1.7.Переходные процессы трансформаторов.

Переходные процессы, сверхтоки и перенапряжения возникают при изменениях нагрузки, питающего напряжения, включении и отключении, при КЗ и атмосферных явлениях.

Включение трансформатора с разомкнутой вторичной обмоткой.

При включении напряжение изменяется по закону

,

Установившийся магнитный поток отстает от приложенного напряжения на угол около 90 градусов

Дифференциальное уравнение переходного процесса включения трансформатора

Решение дифференциального уравнения

,

Постоянная времени интегрирования С определяется из начальных условий

В окончательном виде решение дифференциального уравнения

Если включение происходит в момент, когда напряжение проходит через 0, т.е. , то через пол периода поток достигнет величины

Рис.1.7.2. Изменение магнитного потока при включении трансформатора

Рис. 1.7.3. Ток включения трансформатора.

Внезапное КЗ трансформатора. Полагаем, что КЗ произошло после ХХ.

Дифференциальное уравнение процесса КЗ

.

Его решение

,

где частное решение уравнения

,

общее решение , а постоянная интегрирования из начальных условий равна

.

Результирующий ток КЗ

Если КЗ происходит в момент, когда , то через пол периода ток достигнет величины ударного ТКЗ ,

где

- амплитуда тока установившегося короткого замыкания.

Ударный ТКЗ оказывает электродинамическое действие на обмотку и другие элементы конструкции трансформатора и РУ. Действующее значение установившегося ТКЗ определяет нагрев и термическую стойкость.

Рис.1.7.5.Переходный процесс КЗ трансформатора

Перенапряжения в трансформаторах возникают:

• При атмосферных явлениях (удары молнии, явления электромагнитной индукции при разряде облаков), превышающие номинальные напряжения в 10-12 раз,

• При процессах аварийного характера (КЗ, АПВ), превышающие номинальные напряжения в 7-8 раз,

• При коммутационных процессах (включение, отключение и пр.), превышающие номинальные напряжения в 2-5 раз.

Механизм возникновения перенапряжений рассмотрим на схеме замещения простейшего трансформатора с обмоткой АХ, соединенной с воздушной ЛЭП, на входной зажим А которой со скоростью света С= 300 тыс.км/с набегает волна перенапряжения с очень крутым фронтом. Время набегания фронта волны - всего 0,1 мкс. Она наводит в обмотке большую ЭДС высокой частоты. Индуктивные сопротивления трансформатора резко возрастают и индуктивные токи не имеют существенного значения. Основную роль играют емкости между катушками С_К и емкости катушек на землю С_З и емкостные токи.

При набегании волны перенапряжения на входной зажим трансформатора заряжаются емкости. При действии только емкостей относительно земли заряжается только первый конденсатор С_З и вся волна перенапряжения приходится на первую катушку, ближайшую к входному зажиму. Ее величина равна отрезку АО при заземленной и при изолированной нейтрали (рис.1.7.7). При действии только емкостей С_К зарядный ток проходит через все последовательно соединенные конденсатора С_К и волна перенапряжения

равномерно распределяется между всеми катушками (прямая АВ). Причем при изолированной нейтрали все катушки оказываются под полным напряжением. В действительности, при действии всех емкостей кривая распределения волны занимает промежуточное положение АdВ, при котором наибольшая величина перенапряжения приходится на катушки, ближайшие к входному зажиму.

В последующий промежуток времени происходит колебательный процесс перераспределения волны перенапряжения между крайними положениями АdВ и АсВ, и под действием повышенной величины перенапряжения оказываются и катушки, ближайшие к выходному зажиму. Причем, при изолированной нейтрали величина перенапряжения оказывается значительно больше, чем при заземленной нейтрали.

Меры защиты от перенапряжений

• Усиление изоляции входных и выходных катушек (грозоупорные трансформаторы).

• Применение экранов между катушками для уменьшения емкости С_З и обеспечения более равномерного распределения между катушками (нерезонирующие трансформаторы).

• Выполнение обмоток цилиндрическими многослойными, когда емкость между слоями значительно превосходит емкость на землю.

• Применение разрядников.

• Использование систем с заземленной нейтралью при напряжениях 110 к В и выше, работающих с воздушными ЛЭП.

• Заземление нейтрали трансформаторов через разрядники в системах с изолированной нейтралью.