11. Меры борьбы с грозовыми перенапряжениями в трансформаторах.

Перенапряжения, возникающие на изоляции трансформаторов, связаны с величиной свободной составляющей, поэтому снизить перенапряжения можно путем снижения амплитуды свободной составляющей, т.е. приближением начального распределения напряжения к установившемуся. Выровнять кривую начального распределения напряжения можно компенсацией токов, протекающих по емкости C₀, с помощью экранирующих витков (см. рис.1).

1 – проводники обмотки; 2 – заземленные части трансформатора; 3…6 – электростатические экраны в начальной части обмотки

Экранирующие витки создают дополнительную емкость C_э. Ток, протекающий по емкости C_э, компенсирует ток, стекающий по емкостям C₀. При этом через емкости K₀ в любой точке обмотки будет протекать ток одинаковой величины, вызывая на каждом элементе одинаковое падение напряжения. Для случая заземленной обмотки величина емкости

.

Приблизить кривую начального распределения к установившемуся значению напряжения можно путем увеличения продольных емкостей K₀, применяя переплетенные обмотки.

Изоляция обмоток силовых трансформаторов проектируется с учетом воздействующих перенапряжений и мер их ограничения. Обмотка трансформатора защищается разрядником либо нелинейным ограничителем перенапряжений, поэтому изоляция линейного конца выбирается по характеристикам защитных аппаратов с учетом перенапряжений (см.рис.2).

Рис.2. Потенциалы в обмотке трансформатора с заземленной (а) и изолированной (б) нейтралью для различных моментов времени:

1 – начальное распределение напряжения;

2 – установившееся распределение напряжения;

3 – огибающая максимальных потенциалов

Для систем с глухозаземленной нейтралью в начале обмотки изоляция усиливается увеличением изоляционного расстояния по сравнению с расстояниями в средней части; изоляция конца обмотки относительно земли выполняется ослабленной по сравнению с линейным концом. Если для ограничения токов однофазного короткого замыкания часть нейтралей трансформаторов 110…220 кВ разземляется, необходима защита нейтрали разрядником, удовлетворяющим требованиям по уровню изоляции нейтрали и U_гаш разрядника.

В системах с изоляция нейтралей выполняется с тем же уровнем, что и изоляция линейного конца. Перенапряжения с большей кратностью при выборе изоляции линейного конца не учитываются, так как вероятность их появления (приход волны перенапряжения одновременно по трем фазам) мала. Не усиливается и изоляция в середине обмотки при соединении обмоток в треугольник (опыт эксплуатации не имеет сведений о неудовлетворительной работе таких трансформаторов).

В связи с тем, что максимальные градиенты при любых режимах работы приходятся на первые катушки обмотки, продольная изоляция в начале обмоток усиливается.

12. Волновые процессы в автотрансформаторах. Волновые процессы в трехфазных трансформаторах.

Схема автотрансформатора (а) и распределение напряжения по обмоткам автотрансформатора при перенапряжении U₀ со стороны ввода СН (б)

1 –начальное распределение напряжения;

2 – установившееся напряжение

В автотрансформаторах соединены последовательно обмотки среднего напряжения СН (общая обмотка) и высшего напряжения ВН (последовательная обмотка) (рис.5). Обмотку низшего напряжения иногда называют третичной.

Потенциалы в обмотке трансформатора с заземленной нейтралью для различных моментов времени:

1 – начальное распределение напряжения;

2 – установившееся распределение напряжения;

3 – огибающая максимальных потенциалов

При воздействии импульса U₀ на ввод ВН (точка А) и холостой обмотки СН колебания развиваются так же, как в случае обмотки с заземленным концом (см. рис.2).

При воздействии перенапряжения на ввод обмотки СН (точка А_m) начальное распределение напряжения U_нач в обе стороны от точки А_m имеют практически одинаковую форму. В установившемся режиме по обмотке СН (А_m – 0) течет линейно изменяющийся ток, который в силу магнитной связи обмоток наводит одинаковые ЭДС во всех витках обмотки ВН, то есть напряжение в обмотке ВН линейно нарастает в соответствии с количеством витков

где , - число витков в обмотках ВН и СН, - коэффициент трансформации. Максимальное напряжение на вводе ВН (точка 1) может достигнуть значения . Ограничивают такие перенапряжения с помощью разрядников или ОПН, постоянно присоединенных к вводам обмоток ВН и СН

А)

Падение волны на одну фазу обмотки трехфазного трансформатора (О – нейтраль изолирована):

а – исходная схема; б – распределение напряжения вдоль обмоток

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

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 (рис.4).

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.