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)U_НОМ.

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) С_q и продольных емкостей между смежными элементами обмотки C_d (рис. 4.4, в).

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 С_ВХ, которая обусловливает входное (емкостное) сопротивление трансформатора х_вх. В начальный момент подхода волны, когда скорость нарастания напряжения огромна (du/dt® ¥), входное сопротивление практически равно нулю (х_вх ®0), т. е. трансформатор эквивалентен короткозамкнутому концу линии передачи. При этом напряжение на входе трансформатора сна­чала падает до нуля, затем, по мере зарядки емкости С_ВХ, 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 C_q, при этом токи в продольных емкостях С_d 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, а и изолирована на рис. 4.7, б) и от соотношения емкостей С_q и C_d, 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 u_X = 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 С_Э, через которые заряжаются поперечные емкости С_q в обход продольных емкостей C_d (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.