§ 2.20. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ТРАНСФОРМАТОРАХ

Причины появления перенапряжений. При нормальных условиях работы трансформатора между отдельными частями его обмоток (витками и катушками), а также между обмотками и заземленным магнитопроводом действуют синусоидальные напряжения номинальной частоты и амплитуды, которые не опасны для правильно спроектированного трансформатора. Если конец обмотки заземлен, то 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 перенапряжений, превышающих номинальное напряжение по амплитуде и имеющих другую частоту и форму кривой. Перенапряжения в трансформаторах вызывают различные причины: коммутационные (включение и выключение трансформатора или соединенных с ним электрических линий), короткие замыкания и грозовые разряды. Наибольшие перенапряжения (до десятикратных значений номинального напряжения) возникают при прямых ударах молнии в провода и опоры электрических линий и при грозовых разрядах вблизи линий, во время которых в проводах индуцируются электромагнитные волны высокого напряжения. Эти перенапряжения называют атмосферными, они наиболее опасны для продольной изоляций (между катушками, слоями и витками обмотки). Перенапряжения, возникающие вследствие коммутационных причин, воздействуют в основном на главную изоляцию обмоток.

В большинстве случаев грозовые разряды создают в линии перенапряжения в виде кратковременных импульсов (или периодических волн), причем амплитуда и форма импульса перенапряжения, проникающего в обмотки трансформатора, в значительной степени зависит от дальности атмосферного разряда, принятой защиты трансформаторной подстанции от перенапряжений, подходов к ней и т. п. Примерная форма импульса перенапряжений показана на рис. 2.65, а. Увеличение напряжения от нуля до максимума (фронт волны) происходит за очень короткий отрезок времени, измеряемый часто деся­тыми долями микросекунды. Волна с крутым фронтом может рассматриваться как ¼ периода переменного напряжения очень высокой частоты (10—50 кГц).

Рис. 2.65. Форма волны перенапряжения и упрощенные схемы замещения первичной обмотки трансформатора при воздействии этой волны: 1— фронт волны; 2 - хвост волны

Схема замещения при перенапряжениях. В полную схему замещения трансформатора кроме активных и индуктивных сопротивлений необходимо вводить емкостные сопротивления, обусловленные продольными емкостями Сd между отдельными элементами обмоток (витками и катушками) и поперечными емкостями Сq, между этими элементами и заземленными частями (магнитопровод, бак). При рабочей частоте 50 Гц созданные емкостями сопротивления весьма велики и практически не оказывают влияния на работу трансформатора. Однако при больших частотах, характерных для волн перенапряжения, влияние этих емкостей возрастает, так как по мере увеличения частоты индуктивное сопротивление XL увеличивается, а емкостное ХCуменьшается. Следовательно, все большая часть тока начинает проходить через емкости Сd и Cq,

На рис. 2.65,6 изображена упрощенная схема замещения входной обмотки трансформатора при перенапряжениях, в которой не учитывается активное сопротивление, а индуктивности L включают в себя как собственную, так и взаимные индуктивности каждого элемента обмоток. При подходе волны напряжения к зажимам трансформатора напряжение на обмотке вследствие большой крутизны фронта волны быстро возрастает. Скорость этого процесса настолько велика, что ток сначала не проходит по виткам обмотки изза большой их индуктивности, а проходит только по ее емкостной цепи (см. рис. 2.65, в). В этот момент обмотка действует как некоторая единая емкость Cвх = √CdрезCqрез, называемая входной. При этом значения продольной и поперечной составляющих входной емкости Сdрез = 1/∑Сd и Cqрез =∑Cq.

Распределение напряжения по обмотке в начале переходного процесса. При воздействии на трансформатор набегающей волны перенапряжения с крутым фронтом в схеме замещения входной  обмотки возникает  переходный процесс  изменения тока и напряжения. В начальный момент в течение долей микросекунды возникает процесс заряда входной емкости. При этом при переходе волны напряжения из электрической линии (т. е. из цепи с меньшим волновым сопротивлением) в трансформатор (т. е. в цепь с большим волновым сопротивлением) напряжение на его входной обмотке сначала уменьшается до нуля, а затем возрастает и достигает двукратного значения амплитуды волны. При начальном заряде входной емкости токи и электрические заряды распределяются по емкостной цепи (рис. 2.65, в) от начала обмотки А к ее концу X неравномерно, так как по мере приближения к концу обмотки все большая часть тока ответвляется через поперечные емкости Сq, в землю. Поэтому начальное распределение напряжения вдоль обмотки также неравномерно. Степень неравномерности зависит от коэффициента α = √Cqрез/Cdрез Решение системы дифференциальных уравнений, характеризующих распределение зарядов и напряжений вдоль емкостной цепи, имеет следующий вид:

их = A1eαx + A2e-αx,                                             (2.102)

где х — относительное расстояние рассматриваемой точки обмотки от ее конца (принимая длину обмотки l = 1); A1 и А2— постоянные интегрирования, которые находятся из начальных условий.

При заземлении конца обмотки X уравнение (2.102) принимает вид

их = UA(eαx - e-αx)/(2sh α) = UA sh αx/(sh α),                        (2.103)

а при незаземленном конце

их = UA(eαx + e-αx)/(2ch α) = UA ch αx/(ch α),                        (2.104)

где UA — амплитуда волны перенапряжения.

Рис. 2.66. Начальные распределения напряжения вдоль обмотки трансформатора при перенапряжениях для различных значений α

Полученные из уравнений (2.103) и (2.104) начальные распределения напряжений вдоль обмотки для различных значений а при заземленной и изолированной нейтрали изображены на рис. 2.66, а и б.

Обычно в трансформаторах Cqрез > Cdрез и α = 5 ÷ 15, поэтому начальное 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 витков и катушек, так как в начальные моменты на них падает максимальная часть напряжения.

Распределение напряжения по обмотке в течение переходного процесса. По окончании переходного процесса в обмотках с за­земленным концом напряжение распределено вдоль обмотки равномерно (рис. 2.67, а), а в обмотках с изолированным концом ко всем частям обмотки приложено одинаковое напряжение (рис. 2.67,6). Процесс проникновения волны пере­напряжения в обмотку можно рассматривать как переход от начального распределения напряжения (кривые 1) к конечному (прямые 2). Индуктивности и емкости, имеющиеся в схеме замещения, образуют колебательные контуры, вследствие чего переходный процесс сопровождается возникновением высоко­частотных электромагнитных колебаний. Амплитуда возмож­ных колебаний напряжения в каждой точке обмотки равна разности ординат кривых 1 и прямых 2. Они совершаются относительно прямых 2 — конечного распределения напряже­ний, поэтому максимальные значения их ограничены кривы­ми 3. Штриховые кривые 4 на рис. 2.67 показывают ха­рактер распределения напряжения вдоль обмотки в некоторый момент времени после начала переходного процесса. С тече­нием времени возникающие колебания из-за наличия активного сопротивления обмотки затухают.

Рис. 2.67. Распределение на­пряжения вдоль обмотки трансформатора при высокочастотных колебаниях: 1 — начальное распределение; 2 — конечное распределение; 3 — граничные значения максималь­ных напряжений; 4 — изменение напряжения вдоль обмотки при колебательном процессе

Из рассмотрения кривых, приведенных на рис. 2.67, следует, что во время колебаний большие перепады напряжения возникают в средней и конечной частях обмотки. Кроме того, в отдельных частях обмотки напряжение относительно земли может стать больше амплитуды падающей на обмотку волны перенапряжения UA. В частности, при незаземленной нейтрали наибольшее напряжение падает на изоляцию конечных витков и катушек. Это является существенным недостатком трансформаторов с изолированной нейтралью.

Защита от перенапряжений. Для предотвращения воздействия на трансформаторы волн перенапряжений с амплитудой, превышающей допустимую для данного класса изоляции, трансформаторные подстанции защищают заземленными тросами и разрядниками. Они обеспечивают снижение амплитуды падающей на трансформаторы волны перенапряжения.

В трансформаторах напряжением 35 кВ для защиты от атмосферных перенапряжений в начале и конце обмотки ВН усиливают изоляцию первой и второй катушек, а также увеличивают вентиляционные каналы между ними. Нейтрали обмоток с напряжением 35 кВ и выше заземляют непосредственно либо через сопротивления, которые при высокочастотных колебаниях не оказывают существенного влияния на характер переходного процесса.

Для выравнивания начального распределения напряжения и сближения его с конечным распределением, а также для снижения опасных резонансных электромагнитных колебаний под воздействием волн перенапряжений в трансформаторах напряжением 110 кВ и выше применяют емкостную защиту обмоток. Сущность такой защиты заключается в том, что в конструкцию обмотки включают добавочные емкости Сэ1 и Сэ2 (рис. 2.68, а), выполненные в виде электростатических экранов, которые шунтируют продольные емкости Cd. В этом случае при заземлении конца X обмотки ВН кривая начального распределения напряжения 1 (см. рис. 2.67) приближается к прямой 2 конечного распределения.

Емкостная защита состоит из следующих элементов (рис. 2.68,6):

а)  емкостного кольца 1, установленного у входной катушки. Оно выравнивает электрическое поле у начала обмотки и представлено на принципиальной схеме (рис. 2.68, а) в виде емкости Сэ1. Емкостное кольцо изготовляют из тонкой медной ленты шириной 20—30 мм, завернутой в кабельную бумагу и наматываемой в два слоя (бифилярно) на шайбу из электро картона с закругленными краями;

Рис. 2.68. Принципиаль­ная схема емкостной за­щиты и ее выполнение в трансформаторах напря­жением 110 кВ

б)  экранирующих витков 3, выполненных в виде разомкну тых металлических колец, охватывающих несколько первых катушек   обмотки   и   прикрепленных   к   ним.   Они   повышают электрические потенциалы у начальной и последующих катушек обмотки и представлены на принципиальной схеме (рис. 2.68, а) в виде емкостей Сэ2. Экранирующие витки выполняют из того же провода, что и витки катушек и имеют усиленную изоляцию. Для уменьшения емкостей Сэ2 экранирующие витки катушек, более удаленных от начала, располагают на большем расстоянии от катушек обмотки, чем начальные витки. Все начала экранирующих витков и емкостное кольцо присоединяют к началу А обмотки, т. е. они имеют потенциал электрической линии. Трансформаторы с емкостной защитой называют грузоупорными или перезонирующими, так как у них практически устранена опасность возникновения значительных резонансных колебаний в обмотках при воздействии периодических затухающих волн перенапряжения.

В трансформаторах напряжением 110 кВ и выше наряду с емкостной защитой начальные 2 и концевые катушки высоковольтных обмоток выполняют с усиленной изоляцией.