3. Перенапруга в трансформаторах

Загальні відомості про перенапругу. У працюючих електричних мережах виникають короткочасні імпульси напруг, значення яких можуть у багато разів перевищувати нормальні робочі напруги. Такі імпульси напруг називаються перенапругами. Перенапруги викликаються різними причинами:

1) комутаційними операціями (включення й вимикання ліній, трансформаторів й обертових електричних машин);

2) замиканнями на землю через електричну дугу;

3) грозовими розрядами безпосередньо в лініях електропередачі або поблизу від них. В останньому випадку висока напруга в проводах лінії електропередачі індукується струмами блискавки.

Найнебезпечнішими звичайно є атмосферні перенапруги, викликувані грозовими розрядами. Амплітуди атмосферних перенапруг досягають мільйонів вольт.

Перенапруги мають характер короткочасних аперіодичних або періодичних імпульсів або хвиль. Виникаючі на якій-небудь ділянці мережі хвилі перенапруги поширюються по повітряних лініях електропередачі зі швидкістю, близької до швидкості світла, і досягають підстанцій із установленим на них устаткуванням, у тому числі трансформаторів. Для захисту електричних мереж і підстанцій від перенапруг установлюються розрядники, істотним елементом яких є іскрові проміжки. Одні полюси іскрових проміжків з'єднані з лінією, а інших - із землею. При перенапругах іскровий проміжок пробивається, і електричний заряд хвилі перенапруги приділяється в землю. Однак хвиля перенапруги при цьому повністю не зникає, тому що розмір іскрового проміжку необхідно вибрати настільки більшим, щоб після відводу заряду хвилі перенапруги в землю на іскровому проміжку не виникла електрична дуга під впливом нормальної робочої напруги мережі. Виникненню цієї дуги сприяє іонізація іскрового проміжку під впливом розряду хвилі перенапруги. Тому розрядники забезпечують зниження амплітуд хвиль перенапруг до значень, які все-таки в кілька разів перевищують нормальну робочу напругу. Такі хвилі перенапруг також досягають трансформаторів.

Характерна форма хвилі перенапруги має вигляд аперіодичного імпульсу (мал. 7, а).

Рис. 25.7. Хвиля перенапруги: а - аперіодична; 6 – прямокутна

Начальний, швидко або круто, що піднімається ділянка, 0а називається фронтом хвилі, а спадаюча ділянка - хвостом хвилі. Тривалість дії хвилі звичайно становить десятки мікросекунд, а тривалість фронту хвилі - кілька мікросекунд або навіть частки мікросекунди. Таким чином, хвилю перенапруги можна розглядати як першу напівхвилю деякої періодичної напруги, що має досить більшу частоту Гц. При наближеному аналізі хвилю із крутим фронтом (мал. 7, а) можна замінити прямокутною хвилею (мал. 7, б).

Схема заміщення обмоток трансформатора при перенапругах. Між окремими витками й котушками обмоток, а також між ними й заземленими частинами трансформатора (сердечник, бак і т.д.) існують певні ємності, які шунтуют названі елементи обмоток. Ці ємності настільки малі, що відповідні ємнісні опори

при робочій частоті Гц досить великі й не роблять якого-небудь помітного впливу на роботу трансформатора. Тому раніше, при розгляді нормальних й аварійних процесів, що протікають із нормальною частотою, ці ємності в увагу не приймалися. Однак при дії хвиль перенапруг, які рухаються й змінюються з великою швидкістю або великою частотою, вплив цих ємностей має першорядне значення.

Схема заміщення трансформатора при перенапругах, що враховує всі види зв'язку (кондуктивна, індуктивна, ємнісна) між окремими елементами обмоток і між ними й землею, є надзвичайно складною. Із цієї причини точний аналіз процесів, що відбуваються в трансформаторі при перенапругах, досить важкий. Тому обмежимося розглядом спрощеної схеми заміщення обмотки трансформатора при хвильових процесах (мал. 8, а), що дозволить з'ясувати основні характерні риси виникаючих явищ.

Рис. 8. Обмотка трансформатора: а - спрощена схема заміщення; б - ємнісний ланцюжок

На мал. 8, а індуктивності являють собою індуктивності елементів обмотки (витків і котушок), - ємності між цими елементами, або так називані поздовжні ємності, а ємності між зазначеними елементами й землею, або поперечні ємності. Активні опори елементів обмотки на схемі не враховуються.

Таким чином, згідно мал. 8, а, обмотка представляється у вигляді однорідного електричного ланцюга, повна поздовжня ємність якої

і повна поперечна ємність

Заряд вхідної ємності. При підході хвилі перенапруги до затисків трансформатора напруга на них внаслідок великої крутості фронту хвилі дуже швидко зростає. Швидкість цього процесу настільки велика, що струм, створюваний електричним зарядом хвилі, через велику індуктивність обмотки спочатку проходить не по витках обмотки, а по її ємнісному ланцюзі (мал. 8, б). Тому в момент підходу хвилі трансформатор у цілому діє як деяка ємність називана вхідною ємністю.

Процес заряду ємностей ланцюга обмотки (див. мал. 8, б) при підході хвилі триває частки мікросекунди. Цей процес називається зарядом вхідної ємності, а його розподіл, що встановлюється в результаті, потенціалів або напруги уздовж ланцюга обмотки - початковим розподілом напруги. На початку цього процесу (мал. 9) напруга хвилі на затисках трансформатора падає до нуля, а потім хвиля відбивається й напругу на затисках зростає до дворазового значення амплітуди хвилі U.

Рис. 9. Трансформатор: а - підхід прямокутної хвилі напруги; б - заряд вхідної ємності

Початковий розподіл напруги. Як видно з мал. 8, 6, при початковому заряді обмотки струми й електричні заряди розподіляються по ланцюжку поздовжніх ємностей нерівномірно, тому що в міру просування від початку обмотки А к її кінцю Х усе більше струму й зарядів відгалужується через поперечні ємності на землю. Тому через найближчі до початку обмотки А поздовжніх ємностей проходить великий струм, і вони несуть більші електричні заряди, а в напрямку до кінця обмотки Х заряди поздовжніх ємностей зменшуються. У результаті й спадання напруги на елементах поздовжніх ємностей зменшуються від початку обмотки А к її кінцю Х. Внаслідок цього початковий розподіл напруги уздовж обмотки виходить нерівномірним.

Початкові розподіли напруги уздовж обмотки для різних значень наведені на мал. 10, а й 6. Звичайно і Як видно з мал. 10, при таких значеннях а розподіл напруги для заземлених і незаземлених обмоток практично однаково. Крім того, при розподіл напруги уздовж обмотки досить нерівномірно.

Рис. 10 О. Початковий розподіл напруги: а - при заземленій і б - незаземленої нейтралі

Високочастотні електромагнітні коливання. Як указувалося раніше, у початковий момент підходу хвилі перенапруги заряди не можуть проникнути через індуктивні елементи схеми заміщення (див. мал. 8, а), внаслідок чого виникає нерівномірний початковий розподіл напруги. Однак при подальшому просуванні хвилі електричні заряди будуть проходити також через індуктивності, і через якийсь час установиться кінцевий розподіл напруги. При заземленої нейтралі напруга буде спадати рівномірно до кінця обмотки, а незаземлена обмотка на всьому протязі буде мати однаковий потенціал.

Через наявність у схемі заміщення обмотки (див. мал. 8) індуктивностей й ємностей обмотка в цілому і її частини стосовно електромагнітних процесів, що швидко протікають, являють собою коливальні контури. Перехід від початкового розподілу до кінцевого буде відбуватися у вигляді високочастотних коливань. При цьому амплітуда високочастотних коливань напруги може бути значної. В окремих частинах обмотки напруга щодо землі може стати більше напруги падаючої на обмотку хвилі U л. Так, наприклад, при незаземленої нейтралі напруга наприкінці обмотки майже подвоюється й хвиля перенапруг відбивається від кінця обмотки з майже подвоєною амплітудою. Через наявність втрат (електричні втрати в обмотках, діелектричні втрати в ізоляції й магнітні втрати в сердечнику) ці коливання в остаточному підсумку загасають, у результаті чого й установлюється розподіл напруги.

Захист трансформаторів від перенапруг. Як треба з викладеного, хвилі перенапруг, що досягають трансформатора, можуть викликати небезпека ушкодження його ізоляції, внаслідок чого виникає необхідність боротьби із цією небезпекою. Для цієї мети початкові й кінцеві котушки високовольтних обмоток трансформатора виконуються з посиленою ізоляцією, а нейтралі обмоток з напругою 35 кв і вище заземлюються або безпосередньо, або через опори, значення яких для високочастотних коливальних процесів малі. Крім того, приймаються міри, спрямовані на часткове або по можливості більше повне запобігання електромагнітних коливань в обмотці. Очевидно, що для цього необхідно домагатися зміни кривій початкового розподілу напруги таким чином, щоб вона по можливості наближалася до кривої кінцевого розподілу. Цього можна досягти зміною ємнісних зв'язків обмотки.

Найпростішим заходом подібного роду є застосування ємнісних екранних кілець у початку обмотки на 35 кв і вище (мал. 11, а).

Рис. 11. Екранні кільця: а - на початку обмотки; 6 - навколо перших котушок обмотки

Рис. 12. Початковий розподіл напруги: 1 - в обмотки без екранних кілець; 2 - з екранним кільцем у початку обмотки; З - з екранним кільцем навколо перших котушок; 4 - кінцевий розподіл

Екранне кільце являє собою картонний металізований диск, розрізаний по радіусі щоб уникнути утворення короткозамкненого витка й з'єднаний з початком обмотки. Ємність цього кільця стосовно витків початкової котушки позначена на схемі ємнісного ланцюжка обмотки (мал. 11, а). Ця ємність шунтирує поздовжні ємності витків кінцевої котушки й підвищує їхній потенціал (мал. 12).

Кращі результати можна одержати, якщо охопити екранними кільцями також ряд наступних котушок обмотки (див. мал. 11, б) і з'єднати ці кільця з початком обмотки. Розподіл ємностей цих кілець у ємнісному ланцюжку обмотки показано на цьому малюнку. Наявність таких кілець приводить до підвищення потенціалу початкових і наступних котушок обмотки, причому можна одержати майже рівномірний початковий розподіл напруги (мал. 12, крива 3).

Є також й інші ефективні способи боротьби зі шкідливим впливом хвиль перенапруг.