Книги / элмех2000

Остаточный же поток может быть весьма значительным и достигать в отдельных случаях половинного значения нормального потока. Полагая

фазного трансформатора, протекающего согласно уравнению

12.9.

При помощи магнитной характеристики (рис. III-12.2 I квадрант) от мгновенных значений разности магнит-

ных потоков ост (II и III квадранты) можно перейти к мгновенным значениям тока и получить графическим путем зависимость тока включения i1 от времени (III и IV

квадранты).

При включении на- Рисунок III-12.2 сыщенного трансформа-

тора, как показывает опыт, бросок тока включения может в 100 раз и более превысить нормальное значение намагничивающего тока.

ра. Как видно из осциллограммы, длительность переходного цесса включения невелика и не превосходит нескольких периодов.

С возрастанием номинальной мощности трансформатора отношение обычно уменьшается, поэтому у трансформаторов малой мощности переходный процесс при включении протекает быстрее и связан с меньшими бросками тока.

Втрехфазном трансформаторе процесс включения в отдельных фазах протекает различно, так как магнитные потоки фаз сдвинуты между собой на 120°. Однако уравнение (12.9) для каждой фазы в отдельности остается справедливым.

Вусловиях эксплуатации токи включения трансформатора приходится учитывать главным образом при регулировке аппаратуры защиты во избежание неправильных отключений масляных выключателей, вызываемых токами включения. Известную опасность представляют также электромагнитные силы взаимного притяжения, возникающие при токах включения между витками первичной обмотки.

12.3Внезапное короткое замыкание трансформатора

Вусловиях эксплуатации короткое замыкание обычно возникает внезапно и в результате различных неисправностей в электрических сетях (электрический пробой или механическое повреждение изоляции, ошибочные действия персонала и т.д.). При этом в трансформаторе возникает резкий переходный процесс, сопровождаемый большими токами, которые могут вызвать опасность повреждения трансформатора. Рассмотрим процесс внезапного короткого замыкания на вторичных зажимах однофазного трансформатора, полагая при этом, что действующее значе-

ние первичного напряжения U1н остается неизменным. Особен-

ности этого процесса характерны и для случая короткого замыкания на вторичных зажимах трансформатора.

При установившемся коротком замыкании намагничивающий ток весьма мал по сравнению с полным током обмотки. Это же верно и для случая внезапного короткого замыкания. Кроме того, вследствие большой величины тока короткого замыкания падение напряжения в активном сопротивлении rk и индуктивном

сопротивлении рассеяния xk первичной обмотки велико.

Действительно, обычно z1 z2 и согласно схеме рис. III12.4 при коротком замыкании I1z1 0,5E1.

считать постоянными.

Согласно схеме, процесс внезапного короткого замыкания на вторичных зажимах трансформатора описывается дифференциальным уравнением

В рассматриваемом случае ток короткого замыкания i1k

также состоит из двух составляющих: установившегося тока i1k и

свободного тока i1k , т.е.

136 Трансформаторы Ч. III

где: i10 I1НГт sin( НГ ) (12.20)

представляет собой мгновенное значение тока нагрузки в момент короткого замыкания. Естественно, что

Если короткое замыкание произошло на холостом ходу, то имеем

Ток короткого замыкания имеет индуктивный характер, и 0 k 900 . Обычно нагрузка трансформатора также имеет ин-

дуктивный характер, и поэтому 0 нг 900 . При этих условиях

предшествующая нагрузка вызывает уменьшение свободного апериодического тока, а тем самым и уменьшение пиковых значений тока короткого замыкания. Наоборот, при емкостном характере предшествующей нагрузки i1k0 увеличивается. На практике

емкостная нагрузка трансформатора встречается редко, и поэтому обычно наиболее неблагоприятным является случайным и будем в виду в дальнейшем.

В зависимости от величины угла k кривая i1k(t) имеет различный характер.

При свободный апериодический ток и пики тока

2

имеют наибольшее значение. Полагая k /2 имеем

Максимальное или ударное значение тока достигается приблизительно при или через промежуток времени после начала короткого замыкания. При этом в соответствии с выражением

(12.24)

rk

Множитель в скобках этого выражения

называется ударным коэффициентом и показывает во сколько раз ударный ток короткого замыкания больше амплитуды установившегося тока короткого замыкания. В зависимости от величины rk /xk этот коэффициент может изменяться в пределах

kуд 1 2. Для мощных трансформаторов kуд 1,7 1,8 , а для малых kуд 1,2 1,3 . Например, у трансформатора мощностью

1000 кв.а напряжение короткого замыкания и его составляющие равны:uk =6,5%, uk =1,5% и uk =6,32%. При этом

и ударный ток в

100 kуд 1001,475 22,7 uk 6,5

раза больше амплитуды номинального тока.

При внутренних коротких замыканиях в трансформаторе, когда вследствие повреждения изоляции накоротко замыкается часть витков обмотки трансформатора, кратность тока в поврежденной части еще больше, так как напряжение или э.д.с. этой части обмотки уменьшаются пропорционально числу витков в первой степени, а индуктивное сопротивление уменьшается пропорционально квадрату числа витков.

Действие токов короткого замыкания выражается в усиленном нагреве обмоток трансформатора и в возникновении значительных электромагнитных сил, действующих на обмотки.

При к.з. ток возрастает в 20:30 раз. Вся мощность Pk пре-

вращается в тепло. Тепловой режим при к.з. считается адиабатным, т.к. при кратковременном процессе тепло не рассеивается.

Опыт и анализ показали, что нарастание температуры 0 С выражается эмпирической формулой

где k - плотность тока при к.з.

много раз превышать нормальные рабочие напряжения. Такие импульсы напряжения называются перенапряжениями. Перенапряжения вызываются различными причинами:

1)коммуникационными операциями(включение и выключение линий, трансформаторов и вращающихся электрических машин);

2)замыканиями на землю через электрическую дугу;

3)грозовыми разрядами непосредственно в линиях электропередачи или вблизи от них.

Впоследнем случае высокое напряжение в проводах линии электропередачи индуктируется токами молнии. Наиболее опасными обычно являются атмосферные перенапряжения, вы-

зываемые грозовыми разрядами.

Амплитуды атмосферных перенапряжений достигают значений, измеряемых миллионами вольт.

Перенапряжения имеют характер кратковременных апериодических или периодических импульсов волн. Возникающие на каком либо участке сети волны перенапряжения распространяются по воздушным линиям электропередачи со скоростью, близкой к скорости света, и достигает подстанций с установленным на них оборудованием, в том числе трансформаторов. Для защиты электрических сетей и подстанций от перенапряжений устанавливаются разрядники, существенным элементом которых являются искровые промежутки. Одни полюсы искровых промежутков соединены с линией, а другие - с землей. При напряжениях искровой промежуток пробивается и электрический заряд волны перенапряжения отводится в землю. Однако волна перенапряжения при этом полностью не исчезает, так как величину искрового промежутка необходимо выбрать настолько большой, чтобы после отвода заряда волны перенапряжения в землю на искровом промежутке не возникала электрическая дуга под воздействием нормального рабочего напряжения сети.

13.2 Схема замещения обмоток трансформатора при перенапряжениях

Между отдельными витками и катушками обмоток, а также между ними и заземленными частями трансформатора (сердечник, бак и т.д.) существуют определенные емкости, которые шунтируют указанные элементы обмоток. Эти емкости столь малы, что соответствующие емкости сопротивления

1 xc c

при рабочей частоте f=50 Гц весьма невелика и не оказывают ка- кого-либо заметного влияния на работу трансформаторов. Поэтому выше, при рассмотрении нормальных и аварийных процессов, протекающих с нормальной частотой, эти емкости во внимание не принимались. Однако при действии волн перенапряжений, которые движутся и измеряются с большей скоростью или большой частотой, влияние этих емкостей имеет первостепенное значение.

На рис. III-13.2, индуктивности L представляют собой индуктивности элементов обмотки витков и катушек),

Cd емкости между этими элементами, или так на-

между указанными элементами и землей, или так называемые поперечные емкости. Активные сопротивления элементов обмотки на схеме.

Таким образом, обмотка представляется в виде однородной электрической цепи, полная продольная емкость которой

Cq Cq .

Заряд входной емкости. При подходе волны перенапряжения к зажимам трансформатора напряжение на них вследствие большой крутизны фронта волны очень быстро возрастает. Скорость этого процесса настолько велика, что о ток, создаваемых

электрическим зарядом волны, из-за большой индуктивности обмотки сначала проходит не по виткам обмотки, а по ее емкостной цепи. Поэтому в момент подхода волны трансформатор в целом действует как некоторая емкость, называемая входной емко-

стью рис. III-13.3.

Процесс заряда емкостей цепи обмотки при подходе волны длится доли микросекунды.

Этот процесс называется

зарядом входной емкости,

а устанавливающееся в результате его распределения потенциалов или напряжения вдоль цепи обмотки -

начальным распределением напряжения. В нача-

ле этого процесса напряжение волны на зажимах трансформатора падает до нуля, а затем волна отражается и напряжение на зажимах возрастает до двукратного значения амплитуды волны

UA .

13.3Начальное распределение напряжения

При начальном заряде обмотки токи и электрические заряды распределяются по цепочке продольных емкостей неравномерно, так как по мере продвижения от начала обмотки А к ее концу Х все больше тока и зарядов ответвляется через поперечные емкости на землю. Поэтому через ближайшие к началу обмотки А продольные емкости проходит ток и они несут большие электрические заряды, а по направлению к концу обмотки Х заряды продольных емкостей уменьшаются. В результате и падения напряжения на элементах продольных емкостей уменьшаются от начала обмотки А к ее концу Х. Вследствие этого начальное распределение вдоль обмотки получается неравномерным.

Коэффициент распределения равен

Cd

Начальное распределение напряжения вдоль обмотки для разных значений приведено на рис. III-13.4. Обычно Cq Cd и

5 15. При таких значениях распределение напряжения для заземленных и незаземленных обмоток практически одинаково.