10. Волновые процессы в обмотках трансформаторов при приходе грозовых волн. Перенапряжения на главной и продольной изоляции.

В эксплуатации обмотки трансформатора подвергаются воздействию перенапряжений, причем наиболее опасны грозовые перенапряжения. При этом в обмотке возникает переходный процесс, сопровождающийся перенапряжениями на главной (относительно «земли») и продольной (между элементами обмотки) изоляции. Наиболее простой для анализа и наиболее тяжелый для изоляции случай соответствует воздействию на обмотку бесконечно длинного импульса с амплитудой U₀ и прямоугольным фронтом.

K – емкость между катушками обмотки; C – емкость катушки обмотки на землю;

- емкости между экранирующими витками и обмоткой; При воздействии фронта импульса индуктивное сопротивление элементов обмотки велико, а емкостные - малы (L₀, C₀, K₀ – соответственно индуктивности и емкости на единицу длины обмотки). Поэтому в начальный момент времени ток протекает только по емкостным элементам схемы.

Емкости K₀ одинаковы, но через них протекают токи, уменьшающиеся по мере удаления от начала обмотки за счет токов, оттекающих по емкостям C₀. Вследствие этого распределение напряжения при t = 0, получившее название начального распределения напряжения, будет неравномерным.

У современных трансформаторов начальное распределение напряжения для заземленной и изолированной нейтрали практически совпадает.

Из-за того, что элементы обмотки соединены между собой и образуют токопроводящую цепь, первоначальное распределение напряжения не остается неизменным: при временах, отличных от нуля, происходит переток зарядов по индуктивностям обмотки, возникает установившееся распределение напряжения . Поскольку обмотка однородна, падение напряжения по виткам будет равномерным. В случае заземленной нейтрали равномерно спадает от U₀ в начале обмотки до нуля в конце обмотки (на нейтрали)

Для изолированной нейтрали в установившемся режиме все точки обмотки будут находиться под одинаковым потенциалом, равным, U_0.

Несоответствие между начальным и установившимся режимами является причиной возникновения свободных колебаний в обмотке. Как известно, в колебательном контуре амплитуда свободных колебаний U_св равна разности между установившимся и начальным значением напряжения на емкости. Колебания происходят вокруг установившегося значения напряжения, поэтому максимальное значение напряжения на изоляции в переходном режиме будет равно сумме этих двух составляющих, т.е. в рассматриваемом случае

Переходные процессы в однофазных схемах справедливы для трехфазных трансформаторов с заземленной нейтралью. Для трансформаторов с изолированной нейтралью (обмотки соединены в звезду) выводы, полученные для однофазного трансформатора, также справедливы, если волна перенапряжения набегает одновременно по всем трем фазам. Если импульс перенапряжения воздействует на одну или две фазы трансформатора, перенапряжения в главной изоляции будут существенно меньшими. Действительно, если импульс перенапряжения воздействует на одну фазу трансформатора (рис.3), то две другие фазы трансформатора, соединенные последовательно с волновыми сопротивлениями отходящих линий, сохраняют потенциал, близкий к нулю . Объединив параллельно соединенные фазы В и С трансформатора, переходим к однофазной схеме с заземленным концом. Начальное распределение напряжения описывается выражением (1), установившееся имеет перелом в точке О , в этом случае напряжение на нейтрали в переходном режиме . При приходе волны одновременно по двум фазам . Если обмотки трансформатора соединены в треугольник и импульс перенапряжения набегает по одному из проводов, то переходный процесс в обмотке аналогичен рассмотренному выше (нейтраль изолирована). При воздействии импульса перенапряжения на три фазы обмотки одновременно волны попадают на каждую фазу с двух концов. Это соответствует явлениям, которые возникают при воздействии импульсов перенапряжения на обмотку половинной длины с изолированной нейтралью. Максимальные значения перенапряжений относительно земли будут в середине обмотки каждой фазы

Анализируя все случаи возникновения перенапряжений в трехфазных трансформаторах, можно сделать вывод о том, что наибольшие перенапряжения на главной изоляции возникают в случае одновременного прихода перенапряжений по трем фазам к трансформатору с соединением обмоток в треугольник (в середине обмотки). При этом . Опасные перенапряжения на продольной изоляции в начальной части обмоток возникают во всех случаях прихода к трансформатору импульса перенапряжения с крутым фронтом независимо от схемы соединения обмоток.