Меню

Феррорезонанс напряжений что это



Феррорезонанс в электрических цепях

Феррорезонанс в электрических цепях

Феррорезонансом называют резонансное явление в колебательном контуре, который содержит ферромагнитный элемент. Под ферромагнитным элементом понимаем катушку индуктивности с магнитопроводом, имеющую нелинейную вольт-амперную характеристику.

Феррорезонанс характеризуется появлением сверхтоков или перенапряжений, которые могут привести к повреждению элементов электрической цепи (или в электроэнергетической системе). Колебательный контур для возникновения феррорезонанса содержит: индуктивность с ферромагнитным сердечником, емкостный элемент, резистивный элемент, а также источник синусоидального напряжения. В зависимости от вида соединения элементов колебательного контура различают феррорезонанс в последовательной цепи (феррорезонанс напряжений) и феррорезонанс в параллельной цепи (феррорезонанс токов). Следует отметить, что наличие активного сопротивления в колебательном контуре обеспечивает демпфирование феррорезонансных колебаний.

П.1. Феррорезонанс в последовательной цепи (феррорезонанс напряжений)

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных элементов: резистора, катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора.

Рис.1. Схема замещения электрической цепи для исследования феррорезонанса напряжений

По второму закону Кирхгофа для представленного колебательного контура можно записать следующее выражение:

Следует обратить внимание на то, что индуктивность в ферромагнитном элементе меняется в зависимости от величины тока в сети, поэтому она показа функцией от тока — .

В связи с наличием в расчетной схеме нелинейного элемента, анализ работы данной схемы будем выполнить графоаналитическим способом, с помощью которого получим зависимость изменения напряжения от тока в расчетной схеме сети. Так же следует заметить, чтобы возникло явление феррорезонанса в расчетной схеме (для основной гармоники) необходимо, чтобы вольт-амперные характеристики катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора пересекались.

Вначале рассмотрим характеристику изменения напряжения от тока в расчётной схеме в идеализированном случае: для этого сделаем допущение об отсутствии активных потерь в колебательном контуре. Напряжение на емкости изменяется пропорционально изменению тока, тогда как напряжение на катушке индуктивности изменяется по нелинейной характеристике. Напряжение на емкости и катушке индуктивности сдвинуты по фазе на угол 180 градусов, но для удобства на графике изображены по одну сторону оси. Точка пересечения графиков и соответствует феррорезонансу напряжений.

Рис.2. Зависимость напряжения от тока при отсутствии активного сопротивления (вольт-амперная характеристика)

Из полученной характеристики видно, что при постепенном увеличении питающего напряжения (U) до точки [1] величина тока плавно растет (ток по фазе отстает от напряжения, в том числе UL>UC). В точке [1] при незначительном увеличении напряжения происходит скачок тока, при котором ток резко возрастает до значения, соответствующего точке [2].

Читайте также:  Какое напряжение должно быть у батарейки cr2032

При снижении напряжения U до точки [3] величина тока плавно уменьшается, а затем скачком снижается от точки [3] до точки [4].

Явление резкого изменения тока в цепи при незначительном изменении напряжения на входе называется триггерным эффектом в последовательной феррорезонансной цепи.

В случае наличия активного сопротивления в расчетной схеме (например, при учете активных потерь в стали и в сопротивлении обмотки), зависимость U(I) приобретает вид, приведенный на рис 3. Данная кривая также имеет несколько участков.

Рис.3. Зависимость напряжения от тока при наличии активного сопротивления (вольт-амперная характеристика)

В заключении следует отметить, что феррорезонанс напряжений в расчетной схеме можно достичь путем изменения напряжения или частоты источника питания схемы, а также путем изменения емкости и параметров катушки со стальным сердечником.

П.2. Феррорезонанс в параллельной цепи (феррорезонанс токов)

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из параллельно соединенных элементов: резистора, катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора.

Рис.4. Схема замещения электрической цепи для исследования феррорезонанса токов

По первому закону Кирхгофа для представленного колебательного контура можно записать следующее выражение:

Следует обратить внимание на то, что индуктивность в ферромагнитном элементе меняется в зависимости от величины тока в сети, поэтому она показа функцией от тока — .

В связи с наличием в расчетной схеме нелинейного элемента, анализ работы данной схемы будем выполнить графоаналитическим способом, с помощью которого получим зависимость изменения напряжения от тока в расчетной схеме сети. Так же следует заметить, чтобы можно было достичь феррорезонанса для основной гармоники тока катушки и конденсатора, необходимо, чтобы вольт-амперные характеристики катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора пересекались.

Вначале рассмотрим характеристику изменения напряжения от тока в расчётной схеме в идеализированном случае: для этого сделаем допущение об отсутствии активных потерь в колебательном контуре. Ток, протекающий через емкость, изменяется пропорционально изменению напряжения, тогда как ток, протекающий через катушку индуктивности , изменяется по нелинейной характеристике. Ток, протекающий через емкость, и ток, протекающий через катушку индуктивности, сдвинуты по фазе на угол 180 градусов, но для удобства на графике изображены по одну сторону оси. Точка пересечения графиков и соответствует феррорезонансу токов.

Рис.5. Зависимость напряжения от тока при отсутствии активного сопротивления (вольт-амперная характеристика)

Читайте также:  Как проверить напряжение дпдз

Из полученной характеристики видно, что при постепенном увеличении тока I величина напряжения сначала плавно растет (ток по фазе отстает от напряжения, в том числе UL>UC). В точке [1] при незначительном увеличении тока происходит скачок напряжения, при котором напряжение резко возрастает до значения, соответствующего точке [2]. Дальнейшее возрастание тока сопровождается плавным увеличением значения напряжения.

При снижении тока I до точки [3] величина напряжения плавно уменьшается, а затем скачком снижается от точки [3] до точки [4].

Явление резкого изменения напряжения в цепи при незначительном изменении тока источника питания, сопровождающиеся изменением знака угла сдвига фаз между основными гармониками тока и напряжения в цепи, называется триггерным эффектом в последовательной феррорезонансной цепи.

В случае наличия активного сопротивления в расчетной схеме (например, при учете активных потерь в стали и в сопротивлении обмотки), зависимость U(I) приобретает вид, приведенный на рис 6. Данная кривая также имеет несколько участков.

Рис.6. Зависимость напряжения от тока при наличии активного сопротивления (вольт-амперная характеристика)

В заключении следует отметить, что феррорезонанс токов в расчетной схеме можно достичь путем изменения тока или частоты источника питания схемы, а также путем изменения емкости и параметров катушки со стальным сердечником. Аналогичные феррорезонансные явления могут наблюдаться в случае линейной индуктивности и нелинейной емкости или нелинейных индуктивности и емкости.

Для того, чтобы добавить Ваш комментарий к статье, пожалуйста, зарегистрируйтесь на сайте.

Источник

Что такое феррорезонанс

В цепях, содержащих катушку со стальным сердечником и конденсаторов, резонансные явления, связанные с нелинейным характером индуктивности, называют феррорезонансным. Скачкообразное изменение тока сопровождается изменением на 180 0 фазы тока по отношению к напряжению (опрокидывание фаз).

После точки резонанса т.е. при напряжениях источника, больших напряжения опрокидывания фаз, напряжение на катушке изменяется мало, что связано с переходом по характеристики намагничивания в область магнитного насыщения. Это используется в практике для стабилизации напряжения.

Таким образом, в последовательной феррорезонансной цепи может возникнуть явление резкого изменения тока при небольшом изменении напряжения на входе цепи, а так же при изменении значения емкости или параметров катушки со стальным сердечником. На подстанциях напряжением 220кВ и выше при оперативных переключениях могут образоваться различные последовательные или последовательно-параллельные схемы соединения индуктивности трансформатора напряжения серии НКФ и активного сопротивления его обмоток с емкостью шин и конденсаторов, шунтирующих контактные разрывы воздушных выключателей. В зависимости от соотношений между реактивными элементами в контуре могут возникнуть опасные феррорезонансные явления, при этом на шинах могут появиться повышенные напряжения, а по обмотке ВН трансформатора напряжения серии НКФ будут проходить недопустимые токи, что приводит к их повреждению.

Читайте также:  Напряжение для светодиода 10 ватт

Феррорезонанс токов возникает в схеме, образованной двумя параллельными реактивными сопротивлениями ХL – индуктивным сопротивлением высоковольтной обмотки ТН(НТМИ) и ХC – емкостным сопротивлением ЛЭП. В процессе эксплуатации при однофазных замыканиях наиболее часто высоковольтные обмотки ТН контроля изоляции (ТНКИ) оказываются под напряжением корень из 3Uф при металлическом замыкании и 2-2,2 Uф при регулярно перемежающейся дуге. Cлучаи приложения напряжения более 2,2 Uф на ВЛ редки. Неблагополучным последствием, которой сопутствует феррорезонансному процессу в нормальном режиме является, как правило при включении силовых трансформаторов на напряжение 6-10кВ. Этот режим характеризуется недопустимыми повышениями фазных напряжений низковольтной обмотки и напряжения на выводах разомкнутого треугольника ТНКИ. Увеличение напряжений на низкой стороне ТН не является следствием перенапряжений в электрической сети 6-10кВ, а происходит за счет прохождения токов феррорезонанса в высоковольтных обмотках ТНКИ. Одним из способов понижения напряжений является включение резистора 25 Ом в обмотку разомкнутого треугольника 3Uо ТНКИ.

Феррорезонанс на ВЛ 10кВ возникает при длине от 40 до 60 км. Это хорошо подтверждают данные эксплуатации ТНКИ. Феррорезонанс в сети 6-10 кВ с изолированной нейтралью часто возникает при перегорании предохранителей, а также при обрывах проводов ВЛ с падением их на землю. Лишенные симметричного трехфазного питания потребительские трансформаторы 6-10 кВ во взаимодействии с емкостями остальной сети переходят в режим феррорезонансного преобразователя однофазного напряжения в трехфазное. Если чередование фаз во вновь образованной системе изменится на обратное, напряжение на одной из фаз сети может достичь трехкратного значения.

Условия возникновения феррорезонанса для КЛ возможны при длине 3-4 км. Повреждение ТНКИ в городских сетях (где длина кабелей превышает 3-4 км) как правило не имеют места. Условия феррорезонанса исключены, а дуговые замыкания практически мгновенно переходят в КЗ между фазами.

где –
ХL = 2пfL Ом
ХC = 3180/C Ом ,
здесь L- индуктивность Гн, С- емкость мкФ, ƒ- частота Гц.

При резонансе ток определяется только напряжением и активным сопротивлением.

Источник