Перенапряжения в трансформаторах

В условиях нормальной работы трансформатора как между отдельными витками и катушками обмоток, так и между обмотками и заземленным магнитопроводом действуют синусоидальные напряжения номинальной частоты и амплитуды, которые неопасны для трансформатора, если он правильно рассчитан. Обмотки трансформатора состоят из большого числа витков с одинаковыми индуктивными и активными сопротивлениями, так что напряжение, приложенное к обмотке, равномерно распределяется вдоль нее. При заземленном конце обмотки напряжения, действующие между ее витками и заземленным магнитопроводом, изменяются равномерно, уменьшаясь по мере приближения к концу обмотки. При изолированном конце все точки обмотки находятся под одним и тем же напряжением относительно заземленного магнитопровода.

Однако в процессе эксплуатации трансформатор подвергается также воздействию напряжений, превосходящих номинальное напряжение по амплитуде и имеющих другую частоту и форму кривой. Перенапряжения в трансформаторах вызываются различными причинами: коммутационными, короткими замыканиями, грозовыми разрядами и др. Наибольшие перенапряжения (до десятикратных значений номинального напряжения) возникают при грозовых разрядах. Эти перенапряжения называются атмосферными. Перенапряжения, возникающие вследствие коммутационных причин, воздействуют в основном на главную изоляцию обмоток; атмосферные перенапряжения наиболее опасны для продольной изоляции.

В большинстве случаев грозовые разряды создают в линии перенапряжения в виде кратковременных импульсов, причем амплитуда и форма импульса перенапряжения, проникающего в обмотки трансформатора, в значительной степени зависят от дальности атмосферного раз и т. п. Увеличение напряжения от 0 до максимума (фронт волны) происходит за очень короткий отрезок времени, измеряемый часто десятыми долями микросекунды. Волна с крутым фронтом может рассматриваться как четверть периода периодического напряжения очень высокой частоты. В этом случае трансформатор ведет себя не так, как при нормальной его работе.

Помимо активных и индуктивных сопротивлений обмоток трансформатора имеются емкостные связи, упрощенная схема которых для одной какой-либо. Обычно в трансформаторах а=5/15, так что распределение напряжения вдоль обмотки крайне неравномерно и почти одинаково для обмоток с заземленной и изолированной нейтралью. Кривые распределения напряжения показывают, что при перенапряжениях наибольшей опасности подвергается изоляция начальных катушек, так как максимальная часть напряжения в начальные моменты приходится на эти катушки.

В трансформаторах с номинальным напряжением обмоток до 35 кв для защиты от атмосферных перенапряжений усиливают изоляцию провода (до 1,35 мм на обе стороны) для первой и второй катушек в начале и в конце обмотки, а также увеличивают вентиляционные каналы между ними. В трансформаторах с напряжением обмоток 110 кв и выше применяют емкостную компенсацию. Для этого используют добавочные емкости, выполненные в виде экранов особой формы, окружающих обмотку высшего напряжения. Емкости С’э, Сэ’,... подбирают таким образом, чтобы токи в продольных емкостях С’ были одинаковы и, следовательно, начальное распределение перенапряжения было равномерным.

Выравнивание электрического поля у концов обмотки достигается применением емкостных колец, являющихся разомкнутыми шайбообразными электростатическими экранами. Емкостное кольцо изготовляют из тонкой медной ленты шириной 20—30 мм, за­вернутой в кабельную бумагу и наматываемой в два слоя (бифилярно) на электрокартонную шайбу со скругленными краями. Применение емкостных колец снижает максимальные напряжения, возникающие между начальными и концевыми катушками обмоток, но не устраняет полностью необходимость их усиленной изоляции.

Дальнейшее уменьшение больших напряжений на начальных катушках достигается применением емкостных витков. Эти витки, являющиеся также электростатическими экранами, выполняют в виде разомкнутых металлических колец, охватывающих несколько первых катушек обмотки и соединенных с ее линейным концом. Экранирующие витки выполняются из того же провода, что и витки катушек и имеют усиленную изоляцию (5 мм на сторону). Витки, экранирующие несколько катушек обмотки в начале и в конце, соединяют параллельно. Все начала экранирующих витков, отводы обмоток и емкостного кольца соединяют на общую гребенку. Для уменьшения экранирующих емкостей витки катушек, более удаленных от начала, располагают на большем расстоянии от катушек обмотки, чем начальные экранирующие витки. Схема расположения емкостных витков и кольца по высоте обмотки

Опасные по величине напряжения для начальных катушек обмоток возникают также при резком спаде напряжения, называемом срезом волны. Срез волны возникает в случае перекрытия линии и его можно рассматривать как наложение волн и 2 разных знаков, следующих друг за другом. При срезе волны происходит новое распределение потенциалов под действием волны с амплитудой U1+U22. которая зависит oт места среза и часто бывает больше амплитуды перенапряжения U.

Выше мы установили, что начальное распределение напряжения и конечное его распределение по длине обмотки с заземленной нейтрально различны. Процесс проникновения волны перенапряжения можно рассматривать как постепенный переход от начального к конечному распределению напряжения. Так как трансформатор представляет собой систему различным образом соединенных между собой индуктивностей и емкостей, образующих резонансные контуры, то переход от начального распределения напряжения к конечному сопровождается колебательными процессами. Эти колебания имеют затухающий характер за счет активного сопротивления обмоток однако могут привести к тому, что напряжения между отдельными точками (катушками) обмотки окажутся больше амплитуды перенапряжения и будут во много раз превосходить нормальное рабочее напряжение между этими точками. В результате этого в трансформаторе возможны пробои и перекрытия (поверхностные разряды) изоляции. Примерное распределение напряжения вдоль обмотки с заземленным концом в момент, следующий за начальным, при колебательных. В этом случае наибольшее напряжение приходится на последний заземленный виток, т. е. наиболее опасен пробой изоляции у последних витков.

В дальнейшем колебания будут вызывать изменение распределения, напряжения вдоль обмотки. Это распределение в любой момент времени от начального до конечного представляется некоторой кривой, лежащей между кривыми. Таким образом, опасность пробоя изоляции за счет колебательных процессов существует для любого витка обмотки. Распределение напряжения по длине обмотки в начальный и конечный моменты в трансформаторе с изолированной нейтралью Колебания напряжения при переходе от начального распределения к конечному происходят в пределах, определяемых кривыми. В этом случае колебания напряжения происходят в более широких пределах, чем при заземленном конце обмотки. Это является существенным недостатком систем с (изолированной нейтралью. В трансформаторах с емкостными витками и кольцами электромагнитные колебания при переходных процессах выражены значительно слабее. Такие трансформаторы называются грозоупорными или нерезонирующими, так как у них практически устранена опасность возникновения значительных резонансных колебаний в I обмотках при воздействии периодических затухающих волн.

НОВОСТИ КОМПАНИИ