Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 1
Лекция № 9
ПЕРЕХОДНЫЕ РЕЖИМЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Классификация переходных режимов
Переходные процессы в трансформаторах. Включение трансформатора в сеть вхолостую, ток включения. Внезапное короткое замыкание.
Перенапряжения в трансформаторах. Причины перенапряжений вдоль обмоток. Меры борьбы с перенапряжениями.
При всяком изменении одной или нескольких величин, определяющих работу трансформатора: напряжения, частоты, нагрузки и т. д., происходит переход от одного установившегося состояния к другому. Обычно этот переход длится очень короткое время, но тем не менее он может сопровождаться весьма значительными и опасными для трансформатора эффектами — возникновением очень больших механических усилий между обмотками или частями их, крайне неравномерным распределением напряжения между отдельными частями обмоток или даже отдельными витками, резким перегревом обмоток и т. д. Эти эффекты имеют особенно важное значение в современных мощных трансформаторах высокого напряжения. Поэтому современное трансформаторостроение разработало ряд мер, направленных на увеличение механической, электрической и термической прочности трансформаторов.
Смотря по тому, какой фактор – ток или напряжение — определяет в основном переходный режим, различают две главные группы явлений: а) явления сверхтоков н б) явления перенапряжений. Исследование этих явлений имеет весьма важлое эксплуатационное значение.
9.2. Сверхтоки
В наиболее отчетливой форме сверхтоки возникают: а) при включении трансформатора на сеть вхолостую и б) при коротком замыкании.
Ток включения. Будем считать, что вторичная обмотка трансформатора разомкнута. Мы знаем, что при установившемся режиме работы ток холостого хода силового трансформатора не превышает 10%. Но при включении трансформатора на сеть под напряжение, близкое к номинальному, могут наблюдаться резкие броски тока, во мцого раз превышающие номинальные значения тока холостого хода. Физически такие броски тока объясняются следующим образом. При установившемся режиме холостого хода данному значению подводимого напряжения =ab (рис. 10.1) соответствует значение установившегося потока . Но если не считаться с потоком остаточного памагничивания, то в момент включения трансформатора на сеть ток и создаваемый им поток должны быть равны пулю. Поэтому при включении трансформатора на сеть в нем возпикает такой по величипе свободный поток , чтобы было + . Если бы активное сопротивление системы
первичной обмотки было равно нулю (), то электромагнит-ная энергия, соответствующая потоку , не могла бы рассеяться и поток оставался бы постоянным по величине и знаку в течение неопределенного времени (штриховая прямая на рис. 10.1), налагаясь на периодически изменяющийся поток установив- шегося режима . В моменты, когда оба потока направлены по контуру сердечника трансформатора одинаково и, следовательно, арифметически складываются, сталь сердечника может оказаться насыщенной гораздо сильнее, чем при установившемся режиме холостого хода, соответственно чему растет и ток холостого хода, определяемый по кривой намагничивания трансформатора.'
В действительности , и поэтому поток постепенно затухает.
Будем считать, что подводимое напряжение изменяется синусоидально и не зависит от режима работы трансформатора. В этом случае уравнение ЭДС При включении трансформатора можно записать в виде:
(10.1)
Здесь – фаза включения, т. е. фазовый угол, определяющий значение в момент включения трансформатора на сеть (рис. 10.1).
Так как зависимость носит сложный характер, определяемый кривой намагничивания трансформатора, то решение уравнения (10.1) возможно только при упрощающем предположении, что поток является линейной функцией тока т. е. , где – постоянная индуктивность, соответствующая всему потоку, сцепленному с первичной обмоткой. Тогда уравнение (10.1) приобретает вид:
или
(10.2)
Это уравпение решается обычным путем [10]. Поток Фt выражается в виде суммы двух потоков –периодического потока соответствующего установившемуся режиму, и свободного потока Фсв, соответствующего переходному режиму. Таким образом,
Фt = +. (10.3)
Поток отстает от подводимого к трансформатору напряжения и почти на 90°. Поэтому
(10.4)
где Фm – амплитуда потока при установившемся режиме работы.
Для определения потока приравниваем правую часть уравнения (10.2) нулю и, решая полученное таким образом уравнение, находим:
где – постоянная интегрирования, определяемая из начальных условий. В момент включения трансформатора на сеть, т. е. при = 0, в сердечнике существует только поток остаточного намагничивания ± . В этом случае уравнение (10.3) папишется в виде:
Откуда
.
Подставляя это значение в уравнение (10.5), находим:
Наиболее благоприятные условия включения имеют место при и . В этом случае
,
т. е. в трансформаторе сразу устанавливается поток, соответствующий установившемуся режиму.
Наименее благоприятны условия включения при, т. е. когда и поток противоположен по знаку потоку (рис. 10.2).
В этом случае
(10.8)
Обычно, . В этом случае через полупериод, т.е. при , имеем:
Так как, согласно сказанному выше, , то
и
Намагничивающий ток , необходимый для создания такого потока, определяется по кривой намагничивания. На рис. 10.3 точки и на кривой соответствуют нормальному и двойному значению магнитной индукции силовых трансформаторов, т. е. нормальному и двойному значению потока . Мы видим, что амплитуда тока
включения может превысить амплитуду установившегося тока холостого хода во много раз. Осциллографические записи показывают, что при тл отношение , а при больших индукциях доходит до . Если иметь в виду, что ток, то ясно, что ток включения может превысить номинальный в раз.
На рис. 10.4, а показала осциллограмма тока включения при =0. Для сравнения на рис. 10.4, б показан установившийся ток холостого хода. Так как , то кривая тока включения затухает медленно: еще спустя 1 сек после включения трансформатора ток включения в три раза превышает ток . Полное затухание происходит через 6 – 8 сек. Но в мощных трансформаторах высокого напряжения процесс затухает иногда в течение 20 сек и более.
Ток включения не представляет опасности непосредственно для трансформатора, но он может привести к выключению его из сети.
Поэтому защитная аппаратура должна быть так рассчитана, чтобы можно было избежать неправильных отключений трансформатора.
Все наши рассуждения относились к однофазному трансформатору. При включении трехфазных трансформаторов всегда следует ожидать более или менее значительных волчков тока, так как всегда будет фаза, напряжение которой в момент включения близко к нулю.
Ток внезапного короткого замыкания. При внезапном коротком замыкании трансформатора мы можем пренебречь током холостого хода. В этом случае схема замещения трансформатора представляет собой элементарную электрическую цепь с общим активным сопротивлением и общим индуктивным сопротивлением (см. рис. 10.5). Так как потоки рассеяния распределяются главным образом в немагнитной среде, то . В этом случае уравнение ЭДС при внезапном коротком замыкании пишется в виде:
(10.9)
Здесь – фаза включения трансформатора при коротком замыкании, аналогичная фазе включения при холостом ходе (см. рис. 10.1).
Решая уравнение (10.9) относительно тока и считая, что
,
получаем
Здесь и – мгновенные значения установившегося и свободного токов короткого замыкания; – амплитуда установившегося тока короткого замыкания.
Наименее благоприятные условия короткого замыкания, которые следует учитывать при проектировании трансформаторов, имеют место, когда , т.е. когда ; в этом случае
(10.11)
Если короткое замыкание происходит при номинальном напряжении на зажимах трансформатора, то ,
где – напряжение короткого замыкания выраженное в процентах; – номинальный ток.
В предельном случае, при , ток не затухает (штриховая горизонтальная линия на рис. 10.5) и, следовательно, через полупериод от момента внезапного короткого замыкания амплитуда тока внезапного короткого замыкания достигает двойного значения амплитуды установившегося тока короткого замыкания, т.е.
В реальных трансформаторах ток затухает тем быстрее, чем больше отношение .
В трансформаторах малой мощности, для которых , процесс затухает за один-два периода, т.е. .
В трансформаторах большой мощности, где .
9.3. Термические явления при коротком замыкании
Хотя короткое замыкание трансформатора длится обычно очень недолго, тем не менее температура его обмоток может достигнуть значений, непосредственно угрожающих целости изоляции.
В настоящее время еще нет установленных пределов для кратковременного нагрева обмоток. Допустимыми считают температуры 200 – 250С, но лучше не переходить за предел, определяемый первым значением. Согласно приближенным подсчетам, время в секундах, в течение которого температура обмотки достигает 250° С, определяется следующей формулой:
(10.12)
Здесь – напряжение короткого замыкания и – средняя плотность тока.
Время нагревания обмотки до предельной температуры обычно не превышает 5 – 25 сек. Но время остывания обмотки до рабочей температуры после отключения короткого замыкания часто исчисляется десятками минут. Это объясняется относительно слабой интенсивностью процесса отведения тепла с поверхности обмоток в окружающую среду.
9.4. Механические усилия при внезапном коротком замыкании
Между проводниками, по которым ток протекает в противоположные стороны, как это практически имеет место при коротком замыкании трансформатора, возникают механические усилия – показанные на рис. 10.6. Обе силы мы можем разложить на радиальные составляющие и и осевые и . Первые стремятся растянуть наружную обмотку и сжать внутреннюю, вторые – сместить обмотки в осевом направлении. Так как при коротком замыкании , то силы и пропорциональны и, следовательно, носят периодически переменный характер.
Кроме усилий и между витками одной и той же обмотки действуют усилия , которые стремятся сжать обмотку по высоте.
На рис. 10.7, а, б и в показаны три типичных случая усилий, действующих при коротком замыкании. Эти усилия имеют место и в обычных условиях работы, но тогда они невелики и не представляют опасности, тогда как при коротком замыкании они увеличиваются в сотни раз и могут повести к аварии трансформатора.
Пусть – мгновенное значение тока короткого замыкания и – индуктивность рассеяния трансформатора.
Предположим, что за время ток не изменяется, а одна из обмоток под действием силы перемещается относительно второй обмотки на расстояние по направлению оси (рис. 10.8). При этом производится механическая работа . С другой стороны, перемещение обмотки вызывает изменение индуктивности и соответственно изменение электромагнитной энергии поля рассеяния на величину . Но то же перемещение обмотки ведет к изменению полного потока рассеяния на величину , соответственно чему в обмотке возникает ЭДС
.
Если, пренебрегая падением напряжения, считать, что ЭДС уравновешивается напряжением , т. е. , то из сети, питаю-
щей трансформатор, будет подведена энергия .
Эта энергия расходуется на совершение работы и изменение энергии поля рассеяния на величину , т. е.
или
откуда
(10.13)
Применим формулу (10.13) для определения силы в простейшей обмотке, показанной на рис. 10.7, а
По формуле (6.16) имеем:
.
Так как обмотка перемещается по направлению оси абсцисс, т.е. по ширине канала , то
Следовательно,
Ток достигает наибольшего значения при внезапном коротком замыкании в момент, когда . В этом случае
,
где в трансформаторах большой мощности и в трансформаторах малой мощности. Поэтому
(10.14)
Формулу (10.14)можно написать в более удобном виде, если принять что и подставить значение из формулы (6.18).
В окончательном виде
.
Если выражается в , – в см, а мы хотим получить в ньютонах , то
Так, например, в трансформаторе МТЗ имеем:
; ; ; ; ; .
Для трансформатора такой мощности . Тогда
Как мы уже говорили, эта сила, направленная по оси витка в обе стороны от любого сечения его, стремится разорвать внешнюю обмотку. Если – число витков данной обмотки и S – площадь поперечного сечения витка, то разрывающее усилие на единицу этой площади будет
Во взятом выше трансформаторе и , следовательно, . Обычно допускают .
Так как в трансформаторах нормальной конструкции силы и обычно гораздо меньше, чем сила , то расчет этих сил не производится.
9.5. Перенапряжения в трансформаторах.
Причины и характер перенапряжений.
Перенапряжением в трансформаторе может быть названо всякое повышение напряжения сверх наибольшего рабочего напряжения.1 Но обычно под перенапряжениями понимают кратковременные процессы, имеющие характер отдельных коротких импульсов, носящих периодический или апериодический характер.
Причинами перенапряжения могут быть:
явления атмосферного характера: прямые удары молнии в линию передачи, явления электромагнитной индукции в линии при разрядах облаков и электростатической индукции от заряженных облаков, электризации проводов линии ветром при участии мелких частиц пыли, снега и т. д.;
коммутационные процессы — включение, выключение, быстрые изменения нагрузок и т. д., сопровождающиеся резким изменением электромагнитной энергии системы;
процессы аварийного характера: короткие замыкания и отключения, повторные заземляющие дуги и т. д.
Характер процессов, происходящих в трансформаторе при перенапряжениях, зависит от формы электромагнитной волны. Различают: а) апериодические волны простые (рис. 10.9, а) и сложные (рис. 10.9, б), из которых первые чаще всего наблюдаются при атмосферных перенапряжениях, и б) периодические волны (рис. 10.9, в), наблюдаемые при коммутационных процессах.
Исследования показали, что а) перенапряжения, вызываемые процессами включения и выключения, могут превышать номинальное фазное напряжение в 2–5 раз; б) перенапряжения аварийного порядка – в 7–8 раз и в) перенапряжения, вызываемые атмосферными причинами,– в 7–12 раз. Перенапряжения, превышающие рабочее напряжение линии в 21/г раза, считаются безопасными; при превышении его в 31/2 раза они являются уже опасными.
__________________
Установлены следующие наибольшие рабочие напряжения трансформаторов в зависимости от напряжения, на которое рассчитана изоляция обмоток:
|
Напряжение, на которое рассчитана изоляция ообмоток, кВ |
3 |
6 |
10 |
15 |
20 |
35 |
110 |
154 |
220 |
|
Наибольшее рабочее напряжение |
3,5 |
6,9 |
11,5 |
17,5 |
23 |
40,5 |
121 |
169 |
242 |
Достигающие зажимов трансформаторов перенапряжения могут быть ограничены теми или иными мерами защиты. Гораздо опаснее те перенапряжения, которые возникают внутри трансформатора при распределении электромагнитной волны вдоль обмотки и при которых напряжения между отдельными катушками или даже отдельными витками обмотки могут во много раз превысить нормальные напряжения между ними при установившемся режиме работы трансформатора. Опыт показывает, что чаще всего повреждаются витки, ближайшие к выводам трансформатора, но. вообще говоря, перенапряжения и соответственно пробои изоляции могут возникнуть в любой точке обмотки в за вися мости главным образом от ее характеристик. Пробой изоляции влечет за собой выход трансформатора из строя и нарушение нормальных условий эксплуатации данной установки.
С этой точки зрения понятно, что перенапряжения в трансформаторах служили объектом многочисленных исследований и наблюдений.
Следует, однако, иметь в виду, что процессы, сопровождающие распространение волны перенапряжения в трансформаторе, отличаются чрезвычайной сложностью и в полном объеме ge поддаются математическому анализу. Приходится делать ряд упрощающих предположений, которые дают возможность свести явление к относительно простому виду и выяснить его основной характер. Тем не менее полученные результаты позволили сделать ряд ценных выводов и послужили толчком к развитию новых точек зрения на перенапряжения и, в частности, к развитию нового, так называемого грозоупорного типа трансформатора.
9.6. Схема замещения трансформатора при
перенапряжениях
Мы рассмотрим только простейший случай перенапряжений в
трансформаторе, когда имеется лишь одна обмотка ВН трансформатора, на которую набегает волна перенапряжения со стороны линейного зажима А (рис. 10.10), причем другой зажим X (нейтраль) может быть или изолирован, или заземлен.
При установившемся режиме работы ток протекает практически только по обмотке трансформатора, встречая на своем пути активные и индуктивные сопротивления. Но при перенапряжениях картина явления коренным образом изменяется. Действительно, процессы, связанные с перенапряжениями, протекают с чрезвычайной быстротой и воспринимаются трансформатором как колебательные процессы весьма высокой частоты. В этом случае индуктивное сопротивление трансформатора становится весьма большим, тогда как емкостное сопротивление, наоборот, уменьшается. В пределе можно считать, что при перенапряжениях ток протекает только по емкостным сопротивлениям (емкости С данной части обмотки, например катушки, относительно соседней части и емкости обмоток на землю Сэ). Для упрощения анализа емкости между отдельными обмотками не учитываются. В этих условиях эквивалентная схема трансформатора имеет вид, показанный на рис. 10.10.
Так как емкости С соединены последовательно, то емкость по длине обмотки составляет
, (10.15а)
где п – число элементов (катушек), из которых состоит обмотка.
Емкости на землю соединены параллельно, поэтому емкость обмотки относительно земли
. (10.19б)
Емкости и можно заменить одной эквивалентной, или так называемой входной емкостью:
. (10.19в).
При анализе процессов, происходящих в трансформаторе при перенапряжении, мы будем исходить из предположения, что на трансформатор набегает бесконечно длинная волна с прямоугольным фронтом.
Как известно, волна перенапряжения распространяется вдоль линии со скоростью , где L и – индуктивность и емкость на единицу длины линии; для воздушных линий эта скорость близка к скорости распространения света. При этом одной из основных характеристик линии является ее волновое сопротивление ; для воздушных линий ом; для кабельных линий вследствие значительно большей их емкости .
Волновое сопротивление трансформаторов в несколько раз больше, чем сопротивление воздушных линий, причем оно изменяется в зависимости от характера или частоты колебаний. Как известно, при переходе волны напряжения из цепи с меньшим волновым сопротивлением – в данном случае из линии – в цепь с большим волновым сопротивлением – в трансформатор – напряжение на зажимах трансформатора увеличивается и в пределе может удвоиться (рис. 10.11. а, б).
Время, за которое напряжение на входном зажиме трансформатора возрастает до двойного значения 2U0= U, весьма невелико – порядка 0,1 мк сек. За это время, т. е. практически мгновенно, емкостная цепь трансформатора (см. рис. 10.10) заряжается, и создается картина начального распределения напряжения вдоль обмотки. Эта картина может весьма резко отличаться от картины распределения напряжения в обмотке при установившемся режиме.
Поскольку в последующем течении процесса обмотка представляет собой сложное сочетание емкостей и индуктивностей, переход от ее начального состояния к равновесию происходит путем колебательного процесса, постепенно затухающего из-за активного сопротивления обмотки и проводимости изоляции.
9.7. Начальное распределение напряжения вдоль обмотки трансформатора
Рассмотрим схему на рис. 10.10, считая, что конец X обмотки заземлен. Если бы емкостей на землю не было (С3 = 0), то все емкости С были бы соединены последовательно между собой и по всей такой цепи шел бы ток одной и той же величины.
При равенстве емкостей С мы получили бы равномерное распределение напряжения по длине обмотки, т. е. такое же, как и при установившемся режиме работы. На рис. 10.12, а такое распределение изображается наклонной прямой, соединяющей точки М и N, отвечающие соответственно входному зажиму обмотки, находящемуся под
напряжением U, и концу ее, имеющему потенциал, равный нулю. Наоборот если бы не было емкостей С (С =0), то ток протекал бы из линии на землю только через первую от начала обмотки емкость С3. Физически это значит, что все напряжение сосредоточивается на первом витке, который поэтому является весьма перенапряженным. На рис. 10.12, а такое распределение напряжения изображается вертикальной прямой, соединяющей точку М и начало координат.
Действительное распределение напряжения по длине обмотки лежит между этими двумя параллельными картинами распределения. Выясним характер распределения напряжения на частном примере.
Предположим, что обмотка ВН состоит из п = 5 звеньев и что С = С3 (рис. 10.13, а). Пусть — напряжения на зажимах конденсаторов С3, причем счет элементов и соответствующих им емкостей поведем от конца обмотки X к ее началу А. Тогда , где — заряд первого от конца обмотки конденсатора С3. Так как конденсаторы С3 и С соединены последовательно, то заряд . В этом случае напряжение , но так как , то . Соответственно . Это позволяет определить заряд , а именно: или ; следовательно, . Продолжая дальше подсчет зарядов, получаем цепочку на рис. 10.13,б, причем ; ; ; и .
Более подробпый математический анализ показывает, что напряжение вдоль цепочки, заменяющей обмотку, распределяется по закону гиперболических функций, причем напряжение их относительно земли в любой точке» находящейся на расстоянии х от конца обмотки, определяется выражениями:
а) При заземленной нейтрали (10.15)
б) При изолированной нейтрали (10.16)
Здесь U — напряжение на выводах трансформатора (см. рис. 10.11, б); ; l — полная длина обмотки трансформатора. В современных трансформаторах ; поэтому выражения (10.20) и (10.21) дают практически одну и ту же картину начального распределения напряжения для обоих рассматриваемых случаев, т. е. как для заземленной нейтрали, так и для изолированной нейтрали (см. рис. 10.12 а и б). В рассмотренном нами выше частном случае имеем: и . Нетрудно убедиться, что кривая распределения напряжения, соответствующая цепочке на рис. 10.13, б, практически точно совпадает с кривой для , построенной по формулам (10.15) или (10.16) на рис. 10.12, а и б.
Для расчета электрической прочности обмотки необходимо знать градиент напряжения между двумя соседними элементами (катушками, витками) обмотки. Из кривых на рис. 10.12, а и б видно, что в первый момент времени наибольший градиент напряжения имеет место в начале обмотки на ее первых витках, т. е. при . По величине этот градиент определяется первой производной . Определяя из выражений (10.20) и (10.21) значения этой производной и учитывая, что при имеем , получаем в обоих случаях:
(10.17)
Первый множитель в выражении (10.22) дает величину градиента напряжения при равномерном распределении напряжения вдоль обмотки, а второй показывает, что в начальный момент времени ближайшие ко входу А элементы обмотки находятся под напряжением, в раз большим, чем при равномерном распределении напря-
жения. Это заставляет принимать меры для защиты изоляции обмотки
от пробоя.
9.8. Переходный процесс и конечное распределение напряжения
Показанные на рис. 10.12, а и б кривые распределения напряжения при соответствуют начальному моменту процесса, т. е. t = 0. После этого начинается переходный процесс, в конце которого – через достаточный промежуток времени – волна напряжения распределяется равномерно вдоль обмотки. При заземленной нейтрали конечное распределение напряжения изображается наклонной линией MN на рис. 10.14а, а при изолированной нейтрали вся обмотка приобретает в конечный момент времени один и тот же потенциал, изображенный на рис. 10.14, б прямой параллельной оси абсцисс. Как мы уже говорили выше, переход от начального распределения напряжения к конечному совершается путем колебаний, протекающих во времени и пространстве.
Анализ процесса на этой стадии представляет значительную сложность, так как приходится учитывать влияние существующих между частями обмотки связей, которые не могут быть выражены каким-либо простым законом.
В зависимости от того или иного допущения, которое мы делаем относительно указанных связей, получается то или иное выражение для закона протекания колебания в обмотке трансформатора. При самых простых допущениях искомое выражение получается как интеграл дифференциального уравнения в частных производных не ниже четвертого порядка. Подробный анализ дает следующие результаты: а) процесс, происходящий в обмотке, является периодическим и затухает по закону экспоненциальной функции; напряжение изменяется в пространстве по координате х, т. е. по длине обмотки и во времени в каждой точке последней; б) конечное распределение напряжения (линии MN и на рис. 10.14, а и б) можно рассматривать, как оси, относительно которых происходит колебательный процесс; пределы возможных колебаний лежат в заштрихованных областях на рис. 10.14, а и б; в) разность между конечным и начальным распределениями напряжения можно разложить в ряд гармонических, причем для трансформаторов с заземленной нейтралью получается ряд, состоящий из одной, двух, трех и т. д. полуволн (рис. 10.14, в), а для трансформаторов с изолированной нейтралью – ряд, состоящий из ¼, ¾ , и т. д. волны (рис. 10.14, г); во времени высшие гармонические пульсируют с частотой пропорциональной порядку гармонической v.
Гармонические напряжения разных порядков распространяются вдоль обмотки с разными скоростями, поэтому проникающая в обмотку волна непрерывно деформируется. Рис. 10.15, а для заземленной нf рис. 10.15, б для изолированной нейтрали показывают примерное распределение напряжения вдоль обмотки в различные моменты времени, причем на кривых обозначено время в долях периода колебания с момента установления начального распределения напряжения. Кроме того, анализ позволяет заключить, что волновое сопротивление обмотки трансформатора не является величиной постоянной, но представляет собой функцию от порядка гармонической. Как в отношении деформации волны, так и волнового сопротивления трансформатор резко отличается от линии передачи, по которой волна распределяется почти без искажения, причем линия имеет постоянное волновое сопротивление для всех волн и импульсов.
Аналогичным образом ведется рассмотрение более сложных явлений при набегании на трансформатор апериодического импульса любой формы. Если импульс имеет характер высокочастотного колебания, то возникает опасность резонанса импульса данной частоты и одной из гармонических. В результате можно считать, что в трансформаторе могут возникнуть значительные градиенты напряжения как между обмоткой трансформатора в данной ее точке и землей, так и между соседними частями обмотки. В каждом из этих случаев трансформатор может потерпеть аварию, часто надолго выводящую его из строя.
9.9. Защита трансформаторов от перенапряжений
Меры защиты трансформатора от перенапряжений бывают двух родов – внешние и внутренние. Меры внешней защиты имеют целью в необходимой степени обезвредить набегающую на трансформатор волну, снизив ее амплитуду и сделав ее более пологой. К мерам внешней защиты относятся: правильный выбор трассы линии электропередачи, устройство заземляющих тросов, установка разрядников разного рода, а также координация изоляции всей системы с помощью специальных искровых промежутков, называемых координаторами с таким расчетом, чтобы изоляция обмоток оказалась сильнейшей во всей системе.
Применявшиеся ранее в качестве защитных мероприятий реактивные катушки и конденсаторы в настоящее время не используются, так как опыт показал, а затем анализ подтвердил, что эффективность такой защиты недостаточна.
Внутренними мерами защиты трансформатора от перенапряжений являются: необходимое усиление изоляции входных и концевых катушек, где, как это мы видели выше, могут появиться наибольшие градиенты напряжения; емкостная защита трансформаторов.
В настоящее время выполняемые в СССР силовые трансформаторы (масляные) на напряжения до 38,5кВ включительно имеют защиту от перенапряжений только в виде усиленной изоляции концевых катушек обмотки ВН. Нормальные катушки таких трансформаторов имеют изоляцию толщиной 0,5 мм на обе стороны, тогда как катушки с усиленной изоляцией имеют соответственно 1,4 мм. Так как в этом случае ухудшается отвод тепла, то плотность тока в катушках с усиленной изоляцией на 20 – 30% меньше, чем в нормальных катушках. Число катушек с усиленной изоляцией составляет 5 – 7% от общего числа катушек обмотки.
В трансформаторах на 110кВ и выше наряду с усилением изоляции концевых катушек применяется емкостная защита, выполняемая так, чтобы импульсы перенапряжения распределялись вдоль обмотки приблизительно так же, как и при конечном распределении напряжения, т. е. достаточно равномерно. В такой обмотке не могут иметь места сильные колебательные процессы и, следовательно, не могут возникнуть чрезмерные градиенты напряжения между частями обмотки. Трансформаторы, снабженные такой защитой, называются нерезонирующими или грозоупорными.
Идея емкостной защиты состоит в следующем. Если бы можно было выполнить обмотку так, чтобы емкость на землю , то мы имели бы ; в этом случае, как это следует из кривых на рис. 10.12, а и б. распределение напряжения вдоль обмотки сразу, т. е. с первого момента подхода волны перенапряжения к трансформатору, приобрело бы равномерный характер. Физически невозможно устранить емкости на землю, но можно скомпенсировать токи, необходимые для заряда этих емкостей, токами, протекающими из линии через систему присоединенных к обмотке экранирующих защитных емкостей
Конструктивно защитные емкости могут быть осуществлены по-разному. На рис. 10.16, а показана система с заземленной нейтралью, в которой защитная емкость осуществляется посредством особого экранирующего щита, выполненного из изолирующего материала с металлизированной поверхностью и присоединенного к линейному концу обмотки. При соответствующем подборе защитных емкостей ток, необходимый для заряда данной емкости на землю, например ток для заряда емкости на землю , подается непосредственно через защитную емкость , минуя цепь последовательно соединенных емкостей С между катушками С. Поэтому схему на рис. 10.16, а можно заменить схемой на рис. 10.16, б. Левая часть ее состоит из емкостей и, следовательно, представляет собой нерезонирующую систему.
Правую часть той же схемы образуют две параллельные ветви, одна из которых состоит из ряда последовательно соединенных индуктивностей, а другая – из такого же ряда последовательно соединенных емкостей между катушками. Все звенья каждой цепи одинаковы; поэтому на каждое звено в каждой цепи приходится одно и то же напряжение, а по каждой цепи течет по всей ее длине ток данной величины. В перемычках и т. д. токов нет, т. е. все происходит так, как если бы обе цепи были электрически независимы друг от друга. Следовательно, правая часть схемы, так же как и левая, представляет собой нерезонирующую систему.
Емкостная защита в форме экранирующих щитов осложняет конструкцию трансформатора. Поэтому на МТЗ была разработана оригинальная система частичной емкостной защиты (авторы С. И. Рабинович, С. Ю. Кронгауз, А. М. Чертин и А. Г. Перлин). В схематическом виде эта защита показана на рис. 10.17. Защитные приспособления состоят из а) катушкн А, имеющей усиленную изоляцию толщиной 3,5–5 мм на сторону; б) катушки В с такой же, как у катушки А, усиленной изоляцией и прибандажированным к катушке емкостным экраном ЕЭ и в) четырех катушек С, имеющих нормальную изоляцию и защищенных каждая емкостным экраном ЕЭ.
Катушки с усиленной изоляцией выполняются из проводников в 1,5 – 2 раза большего сечения, чем остальные катушки с соответственно меньшей допускаемой в них плотностью тока.
Емкостные экраны выполняются из медных проводников того же сечения, что и катушка, которую они защищают, и присоединяются к линейному концу обмотки, т. е. имеют потенциал линии. Проводник экрана надежно изолируется от катушки слоем изоляции толщиной 5 мм на сторону. Расстояние между катушкой и экраном определяет необходимую величину защитной емкости. Емкостный экран должен быть разомкнут (чтобы избежать образования замкнутого на себя витка) и охватывает катушку по длине, составляющей примерно 2/3 длины ее окружности.
Так как градиенты напряжения достигают наибольшей величины на входной катушке, то существенно важно по возможности равномерно распределить напряжение между ее витками. С этой целью в современных мощных трансформаторах в дополнение к емкостным экранам применяют емкостное кольцо, которое может быть выполнено из спрессованного электрокартона и представляет собой шайбу толщиной 8 – 10 мм со скругленными краями, обмотанную медной лентой с наложенной поверх нее изоляцией (рис. 10.18). Медная лента соединяется с помощью специального кабеля с линейным или нейтральным концом обмотки. Емкостное кольцо, так же как емкостный экран, должно быть электрически разомкнутым.
Опыт эксплуатации свидетельствует, что трансформаторы, защищенные описанным выше способом, устойчивы в отношении наиболее опасных по своему характеру атмосферных перенапряжений; поэтому такие трансформаторы часто называют грозоупорными.
С той же целью защиты трансформаторов от перенапряжений применяется многослойная цилиндрическая обмотка (рис. 10.19). В этой конструкции емкость между слоями значительно больше емкости относительно земли С31. Следовательно, коэффициент невелик и начальное распределение напряжения мало отличается от установившегося. Для выравнивания емкости между слоями и устранения влияния емкости обмотки на стержень применяют один или два цилиндрических экрана по схеме на рис. 10.19.