Пренапрежение в намотките на трансформатора

Оразмеряването и изборът на дизайна на изолацията на трансформатора е невъзможен без определяне на напреженията, действащи върху различни секции на изолацията на трансформатора по време на работа и изпитване, предназначени да осигурят надеждна работа на трансформатора.

В този случай напреженията, действащи върху изолацията на трансформатора, когато вълните от пренапрежение на светкавица ударят неговия вход, често са решаващи. Тези напрежения, които също се наричат ​​импулсни напрежения, в почти всички случаи определят избора на изолация с надлъжна намотка и в много случаи основната изолация на намотката, изолация на превключващото устройство и т.н.

Използването на компютърни технологии при определяне на пренапрежения позволява да се премине от качествено разглеждане на импулсните процеси в намотките към директни изчисления на пренапреженията и въвеждането на техните резултати в проектната практика.

За да се изчисли пренапрежението, намотките на трансформатора са представени от еквивалентна схема, която възпроизвежда индуктивни и капацитивни връзки между елементите на намотката (Фигура 1). Всички еквивалентни схеми отчитат капацитета между завоите и между намотките.

Фигура 1. Еквивалентна верига на трансформатора: UOV — падаща вълна във намотката с високо напрежение, UOH — падаща вълна в намотката с ниско напрежение, SV и CH — капацитети между завоите съответно на намотките с високо и ниско напрежение, SVN — капацитет между намотки с високо и ниско напрежение.

Вълнови процеси в трансформатори

Трансформаторът ще се разглежда като индуктивен елемент, като се вземе предвид междуобръщателният капацитет, капацитетите между екрана и индуктивността, както и между индуктивността и земята (Фигура 2а).

За изчисляване на пренапрежението се използват следните формули:

където: t е времето след пристигането на вълната към трансформатора, T е времевата константа на пренапрежение, ZEKV е еквивалентното съпротивление на веригата, Z2 е съпротивлението на линията, Uo е пренапрежението в началния момент от времето

Фигура 2. Разпространение на вълна на напрежение по намотката на трансформатор със заземена неутрала: а) схематична диаграма, б) зависимост на напрежението на вълната от дължината на намотката за еднофазен трансформатор със заземен терминал: Uo — падащо напрежение вълна, ∆Ce — капацитет между бобината и екрана, ∆Ck — присъщ капацитет между завоите, ∆Сз — капацитет между бобината и земята, ∆Lк — индуктивност на слоевете на намотката.

Тъй като в еквивалентната верига има както индуктивност, така и капацитет, се появява колебателна LC верига (колебанията в напрежението са показани на фигура 2б).

Амплитудата на трептенията е 1,3 — 1,4 от амплитудата на падащата вълна, т.е. Uпep = (1,3-1,4) Uo, а най-голямата стойност на пренапрежение ще се случи в края на първата трета от намотката, следователно, в конструкцията на трансформатора, 1/3 от намотката има подсилена изолация в сравнение с останалото.

За да се избегне пренапрежение, зарядният ток на кондензаторите по отношение на земята трябва да бъде компенсиран. За тази цел във веригата е инсталиран допълнителен екран (щит). При използване на екрана капацитетите на намотките спрямо екрана ще бъдат равни на капацитета на завоите спрямо земята, т.е. ∆СЭ = ∆С3.

Екранирането се извършва в трансформатори с клас на напрежение UH = 110 kV и по -висок. Щитът обикновено се инсталира близо до корпуса на трансформатора.

Еднофазни трансформатори с изолирана неутрала

Наличието на изолирана неутрала означава, че има капацитет Co между земята и намотката, т.е.капацитетът се добавя към еквивалентната верига на трансформатора със заземен терминал, но екранът се премахва (Фигура 3а).

Фигура 3. Разпространение на вълна на напрежение по намотката на трансформатор с изолирана неутрала: а) схематична диаграма на еквивалентен трансформатор, б) зависимостта на падащото вълново напрежение от дължината на намотката.

С тази еквивалентна верига се образува и колебателна верига. Въпреки това, поради капацитета Co, има колебателна LC верига с последователна връзка на индуктивност и капацитет. В този случай при значителен капацитет Co най -високото напрежение ще се появи в края на намотката (пренапрежението може да достигне стойности до 2Uo). Характерът на промяната на напрежението по намотката е показан на фигура 3б.

За да се намали амплитудата на пренапрежение на трептенията в намотката на трансформатор с изолирана неутрала, е необходимо да се намали капацитетът на изхода C спрямо земята или да се увеличи собственият капацитет на бобините. Обикновено се използва последният метод. За да се увеличи собственият капацитет ∆Ск между бобините на намотката с високо напрежение, във веригата са включени специални кондензаторни плочи (пръстени).

Вълнови процеси в трифазни трансформатори

В трифазните трансформатори естеството на процеса на разпространение на падащата вълна по намотката и големината на пренапреженията се влияят от:

а) схема на свързване на намотките,

б) броя на фазите, до които идва вълната от пренапрежение.

Трифазен трансформатор с намотка с високо напрежение, звезда, свързана с твърдо заземена неутрала

Нека падащата вълна на пренапрежение дойде в една фаза на трансформатора (Фигура 4).

Процесите на разпространение на вълни на пренапрежение по намотките в този случай ще бъдат подобни на процесите в еднофазен трансформатор със заземена неутрала (във всяка от фазите най-високото напрежение ще бъде в 1/3 от намотката), докато те не зависят от това до колко фази достига вълната от пренапрежение. Тези. стойността на пренапрежението в тази част на намотката е равна на Uпep = (1.3-1.4) Uo

Фигура 4. Еквивалентна схема на трифазен трансформатор с намотка с високо напрежение, свързана към звезда с неутрална заземена мрежа. Вълната от пренапрежение идва в една фаза.

Трифазен трансформатор с високо напрежение, свързано със звезда, с изолирана неутрала

Нека вълната от пренапрежение да дойде в една фаза. Еквивалентната верига на трансформатора, както и разпространението на падащата вълна в намотката на трансформатора, е показана на фигура 5.

Фигура 5. Еквивалентна схема на трифазен трансформатор с намотка с високо напрежение, свързана със звезда (а) и зависимостта U = f (x) за случая, когато вълната идва в една фаза (b).

В този случай се появяват две отделни зони на трептене. Във фаза А ще има един диапазон на трептене, както и условията, при които те възникват, а във фази В и С ще има друг контур на трептене, диапазонът на трептене също ще бъде различен и в двата случая. Най -голямото пренапрежение ще бъде на намотката, която приема падащата вълна на пренапрежение. В нулевата точка са възможни пренапрежения до 2/3 Uo (в нормален режим в този момент U = 0, следователно, пренапреженията по отношение на работното напрежение Uoперацията са най -опасни за него, тъй като U0 >> Uoperation).

Нека вълната от пренапрежение да премине през две фази А и В. Еквивалентната верига на трансформатора, както и разпространението на падащата вълна в намотката на трансформатора, е показана на фигура 6.

Фигура 6. Еквивалентна схема на трифазен трансформатор с намотка с високо напрежение, свързана със звезда (а) и зависимостта U = f (x) за случая, когато вълната идва в две фази.

Във намотките на фазите, към които идва вълната, напрежението ще бъде (1.3 — 1.4) Uo. Нулевото напрежение е 4/3 Uo. За да се предпази от пренапрежение в този случай, един разрядник е свързан към неутрала на трансформатора.

Нека вълната на пренапрежение да дойде в три фази.Еквивалентната верига на трансформатора, както и разпространението на падащата вълна в намотката на трансформатора, е показана на фигура 7.

Фигура 7. Еквивалентна схема на трифазен трансформатор с намотка с високо напрежение, свързана със звезда (а) и зависимостта U = f (x) за случая, когато вълната идва в три фази.

Процесите на разпространение на падаща вълна на пренапрежение във всяка от фазите на трифазен трансформатор ще бъдат подобни на процесите в еднофазен трансформатор с изолиран изход. Най -високото напрежение в този режим ще бъде в неутрално положение и ще бъде 2U0. Този случай на пренапрежение на трансформатора е най -тежък.

Трифазен трансформатор с делта намотка с високо напрежение

Нека вълната от пренапрежение да премине през една фаза А на трифазен трансформатор с високо напрежение, свързана в триъгълник, другите две фази (В и С) се считат за заземени (Фигура 8).

Фигура 8. Еквивалентна схема на трифазен трансформатор с намотка с високо напрежение, свързана в делта (а) и зависимостта U = f (x) за случая, когато вълната идва в една фаза.

Намотките AC и BC ще бъдат изложени на пренапрежение (1.3 — 1.4) Uo. Тези пренапрежения не са опасни за работата на трансформатора.

Нека вълната на пренапрежение да дойде в две фази (А и В), обяснителните графики са показани на Фигура 9. В този режим разпространението на вълни на пренапрежение в намотките AB и BC ще бъде подобно на процесите в съответните намотки на a трифазен трансформатор със заземен терминал. Тези. в тези намотки стойността на пренапрежение ще бъде (1.3 — 1.4) Uo, а в намотката на AC ще достигне стойността (1.8 — 1.9) Uo.

Фигура 9. Зависимост U = f (x) за случая, когато вълната на пренапрежение преминава през две фази на трифазен трансформатор с намотка с високо напрежение, свързана в делта.

Нека вълните от пренапрежение преминават през всичките три фази на трифазен трансформатор с намотка с високо напрежение, свързана в делта.

Намотките на всички фази в този режим ще бъдат изложени на пренапрежение (1.8 — 1.9) Uo. Ако вълна от пренапрежение идва едновременно през два или три проводника, тогава в средата на намотката, към която вълните идват от двете страни, могат да възникнат колебания на напрежението с амплитуда, които са опасни за работата на трансформатора.

Защита от пренапрежение на трансформатори

Най -опасните пренапрежения на основната изолация на намотките могат да възникнат в случай на едновременно пристигане на вълни през три проводника към трансформатора с делта връзка (в средата на намотката) или звезда с изолирана неутрала (почти неутрална) ). В този случай амплитудите на възникващите пренапрежения се доближават два пъти до напрежението на изхода или четири пъти амплитудата на входящата вълна. Опасни пренапрежения при изолация от завой до завой могат да възникнат във всички случаи, когато вълна със стръмен фронт пристигне към трансформатора, независимо от схемата на свързване на намотките на трансформатора.

По този начин, за всички трансформатори в случай на пренапрежения и тяхното разпространение по намотките, за да се оцени тяхната величина, е необходимо да се вземат предвид капацитетите в еквивалентните вериги на трансформаторите (а не само индуктивността). Точността на получените стойности на пренапрежение зависи до голяма степен от точността на измерването на капацитета.

За да се избегнат пренапрежения при проектирането на трансформатори, е предвидено:

• допълнителен екран, който разпределя зарядния ток, следователно, пренапреженията се намаляват. Също така екранът намалява силата на полето в определени точки на намотката на трансформатора,

• укрепване на изолацията на намотките в определени части от нея (конструктивна смяна на намотките на трансформатора),

• монтаж на отводители пред трансформатора и след него — срещу външни и вътрешни пренапрежения, както и отводник в неутрала на трансформатора.