Переходные процессы в трансформаторах при перенапряжениях.

Электромагнитное преобразование энергии в трансформаторах происходит при сравнительно низких частотах — 50— 1000 Гц. При этих частотах схема замещения трансформатора состоит из активных и индуктивных сопротивлений.

При эксплуатации трансформаторы могут подвергаться воздействию высокочастотных напряжений прямоугольной формы в кратковременных импульсах, значительно превосходящих по амплитуде номинальное напряжение трансформатора. Перенапряжения в энергосистемах возникают при коммутационных операциях (отключении и включении линий передачи и трансформаторов), авариях и грозовых разрядах. Характерной формой волны перенапряжений является апериодическая волна(рисунок2.81,а).Начальный,крутонарастающийучастокдо Vm называютфронтом волны, а спадающий участок — спадом волны. При этом длительность фронта волны составляет несколько микросекунд, а вся волна перенапряжений действует десятки микросекунд. Наиболее опасна волна с прямоугольным фронтом (рисунок 2.81,б). Она дает наибольшие перенапряжения, а при разложении прямоугольной волны на гармонические составляющие амплитуды высших гармоник максимальны. Волны с прямоугольным фронтом приходят к трансформаторам при грозовых перенапряжениях. При грозовых разрядах отрицательные заряды двигаются вдоль линии со скоростью света (рисунок 2.82). Многократно отражаясь от концов линии, волны, вызванные грозовыми разрядами, кратковременно создают амплитуды напряжений, в десятки раз превышающие номинальное напряжение трансформатора. Чтобы предохранить от пробоя изоляцию обмотки трансформатора Т, перед трансформатором устанавливают разрядники F (рисунок 2.82) и усиливают изоляцию на входных витках обмотки. Вилитовые разрядники, состоящие из нелинейных сопротивлений, лишь уменьшают перенапряжения на трансформаторах, поэтому конструкция трансформатора должна предусматривать устойчивость трансформатора к перенапряжениям.

Рисунок 2.81., Волны перенапряжений: а — апериодическая; б — прямоугольная

Рисунок 2.82., Грозовые перенапряжения в линиях передачи н трансформаторах

При исследовании переходных процессов при перенапряжениях схема замещения трансформатора наряду с распределенными индуктивностями и активными сопротивлениями имеет емкости между витками, катушками и землей (рисунок 2.83). При высоких частотах емкостное сопротивление уменьшается и его необходимо учитывать. Индуктивное сопротивление трансформатора ωL становится столь большим, что можно считать его равным бесконечности.

Рисунок 2.83., Схема замещения для обмоток трансформатора при быстропротекающих переходных процессах

Схема замещения трансформатора при перенапряжениях состоит из частичных емкостеймеждувиткамиС12,С13 дляобмоткивысшегонапряжения,емкостеймеждувиткамиобмоткии землей С13,С23,...,Сn3 и емкостей между витками обмоток высшего и низшего напряжений С11,С22,...,Сnn.Такиежеемкостиимеютсядляобмотки низшего напряжения (для упрощения изображения на рисунке 2.83 не обозначены). Достаточно сложная схема замещения рисунок 2.83 не отражает всех емкостных связей. Надо иметь в виду, что и по длине витка емкости изменяются, так как в части витка, расположенной ближе к баку, и в части витка, расположенной в окне трансформатора, емкости различные.

Обычно переходные процессы при перенапряжениях рассматривают по более простой схеме (рисунок 2.84). В этой схеме активные сопротивления обмоток приняты равныминулю,а емкости витков разделены на продольные емкости С1d,С2d,...,Сnd и поперечные емкости С1q,С2q...,Сnq,

Рисунок 2.84., Упрошенная схема замещения обмоток трансформатора при переходных процессах

Если считать, что при высоких частотах, которые имеют место при перенапряжениях, ωL>>1/ωC, и ток, протекающий через индуктивности витков, равен нулю, то схема замещения еще более упростится и по ней более наглядно можно рассматривать переходные процессы при перенапряжениях (рисунок 2.85).

Рисунок 2.85., Схема замещения, состоящая из емкостей Для схемы замещения рисунок 2.85 продольная емкость

Cd = n;

(2.121)

å (1 Cid)

i =1

полная поперечная емкость

n

Cq = å Ciq.

i =1

(2.122)

При перенапряжениях волна с крутым фронтом заряжает продольные и поперечные емкости, не проходя по индуктивным сопротивлениям трансформатора. В первый момент переходного процесса трансформатор представляет собой входную емкость:

C вх=

Cd × Cq.

(2.123)

Входная емкость мощных высоковольтных трансформаторов достигает 10-9—10-11пФ. Волна с крутым фронтом в первый момент заряжает трансформатор, заряд трансформатораопределяетсявходнойемкостью С вх,а на выходе трансформатора напряжение достигает двойного напряжения волны.

Чтобы рассмотреть процессы в трансформаторе при перенапряжении, обратимся к элементу емкостной цепи обмотки (рисунок 2.86). Если принять длину обмотки равной1,тонапряжениенаэлементесхемызамещения dx будет dux.

Рисунок 2.86., Элемент емкостной цепи обмотки Из соотношения

u = q C,

(2.124)

где q —заряд на емкости; С — емкость, определяем, что на емкостях, включенных

последовательно,заряд будет qх, а напряжение Cd dx

на емкостях, включенных

параллельно,напряжение Cd

Из рисунка 2.86 следует

dx, а заряд dqx.

Найдем qx из(2.126)и,подставивв (2.125), получим

x -

dx 2

C q u C x

= 0.

(2.127)

d

Решение (2.127) имеет вид

+ A 2 e

- ax,

(2.128)

где

a = Cq Cd.

(2.129)

В современных трансформаторах а = 5-15. Постоянные интегрирования А1 и А2

находятся из граничных условий.

В начальный момент времени электрические заряды и токи

i = dq

dt распределяются

по продольным емкостям неравномерно, так как по мере подхода к концу обмотки все большие токи проходят через поперечные емкости. Поэтому через продольные емкости начальных витков проходят большие токи. В результате падения напряжения на продольных емкостях также распределяются неравномерно, уменьшаясь от начала к концу обмотки.

Из (2.127) для заземленной обмотки

sh (ax)

ux = uA

sh (a).

(2.130)

Для обмотки с незаземленной нейтралью

ch (ax)

ux = uA

ch (a).

(2.131)

На рисунке 2.87 показано начальное распределение напряжения по схеме замещения рисунок 2.85 для обмотки с заземленной нейтралью, а на рисунке 2.88 — с незаземленной нейтралью.

Рисунок 2.87., Начальное распределение напряжения для обмотки с незаземленной нейтралью

Рисунок 2.88., Начальное распределение напряжения для обмотки с заземленной нейтралью

Как видно из рисунков 2.87 и 2.88, распределение начального напряжения при а >5 неравномерное. При волне с крутым фронтом на входных витках возникают значительные перепады напряжений, опасные для изоляции трансформатора. При х=1 для обмотки с заземленной нейтралью (рисунок 2.87)

grad (ux

) = [ du

= au

Acth (a).

(2.132)

grad (ux

) = [ du

= au

Ath (a).

(2.133)

[ du

dx ]

= au.

(2.134)

x x =1 A

В идеальном случае — при прямолинейном распределении напряжения их — иАх —крутизнапостояннаи равна dux/dx=uA. В реальной обмотке, когда а ¹ 0,максимальнаякрутизна начального распределения напряжения в а раз больше, чем при а=0. Для трансформаторас Uном=500кВ,имеющего50катушекв обмотке, при равномерном распределении на катушку ложится 10 кВ. При а =10 на входной катушке будет начальное напряжение 100 кВ.

Следует отметить, что электротехническая промышленность в настоящее время освоила выпуск трансформаторов на напряжение 1150 кВ.

Рассмотрим период перехода от начального распределения напряжения к конечному. В этом переходе необходимо учитывать индуктивные сопротивления и рассматривать обмотку и ее элементы как колебательные контуры. Переход от начальной стадии к конечной происходит в виде высокочастотных колебаний, которые затухают из- за потерь в трансформаторе. При этом напряжения стремятся к установившимся значениям.

На рисунках 2.89, 2.90 показано распределение напряжения (в относительных единицах) в различные моменты времени между начальным (t=0) и конечным (t= ¥)

распределениями напряжения для обмоток с заземленной и изолированной нейтралями.

Рисунок 2.89., Переходный процесс в обмотке с нейтралью заземленным концом при воздействии прямоугольной волны

Из кривых видно, что при проникновении прямоугольной волны в обмотку волна деформируется и, отражаясь от другого конца обмотки, накладывается на прямую волну, создавая сложную картину распределения напряжений во времени. На характер колебательных процессов влияют амплитуда и форма напряжений и параметры обмотки (ее индуктивные, емкостные и активные сопротивления). Разлагая падающую на обмотки трансформатора волну в гармонический ряд, можно представить, что бесконечный спектр гармоник воздействует на обмотки, вызывая резонансные колебания и весь сложный переходной процесс при перенапряжениях.

Рисунок 2.90., Переходный процесс в обмотке с незаземленным концом при воздействии прямоугольной волны

На рисунках 2.91 и 2.92 представлено изменение напряжения на витках обмотки в точке а (рисунки 2.89, 2.90) при прямоугольной бесконечно длинной волне и апериодической волне конечной длины с крутым фронтом.

Рисунок 2.91., Изменение напряжения в точке а (см. рисунок 2.89) относительно земли при прямоугольной волне

Рисунок 2.92., Изменение напряжения в точке а относительно земли при апериодической волне с конечной длиной

Как ни сложны переходные процессы при перенапряжениях, основные влияния их на работу трансформатора были выявлены еще в 30-х годах. Основное воздействие перенапряжений принимают на себя входные витки и катушки обмотки, наиболее опасны волны с крутым фронтом.

При проектировании трансформаторов для обеспечения надежности работы необходимо усиливать изоляцию входных витков и катушек, а также стремиться к

выравниванию начального распределения напряжения. Для этого надо увеличивать емкость входных витков и катушек.

Увеличение емкости достигается путем применения разомкнутых емкостных колец и электростатических экранов (рисунок 2.93). Емкостные кольца изготовляются из твердого изоляционного материала с металлизированной поверхностью. Для большего сближения начального и конечного распределений напряжений применяют электростатические экраны, представляющие собой разомкнутые изолированные кольца, охватывающие первые катушки и соединенные с входным концом обмотки.

Рисунок 2.93., Конструкция обмотки грузоупорного трансформатора:

1 — кольцо; 2 — экран; 3 — катушка с усиленной изоляцией

Трансформаторы с емкостными кольцами и электрическими экранами называются нерезонирующимй или грозоупорными трансформаторами. Нерезонирующие трансформаторы выдерживают грозовые и коммутационные перенапряжения и подключаются к воздушным и кабельным линиям.

Распределение начального и конечного напряжений и емкостная схема замещения нерезонирующего грозоупорного трансформатора показаны на рисунке 2.94.

Рисунок 2.94., Распределение напряжений относительно земли в обмотке грозоупорного трансформатора: 1 — конечное напряжение; 2 — начальное напряжение

Как следует из рисунка 2.94, увеличение емкости на входных витках приводит к более равномерному распределению напряжения между витками, что и повышает стойкость трансформатора к перенапряжениям.

Для выравнивания начального напряжения применяют также экранированные многослойные обмотки, специальную укладку в дисковых обмотках, шунтирование катушек обмотки высшего напряжения нелинейными сопротивлениями. В высоковольтных трехфазных трансформаторах с изолированной нейтралью во избежание перенапряжений у нулевой точки включают разрядник, реактор и конденсатор. Такое устройство обеспечивает изоляцию нейтрали и снимает перенапряжения.

В последнее время все больше используются переплетенные обмотки, в которых последовательное соединение витков отличается от последовательного расположения их в катушках в сочетании с емкостными кольцами.

При эксплуатации трансформаторов нельзя допускать воздействия на их обмотки волн с амплитудой, превышающей допустимую.

Переходные процессы при перенапряжениях в автотрансформаторах качественно могут анализироваться так же, как в трансформаторах, хотя волновые процессы в автотрансформаторах имеют некоторые особенности.