9.3. Перенапряжения в трансформаторах

Перенапряжениями называют возникающие в электрических сетях импульсы напряжения, значительно превышающие номинальное. По причине появления различают следующие виды перенапряжений.

Атмосферные – обусловлены грозовым разрядом в линию электропередачи (случается редко) или вблизи линии; электростатической индукцией; электризацией проводов ветром, несущим песок, снег.

Коммутационные – возникают во время включения и отключения линий, мощных трансформаторов и электрических машин.

Аварийные – возникают при коротких замыканиях на землю.

Наиболее опасны из-за их большой величины атмосферные перенапряжения, один из случаев появления которых рассмотрим ниже.

Находящееся вблизи линии положительно заряженное облако ин-дуктирует в ней заряд противоположного знака (рис. 9.7). В момент удара молнии заряд облака исчезает. Неуравновешенные отрицательные заряды начинают двигаться вдоль линии в разные стороны.

.

Возникают две апериодических волны напряжения движущихся со скоростью V, близкой к скорости света. Амплитуда волн U_Вm больше напряжение линии U_Н в (5–10) раз и достигает (1–5)∙10⁶ В.

Время λ_В затухания напряжения до 0,5U_m (рис. 9.8) называется длиной волны и составляет десятки микросекунд. Время τ_Ф подъёма напряжения от 0 до U_m (рис. 9.8) называется длительностью фронта волны, обычно τ_Ф ≈ 0,1–7 микросекунд. Можно рассматривать τ_Ф как ¼ периода Т_П переменного напряжения, показанного на рис. 9.8 пунк-тиром. Частота этого напряжения f_П = 1/(4τ_Ф) = (0,03–2)∙10⁶ Гц велика, и необходимо учитывать ёмкостные связи в трансформаторе.

Между проводниками витков и катушек об-мотки существуютпродольные ёмкости c ^/_d, между проводниками обмотки и заземленными магнитопроводом, баком, деталями крепления существуют поперечные ёмкости c ^/_q (рис. 9.9). Эти ём-кости малы и при промышленной частоте 50 Гц сопротивления x_С = 1/(ωС) ёмкостных цепей так велики, что ток по ним практически не идёт. Поэтому ранее ёмкости c ^/_d, c ^/_q не учитывались.

На входе трансформатора Т (рис 9.7) ампли-туда волны напряжения ограничивается до уровня остаточного напряжения U_m ≈ (2–3,5)U_Н разрядником Р, пробивающимся напряжением U_Вm. Из-за разного волнового сопротивления линии и трансформатора происходит отражение волны, напряжение сначала падает до 0 и потом пример-но за 0,1 микросекунды возрастает до U ≈ 2U_m.

При высоких частотах f_П = (0,03–1)∙10⁶ Гц сопротивление индуктивностей обмотки x_L = ωL возрастает, а ёмкостей x_С = 1/(ωС) снижается. Ток, образуемый зарядами волны перенапряжения, идёт практи-чески по ёмкостным цепям, заряд которых длится около 0,1 микросекунды. Установившееся после первого заряда ёмкостей распределение напряжения вдоль обмотки называется начальным и рассмотрено ниже для обмотки с заземлённым концом (нейтралью) Х.

При отсутствии поперечных ёмкостей (c ^/_q = 0) по продольным ёмкостям c ^/_d идёт одинаковый ток I_d и заряды ёмкостей c ^/_d равны.

Поэтому начальное распределение напряжения линейно (прямая 1 или c ^/_q = 0 на рис. 9.10) и совпадает с конечным распределением напряжения, под которым понимают распределение напряжения беско-

нечно длинной волны прямоугольной формы (U = const) при t → ∞.

Если бы не было ёмкостей c ^/_d, весь ток I шёл бы через первую от начала фазы А (рис. 9.9) поперечную ёмкость c ^/_q и она зарядилась бы до напряжения U, распределение которого показано совпадающей с осью ординат прямой c ^/_d = 0 (рис. 9.10).

В реальности при движении от А к Х часть тока I ответвляется через поперечные ёмкости c ^/_q (рис. 9.9), а ток I_d и заряд продольных ёмкостей c ^/_d уменьшается. Поэтому начальное распределение напря-

жения нелинейно (кривые2 и 3 при t = 0 на рис. 9.10).

При t = 0 напряжение в точ-ке x обмотки длиной l [5, 14] с заземлённой нейтралью

; (9.15)

с изолированной нейтралью

. (9.16)

Коэффициент α определяет-ся полными поперечной С_q =∑c ^/_q и продольной С_d = 1/[ ∑(1/c ^/_d)] ёмкостями обмотки

Рис. 9.10. Распределение напряжения вдоль обмотки с заземлённой нейтралью при: 1 – α = 0; 2 – α = 5; 3 – α = 10

. (9.17)

У силовых трансформаторов

α = 5–15. При α ≥ 3 результаты расчёта по (9.15), (9.16) практически совпадают, и начальное распределение напряжения одинаково при за-землённой и изолированной нейтрали (рис. 9.10).

С увеличением С_q и α нелинейность начального распределения нарастает (рис. 9.10). Ближайшие к вводу А витки и катушки обмотки оказываются под напряжением ΔU ^/, примерно в α раз превышающем напряжение ΔU при линейном распределении напряжения. Поэтому возрастает опасность пробоя изоляции входных витков и катушек.

При t > 0 начинается перезаряд ёмкостей через индуктивности обмотки и переход от начального к конечному распределению (линия 1 или t = ∞ на рис. 9.10) сопровождается колебаниями напряжения.

Например, при α = 5 напряжение меняется относительно линии конечного распределения 1 как оси колебаний в пределах, ограничен-ных линиями начального распределения 2 и огибающей наибольших напряжений (рис. 9.10). Эта линия получается отражением по вертикали точек линии начального распределения 2 относительно линии 1.

В процессе колебаний опасные для изоляции напряжения возникают в середине и конце обмотки (линии t₁ > 0 и t₂ > t₁ на рис. 9.10). Амплитуды напряжения могут превышать входное напряжение U в 1,5 раза, а в конце обмоток с изолированной нейтралью в 2 раза.

Колебания напряжения затухают вследствие потерь мощности на активных сопротивлениях элементов обмотки, и устанавливается конечное распределение напряжения вдоль обмотки.

Защиту от перенапряжений выполняют двумя способами.

1. Усиление изоляции входных и концевых витков и катушек об-мотки за счёт увеличения расстояния между двумя–тремя катушками в начале обмотки и толщины изоляции их провода в 2–4 раза.

2. Применение ёмкостной защиты, цель которой состоит в при-ближении начального распределения напряжения к конечному (линии 2 и t = ∞ на рис. 9.11). Для этого используют соединённые с началом обмотки экранирующие ёмкости c_Э (рис. 9.12, а). Их величину подбирают так, чтобы ток I_Э в них был равен току I_q поперечных ёмкостей.

Тогда поперечные ёмкости заряжаются только через экранирую-щие ёмкости, и на длине экранированной части обмотки ток продоль-

ных ёмкостей I_d будет постоянным. Заряд продольных ёмкостей в этой части обмотки одинаков и кривая на-чального распределения 2 приближа-ется к прямой линии t = ∞ (рис. 9.11).

При этом снижаются нелинейность начального распределения и амплитуды колебаний напряжения в середине обмотки, так как область колебаний ограничена близкими ли-ниями 2, 3 (рис. 9.11).

У обмоток классов напряжения 6–10 кВ α ≈ 0, начальное распределение напряжения близко к линейному и ёмкостная защита не нужна.

В многослойных цилиндрических обмотках на напряжение 20–35 кВ экранирующие ёмкости c_Э (рис. 9.12, а) образует разрезанный по образующей цилиндр 1 из алюминиевого или медного листа толщиной 0,5 мм (рис. 9.12, б, в, г). Высота цилиндра равна высоте проводов внутреннего слоя 2 обмотки 3. Экран 1 размещают под внутренним слоем 2 обмотки и соединяют с линейным вводом А.

Для классов напряжения 110 кВ и выше применяют многослойные экранированные обмотки (рис. 9.12, д). Конец Х слоя, ближнего к обмотке НН, заземлён. Внутри и снаружи обмотки устанавливают экраны 1, соединённые с нейтральным Х и линейным А концами. Сосед-ние слои соединяют так, что напряжение между ними не превосходит напряжения одного слоя и в 2 раза меньше, чем в схеме на рис 9.12, б. Толщина изоляции и расстояние между соседними слоями уменьшается, а продольная ёмкость между ними возрастает. За счёт этого начальное распределение напряжения приближается к конечному.

В начале и конце фазы катушечных обмоток на напряжения 20 и 35 кВ размещают по две катушки из провода с усиленной изоляцией. При напряжении 110 кВ в начале обмотки увеличивают каналы между катушками с усиленной изоляцией 5 (рис. 9.12, е) и обычными катушками. Над первой катушкой устанавливают ёмкостное кольцо 4 из электрокартона с металлизированной поверхностью, не образующей

замкнутого витка. Следующие пять катушек охватывают снаружи незамкнутыми экранирующими витками 6 из провода, которым намота-

на обмотка. Ёмкостное кольцо и экранирующие витки соединяют с вводом А. Аналогично можно выполнить защиту конца обмотки Х.

Для классов напряжения 220 кВ и выше наряду с ёмкостными кольцами применяют переплетённые катушечные обмотки, у которых в каждой паре катушек порядок соединения витков изменён так, что рядом оказываются витки разных частей катушки, например, начала и конца катушки [4]. Это увеличивает продольную ёмкость обмотки и снижает нелинейность начального распределения напряжения.