величины и соотношения емкостей делителей и ошиновки.
Путем проведения многочисленных расчетов при варьировании этих емкостей (напряжение равно номинальному) можно получить области существования феррорезонанса (области опасных параметров). Эти области для ТН НКФ-500 и НАМИ-500 приведены на рис. 6 (напряжение источника 525/v–3 кВ).
Из этого рисунка видно, что у НКФ при суммарной емкости делителей более 1 нФ (отключение двух и более выключателей) феррорезонанс на основной или субгармонике 1/3 возникает практически при любой емкости ошиновки. Феррорезонанс на основной гармонике сопровождается значительными перенапряжениями (до 3,0 Uф.макс). Коммутация холостой ошиновки с ТН типа НАМИ при определенном соотношении емкостей также приводит к возникновению режима феррорезонанса.
Характерной особенностью является то, что устойчивый процесс возникает только на субгармонике 1/3. Возникающие при этом токи сравнительно невелики, например, даже при больших величинах емкостей С1 = С2 = 4 нФ, IВН.ТН.эфф = 0,32 А.
Принцип действия феррорезонансных стабилизаторов
Обмотка первичного типа, на которую поступает входное напряжение, находится на магнитопроводе. Он обладает большим поперечным сечением, что позволяет держать сердечник в ненасыщенном состоянии. На входе напряжение формирует магнитные потоки.
На зажимах обмотки вторичного типа формируется выходное напряжение. К этой обмотке подсоединяется нагрузка, которая находится на сердечнике, обладает небольшим сечением и пребывает в насыщенном состоянии. При аномалиях сетевого напряжения и магнитного потока его значение фактически не модифицируется, а также неизменным остаётся показатель ЭДС. Во время увеличения магнитного потока некоторая его доля будет замкнута на магнитном шунте.
Магнитный поток принимает синусоидальную форму и при его подходе к амплитудному показателю отдельный его участок переходит в режим насыщения. Повышение магнитного потока при этом прекращается. Замыкание потока по магнитному шунту будет осуществляться лишь тогда, когда показатель магнитного потока сравнится с амплитудным.
Наличие конденсатора позволяет феррорезонансному стабилизатору работать с увеличенным мощностным коэффициентом. Показатель стабилизации зависит от уровня наклона кривой горизонтального типа по отношению к абсциссе. Наклон данного участка значительный, поэтому обрести высокий уровень стабилизации без вспомогательного оборудования невозможно.
Вступление.
Благодарю всех, кто добрым словом и материально оказывает поддержку моему образовательному проекту.
Несколько слов придётся сказать и моим недоброжелателям. Если кого-то не устраивает моя деятельность на этом канале, то вместо того, чтобы меня «перековывать», убеждать мыслить также как Вы, то лучше, чем попусту тратить своё время, покиньте этот канал и поищите для себя на необъятных просторах Интернета что-нибудь более интересное.
Ещё несколько слов о поведении гостей и посетителей канала. Чаще всего комментарии пишут те, кого случайно занесло на канал или привлекло название какой-то работы, или просто заглянули из-за любопытства. Посмотрев первый же ролик на канале, не читая тексты к моим роликам, не зная остальных моих работ, они начинают строчить свои комментарии, на которые возможно, уже давно был дан ответ в комментариях, приведённых к этой или другой работе.
Некоторые посетители канала идут ещё дальше – упрекают меня в том, что я, мол, обманываю посетителей канала, рассказывая им небылицы, даю ложную информацию, в результате они, якобы сильно переживают по этому поводу. Я не стану приводить здесь ники и имена этих посетителей, но считаю их действия дешёвой провокацией, имеющих целью вынудить меня действовать в их интересах, начинать оправдываться перед ними или доказывать свою правоту, пускаясь в длинные объяснения того, что сами провокаторы смогли бы поискать и прочесть самостоятельно. Впредь отвечать на подобные комментарии я не буду, а все провокации, упрёки и оскорбления из комментариев будут удаляться. Так что если Вам дорого своё время, пожалейте его и не тратьте напрасно.
Для всех, кто в первый раз посетил мой канал, я обращаю внимание об элементарные правила поведения на канале:
1) прежде, чем писать комментарий или задавать вопрос, потрудитесь, пожалуйста, прочесть текст к тому или иному ролику, а также комментарии к тому ролику, который Вас заинтересовал. Возможно, там уже есть ответ на Ваш вопрос;
2) все комментарии, не относящиеся к делу, содержащие ненормативную лексику, оскорбления и упрёки из комментариев будут просто удаляться;
3) все конструктивные предложения и вопросы по существу – мной только приветствуются, и на каждый из них я постараюсь давать подробный ответ.
4) я никому не должен доказывать существование скалярного магнитного поля, не должен ничего объяснять, так как это личное дело каждого человека принимать его существование или нет;
5) в некоторых работах, выставленных на моём канале, я не раз уже приводил ссылки на работы Г. В. Николаева и других авторов, и приводить их в каждой работе считаю излишним;
6) кого интересует тема скалярного магнитного поля, ищите самостоятельно книги в Интернете (они есть) читайте, размышляйте, ставьте опыты, как в своё время это делал и я, да и не только я один;
Достоинства и недостатки
Среди ключевых плюсов феррорезонансных выпрямителей можно отметить:
- стойкость к перегрузкам;
- обширный интервал эксплуатационных значений;
- быстрота регулировки;
- ток обретает форму синуса;
- высокая точность выравнивания.
Но при всех этих преимуществах имеются у приборов данного класса и свои минусы:
- Качество функционирования зависит от показателя нагрузки.
- При работе формируются внешние электромагнитные помехи.
- Нестабильное функционирование при небольших нагрузках.
- Высокие показатели массы и размеров.
- Возникновение шума при работе.
Большинство современных моделей лишены таких недостатков, но они выделяются немалой стоимостью, порой выше, нежели цена ИБП. Также устройства не оборудуются вольтметром, что лишает возможности их регулировки.
Советы по выбору
Конструкция выпрямителей постоянно модернизируется, повышается качество их схем, что позволяет переносить значительные феррорезонансные перенапряжения. Современные модели выделяются высоким уровнем быстродействия, точностью настройки и длительным эксплуатационным сроком. Режимы устанавливаются мощностными характеристиками прибора и его типом.
Основное условие выбора феррорезонансного стабилизатора – место его подсоединения. Обычно его устанавливают на входе электросети в помещение либо вблизи бытовой техники. Если выпрямитель устанавливается для всей техники, необходимо выбирать устройства с высоким уровнем мощности и подключать их сразу же за распределительным щитком.
Условия возникновения
В нормальных режимах работы трёхфазной сети феррорезонанс маловероятен, так как ёмкости конструкционных элементов оказываются зашунтированными индуктивным сопротивлением входной питающей сети.
Нормальный режим является симметричным. Наиболее распространенная на практике причина феррорезонанса — незаземленная (изолированная) нейтраль в сочетании с неполнофазным режимом. При изолированной нейтрали ёмкость сети относительно земли соединяется последовательно с обмотками силового трансформатора или электромагнитного трансформатора напряжения, что создает благоприятное условие для феррорезонанса. Неполнофазный режим может возникать при неполнофазном включении, при разрыве одной фазы или при несимметричном коротком замыкании.
Феррорезонансный стабилизатор напряжения своими руками
Феррорезонансная схема является наиболее простой для собственноручного изготовления. В основе её функционирования лежит эффект магнитного резонанса.
Конструкцию довольно мощного выпрямителя феррорезонансного типа можно собрать из трёх элементов:
- первичного дросселя;
- вторичного дросселя;
- конденсатора.
При этом простота такого варианта сопровождается целым набором неудобств. Мощный нормализатор, изготовленный по феррорезонансной схеме, выходит массивным, громоздким и тяжёлым.
Как «потрогать» феррорезонанс?
Главная особенность феррорезонанса
заключается в том, что
он
может возникнуть в ответ на возмущения различных режимов в одной и той же цепи. Для иллюстрации этого утверждения была собрана схема, представленная ниже:
Для проведения опыта были использованы наш трансформатор, лабораторный автотрансформатор (латр) РНО-250-5 и несколько масляных конденсаторов. Несмотря на потрёпанный вид снаружи, внутри латр выглядит как новый.
С помощью конденсаторов я создал условия для возникновения феррорезонанса
, хотя для его запуска ёмкость конденсаторов ещё мала.
При любом незначительном провоцирующем факторе трансформатор может, как войти в феррорезонанс, так и выйти из него. Например, при замыкании накоротко длинной обмотки индуктивность катушки изменяется так, что условия для вхождения в резонанс улучшаются, а при замыкании накоротко короткой обмотки, феррорезонанс из-за больших токов (малого сопротивления нагрузки), как всегда, прекращается.
На осциллограмме выше хорошо видно, что на обмотке трансформатора, который вошёл в феррорезонанс, форма напряжения меняется с обычной синусоидальной на форму, близкую к прямоугольной, что является свидетельством вхождения сердечника трансформатора в насыщение.
Смотрим видеофрагмент №2:
