5.4.2. Внезапное короткое замыкание трансформатора

Выше мы рассматривали установившиеся короткие замыкания. В условиях эксплуатации короткие замыкания возникают внезапно в результате различных неисправностей. При этом в трансформаторе возникает переходной процесс, который называется внезапным коротким замыканием.

Если короткое замыкание произошло на зажимах вторичной обмотки трансформатора, а напряжение, подведённое к первичной обмотке, изменяется по синусоидальному закону и постоянно, то уравнения равновесия напряжений обмоток трансформатора (4.6) можно записать в виде

(5.34)

.

Если будем пренебрегать током холостого хода, по сравнению с током короткого замыкания, то . Тогда вычтем из первого уравнения (5.34) второе и получим

. (5.35)

и - полные индуктивности первичной и вторичной обмоток.

Они равны ; (смотрите п. 4.3.1).

Тогда ; Уравнение (5.35) примет вид

. (5.36)

Это дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами. Оно аналогично уравнению (5.25) и решается так же.

Ток внезапного короткого замыкания состоит из двух составляющих: принуждённой составляющей , соответствующей установившемуся короткому замыканию (4.34) и свободной составляющей

.

Наибольшее изменение ток короткого замыкания приобретает через пол периода после короткого замыкания и может быть определён по формуле

, (5.37)

где - ударный ток короткого замыкания; - коэффициент, учитывающий затухание тока, ÷1,8 – для трансформаторов большой мощности; = 1,2÷1,3 – для трансформаторов небольшой мощности; - действующее значение тока установившегося короткого замыкания, определяемый по (4.34).

Так как ÷20), то ударный ток короткого замыкания может примерно в 50 раз превышать номинальный ток. Такие большие токи вызывают усиленный нагрев обмоток трансформаторов, так как потери в обмотках прямо пропорциональны , что в свою очередь, может привести к взрыву масла. Поэтому трансформатор должен быть снабжён быстродействующей защитой, отключающей трансформатор от повреждённого участка в течении десятых долей секунды, чтобы трансформатор не успел нагреться до опасной температуры. Однако, внутренние короткие замыкания выводят трансформатор из строя.

При коротком замыкании возникают огромные механические усилия, действующие на обмотки трансформатора. На обмотки трансформатора действуют следующие механические усилия (рис. 5.18).

Радиальные силы сжимают внутреннюю и растягивают внешнюю обмотку. Аксиальные силы сжимают обмотку в аксиальном направлении. При отключении части витков (например, при регулировании напряжения) аксиальные силы возрастают. Действующие на обмотки электромагнитные силы пропорциональны и при коротком замыкании очень велики. В связи с этим обеспечение необходимой надёжности крепления обмоток является одной из основных задач проектирования трансформаторов.

5.4.3. Перенапряжения в трансформаторах

При эксплуатации трансформаторы могут подвергаться воздействию напряжений прямоугольной формы, значительно превосходящих по амплитуде номинальные напряжения.

Наиболее опасны грозовые явления, которые вызывают в линиях электропередачи электромагнитные волны с крутым фронтом, двигающиеся вдоль линии со скоростью света. Достигая трансформатор, напряжение электромагнитной волны распределяется вдоль обмотки. Электромагнитная волна с крутым фронтом воспринимается обмоткой трансформатора как периодическое напряжение очень большой частоты (f = 10000÷50000 Гц).

В этом случае в трансформаторе необходимо учитывать ёмкости между витками С_d (продольные) и между витками и землёй С_q (поперечные). Упрощённая схема замещения, которая используется при анализе перенапряжений, приведена на рис. 5.19.

Так как , а , то при анализе перенапряжений ; поэтому токи в индуктивностях будут равны нулю. Начальное распределение напряжения электромагнитной волны вдоль обмотки трансформатора в соответствии с упрощённой схемой замещения, показано на рис. 5.20 (кривая 1).

Если нейтраль обмотки заземлена, то установившееся распределение напряжения вдоль обмотки будет равномерным (кривая 2).

Если нейтраль обмотки не заземлена, то в первый момент напряжение на первой (входной) катушке обмотки трансформатора будет в 10 раз больше, чем при равномерном распределении. Если нейтраль обмотки изолирована, перенапряжениям подверга-ются и последняя катушка обмотки.

Основное воздействие перенапря-жений принимают на себя входные витки и катушки обмотки, а наиболее опасны электромагнитные волны с крутым фронтом.

При проектировании трансформа-торов для обеспечения надёжности работы необходимо усилить межвит-ковую и межкатушечную изоляцию входных витков и катушек. Наиболее действительной является емкостная защита, которая выполняется в трансформаторах при кВт. В этом случае при помощи емкостных колец и экранов компенсируется продольная емкость, что приводит к тому, что первоначальное распределение устанавливается сразу равномерным. Такой трансформатор называется нерезонирующим или грузоупорным. Для снижения уровня напряжения электромагнитной волны перед трансформатором в линии электропередачи устанавливаются разрядники. В трансформаторах с изолированной нейтралью разрядник устанавливается и у нулевой точки обмотки.