Переходные процессы, вызванные перенапряжением

Перенапряжения, т.е. повышение напряжения возможны а) на шинах трансформаторов вызванное явление атмосферного характера, при коротких замыканиях в сети, при включении и выключении трансформатора на сеть и т.д. Во всех этих случаях возникает электромагнитная волна распространяющегося со скоростью света и, достигнув трансформатора, частью отражается, часть проникает в трансформатор.

Самый опасный случай, когда волна имеет форму, приближающую к прямоугольной. Действие такой волны воспринимается трансформатором, как действие периодической волны большой частоты, так как при увеличении последней наклон синусоидальной кривой становится все круче и в пределе приближается к вертикали. В этих условиях трансформатор ведет себя совершенно иначе, чем при установившемся режиме.

В самом деле, до сих пор говоря о трансформаторе, мы имели в виду только индуктивные сопротивления x_L = wL. В действительности существует еще и емкостные связи.

Покажем в упрощенном виде:

C_K – емкость между соседними катушками

C₃₀ – емкость катушки на земле

, С_обз = n_кС₃₀

Входная емкость трансформатора

Емкостное сопротивление , при нормальной частоте емкостное сопротивление настолько велико по отношению x_L = 2pf₁L, поэтому ток практически проходит по x_L.

По мере увеличения частоты соотношения x_L и x_C изменяется x_L увеличивается, x_С – уменьшается. При f » ¥, x_L » ¥, x_С = 0 т.е. при этом ток будет протекать только по емкостным связям, минуя обмотку. Процесс будет зависеть от того, заземлена ли нейтраль или нет.

а) Перенапряжения в трансформаторе с заземленной нейтралью:

Так как ток протекает только по емкостным связям, то процесс распределения волны сводится к зарядке системы конденсаторов.

Различают два предельных случая распределения напряжения в момент времени t = 0:

а) когда есть емкости только между катушками (С_к);

б) когда имеются емкости только на землю С₃₀.

В первом случае емкости с соединены последовательно и ток течет одной и той же величины, так как C_AB = C_BC = C_CD, то получаем равномерное распределение напряжения существует и при установившемся режиме. Следовательно, является наиболее благоприятным(1). Во втором случае весь ток протекает только через первый сверху конденсатор (т.к. x_L = ¥)(2), т.е. напряжение падает на первую катушку, а следовательно во много раз больше номинального. Это может привести к пробою первых катушек.

Реально существует одновременно обе емкостные связи и напряжение U находится между этими пределами (3). Здесь на первой виток приходится не все напряжение, а DU, но все же настолько значительное что может произойти пробой. Поэтому у трансформаторов на 35 кв и выше первые катушки выполняются с усиленной изоляцией. Кривая (3) дает распределение напряжения в момент t = 0, установившийся режим (1) . Так как трансформатор состоит как бы из системы C и L соединенных различным образом цепи C и L создают резонансные контура, то переход от начального распределения (3) к установившемуся (1) происходит в результате колебательного процесса. Следовательно после момента времени t = 0(3), наступает момент (4). Видим, что и конечные витки могут быть под повышенным напряжением. В дальнейшем процессе будет затухать за счет активного сопротивления обмоток. Вообще опасность пробоя возможна для любого витка.

б) Перенапряжения в трансформаторе с изолированной нейтралью.

В начальный момент распределения напряжения и с заземленной нейтралью но при установившемся режиме все точки обмотки находятся под одним и тем же напряжением U_л (2). Так как трансформатор состоит из контуров C, L происходит колебательный процесс и достигает какой то кривой (3), затем за счет активного сопротивления процесс затухает.

По сравнению с предыдущим случаем пределы колебаний напряжения гораздо шире, что составляют существенный недостаток систем с изолированной нейтралью. Поэтому у высоковольтных трансформаторов нейтраль обычно заземляют.

Меры защиты от перенапряжений:

Усиливают изоляцию входных катушек, а так как при этом ухудшается теплоотдача, то уменьшается плотность тока. Увеличивают сечение в 2 раза.

Перенапряжения вызывается резонансными контурами, т.е. трансформатор резонирующий. Чтобы сделать трансформатор не резонирующим нужно устранить действие емкостей на землю С₃₀, оставив только межкатушечные емкости С_к. В этом случае переход к установившемуся режиму происходит без колебаний напряжения или во всяком случае с ограниченными колебаниями.

Устранить емкость на землю конечно нельзя, но их можно скомпенсировать, для этой цели устраиваются экраны, находящиеся под напряжением и изолированные от обмотки. Применяя многослойные концентрические обмотки, где емкость между слоями значительно превосходит емкость на землю.

Для защиты трансформатора используется разрядники

1 - разомкнутая шайба (изоляция).