4.6. Хвильові процеси в обмотках трансформаторів
Хвилі грозового (і комутаційного) характеру, електропередачі, що набігають по лінії, на підстанцію призводять до виникнення імпульсної напруги, що впливає на обмотку трансформатора (двигуна, генератора та ін.). Характер пробоїв ізоляції обмоток вказує на важливу роль хвилевих процесів.
У трансформаторі під дією імпульсу напруги виникає складний електромагнітний процес, що призводить до перенапружень між котушками (витками), - подовжня ізоляція, і між обмотками і заземленими частинами - головна ізоляція.
Сумарна довжина дротів в обмотках трансформаторів високої напруги досягає декількох кілометрів (довга лінія). При дії імпульсної напруги в обмотці виникають хвилеві процеси, що мають деяку аналогію з процесами в лініях електропередачі. Проте схема заміщення обмотки трансформатора, навіть без урахування активного опору і провідності, значно складніше за схему заміщення лінії (рис. 4.13).
Через те, що дріт обмотки навивається навколо магнітопровода, з'являються два додаткові параметри схеми заміщення : ємність між сусідніми витками або котушками До (продольна ємність) і взаємна індуктивність М(х) кожного витка з усіма іншими витками обмотки. Величини L, C, K - середні значення індуктивності, ємністі відносно заземлених елементів і сусідніх обмоток і подовжньої ємністі на одиницю довжини обмотки.
У зв'язку з цим обмежимося якісним розглядом процесів в трансформаторах. Електромагнітний перехідний процес в трансформаторі залежить від ряду чинників :
- схеми з'єднання обмоток;
- режиму нейтралі (заземлена або ізольована);
- конструкції обмоток;
- падіння хвилі по одній, двом, трьом фазам ЛЭП.
Рис. 4.13. Конструктивна схема однофазною котушковою обмот- ки (а) і електрична схема заміщення (б) високовольтного трансформа- тора : Zн - опір нейтралі трансформатора
Спочатку розглянемо основні закономірності перехідного процесу для однофазного трансформатора з котушковою обмоткою. На обмотку ВН впливає прямокутна нескінченно довга хвиля напруги. Увесь процес дії хвилі можна представити таким, що складається з трьох стадій:
а) початковий процес (діє фронт хвилі) t = 0
б) сталий режим (перехідні процеси закінчилися) t = ∞
в) перехідний процес (вільні коливання) 0< t <∞.
4.6.1. Початковий розподіл напруги уздовж обмотки трансформаторів
У початковий момент (t = 0), коли впливає фронт хвилі напруги (крутизна фронту велика, що еквівалентно високій частоті), індуктивність обмотки не попускає струм. Отже, струм протікатиме тільки по ємностях С і К і схема заміщення має вигляд (рис. 4.14, а).
Для цієї початкової стадії розподіл напруги уздовж обмотки трансформатора запишеться у виді
де l - довжина обмотки.
Рис. 4.14. Початковий розподіл напруги по обмотці трансформатора : а) - електрична схема заміщення для початкового процесу (t=0); б) - розподіл напруги уздовж обмотки для t=0
З формули можна побачити велику роль параметру
де Собм - ємність обмотки між початком і кінцем; Lобм - індуктивність обмотки між початком і кінцем.
Для сучасних трансформаторів 5 < 𝛼l ≤ 10. На значній частині обмотки розподіл напруги буде однаковий як длярежима заземленою нейтралі ZH = 0, так і з ізольованою нейтраллю ZH= ∞ (мал. 4.14, б).
У режимі із заземленою нейтраллю кінець обмотки матиме потенціал, рівний 0. У режимі з ізольованою нейтраллю кінець обмотки матиме місткість Сdx відносно землі (див. схему заміщення), на якій буде падіння напруги ∆U. У початковому режимі основне падіння напруги прикладається на початок обмотки із-за украй нерівномірного розподілу напруги. У зв'язку з цим ізоляція перших витків або котушок робиться посиленою.