Данная заметка посвящена вопросу, который обсуждается в одной из веток форума «Советы бывалого релейщика». Вопрос возник по осциллограмме переходного процесса в сети 10 кВ и состоял в том, что не феррорезонанс ли это. Попробуем найти ответ на него путём анализа записанного процесса.
Для начала обратим внимание, как проявляется в фазных напряжениях начало переходного процесса (рис. 1). В момент времени 488 мс возникает некая коммутация в сети. То, что это коммутация, видно по скачкообразному изменению фазных напряжений в указанный момент времени. Изменяются напряжения следующим образом. Напряжения фазы А и фазы В по уровню возрастают, а напряжение фазы С снижается до нуля. Такое поведение напряжений бывает при однофазных замыканиях на землю. Т.е. с вероятностью 99 % мы наблюдаем однофазный пробой изоляции в фазе С. Теперь возникает вопрос, устойчивый ли это пробой, и если неустойчивый и не перемежающийся (т.е. если это однократный пробой), то какой длительности. Чтобы разобраться, посмотрим на записанный ток нулевой последовательности 3i0 (рис. 2).
Рис. 1. Начало переходного процесса в фазных напряжениях
По току 3i0 видим возникновение пробоя изоляции также в момент времени 488 мс (кроме того, можно видеть пробой в момент времени 460 мс, но этого пробоя почему-то не видно в напряжениях). Далее примерно через 1 мс происходит первый переход тока через ноль и погасание дуги в месте замыкания. Выходит, что уже с момента времени 490 мс идёт переходный процесс восстановления напряжения. Сопровождается ли он феррорезонансом ТН? Давайте разбираться.
Рис. 2. Осциллограмма тока нулевой последовательности
Из обсуждения на форуме стало известно, что рассматриваемая сеть работает с компенсацией ёмкостного тока с помощью дугогасящего реактора (ДГР). Согласно СТО 56947007-29.240.10.191-2014, «при наличии ДГР в таких схемах феррорезонанс невозможен». Исходя из этого, можно сделать вывод, что наблюдаемый после погасания дуги переходный процесс отношения к феррорезонансу, как таковому, не имеет. Тогда что же это такое?
Установкой ДГР создаётся колебательный RLC-контур. Скорее всего, свободный процесс в данном эквивалентном контуре мы и наблюдаем в рассматриваемом случае. Проанализируем этот свободный процесс по напряжению фазы С uC начиная с момента 500 мс. Применение структурного анализа позволяет разделить напряжение uC на принуждённую и свободную составляющую: uC = uС,пр + uC,св. Принуждённая составляющая напряжения uC изображена на рис. 3. Частота этой составляющей составляет точно 50 Гц, действующее значение равно номинальному напряжению. Свободная составляющая напряжения uC изображена на рис. 4.
Рис. 3. Принуждённая составляющая напряжения uC с момента времени 500 мс (на рис. это 0 мс)
Рис. 4. Свободная составляющая напряжения uC с момента времени 500 мс (на рис. это 0 мс)
Примечательно, что полученная свободная составляющая напряжения uC с точностью до коэффициента 
практически совпадает с напряжением нулевой последовательности 3u0 (рис. 5). Чтобы увидеть, насколько близко совпадают указанные напряжения, они наложены друг на друга на рис. 6.
Рис. 5. Осциллограмма записанного напряжения нулевой последовательности
Итак, мы выяснили, что переходный процесс после погасания дуги в месте однофазного пробоя изоляции протекает только в контуре нулевой последовательности. Может ли проявлять себя так феррорезонанс? Согласно СТО 56947007-29.240.10.191-2014, «в сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью при наличии ОЗЗ возможен феррорезонанс индуктивности ТН с ёмкостью сети. Феррорезонансные процессы могут развиваться только в нулевой последовательности. Междуфазные напряжения остаются без изменения». Выходит, что может. Но у нас есть ДГР…
Рис. 6. Совмещение свободной составляющей uC (чёрный кривая) с напряжением 3u0 (красная кривая)
Наличие ДГР вроде как исключает феррорезонанс (см. выше), поэтому пока будем исходить из того, что наблюдаемый переходный процесс – это колебательный процесс между ёмкостью сети и ДГР. Посмотрим какая частота у этих колебаний, измерив её по периодам uС,св. Осциллограмма измеренной частоты приведена на рис. 7. Что же это? Собственная частота колебательного RLC-контура изменяется во времени? Как такое возможно? Или контур не один, а несколько? Если так, то откуда эти дополнительные контуры?
Рис. 7. Измеренная частота свободной составляющей напряжения uС
Нужно поближе присмотреться к напряжению uС,св. Мы провели структурный анализ uС,св и выяснили, что это напряжение состоит ровно из четырёх затухающих синусоидальных составляющих с различными значениями частоты и коэффициента затухания:
.
Все эти четыре составляющие изображены на рис. 8-11.
Рис. 8. Составляющая напряжения uС,св с частотой 43,5 Гц
Рис. 9. Составляющая напряжения uС,св с частотой 41,3 Гц
Рис. 10. Составляющая напряжения uС,св с частотой 37,6 Гц
Рис. 11. Составляющая напряжения uС,св с частотой 33,8 Гц
В итоге получается, что перед нами четыре колебательных контура? Тогда один из них точно образован ДГР и ёмкостью сети. По собственной частоте колебаний этого контура можно определить степень расстройки компенсации ёмкостного тока. Чем ниже эта частота, тем больше расстройка компенсации. Возьмём наилучший для сети случай, т.е. примем, что собственная частота контура с ДГР составляет 43,5 Гц. Тогда получаем, что степень расстройки компенсации равна
,
причём это недокомпенсация. Что-то многовато. Насколько это реально? Ведь в соответствии с РД 34.20.179 «дугогасящие реакторы должны быть настроены на ток компенсации, как правило, равный ёмкостному току замыкания на землю (резонансная настройка). Допускается настройка с перекомпенсацией, при которой индуктивная составляющая тока замыкания на землю не превышает 5 А, а степень расстройки – 5%. При недокомпенсация расстройка не должна превышать 5%».
Таким образом, вопросов получили больше, чем ответов. Однозначно утверждать, что перед нами точно не процесс феррорезонанса (или что-то ещё), мы не можем.
Напоследок ответим однозначно хотя бы на один вопрос с форума. Цитата:
Ответ на рис. 12.
Рис. 12. Осциллограмма тока 3i0 (красным) и его оценка по производной 3u0 (синим)