Перенапряжения в трансформаторах и защита от перенапряжений

Перенапряжения в обмотках трансформаторов

Определение размеров и выбор конструкции изоляции трансформаторов невозможны без определения напряжений, воздействующих на различные участки изоляции трансформатора при эксплуатации и испытаниях, предназначенных для обеспечения надежной работы трансформатора.

При этом часто определяющими являются напряжения, воздействующие на изоляцию трансформатора при попадании на его ввод грозовых волн перенапряжения. Эти напряжения, которые также называют импульсными, практически во всех случаях определяют выбор продольной изоляции обмоток и во многих случаях — главной изоляции обмоток, изоляции переключающих устройств и т.д.

Использование вычислительной техники при определении перенапряжений позволяет перейти от качественного рассмотрения импульсных процессов в обмотках к непосредственным расчетам перенапряжений и внедрению их результатов в практику проектирования.

Для расчета перенапряжений обмотки трансформатора представляют схемой замещения, воспроизводящей индуктивные и емкостные связи между элементами обмотки (рисунок 1). Все схемы замещения учитывают ёмкости между витками и между обмотками.

Рисунок 1. Схема замещения трансформатора: UОВ – падающая волна в обмотке высокого напряжения, UОН – падающая волна в обмотке низкого напряжения, СВ и СН – емкости между витками обмоток высокого и низкого напряжений соответственно, СВН – емкость между обмотками высокого и низкого напряжения.

Волновые процессы в трансформаторах

Трансформатор будем рассматривать как индуктивный элемент при учете междувитковой емкости, емкостей между экраном и индуктивностью, а также между индуктивностью и землей (рисунок 2а).

Для расчета перенапряжения используют следующие формулы:

где: t — время после прихода волны на трансформатор, Т — постоянная времени перенапряжения, ZЭКВ — эквивалентное сопротивление схемы, Z2 — сопротивление линии, Uo — перенапряжение в начальный момент времени

Рисунок 2. Распространение волны напряжения вдоль обмотки трансформатора с заземленной нейтралью: а) принципиальная схема, б) зависимость напряжения волны от длины обмотки для однофазного трансформатора с заземленным выводом: Uo — падающая волна напряжения, ∆Сэ — емкость между катушкой и экраном, ∆Ск — собственная емкость между витками, ∆Сз — емкость между катушкой и землей, ∆Lк — индуктивность слоев катушки обмотки.

Так как в схеме замещения имеются и индуктивности, и емкости, то возникает колебательный LC-контур (колебания напряжения приведены на рисунке 2б).

Амплитуда колебаний составляет 1,3 — 1,4 амплитуды падающей волны, т.е. Uпep = (1,3-1,4) Uo, а наибольшая величина перенапряжения будет иметь место в конце первой трети обмотки, поэтому в конструкции трансформатора 1/3 обмотки имеет усиленную изоляцию по сравнению с остальной ее частью.

Чтобы избежать всплеска перенапряжения следует компенсировать зарядный ток емкостей по отношению к земле. Для этого в схеме устанавливается дополнительный экран (щит). При использовании экрана емкости обмоток относительно экрана будут равны емкости витков относительно земли, т.е. ∆СЭ = ∆С3.

Экранирование осуществляется в трансформаторах классом напряжения UH = 110 кВ и выше. Экран обычно устанавливается около корпуса трансформатора.

Однофазные трансформаторы с изолированной нейтралью

Наличие изолированной нейтрали означает, что между землей и обмоткой существует емкость Со, т.е. в схему замещения трансформатора с заземленным выводом добавляется емкость, но убирается экран (рисунок 3а).

Рисунок 3. Распространение волны напряжения вдоль обмотки трансформатора с изолированной нейтралью: а) принципиальная схема замещения трансформатора, б) зависимость напряжения падающей волны от длины обмотки.

При данной схеме замещения также образуется колебательный контур. Однако за счет ёмкости Со здесь колебательный LC-контур при последовательном соединении индуктивности и ёмкости. В этом случае при значительной емкости Со наибольшее напряжение будет иметь место в конце обмотки ( перенапряжение может достигать значений до 2Uo). Характер изменения напряжения вдоль обмотки представлен на рисунке 3б.

Для уменьшения амплитуды колебаний перенапряжений в обмотке трансформатора с изолированной нейтралью необходимо уменьшить емкость Со вывода относительно земли или увеличить собственные емкости катушек. Обычно применяют последний метод. Для увеличения собственной емкости ∆Ск между катушками обмотки высокого напряжения в схему включают специальные конденсаторные пластины (кольца).

Волновые процессы в трехфазных трансформаторах

В трехфазных трансформаторах на характер процесса распространения падающей волны вдоль обмотки и на величину перенапряжений влияют:

а) схема соединения обмоток,

б) количество фаз, на которые приходит волна перенапряжения.

Трехфазный трансформатор с обмоткой высокого напряжения, соединенной звезду с глухозаземленной нейтралью

Пусть падающая волна перенапряжений приходит на одну фазу трансформатора (рисунок 4).

Процессы распространения волны перенапряжения вдоль обмоток в этом случае будут аналогичны процессам в однофазном трансформаторе с заземленной нейтралью (в каждой из фаз наибольшее напряжение будет в 1/3 части обмотки), при этом они не зависят от того, по скольким фазам приходит волна перенапряжения. Т.е. величина перенапряжения в этой части обмотки равна Uпep = (1,3-1,4) Uo

Рисунок 4. Схема замещения трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в звезду с глухозаземленной нейтралью. Волна перенапряжения приходит на одну фазу.

Трехфазный трансформатор с обмоткой высокого напряжения, соединенной звездой с изолированной нейтралью

Пусть волна перенапряжения приходит по одной фазе. Схема замещения трансформатора, а также распространение падающей волны в обмотке трансформатора приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема замещения трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в звезду (а) и зависимость U = f(x) для случая, когда волна приходит по одной фазе (б).

В этом случае появляются две обособленные зоны колебания. В фазе А будет один размах колебаний, а также условия, в которых они происходят, а в фазе В и С — другой контур колебаний, размах колебаний также будет различен для обеих случаев. Наибольшее перенапряжение будет на обмотке, на которую приходит падающая волна перенапряжения. В нулевой точке возможны перенапряжения величиной до 2/3 Uo (в нормальном режиме в этой точке U=0, поэтому для нее перенапряжения по отношению к рабочему напряжению Uраб наиболее опасно, т.к. U0 >> Uраб).

Пусть волна перенапряжений приходит по двум фазам А и В. Схема замещения трансформатора, а также распространение падающей волны в обмотке трансформатора приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Схема замещения трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в звезду (а) и зависимость U = f(x) для случая, когда волна приходит по двум фазам.

В обмотках фаз, на которые приходит волна, напряжение будет составлять (1,3 — 1,4) Uo. В нейтрали напряжение равно 4/3 Uo. Для защиты от перенапряжений в этом случае в нейтраль трансформатора включается разрядник.

Пусть волна перенапряжений приходит по трем фазам. Схема замещения трансформатора, а также распространение падающей волны в обмотке трансформатора приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема замещения трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в звезду (а) и зависимость U = f(x) для случая, когда волна приходит по трем фазам.

Процессы распространения падающей волны перенапряжения в каждой из фаз трехфазного трансформатора будут аналогичны процессам в однофазном трансформаторе с изолированным выводом. Наибольшее напряжение при этом режиме будет в нейтрали и составит 2U0. Этот случай перенапряжения трансформатора является самым тяжелым.

Трехфазный трансформатор с обмоткой высокого напряжения, соединенной в треугольник

Пусть волна перенапряжения приходит по одной фазе А трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в треугольник, две остальные фазы (В и С) считаем заземленными (рисунок 8).

Рисунок 8. Схема замещения трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в треугольник (а) и зависимость U = f(x) для случая, когда волна приходит по одной фазе.

Обмотки АС и ВС будут подвергаться перенапряжению величиной (1,3 — 1,4) Uo. Эти перенапряжения не являются опасными для работы трансформатора.

Пусть волна перенапряжения приходит по двум фазам (А и В), поясняющие графики приведены на рисунке 9. При этом режиме процессы распространения волн перенапряжения в обмотках АВ и ВС будут аналогичны процессам в соответствующих обмотках трехфазного трансформатора с заземленным выводом. Т.е. в этих обмотках величина перенапряжения составит (1,3 — 1,4) Uo, а в обмотке АС оно достигнет значения (1,8 — 1,9) Uo.

Рисунок 9. Зависимость U= f(x) для случая, когда волна перенапряжения приходит по двум фазам трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в треугольник.

Пусть волны перенапряжения проходят по всем трем фазам трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в треугольник.

Обмотки всех фаз в этом режиме будут подвергаться перенапряжению величиной (1,8 — 1,9) Uo. Если волна перенапряжения приходит сразу по двум или трем, проводам, то в середине обмотки, к которой приходят волны с двух сторон, могут возникнуть колебания напряжения с амплитудой, опасной для работы трансформатора.

Защита трансформаторов от перенапряжений

Наиболее опасные перенапряжения главной изоляции обмоток могут возникнуть в случае одновременного прихода волн по трем проводам к трансформатору с соединением обмоток по схеме треугольника (в середине обмотки) или звезды с изолированной нейтралью (вблизи нейтрали). При этом амплитуды возникающих перенапряжений приближаются к двукратному напряжению на выводе или к четырехкратной амплитуде приходящей волны. Опасные перенапряжения на межвитковой изоляции могут возникнуть во всех случаях прихода к трансформатору волны с крутым фронтом независимо от схемы соединений обмоток трансформатора.

Смотрите так же:  Электрические схемы правила оформления

Таким образом, для любых трансформаторов при возникновении перенапряжений и их распространении по обмоткам для оценки их величины необходимо учитывать ёмкости в схемах замещения трансформаторов (а не только индуктивности). Точность полученных величин перенапряжений зависит в значительной мере от точности учета емкостей.

Чтобы избежать перенапряжений в конструкции трансформаторов предусматривается:

дополнительный экран, который распределяет зарядный ток, следовательно, при этом перенапряжения уменьшаются. Также экран уменьшает напряженность поля в определённых точках обмотки трансформатора,

усиление изоляции обмоток на определенных ее участках (конструктивное изменение обмоток трансформатора),

установка разрядников перед трансформатором и после него – от внешних и внутренних перенапряжений, а также разрядника в нейтрали трансформатора.

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.

Перенапряжения в трансформаторах и защита от перенапряжений

В нормальных условиях эксплуатации трансформатора между отдельными частями его обмоток, а также между обмотками и заземленными магнитопроводом и корпусом действуют синусоидальные напряжения номинальной частоты, не представляющие опасности для электрической изоляции. Однако периодически возникают условия, при которых между указанными элементами трансформатора появляются перенапряжения. В зависимости от причин, их порождающих, перенапряжения разделяются на два вида: внутренние и внешние.

Внутренние перенапряжения.Возникают либо в процессе коммутационных операций, например отключения или включения трансформатора, либо» в результате аварийных процессов (корот­кое замыкание, дуговые замыкания на землю и др.). Значение внутреннего перенапряжения обычно составляет (2,5 ¸ 3,5)UНОМ.

Внешние (атмосферные) перенапряжения.Обусловлены атмосферными разрядами: либо прямыми ударами молний в провода или опоры линий электропередач, либо грозовыми разрядами, индуцирующими в проводах линии электромагнитные волны высокого напряжения:. Значение перенапряжения в этом случае может достигать нескольких тысяч киловольт.

Рис. 4.4. Схемы замещения обмоток трансформатора

На процессы, происходящие в трансформаторе при перенапряжениях, существенное влияние оказывает скорость нарастания волны напряжения. При подходе волны напряжения к трансформатору напряжение между зажимом обмотки и землей нарастает весьма быстро. При этом скорость нарастания напряжения в зна­чительной степени влияет на вид схемы замещения обмотки. При напряжении промышленной частоты схема замещения обмотки имеет вид ряда после последовательно соединенных индуктивных и активных сопротивлений элементов этой обмотки (рис. 4.4, а). При подходе к трансформатору периодической волны перенапряжения, вызванной коммутационными процессами, скорость нарастания напряжения настолько увеличивается, что на процессы, происхо­дящие в трансформаторе, оказывают влияние емкостные связи между элементами обмотки и между обмоткой и заземленным магнитопроводом (рис. 4.4, 6). Наконец, при атмосферных перенапряжениях, когда к трансформатору устремляется апериодический импульс с крутым передним фронтом ПФ (рис. 4.5), при котором напряжение между вводом трансформатора и землей достигает наибольшего значения за (1—2)-10 -6 с, индуктивные сопротивления в схеме замещеюия становятся настолько большими, что их влиянием можно пренебречь и считать схему замещения обмотки состоящей только из поперечных емкостей между элементом обмотки и магнитопровюдом (землей) Сq и продольных емкостей между смежными элементами обмотки Cd (рис. 4.4, в).

Смотрите так же:  Накладные планки на провода

Рис. 4.5. Перенапряжение в виде импульса

Рассмотрим подробнее процессы в трансформаторе при атмосферных перенапряжениях, так как эти перенапряжения наиболее опасны. Обмотка в этом случае по отношению к быстро нарастающему напряжению представляет собой некоторую входную емкость СВХ, которая обусловливает входное (емкостное) сопротивление трансформатора хвх. В начальный момент подхода волны, когда скорость нарастания напряжения огромна (du/dt® ¥), входное сопротивление практически равно нулю (хвх ®0), т. е. трансформатор эквивалентен короткозамкнутому концу линии передачи. При этом напряжение на входе трансформатора сна­чала падает до нуля, затем, по мере зарядки емкости СВХ, повышается и достигает двукратной величины ам­плитуды импульса, а волна напряжения отражается от трансформатора. В этот период трансформатор эквивалентен разомкнутому концу линии передачи (рис. 4.6). Напряжение, возникающее меж­ду обмоткой и магнитопроводом (землей), создает токи через поперечные емкости Cq, при этом токи в продольных емкостях Сd по мере приближения к концу обмотки (точка X на рис. 4.4) уменьшаются. Это приводит к неравномерному распределению напря­жения вдоль обмотки. Характер начального распределения напряжения вдоль обмотки зависит от двух причин: от состояния нейтральной точки трансформатора (это точка X, которая заземлена на рис. 4.7, аи изолирована на рис. 4.7, б) и от соотношения емкостей Сq и Cd, определяемого коэффициентом

Рис. 4.6. Подход (а) и отражение (б) волны напряжения при атмосферном перенапряжении трансформатора

(4.4).

При a ≥ 5, что соответствует реальным трансформаторам, начальное распределение напряжения не зависит от состояния нейтральной точки и весьма неравномерно, достигая максимального значения на начальных элементах обмотки. Это соз­дает опасность для изоляции между начальными элементами обмотки. При уменьшении а распределение напряжения вдоль обмотки становится более равномерным, особенно при зазем­ленной нейтрали, хотя наибольшее значение напряжения остается неизменным.

Через некоторое время после подхода волны к обмотке все обмотки приобретут установившийся потенциал. При распределение напряжения вдоль обмотки, называемое конечным, будет соответствовать кривым при a = 0, показания рис. 4.7.

4.7. Начальное распределение напряжения подлине обмотки при заземленной (а) и изолированной (б) нейтралях

Следовательно, между начальным и конечным распределением напряжением имеет место переходный процесс, связанный с затухающими электромагнитными колебаниями, обусловленными индуктивностью, емкостью и активным сопротивлением обмотки. За время переходного процесса напряжение каждой точки обмотки меняется и в отдельные моменты времени достигает значений, превышающих наибольшее его значение при начальном распределении напряжения. На рис. 4.8 представлена кривая изменения напряжения точки А (см. рис. 4.7, а) обмотки за время переходного процесса. Затухающий характер кривой обусловлен потерями в активном сопротивлении обмотки.

Рис. 4.8. Изменение потенциала одной точки обмотки трансформатора относительно земли в течение переходного процесса

Наибольшее напряжение возникает на изолированном конце обмотки (точка X при изолированной нейтрали) и может достигать значения uX = 1,9U, где U— максимальное напряжение на обмотке при начальном распределении напряжения. Таким образом, .наибольшую опасность для изоляции обмотки (межвитковой и относительно земли представляет собой переходный колебательный процесс.

В автотрансформаторах из-за наличия электрической связи между первичной и вторичной цепями возможна передача волн напряжения из одной сети в другую со значительным усилением их по амплитуде.

К мерам по защите трансформаторов от перенапряжений относятся внешняя защита — применение заземленных тросов и вентильных разрядников (эти меры позволяют ограничить амплитуду волн напряжения, подходящих к трансформатору) и внутренняя защита — усиление изоляции входных витков; установка емкостных колец и электростатических экранов (емкостная компенсация); применение обмоток с пониженным значением коэффициента a [см. (4.4)]. Цель последних двух мероприятий внутренней защиты сводится к сближению начального и конечного распределения напряжения. При этом практически устраняется переходный колебательный процесс.

Емкостные кольца представляют собой разомкнутые шайбообразные экраны, изготовляемые из металлизированного электрокартона. Этими кольцами прикрывают начало и конец обмотки, тем самым под­нимают кривую начального распределения напряжения, приближая ее к кривой конечного распределения.

Уменьшение неравномерности начального распределе­ния напряжения и сближение его с конечным распределением достигаются применением в трансформаторах дополнительных электростатических экранов в виде разомкнутых металлических колец (витков), охватывающих начальную часть обмотки и соединенных с ее вводом. Такой экран создает дополнительные емкости СЭ, через которые заряжаются поперечные емкости Сq в обход продольных емкостей Cd(рис. 4.9, а).

Рис. 4.9. Роль электростатического экрана

В результате кривая начального распределения напряжения 1 (рис. 4.9, 6) значительно спрямляется и становится почти такой же, как и кривая конечного распределения 2 для обмоток с заземленной нейтралью.

Трансформаторы с изолированной нейтралью также могут снабжаться электростатическими экранами, но в этом случае применяют специальные устройства — импидоры, включаемые между нейтралью и землей. Это устройство содержит емкость, включен­ную параллельно разряднику и реактору, которая при волновых процессах заземляет нейтраль трансформатора, а при промышленной частоте имеет большое сопротивление и практически изолирует нейтраль.

Контрольные вопросы

1. Каковы причины возникновения сверхтока холостого хода?

2. Как влияет состояние магнитного насыщения магнитопровода на силу тока включения трансформатора?

3. Каковы наиболее неблагоприятные условия внезапного короткого замыкания трансформатора?

4. Какова продолжительность переходного процесса при внезапном коротком замыкании трансформатора?

5. Какие виды перенапряжений возможны в трансформаторе?

6. В чем состоит внешняя и внутренняя защита трансформаторов от перенапряжений?

7. Каково назначение дополнительных электростатических экранов в трансформаторе?

176.212.160.43 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И ЗАЩИТА ОТ НИХ

Рассмотрим защиту от перенапряжений на примере силовых трансформаторов. При нормальных условиях работы трансформатора между каждым витком его обмотки и заземленным корпусом и между любыми витками обмотки действуют синусоидальные напряжения номинальной частоты, которые не представляют опасности для изоляции трансформатора. К каждому витку обмотки приложено одинаковое вполне определенное напряжение, равное числу вольт на один виток, на которое рассчитывалась обмотка трансформатора.

Однако в эксплуатации к обмоткам трансформатора могут прикладываться импульсные напряжения, значительно превосходящие нормальные рабочие напряжения. Такие напряжения называют перенапряжениями. Внешние или грозовые перенапряжения могут возникать при ударах молнии в провода или опоры ЛЭП, к которой подключен трансформатор, а также индуктироваться при ударе молнии вблизи линии.

Перенапряжения атмосферного характера обычно длятся несколько десятков микросекунд, а их амплитуда может достигать десятикратного номинального напряжения трансформатора, что очень опасно для изоляции трансформатора.

Коммутационные или внутренние перенапряжения возникают при коммутационных операциях (включении и выключении трансформаторов и линий и при резком изменении нагрузки), а также при перемежающихся дуговых замыканиях на землю в системах с изолированной нейтралью. Коммутационные перенапряжения имеют большую длительность по сравнению с атмосферными перенапряжениями, но значительно меньшую амплитуду.

Импульсы перенапряжения обычно имеют апериодический характер и движутся вдоль линий электропередачи в виде волн со скоростью, близкой к скорости света. Они могут быть представлены гармоническими колебаниями очень высокой частоты. При импульсных перенапряжениях схему замещения трансформатора, приведенную на рис.4.5 использовать нельзя, так как при высоких частотах и больших значениях начинают сказываться емкости между витками обмоток и между обмотками трансформатора и заземленными частями обмотки (рис.10.6). В результате этого схема замещения становится более сложной. На рис.10.6 показана лишь упрощенная схема замещения при перенапряжениях. В действительности она гораздо сложнее. Отметим, что емкости С и СЗ существуют и при нормальных режимах работы, однако при частоте f=50 Гц емкостные сопротивления их настолько велики, что ими можно пренебречь.

Поскольку анализ процессов, связанных с перенапряжениями, носит сложный характер, мы рассмотрим здесь только качественно простейший случай, когда трансформатор имеет одну обмотку и перенапряжение приходит к началу А обмотки при заземленном конце Х.

Когда волна перенапряжения с крутым фронтом длительностью около одной микросекунды, двигаясь вдоль линии, достигнет подстанции, на которой установлен трансформатор, напряжение на его выводах, после кратковременного уменьшения до нуля, начинает быстро возрастать. Волновое сопротивление линии гораздо меньше волнового сопротивления трансформатора. Поэтому, когда волна перенапряжения переходит из линии в трансформатор, то амплитуда ее увеличивается, достигая в пределе двукратного значения.

Рис.3.1. Упрощенная схема замещения обмотки трансформатора при воздействии на нее импульсных перенапряжений

Поскольку фронт волны очень крутой, то индуктивное сопротивление витков обмотки трансформатора резко возрастает, и ток в начале процесса не проходит по виткам обмотки трансформатора, а проходит только по емкостным цепям обмотки. Как показано в курсе ТОЭ, после того, как волна перенапряжения достигнет обмотки трансформатора, емкости начинают заряжаться, и напряжение на выводе А обмотки трансформатора сначала кратковременно падает до нуля, а затем достигает двойного значения амплитуды волны.

Смотрите так же:  Провода к вентилятор ваз 2107

Рассмотрим, как напряжение распределяется вдоль обмотки трансформатора. Если рассматривать схему замещения трансформатора как однородную линию с распределенными параметрами, то напряжение вдоль обмотки трансформатора при заземленном выводе Х будет распределяться в соответствии с уравнением:

. (3.1)

Здесь L –длина всей обмотки; x – длина обмотки от конца до точки х, в которой определяется напряжение ; — коэффициент затухания; sinh — гиперболический синус.

На рис.10.6. показаны кривые распределения напряжения вдоль обмотки трансформатора при четырех разных значениях α: 1- α=0; 2- α=0,2; 3 – α=0,5; 4 – α=5. Это распределение напряжения называют начальным. Как видно из рис.10.6, если , напряжение вдоль обмотки распределяется неравномерно. На ближайшие к выводу А витки приходится большее напряжение, а на витки, ближайшие к концу обмотки – меньшее напряжение, причем крутизна напряжения в начале обмотки с ростом α увеличивается. При α=5 все напряжение приходится на первые витки, ближайшие к началу обмотки А.

У обмоток современных трансформаторов коэффициент затухания α лежит в пределах 5-15. Это значит, что при перенапряжениях в трансформаторах практически все напряжение прикладывается к первым от начала обмотки виткам или катушкам. Такое распределение напряжения является опасным для изоляции обмотки, и, если не принять специальных мер, то изоляция ближайших к началу обмотки витков будет пробиваться, что подтверждается опытом эксплуатации трансформаторов. Отметим, что и при незаземленном конце обмотки, картина неравномерного распределения напряжения вдоль обмотки качественно сохраняется.

Хотя рассмотренный нами анализ был проведен лишь для качественной оценки процессов в изоляции обмоток трансформатора, однако он позволяет сформулировать основные положения правильного конструирования обмоток высоковольтных трансформаторов и выбрать меры защиты изоляции от возможных перенапряжений. На основании исследований можно сделать следующие практические выводы.

Для надежной работы трансформатора необходимо во-первых, не допускать воздействия на обмотку волн с амплитудой напряжения, превышающей пределы, установленные для данного класса изоляции обмоток (внешняя защита) и во-вторых, усиливать изоляцию крайних катушек и принять меры для выравнивания начального распределения напряжения вдоль обмотки трансформатора в момент прихода волны перенапряжения (внутренняя защита). Соблюдение этих условий позволит повысить эксплуатационную надежность трансформаторов.

Для выполнения первого условия трансформаторные подстанции защищают молниеотводами, а линии электропередачи — заземленными тросами, а также вентильными разрядниками (РВ) и нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН). Вентильный разрядник представляет собой защитный аппарат, имеющий однократный или многократный искровой промежуток ИП, соединенный последовательно с варистором — нелинейным резистором НР, выполненным из вилита – материала на основе карбида кремния, обладающего нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис.10.7,а).

Рис.3.2.Принципиальная схема защиты трансформатора с использованием вентильного разрядника (а) и согласование вольт-секундных характеристик трансформатора и вентильного разрядника (б)

Вентильный разрядник подключают параллельно защищаемому объекту – трансформатору Т. Чем больше величина напряжения, прикладываемого к искровому промежутку разрядника, тем быстрее он пробивается. Эта зависимость 2, показанная на рис. 10.7,б, называется вольт-секундной характеристикой разрядника. В нормальных условиях искровой промежуток не пробит и ток через РВ не протекает. Когда же перенапряжение падающей волны uПАД достигнет значения, определяемого вольт-секундной характеристикой 2 разрядника РВ, то происходит его срабатывание, т.е. искровой промежуток ИП пробивается, соединяя линию, по которой идет перенапряжение, и защищаемую изоляцию с землей и отводя электрические заряды опасной волны перенапряжения в землю через искровой разряд.

Вольт-секундная характеристика 2 вентильного разрядника РВ с учетом разброса его параметров должна лежать ниже вольт-секундной характеристики 1 защищаемой изоляции (рис.10.7,б). По опытным данным этот интервал должен быть не менее 15-20%. При выполнении этого требования появление опасных для изоляции трансформаторов перенапряжений невозможно, так как при набегании импульса перенапряжения uПАД пробой ИП происходит при напряжении uПР раньше, чем произойдет пробой изоляции защищаемого объекта.

Необходимость включения в защитную цепь искрового промежутка связано с тем, что вилит обладает слабой нелинейностью. Наличие искрового промежутка значительно увеличивает напряжение срабатывания разрядника, а, следовательно, и напряжение на защищаемом объекте. Чтобы улучшить защитные характеристики разрядника и отказаться от искровых промежутков, необходимы резисторы из материала с резко нелинейной вольт-амперной характеристикой и достаточной пропускной способностью. Такие материалы позволяют, отказавшись от искровых промежутков, обеспечить глубокое ограничение перенапряжений и удешевить изоляцию защищаемого оборудования. Высоконелинейные резисторы на основе окиси цинка с применением окислов других металлов получили название оксидно-цинковых резисторов (ОЦР). Аппараты глубокого ограничения перенапряжений с высоконелинейными оксидно-цинковыми резисторами получили название ОПН – ограничители перенапряжений нелинейные. Уровень ограничения грозовых перенапряжений с помощью ОПН составляет (2,2-2,4)UФ в сетях 110 кВ и снижается до2UФ в сетях 750 кВ.

Соблюдение второго условия по ограничению перенапряжений представляет большие трудности и приводит к усложнению конструкции обмоток и технологии их производства. В настоящее время масляные трансформаторы напряжением до 35 кВ включительно имеют защиту от перенапряжений в виде усиленной изоляции начальных и концевых катушек обмотки ВН, где наибольшая вероятность появления перенапряжений. Число катушек с усиленной изоляцией составляет 5-7 % от общего числа катушек обмотки. Толщину изоляции в этих катушках увеличивают в три раза.

Простейшим мероприятием для выравнивания начального распределения напряжения является емкостная защита, основанная на применении разомкнутых «емкостных колец», являющихся электростатическими экранами. Эти кольца изготовляются из электрокартона с металлизированной поверхностью. Они охватывают несколько первых начальных витков обмотки и соединяются с началом обмотки. Схема замещения обмотки трансформатора с электростатическими экранами вокруг первых катушек трансформатора приведена на рис.10.8. Электростатический экран позволяет снять большое напряжение с первых витков обмотки за счет того, что он его несколько продвигает дальше от начала обмотки.

Физически действие экрана можно объяснить следующим образом. Согласно законам коммутации ток через катушку и напряжение на конденсаторе не могут изменяться скачком. В первый момент времени катушка представляет собой разрыв, а незараженный конденсатор – короткое замыкание. Таким образом, конденсаторы СЗ в первый момент времени оказываются незаряженными. Ближайшие к началу обмотки незаряженные конденсаторы СЗ и обусловливают большое напряжение на первых витках обмотки. Роль емкостных колец или экранов заключается в том, что они создают конденсаторы СЭ, через которые могут заряжаться конденсаторы СЗ.

Чтобы распределение напряжения вдоль обмотки было близко к линейному, емкости экранов СЭ должна быть неодинаковыми. По мере удаления от начала обмотки емкость должна уменьшаться. Для этого экран располагают так, чтобы расстояние от обмотки до экрана увеличивалось по мере удаления от ее начала. В этом случае токи через емкости СЭ и СЗ в соответствующих точках будут равны и обмотка не нагружается токами емкостей на землю. Распределение напряжения будет равномерным.

Выше было показано, что при α=0, когда СЗ=0, распределение напряжения вдоль обмотки становится равномерным. Выполнить трансформатор так, чтобы его обмотки не имели емкости на землю, невозможно. Однако их можно исключить из схемы другим путем. Наличие емкостей СЭ, через которые заряжаются емкости СЗ от подведенного перенапряжения, позволяет сделать цепи СЭСЗ независимыми от обмотки и вынести их в качестве отдельной схемы. В этом случае для обмотки как бы соблюдается условие СЗ=0, α=0 и распределение напряжений будет равномерным. В некоторых случаях экранируют всю обмотку.

Похожие статьи:

  • Однофазный двигатель переменного тока с конденсатором Конденсаторный двигатель В ГОСТ 27471-87 [1] дано следующее определение:Конденсаторный двигатель - двигатель с расщепленной фазой, у которого в цепь вспомогательной обмотки постоянно включен конденсатор. Конденсаторный двигатель, хотя и […]
  • Определить напряжение в точке а относительно общего провода 12v 8v 10v 1v Определить напряжение в точке а относительно общего провода 12v 8v 10v 1v 5 правильных ответов на 6 вопросов(класс,хоть в одном наврать можно.Вот спасибо )и,наверно, прошивочка наша,товарищи. Мужчины,помогите. пожалуйста Тест. 1.Что […]
  • Две фазы на выключатель Как подключить двухклавишный выключатель? Не ругайте сильно если тема уже сто первая. Снимаю квартиру, там в большой комнате сломался веревочный выключатель. Люстра двух режимная, из потолка там где была коробка выключателя, торчат три […]
  • Электроавтоматы с узо Автоматические электровыключатели, электроавтоматы. Выключатели автоматические предназначены для применения в электрических цепях переменного тока, защиты при перегрузках и токах короткого замыкания (КЗ), пуска и остановки асинхронных […]
  • Настройка тв антенны от провода Лайфхак: как смотреть качественное ТВ без интернета, кабеля и тарелки Через кабель и штекер с сильными помехами у меня показывали «Первый», «Россия 1» и «Рен ТВ». И все бы ничего. Телевизор я почти не смотрю (только спорт, «Что? Где? […]
  • Непаяное заземление Концевые муфты ЭНЕРГО Типы установкиКонцевые муфты КВтп-10 предназначены для внутренней установки. Буква «В» в артикуле об этом свидетельствует. Муфты КНтп-10, предназначены для наружной установки, буква «Н», об этом свидетельствует. […]