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).
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?