Zusammenfassung: Dieser Artikel befasst sich mit den häufigen Ausfällen von Spannungswandlern im 6-kV-System des Kraftwerks Ertan seit dessen Inbetriebnahme. Er erläutert kurz die Ursachen, Gefahren und Präventivmaßnahmen der elektromagnetischen Resonanz (EMR). Darüber hinaus werden Vorschläge zur Behebung solcher Störungen unterbreitet, um anderen Kraftwerken als Referenz zu dienen. Schlüsselwörter: 6-kV-Spannungswandler; Ursachen von Spannungsspitzen; Analyse; Präventivmaßnahmen. In 6-35-kV-Systemen mit nicht effektiv geerdetem Sternpunkt kann die magnetische Sättigung der Kerninduktivität von Betriebsmitteln wie Transformatoren, Spannungswandlern und Lichtbogenlöschspulen anhaltende, hochamplitudige ferromagnetische Überspannungen hervorrufen. Ferromagnetische Resonanz kann als Grundresonanz, Oberwellenresonanz oder Subharmonische auftreten. Obwohl die Amplitude der durch diese Resonanz erzeugten Überspannung gering ist, befindet sich der Kern aufgrund der oft deutlich unterhalb der Nennfrequenz liegenden Überspannungsfrequenz in einem stark gesättigten Zustand. Zu den möglichen Auswirkungen gehören erhöhte relative Erdspannung, übermäßiger Erregerstrom oder niederfrequente Schwingungen, die zu Isolationsüberschlägen, dem Auslösen von Überspannungsableitern, der Entstehung hoher Nullspannungskomponenten, Phantom-Erdungsphänomenen und fehlerhaften Erdungsanzeigen führen können. In schweren Fällen kann dies Schutzfehlfunktionen hervorrufen oder Überstrom im Spannungswandler verursachen, was zum Durchbrennen des Spannungswandlers führen kann. 1. Fehlerphänomen und zugehörige Daten: Das 6-kV-System besteht aus acht Abschnitten und verwendet elektrische Schaltanlagen der Shanghai Huatong Switchgear Factory. Seit der Inbetriebnahme traten an den Hauptkomponenten der Anlagen keine größeren Defekte auf, jedoch fielen acht Hilfsmess-Spannungswandler aus. Die Symptome umfassten Gehäuserisse und das Herausschleudern von internem Isoliermaterial, wodurch die relevanten Schutzfunktionen des 6-kV-Systems ausfielen und einige automatische Funktionen nicht mehr verfügbar waren. Dies stellt eine erhebliche Gefahr für den sicheren und stabilen Betrieb des Hilfsstromsystems des Kraftwerks dar. 2. Vorläufige Untersuchung der Fehlerursachen : Basierend auf den Fehlerphänomenen deutet eine erste Einschätzung auf folgende Ursachen hin: 1) Mangelhafte Produktqualität: Unzureichende Isolierung, Kernblechung und Wicklungsprozesse können zu einer übermäßigen Erhitzung des Spannungswandlers führen. Dies hat einen dauerhaften Betrieb der Isolierung bei hohen Temperaturen, beschleunigte Alterung und schließlich einen Ausfall zur Folge. Tritt in der Primärwicklung dieses Spannungswandlertyps ein Windungsschluss auf, steigt der Strom rapide an, und das ferromagnetische Feld sättigt sich schnell. Dies führt zu Resonanzüberspannung, Isolationsdurchschlag und dem Auslösen der Hochspannungssicherung. 2) Die Sekundärlast des Spannungswandlers ist zu hoch, und die Primär- und Sekundärströme sind zu hoch, sodass die Summe der Sekundärlastströme den Nennwert überschreitet. Dies führt zu einer erhöhten Erhitzung der internen Wicklungen des Spannungswandlers, insbesondere bei Spannungen über der Nennspannung des Spannungswandlers (6 kV), wo die interne Erhitzung noch stärker ausfällt. Darüber hinaus handelt es sich bei diesem System um ein System mit unzureichender Neutralpunkt-Erdung, wodurch die Primärspannung im Betrieb Schwankungen unterliegt. Bei Überspannung in einer bestimmten Phase ist die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Ausdehnung und eines Berstens des Spannungswandlers in dieser Phase erhöht. Spannungswandler-Modellnummer | Phänomen | Bemerkungen 601 | VKI7.2C Phasenberst, verursacht Windungsschluss. Nach dem Austausch gegen einen Spannungswandler vom Typ JDZX8-6, weniger als zwei Tage nach der Inbetriebnahme, Berstung der Phase B, verursacht Windungsschluss. 603 | VKI7.2A Phasenberstung, verursacht Windungsschluss. 604 | VKI7.2A Phasenberstung, verursacht Windungsschluss. 606 | VKI7.2A und C Phasenberstung, verursacht Windungsschluss. 607 | VKI7.2A und C Phasenberstung, verursacht Windungsschluss. Technische Parameter: Übersetzungsverhältnis 600/√3/100√3/100/3, Nennleistung 90/100 VA. Hinweis der Shanghai Instrument Transformer Factory: 1) Der Spannungswandler vom Typ VKI7.2 ist ein Importprodukt; das entsprechende inländische Modell ist JDZX8-6. In jedem der 6-kV-Abschnitte I bis VIII befindet sich ein Satz (3 Einheiten) von Wandlern mit einem Übersetzungsverhältnis von 6000/3/100/3/100/3. 2) Das Verfahren ist ein halbisoliertes Gießharzverfahren; die Spannungsfestigkeit am Primär-Neutralpunkt beträgt 3 kV (Werksangabe). 3) Ein Spannungswandler-Durchschlag aufgrund von Ferroresonanz tritt auf, da die Sammelschiene, an der sich der Spannungswandler befindet, einen hohen Anteil induktiver Lasten trägt, insbesondere die Abschnitte III und IV mit ihren leistungsstarken Tiefbrunnenpumpen. Bei der Lastverteilung ist die induktive Reaktanz größer als die kapazitive Reaktanz. Aus unbekannten Gründen schwankt die Systemspannung (z. B. durch häufiges Ein- und Ausschalten von Tiefbrunnenpumpen), was zu plötzlichen Strom- und Spannungsänderungen im Stromkreis führt. Dies kann eine schnelle Sättigung des Transformatorkerns und einen Abfall der induktiven Reaktanz zur Folge haben. Sobald die induktive Reaktanz kleiner als die kapazitive Reaktanz ist, tritt Ferroresonanz auf, wodurch der Erregerstrom des Transformators um ein Vielfaches ansteigt. Die Überspannungsamplitude erreicht nahezu 2,5 Ue oder sogar über 3,5 Ue und hält relativ lange an. Der Transformator arbeitet unter solch hohen Spannungen und Strömen, was zu einem raschen Temperaturanstieg und somit zu Schäden führt. Basierend auf dieser Analyse wurde eine Qualitätskontrollgruppe zur Ursachenforschung eingesetzt und Mitarbeiter zur Untersuchung entsandt. Die Untersuchungsergebnisse zeigten: (1) Es dürfte kein Produktqualitätsproblem vorliegen. Der Grund dafür ist, dass der Transformator in Ostchina weit verbreitet ist. Den gesammelten Daten zufolge weisen die Produkte des Herstellers eine gute Leistung auf. Obwohl es vereinzelt zu Problemen kam, entstanden keine so gravierenden Schäden wie im Kraftwerk Ertan. (2) Die Annahme, die Sekundärlast des Spannungswandlers sei zu hoch und verursache Schäden, ist ebenfalls falsch. Die Nennleistung der Sekundärwicklung des Spannungswandlers der Klasse 0,5 beträgt 90 VA. Am 16. November 1998 wurde die Sternlast auf der Sekundärseite des Spannungswandlers 604 gemessen. An den Sekundärkreis wurde eine 100-V-Drehstromversorgung (mit automatischer Abschaltung im Standby-Modus) angeschlossen. Die Messwerte waren Ia = 0,61 A, Ib = 1,05 A und Ic = 0,605 A. Die gemessene Sternlast betrug Sa = 35,2 VA, Sb = 60,6 VA und Sc = 35 VA. Die Gesamtausgangsleistung des Spannungswandlers lag bei 105,6 VA. Am Folgetag wurde die Sternlast auf der Sekundärseite des Spannungswandlers 601 gemessen. An den Sekundärkreis wurde eine 100-V-Drehstromversorgung angeschlossen (der automatische Umschalter war deaktiviert, und ein Stromzähler war nicht installiert). Die Messwerte waren Ia = 0,4 A, Ib = 0,7 A, Ic = 0,4 A. Die gemessene Stern-Lastleistung betrug: Sa = 23,09 VA, Sb = 40,04 VA, Sc = 23,09 VA, und die Gesamtausgangsleistung des PT betrug 69,28 VA. Die Analyse der Messergebnisse ergab, dass bis auf eine Phase des 604PT, die den Nennwert überschritt, alle anderen innerhalb des Nennbereichs lagen. Da eine Reihenschaltung von PTs in der Regel mit 50 VA ausreichend ist, sollte die Kapazität von 90 VA ausreichend sein. Daher dürfte die hohe Anzahl an PT-Ausfällen in Ertan auf elektromagnetische Resonanz zurückzuführen sein. 3. Einige Merkmale der Ferroresonanz: 1) Bei ferroresonanten Schaltungen kann die Schaltung unter gleicher Versorgungsspannung mehrere stabile Betriebszustände aufweisen. Der stabile Betriebszustand hängt vom durch äußere Einflüsse hervorgerufenen Einschwingvorgang ab. 2) Die nichtlinearen ferromagnetischen Eigenschaften des Spannungswandlers sind die Hauptursache für ferromagnetische Resonanz. Die Sättigung des ferromagnetischen Elements selbst begrenzt jedoch die Amplitude der Überspannung. Zusätzlich dämpfen und begrenzen die Schaltungsverluste die Resonanzüberspannung. Überschreitet der Schaltungswiderstand einen bestimmten Wert, tritt keine starke ferromagnetische Resonanzüberspannung auf. 3) Bei Serienresonanzschaltungen ist die notwendige Bedingung für die Entstehung einer ferromagnetischen Resonanzüberspannung ω₀ = 1/L₀C < ω. Daher kann ferromagnetische Resonanz in einem weiten Bereich auftreten. 4) Die Energie zur Aufrechterhaltung der Resonanzschwingung und zum Ausgleich der Schaltungswiderstandsverluste wird von der Netzfrequenzversorgung bereitgestellt. Damit Netzfrequenzenergie in Energie anderer Resonanzfrequenzen umgewandelt werden kann, muss der Umwandlungsprozess periodisch und rhythmisch erfolgen, d. h. Resonanz bei der halben (1, 2, 3…) Frequenz. 5) Beschädigung des Spannungswandlers durch ferromagnetische Resonanz. Elektromagnetische Resonanz (Frequenzteilung) erfordert im Allgemeinen die folgenden drei Bedingungen: ① Die Nichtlinearität des ferromagnetischen Spannungswandlers ist die Hauptursache für ferromagnetische Resonanz. ② Die induktive Reaktanz des Spannungswandlers sollte maximal das 100-fache der kapazitiven Reaktanz betragen, d. h. die Parameteranpassung muss im Resonanzbereich liegen. ③ Es müssen Anregungsbedingungen vorliegen, wie z. B. plötzliches Abschalten des Spannungswandlers, plötzliches Verschwinden eines einphasigen Erdschlusses, externe Störungen des Systems oder durch den Systembetrieb erzeugte Überspannungen. Experimenten zufolge ist der Strom der Subfrequenzresonanz mehr als 240-mal so hoch wie der Normalstrom, der Strom der Netzfrequenzresonanz etwa 40- bis 60-mal so hoch und der Strom der Hochfrequenzresonanz noch geringer. Unter diesen Resonanzen ist die Subfrequenzresonanz die schädlichste. Bei guter PT-Isolation gefährden Netzfrequenz- und Hochfrequenzresonanzen im Allgemeinen nicht die Sicherheit der Anlagen. Das 6-kV-System weist jedoch die oben genannten Bedingungen auf. 4 Gängige Methoden zur Beseitigung ferromagnetischer Resonanz: Basierend auf der obigen Analyse der Eigenschaften ferromagnetischer Resonanz im Stromverteilungssystem lassen sich leicht Lösungen finden. Gängige Lösungen sind: 1) Hinzufügen eines Dämpfungswiderstands zum Neutralpunkt des Primärkreises des PT. Diese Methode ist weit verbreitet, und viele Hersteller produzieren standardisierte Produkte, die auf dieser Methode basieren und in der Praxis zufriedenstellende Ergebnisse erzielen. Beispielsweise ist der Oberwellenunterdrücker der RXQ-Serie der Xi'an Porcelain Factory in Reihe zwischen dem Neutralpunkt der Primärwicklung des PT und Erde geschaltet. Seine internen Komponenten bestehen aus hochkapazitiven, nichtlinearen Siliziumkarbidwiderständen und Kühlkörpern, die in Reihe in einer Porzellanbuchse geschaltet sind. Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Bei niedriger Spannung weist der Entstörwiderstand einen hohen Widerstandswert (bis zu mehreren hundert Kiloohm) auf, wodurch die Resonanzbildung im Anfangsstadium erschwert wird. Bei einem einphasigen Erdschluss liegt am Entstörwiderstand eine Spannung von über tausend Volt an, wodurch sein nichtlinearer Widerstand sinkt und die Schutzfunktion nicht beeinträchtigt wird. 2) Bei einigen Umspannwerken oder Verteilungsnetzen mit weniger strengen Anforderungen wird ein fester (oder variabler) Dämpfer parallel zur offenen Dreieckseite des Spannungswandlers angeschlossen.