Контрольные вопросы:

1. Почему начальное распределение напряжения вдоль обмоток трансформатора весьма неравномерно?

При воздействии на трансформатор набегающей волны перенапряжения с крутым фронтом в обмотке возникает переходный процесс изменения тока и напряжения.

В начальный момент в течение долей микросекунды возникает процесс заряда входной ёмкости. При этом при переходе волны напряжения из электрической линии (из цепи с меньшим волновым сопротивлением) в трансформатор (цепь с большим волновым сопротивлением) напряжение на входе обмотки сначала уменьшается до нуля, а затем возрастает и достигает практически двукратного значения амплитуды волны.

При начальном заряде входной ёмкости токи и электрические заряды распределяются по емкостной цепи от начала обмотки до её конца неравномерно. По мере приближения к концу обмотки большая часть токов ответвляется через емкости в землю. Поэтому начальное распределение напряжения вдоль обмотки весьма неравномерно.

2. Какая изоляция трансформатора подвержена воздействию перенапряжений в начальной стадии переходного процесса?

В начальной стадии переходного процесса изоляция между первыми витками и первыми катушками обмотки подвержена воздействию перенапряжений. Поэтому такая выполняется обычно с повышенной прочностью. Как показывает опыт эксплуатации, у таких трансформаторов не исключена возможность пробоя продольной изоляции в других частях обмотки. Это объясняется тем, что наряду с рассмотренными градиентными перенапряжениями в начале обмотки при t = 0, имеют место градиентные перенапряжения в других частях обмотки в течение переходного режима при t > 0.

3. Какие меры можно предложить для выравнивания распределения напряжения вдоль обмотки трансформатора в начальной стадии переходного процесса?

Для выравнивания начального распределения напряжения в трансформаторах выполняют специальную внутреннюю защиту. Одним из способов такой защиты является установка емкостного экрана, электрически соединенного с началом обмотки трансформатора.

Экран создает емкости С₂ между витками или катушками обмотки и ее началом – линейным электродом. Ток, подтекающий по емкостям С₂, создаваемый экраном, компенсирует оттекающие через С₁ токи.

Для получения равномерного распределения напряжения необходимо, чтобы ток i_2i, подтекающий к узлу со стороны экрана, был равен току i_1i, оттекающему на землю:

Решая эту систему уравнений, получим, что емкости должны выбираться по закону:

Можно достичь более равномерного распределения напряжения за счет увеличения продольной емкости К. Продольные токи при возрастают и влияние оттекающих через емкости С₁ токов уменьшается. Увеличение продольных емкостей К в начале обмотки осуществляется за счет применения незамкнутого емкостного кольца в начале обмотки или специальных типов обмоток, например, петлевых обмоток.

4. Как найти максимальные потенциалы вдоль обмотки, имея начальное и установившееся распределение напряжения?

Колебания происходят вокруг установившегося режима, то в обмотке в переходном режиме могут быть достигнуты максимальные потенциалы, равные:

где  – свободная составляющая колебаний, определяемая как сумма ординат всех гармоник в данной точке обмотки.

Максимальные потенциалы вдоль обмотки описываются огибающей максимальных потенциалов и величина их зависит от режима нейтрали.

При заземленной нейтрали трансформатора наибольший потенциал не превышает (1,2 – 1,3) U_п и приходится на начальные витки обмотки.

При изолированной нейтрали трансформатора наибольшее напряжение в переходном режиме появляется на конце обмотки и приближается к 2U_п.