Переходные процессы при включении и при внезапном коротком замыкании трансформаторов

При переходе трансформатора из одного уста­новившегося режима в другой возникают переход­ные процессы. Так как каждый установившийся режим характеризуется определенным значением энергии электромагнитных полей, то в течение переходного процесса происходит изменение энергии этих полей. Наибольший практический интерес представляют переходные процессы при включении трансформатора и коротком замыкании на зажимах вторичной обмотки.

Включение трансформатора в сеть. В этом случае результирующий магнитный поток можно рассматривать как сумму трех составляющих:

Ф = Ф_уст+Ф_пер±Ф_ост (4.1)

где Фуст — магнитный поток установившийся; Ф_пев — магнитный поток переходного процесса; Фост — магнитный поток остаточного магнетизма, направ­ленный либо согласно с установившимся потоком (знак «+»), либо встречно ему (знак «-»).

Магнитный поток переходного процесса затухающий и постоянен по направлению.

Рис. 4.1. Графики перехода процессов при включении трансформатора (а) и определение тока включения трансформа по кривой намагничивания (б)

Наиболее благоприятный случай включения трансформатора в сеть будет при потоке остаточного магнетизма, направленном встречно установившемуся потоку, и мгновенном значении первичного напряжения u₁ = 0. При этом магнитный поток установившийся Фуст будет максимальным, так как он отстает по фазе от напряжения на угол приблизительно 90° (рис. 4.1, а). Магнитный поток Ф становится наибольшим приблизительно через половину периода после включения трансформатора. Если магнитопровод трансформатора не насыщен, то в момент включения трансформатора в первичной обмотке появится намагничивающий ток, пропорциональный магнитному потоку. Если же магнитопровод трансформатора насыщен, то при включении трансформатора намагничивающий ток включения достигает значительной силы, называемой сверхтоком холостого хода. Из построений, сделанных на кривой намагничивания (рис. 4.1, б), видно, что при магнитном потоке, превышающем в два раза установившееся значение Ф = 2Ф_уст, сверхток холостого хода достигает силы, во много раз превышающей установившееся значение тока х.х. (I_1вкл>>I₀). При наиболее неблагоприятных условиях сверхток х.х. может в 6—8 раз превысить номинальное значение первичного тока.

Так как длительность переходного процесса невелика и не превышает нескольких периодов переменного тока, то ток включения для трансформатора не опасен. Однако его следует учитывать при регулировке аппаратуры защиты, чтобы в момент включения трансформатора не произошло его неправильного отключения от сети. Бросок тока включения следует также учитывать при наличии в цепи первичной обмотки трансформатора чувствительных измерительных приборов. Во избежание поломки этих приборов нужно до включения трансформатора в сеть шунтировать их токовые обмотки.

Внезапное короткое замыкание на зажимах вторичной обмотки трансформатора.Оно возникает из-за различных неисправностей: механического повреждения изоляции или ее электрического пробоя при перенапряжениях, ошибочных действиях обслуживающего персонала и др. Короткое замыкание — это аварийный режим который может привести к разрушению трансформатора.

При внезапном коротком замыкании на зажимах вторичной обмотки в трансформаторе возникает переходный процесс, сопровождаемый возникновением большого мгновенного тока к.з. i_к. Этот ток можно рассматривать как результирующий двух токов установившегося тока i_к.уст и тока переходного процесса i_к.пер, постоянного по направлению, но убывающего по экспоненциальному закону.

(4.2)

Наиболее неблагоприятные условия к.з. могут быть в момент когда мгновенное значение первичного напряжения равно нулю(u₁ = 0). На рис. 4.2 построена кривая тока к.з, i_к для этого условия. Ток внезапного к.з. (ударный ток) может достигать двойного значения установившегося тока к.з. и в 20—40 раз превышать номинальное значение тока.

Рис. 4.2. Графики переходных процессов при внезапном к.з.

Переходный процесс при внезапном к.з. у трансформаторов малой мощности длится не более одного периода, а у трансформаторов большой мощности — 6—7 периодов. Затем трансформатор переходит в режим установившегося к.з., при этом в обмотках протекают токи i_к.уст, значения которых хотя и меньше тока i_к при переходном процессе, но все же во много раз превышают номи­нальное значение тока. Через несколько секунд срабатывают защитные устройства, отключаю­щие трансформатор от сети. Но несмотря на кратковременность процесса к.з., он представляет собой значительную опасность для обмоток трансформатора: во-первых, чрезмерно большой ток к.з. резко повышает температуру обмотки, что может повредить ее изоляцию; во-вторых, резко увеличиваются электромагнитные силы в обмотках трансформатора.

Значение удельной электромагнитной силы, действующей на витки обмоток, определяют произведением магнитной индукции поля рассеяния В_s на ток i в витке обмотки:

F = B_si, (4.3)

где F — удельная электромагнитная сила, Н/м.

Но с увеличением тока растет также и индукция поля рассеяния, поэтому сила растет пропорционально квадрату тока (F = i²). Так, если в витке ток i = 100 А и индукция В_s = 0,1 Тл, то F = 0,1×100 = 10 Н/м. Такая си­ла не вызывает заметных деформаций витков обмотки. Но если при внезапном к.з. бросок тока достигнет значения i_к, превышающего номинальный ток в 30 раз, то электромагнитная сила возрастет в 900 раз и станет равной 9000 Н/м. Такая сила может вызвать значительные механические разрушения в трансформаторе (рис. 4.3). Все это необходимо учитывать при проектировании трансформаторов и создавать достаточно прочные конструкции обмоток и надежное их крепление на сердечниках.

Рис. 4.3. Разрушение обмоток трансформатора при к.з.