книги из ГПНТБ / Геллер Б. Импульсные процессы в электрических машинах

видно из рис. 4-21, изменение емкости катушек, как пра­ вило, благоприятно влияет на распределение напряже­ ния, однако следует иметь в виду, что в данном случае изменение емкости было слишком большим по сравне-

Изменение напряжения между витками во всех ка­ тушках при наличии емкостного кольца на входе будет линейным. На рис. 4-23 и 4-24 представлены напряже-

160

при импульсном воздействии будет во входной зоне. Кроме того, теоретические исследования показывают, что длительность его не превосходит 1 мкс. С уменьшением длительности воздействия на витковую изоляцию ее прочность резко возрастает (рис. 4-26) і; эти кривые показывают, что при длительности менее чем 1 мкс элек­ трическая прочность по крайней мере в 4 раза выше, чем при длительности 10 с.

Рис. 4-26. Импульсные характерие>«ш изоля­

В качестве примера рассмотрим трансформатор с но­ минальным напряжением 100 кВ, не имеющий специаль­ ной емкостной защиты.

Импульсное испытательное напряжение равно 450 кВ. Предположим, что на входную катушку ложится 70% приложенного импульса, т. е. около 320 кВ. Тогда (при наличии емкостного кольца) напряжение между витками составит 16 кВ. В случае однородной вигковой изоля­ ции, равной 1,05 мм (7 слоев бумаги толщиной 0,075 мм), соответствующее испытательное напряжение будет равно 25 кВ (действующее значение) или 35 кВ (максимальное значение). Если для надежности принять повышение прочности в 2,6 раза вместо 4, то допустимое напряже­ ние при импульсном воздействии будет по крайней мере равно 100 кВ. Таким образом, мы имеем 600%-ный запас электрической прочности, что вполне достаточно2 . Если

1 Standard Handbook for Electrical Engineers. MeGraw-Hill Book Compamy, New York and London, 1941, p. 557.

2 При импульсных процессах продольная изоляция обмотки обычно определяется прочностью каналов между катушками, а не прочностью междувитковой изоляции. В этом случае картина будет менее благоприятной по сравнению с представляемой авторами,—

Прим. ред.

162

тем не менее предпочтение отдано обмотке с градуиро­ ванной изоляцией, то изменение числа витков должно быть 'плавным, а градация изоляции постепенной.

На рис. 4-27 приведена схема с последовательным соединением обмоток, расположенных на разных стерж­ нях магнитопровода.

Соответствующая схема замещения при короткоза-

сти и взаимной индуктивности обмоток, расположенных

163

Эти токи отличаются друг от друга на величину за­ рядного тока, текущего через емкость Ci, который не компенсируется током противоположного знака короткозамкнутой вторичной обмотки.

При переходе к схеме с распределенными парамет­ рами (рис. 4-28) следует помнить, что емкостная связь между обмотками 1 и /', расположенными на разных стержнях магнитопровода, чрезвычайно слабая. Это при­ водит к тому, что начальное емкостное распределение имеет место фактически только в обмотке 1, в то время как в обмотке 2 начальное напряжение практически рав­ но нулю. Поэтому начальное распределение напряжения и0(х) будет лишь очень немного отличаться от началь­ ного распределения и'0(х), которое будет иметь место, если обе обмотки соединить последовательно и располо­ жить на одном стержне двойной высоты. Кроме того, вследствие медленного развития колебаний в точке А можно полагать, что нечетные гармоники свободных ко­ лебаний будут иметь максимум в точке А.

где / — аксиальная длина одной из последовательных об­ моток.

Свободные колебания тока іп определяются соотно­ шением

Обмотки / и •// (рис. 4-27) намотаны в противополож­ ных направлениях, что создает в обоих стержнях магни­ топровода равные по величине и направлению магнит­ ные потоки Фі и Фц. Эти потоки, имеющие аксиальное направление в стержнях, связаны со всеми витками на стержне и замыкаются через изоляцию и бак.

Следовательно, эти потоки характеризуются не ин­ дуктивностью рассеяния поперечного радиального поля Lg, а индуктивностью нулевой последовательности LQ.

164

Индуктивность Lo значительно больше, чем индук­ тивность Lq(La^>Lq), и поэтому можно ожидать, что собственные частоты нечетных гармоник обмотки, имею­ щей заземленную нейтраль и расположенной на разных стержнях, будут ниже, чем обмотки, имеющей то же число витков, но расположенной на одном стержне.

тельное соединение обмоток очень нежелательно4 . Бо­ лее благоприятным является параллельное соединение обмоток, как показано на рис. 4-29.

4-2. Импульсные процессы в трехфазном

трансформаторе

1. Обмотка высшего напряжения соединена в звезду

При воздействии импульса одновременно на три фа­ зы процессы в каждой фазе можно рассматривать от-

1 С этим выводом в общем случае нельзя согласиться. В транс­ форматорах сверхвысокого напряжения, имеющих вследствие пере­ плетения витков в катушках достаточно пологое начальное распре­ деление напряжения, применение схемы с последовательным соеди­ нением обмоток может заметно снизить воздействие на продольную изоляцию по сравнению со схемой расположения обмотки на одном стержне (например, рис. 4-29). — Прим. ред.

165

дельно. В этом случае применимы все выводы, получен­ ные для однофазного трансформатора. При падении им­ пульса на одну фазу процесс отличается от рассмотрен­ ного выше случая.

При падении импульса на одну фазу неповрежденные фазы связаны с землей через волновое сопротивление подключенной линии Z = 400 Ом и в случае заземленной нейтрали являются практически короткозамкнутыми.

Измерения показали, что емкостные и индуктивные связи между фазами приводят к изменению собственных частот (особенно высших) поврежденной фазы. Собст­ венные частоты при падении импульса на одну фазу от­ личаются от таковых при падении импульса на три фазы одновременно. Этот процесс аналитически исследован Колеманом (Coleman) [Л. 4-32] и Гуруваем (Guruvaj) [Л. 4-37]. Их анализ сложен и поэтому здесь не приво­ дится.

При воздействии импульса на одну фазу (рис. 4-30) две другие фазы соединены параллельно и подключены на землю через волновой импеданс подсоединенных ли­ ний Z = 300 + 400 Ом.

Небольшое волновое сопротивление линии включено последовательно с большим (4—45 кОм) волновым со­ противлением обмотки, поэтому можно считать, что обе фазы, .на которые не падает импульс, соединены непо­ средственно с землей. На рис. 4-31 изображены кривые начального и конечного распределений напряжения при воздействии импульса на фазу А.

На рис. 4-31 по оси абсцисс отложена двукратная осе­ вая длина / одной фазы. За начало отсчета х принято

166

начало обмотки фазы А, на которую падает импульс, буквой О обозначена нейтраль, буквами В и С — зазем­ ленные концы фаз В и С. Кривая / представляет собой начальное емкостное распределение напряжения в об­ мотке. Конечное распределение между фазами при еди­ ничном импульсе в начале обмотки А будет соответст­ вовать импедансам фаз А, В, С (фазы В и С включены параллельно). Их результирующий импеданс равен по­ ловине волнового сопротивления одной фазы. Конечное распределение напряжения состоит поэтому из двух пря­ мых, соединяющихся в нейтрали. При этом 2 /з напряже­

с амплитудой, равной Ѵз, на обмотку однофазного транс­ форматора с изолированной нейтралью. Максимальное напряжение нейтрали по отношению к земле при пере­ ходном процессе намного меньше, чем импульсное на­ пряжение на входе, так что падение волны на одну фазу обмотки не вызовет опасных напряжений на нейтрали трансформатора.

При падении волн по трем фазам процессы в каждой фазе проходят так же, как в однофазном трансформа­ торе с изолированной нейтралью. Напряжение относи­ тельно земли вблизи изолированной нейтрали имеет наи­ большее значение. Теоретически это напряжение состав­ ляет 250% напряжения падающего импульса. Практически с учетом затухания и формы импульса напряжение составляет 160—200 %.

Если нейтраль защищена разрядником, то напряже­ ния уменьшаются.

Расчет этих напряжений был проведен Золлергреном

в начале обмотки, если номинальное напряжение разряд­ ника будет выбрано равным номинальному напряжению трансформатора. Ток, текущий через разрядник на зем­ лю, значительно меньше тока через разрядник, включен­ ный у начала обмотки.

Если номинальное напряжение разрядника в нейтра­ ли равно 65% номинального напряжения разрядника на

}67

входе трансформатора, то наибольшее напряжение на нейтрали достигнет 50% импульсного напряжения на входе трансформатора.

Подробное исследование перенапряжений на разряд­

Расчет импульсных напряжений на нейтрали с уче­ том нелинейной характеристики разрядника дан в п. 4.

Защита изолированной нейтрали от перенапряжений с помощью разрядника получает все большее распрост­ ранение, так как она позволяет устранить заземление некоторой части мощных трансформаторов сети высоко­ го напряжения, что уменьшает токи однофазного корот­ кого замыкания.

Тип разрядника определяется наибольшим напряже­ нием, которое может возникнуть на нейтрали.

Если трансформатор работает с изолированной ней­ тралью в системе с заземленной нейтралью, то для за­ щиты нейтрали достаточно предусмотреть разрядник с напряжением гашения, равным 40% наибольшего на­ пряжения, и номинальным током около 1 кА [Л. 4-54].

Градиенты в обмотке будут практически такими же, как и при падении волны на обмотку с заземленной ней­ тралью. Градиент имеет наибольшее значение вблизи начала обмотки, затем уменьшается примерно до поло­ вины своего максимального значения и достигает мини­ мума вблизи нейтрали.

Максимальное значение градиента в начале обмотки, как было показано ранее, в уі раз больше, чем при равномерном распределении.

На амплитуду напряжений па изолированной ней­ трали при падении волны по трем фазам оказывает вли­ яние, кроме основной гармоники, иногда и третья гар­ моника пространственного распределения напряжения. Другие высшие гармоники быстро затухают и имеют вто­ ростепенное значение.

Эти выводы подтверждаются осциллограммами коле­ баний напряжения на нейтрали трех больших трансфор­ маторов, приведенных на рис. 4-32.

Значительное влияние на амплитуду основного коле­ бания, как было показано в гл. 2, имеет отношение Т/Ті, где Ті — период основной гармоники и Т — длина им­ пульса.

168