Содержание

1. ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………...3

2. Перенапряжения и переходные процессы в трансформаторах………...4

3. Параллельная работа трансформаторов: назначение, схема

включения…………………………………………………………………14

4. Условия включения трансформаторов на параллельную работу……...18

5. Характеристики автотрансформатора…………………………………...19

6. ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………….21

Введение

Электрические машины – это электромеханические устройства, осуществляющие преобразование механической энергии в электрическую (генераторы) или электрической энергии в механическую (электродвигатели.) Генераторы вращаются первичными двигателями (двигателями внутреннего сгорания, паровыми и газовыми турбинами, ветряными двигателями и т. д.). Электродвигатели получают энергию из электрических сетей и приводят в движение различные механизмы.

Электрическую энергию, вырабатываемую на электростанциях генераторами, необходимо передать потребителям, Передача осуществляется при высоком напряжении до 750 кВ и выше. Этим обеспечиваются минимальные потери в линиях электропередач. В процессе передачи и распределения электроэнергии приходится неоднократно повышать и понижать напряжение. Эту функцию выполняют трансформаторы. Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более, индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока при неизменной частоте.

Теоретические основы производства и развития электрических машин и трансформаторов были заложены в 1821 г. М. Фарадеем. Он установил возможность преобразования электрической энергии в механическую и создал первую модель электродвигателя.

Перенапряжения и переходные процессы в трансформаторах.

Переходные процессы получаются при переходе от одного установившегося режима работы к другому. Такой переход не совершается мгновенно, так как энергия магнитных и электрических полей, связанных с цепями, различна при различных установившихся режимах, а для конечного изменения энергии полей необходимо некоторое время.

Изменение энергии полей сопровождается возникновением, так называемых свободных полей и соответствующих им токов и напряжений, накладывающихся на токи и напряжения установившегося режима.

При переходных процессах результирующие токи, а также напряжения на отдельных частях обмоток могут значительно превышать те же величины при установившихся режимах, что необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации трансформаторов и электрических машин.

Включение трансформатора. Будем рассматривать переходный процесс при включении ненагруженного трансформатора. Для этого случая можем написать:

(1)

где Ф -- полный поток, сцепляющийся со всеми витками первичной обмотки, a ш -- угол, определяющий мгновенное значение напряжения в момент включения трансформатора (при t=0). Так как в трансформаторе со стальным сердечником поток Ф и ток i1 связаны сложной зависимостью, то приходится искать приближенное решение.

Можем заменить:

(2)

где L1 - статическая индуктивность, являющаяся функцией потока Ф. Теперь уравнение (1) примет вид:

(3)

Второй член левой части количественно в обычных случаях значительно меньше, чем первый член; поэтому примем, что L1 не зависит от потока и представляет собой постоянную величину. Тогда получаем уравнение с постоянными коэффициентами, которое решается обычным способом. Его решение состоит из двух слагаемых:

где Ф' -- мгновенное значение установившегося потока, а Ф"-- мгновенное значение свободного потока.

Установившийся поток

(4)

Рисунок 1 - Изменение потока при наихудших условиях включения трансформатора

Свободный поток определяется из уравнения:

(5)

интеграл, которого имеет вид:

(6)

Постоянная интегрирования С находится из начальных условий. Рассмотрим случай, когда в момент включения в сердечнике трансформатора имел место поток остаточного магнетизма ±Фост. Тогда при t = 0 согласно (4)

(7)

Откуда

(8)

Подставляя найденные значения, получим:

(9)

Наиболее благоприятные условия получаются при включении, когда (при ) и . В этом случае имеем:

(10)

т.е с первого же момента устанавливается нормальный поток, а следовательно, и ток холостого хода.

Наихудшие условия для включения получим при (при ) и при направленном против . В этом случае:

(11)

Поток Ф достигает наибольшего значения, спустя приблизительно полпериода после включения, т.е. при . Если принять , то для наибольшего значения потока можем, следовательно, написать (рисунок 1):

(12)

Найдя кривую изменения потока, можно при помощи кривой намагничивания трансформатора (рисунок 20) построить кривую намагничивающего тока. Мы видим, что при наиболее неблагоприятном случае ток холостого хода достигает весьма большого значения, в десятки раз превышающего максимальное значение установившегося тока холостого хода. Такой «бросок тока» следует иметь в виду, например, при опыте холостого хода: токовые цепи высокоточных измерительных приборов во избежание поломки стрелок нужно до включения трансформатора шунтировать.

Приведенное решение, как отмечалось, является приближенным, так как не были учтены поле рассеяния, действие вихревых токов и непостоянство L1. Однако опыт подтверждает, что броски тока при включении трансформатора достигают указанных значений.

(13)

Внезапное короткое замыкание. Наибольшие токи в обмотках трансформатора получаются при трехфазном коротком замыкании. Как известно . При U=Uном он достигает весьма большого значения. Оно может быть найдено из следующего соотношения:

(14)

(15)

где - номинальное напряжение короткого замыкания.

Задача определения тока для переходного процесса достаточно точно решается при пренебрежении током холостого хода. Мы в этом случае в дифференциальных уравнениях напряжений обмоток

(16)

(17)

Рисунок 2 - К определению "броска тока" при включении по кривой намагничивания трансформатора.

Приняв , можем положить .

Тогда вычитая (16) из (17) и исключая при помощи равенства получим:

(18)

Так как

(19)

где и - индуктивность и активное сопротивление при коротком замыкании, то (18) можем переписать в следующем виде:

(20)

Таким образом, переходный ток здесь определяется так же, как для реактивной катушки, включенной на синусоидальное напряжение.

(21)

Он состоит из установившегося тока и свободного, затухающего в соответствии с постоянной времени .

Если пренебречь затуханием свободного тока, то в самом неблагоприятном случае мгновенное значение тока короткого замыкания будет в 2 раза, а с учетом затухания свободного тока - в 1,5-1,8 раза больше амплитуды установившегося тока, т.е.

(22)

Если, например, , то

(23)

Рисунок 3 - Примерная форма кривой электрического импульса при грозовых разрядах.

Такие токи в обмотках трансформатора создают очень большие электромагнитные силы, опасные в отношении механической прочности обмоток. При конструировании обмоток их необходимо принимать во внимание, особенно в случае мощных трансформаторов, где эти силы на единицу длины обмотки иногда получаются настолько большими, что приходится для таких трансформаторов брать повышенные значения uк, чтобы уменьшить ток короткого замыкания. Кроме того, следует по возможности выполнять трансформаторы с обмотками одинаковой высоты. Если высоты обмоток неодинаковы, то возникают большие аксиальные силы, которые могут привести к разрушению изоляции с последующим пробоем ее.

Перенапряжения в трансформаторах. Перенапряжения, возникающие в трансформаторах, могут быть вызваны различными причинами. Из них главнейшие: процессы при включении и выключении трансформатора; короткие замыкания и повторные заземляющие дуги на линии передачи, к которой присоединен трансформатор; грозовые разряды вблизи линии. Наибольшие перенапряжения в обмотках трансформатора получаются при грозовых разрядах. Они называются атмосферными перенапряжениями.

В большинстве случаев грозовые разряды создают в линии апериодические электрические импульсы большой амплитуды и малой продолжительности действия. Примерная форма такого импульса показана на рисунке 3. Здесь время подъема напряжения от нуля до максимума, достигающего пяти-шестикратного значения амплитуды фазного напряжения, измеряется иногда десятыми долями микросекунды (отрезок ). Соответствующая часть кривой называется фронтом волны. Она может рассматриваться как четверть периода периодического процесса весьма высокой частоты. При такой частоте мы можем считать, что ток будет проходить только по емкостным связям между витками отдельных катушек и между катушками обмотки высшего напряжения, а также между катушками и сталью. Обмотку низшего напряжения при этом приближенно можно принять заземленной, так как она соединена со сталью большими емкостями (т. е. малыми емкостными сопротивлениями). Токами по индуктивным и активным сопротивлениям катушек мы пренебрегаем: при очень высокой частоте они малы по сравнению с емкостными токами.В этом случае обмотка высшего напряжения, обычно состоящая из последовательно соединенных катушек, может быть заменена цепочкой емкостей, показанной на рисунке 4,а, где СЗ - емкости между катушками и землей; СК - емкости между катушками. Распределение напряжения вдоль обмотки получается неравномерным (кривая а на рисунке 4,б), так как токи, проходящие по емкостям СК, будут неодинаковы. Они больше вблизи линейного конца и меньше вблизи заземленной нейтрали. Показанное распределение напряжения называется емкостным.

Рисунок 4 - Приближенная схема замещения трансформатора при высокочастотных процессах (а), кривые распределения напряжения вдоль обмотки (б).

После затухания свободных полей получим равномерное распределение напряжения вдоль обмотки (кривая b на рисунке 4,б). Теперь оно будет обусловлено только индуктивными и активными сопротивлениями катушек и будет соответствовать установившемуся режиму работы при нормальной частоте тока.

Кривая а на рисунке 4,б показывает, что при начальном распределении напряжения большая его часть приходится на первые катушки, и, следовательно, их изоляция подвергается наибольшей опасности. Опыт это подтверждает, так как пробои изоляции чаще всего имеют место именно на первых катушках, поэтому их часто выполняют с усиленной изоляцией.

Переход от начального распределения напряжения к установившемуся (от кривой а к кривой b) сопровождается колебательными процессами и перенапряжениями резонансного характера, так как здесь вступают в действие не только емкостные, но и индуктивные связи между катушками. Опытные исследования этих процессов показывают, что высокие градиенты электрического поля получаются также для средних и нижних катушек, но все же наибольшие значения они имеют для начальных катушек.

В нормальных условиях эксплуатации трансформатора между отдельными частями его обмоток, а также между обмотками и заземленными магнитопроводом и корпусом действуют синусоидальные напряжения номинальной частоты, не представляющие опасности для электрической изоляции. Однако периодически возникают условия, при которых между указанными элементами трансформатора появляются перенапряжения. В зависимости от причин, их порождающих, перенапряжения разделяются на два вида: внутренние и внешние.

Внутренние перенапряжения. Возникают либо в процессе коммутационных операций, например отключения или включения трансформатора, либо» в результате аварийных процессов (корот­кое замыкание, дуговые замыкания на землю и др.). Значение внутреннего перенапряжения обычно составляет (2,5 ¸ 3,5)U_НОМ.

Внешние (атмосферные) перенапряжения. Обусловлены атмосферными разрядами: либо прямыми ударами молний в провода или опоры линий электропередач, либо грозовыми разрядами, индуцирующими в проводах линии электромагнитные волны высокого напряжения:. Значение перенапряжения в этом случае может достигать нескольких тысяч киловольт.

Рис. 5. Схемы замещения обмоток трансформатора

На процессы, происходящие в трансформаторе при перенапряжениях, существенное влияние оказывает скорость нарастания волны напряжения. При подходе волны напряжения к трансформатору напряжение между зажимом обмотки и землей нарастает весьма быстро. При этом скорость нарастания напряжения в зна­чительной степени влияет на вид схемы замещения обмотки. При напряжении промышленной частоты схема замещения обмотки имеет вид ряда после последовательно соединенных индуктивных и активных сопротивлений элементов этой обмотки (рис. 5, а). При подходе к трансформатору периодической волны перенапряжения, вызванной коммутационными процессами, скорость нарастания напряжения настолько увеличивается, что на процессы, происхо­дящие в трансформаторе, оказывают влияние емкостные связи между элементами обмотки и между обмоткой и заземленным магнитопроводом (рис. 5, 6). Наконец, при атмосферных перенапряжениях, когда к трансформатору устремляется апериодический импульс с крутым передним фронтом ПФ (рис. 6), при котором напряжение между вводом трансформатора и землей достигает наибольшего значения за (1—2)-10^-6 с, индуктивные сопротивления в схеме замещения становятся настолько большими, что их влиянием можно пренебречь и считать схему замещения обмотки состоящей только из поперечных емкостей между элементом обмотки и магнитопроводом (землей) С_q и продольных емкостей между смежными элементами обмотки C_d(рис. 5, в).

Рис. 6. Перенапряжение в виде импульса

Рассмотрим подробнее процессы в трансформаторе при атмосферных перенапряжениях, так как эти перенапряжения наиболее опасны. Обмотка в этом случае по отношению к быстро нарастающему напряжению представляет собой некоторую входную емкость С_ВХ, которая обусловливает входное (емкостное) сопротивление трансформатора х_вх. В начальный момент подхода волны, когда скорость нарастания напряжения огромна (du/dt® ¥), входное сопротивление практически равно нулю (х_вх ®0), т. е. трансформатор эквивалентен короткозамкнутому концу линии передачи. При этом напряжение на входе трансформатора сна­чала падает до нуля, затем, по мере зарядки емкости С_ВХ, повышается и достигает двукратной величины ам­плитуды импульса, а волна напряжения отражается от трансформатора.

В этот период трансформатор эквивалентен разомкнутому концу линии передачи (рис. 7). Напряжение, возникающее меж­ду обмоткой и магнитопроводом (землей), создает токи через поперечные емкости C_q, при этом токи в продольных емкостях С_d по мере приближения к концу обмотки (точка X на рис. 5) уменьшаются. Это приводит к неравномерному распределению напря­жения вдоль обмотки. Характер начального распределения напряжения вдоль обмотки зависит от двух причин: от состояния нейтральной точки трансформатора (это точка X, которая заземлена на рис. 8, аи изолирована на рис. 8, б) и от соотношения емкостей С_q и C_d, определяемого коэффициентом

Рис. 7. Подход (а) и отражение (б) волны напряжения при атмосферном перенапряжении трансформатора

(24)

При a ≥ 5, что соответствует реальным трансформаторам, начальное распределение напряжения не зависит от состояния нейтральной точки и весьма неравномерно, достигая максимального значения на начальных элементах обмотки. Это соз­дает опасность для изоляции между начальными элементами обмотки. При уменьшении а распределение напряжения вдоль обмотки становится более равномерным, особенно при зазем­ленной нейтрали, хотя наибольшее значение напряжения остается неизменным.

Через некоторое время после подхода волны к обмотке все обмотки приобретут установившийся потенциал. При распределение напряжения вдоль обмотки, называемое конечным, будет соответствовать кривым при a = 0, показания рис. 8.

Рис.8. Начальное распределение напряжения подлине обмотки при заземленной (а) и изолированной (б) нейтралях

Следовательно, между начальным и конечным распределением напряжением имеет место переходный процесс, связанный с затухающими электромагнитными колебаниями, обусловленными индуктивностью, емкостью и активным сопротивлением обмотки. За время переходного процесса напряжение каждой точки обмотки меняется и в отдельные моменты времени достигает значений, превышающих наибольшее его значение при начальном распределении напряжения. На рис. 9 представлена кривая изменения напряжения точки А (см. рис. 8, а) обмотки за время переходного процесса. Затухающий характер кривой обусловлен потерями в активном сопротивлении обмотки.

Рис. 9. Изменение потенциала одной точки обмотки трансформатора относительно земли в течение переходного процесса

Наибольшее напряжение возникает на изолированном конце обмотки (точка X при изолированной нейтрали) и может достигать значения u_X = 1,9U, где U— максимальное напряжение на обмотке при начальном распределении напряжения. Таким образом, .наибольшую опасность для изоляции обмотки (межвитковой и относительно земли представляет собой переходный колебательный процесс.

В автотрансформаторах из-за наличия электрической связи между первичной и вторичной цепями возможна передача волн напряжения из одной сети в другую со значительным усилением их по амплитуде.

К мерам по защите трансформаторов от перенапряжений относятся внешняя защита — применение заземленных тросов и вентильных разрядников (эти меры позволяют ограничить амплитуду волн напряжения, подходящих к трансформатору) и внутренняя защита — усиление изоляции входных витков; установка емкостных колец и электростатических экранов (емкостная компенсация); применение обмоток с пониженным значением коэффициента a [см. (24)]. Цель последних двух мероприятий внутренней защиты сводится к сближению начального и конечного распределения напряжения. При этом практически устраняется переходный колебательный процесс.

Емкостные кольца представляют собой разомкнутые шайбообразные экраны, изготовляемые из металлизированного электрокартона. Этими кольцами прикрывают начало и конец обмотки, тем самым под­нимают кривую начального распределения напряжения, приближая ее к кривой конечного распределения.

Уменьшение неравномерности начального распределе­ния напряжения и сближение его с конечным распределением достигаются применением в трансформаторах дополнительных электростатических экранов в виде разомкнутых металлических колец (витков), охватывающих начальную часть обмотки и соединенных с ее вводом. Такой экран создает дополнительные емкости С_Э, через которые заряжаются поперечные емкости С_q в обход продольных емкостей C_d (рис. 10, а).

Рис. 10. Роль электростатического экрана

В результате кривая начального распределения напряжения 1 (рис. 10, 6) значительно спрямляется и становится почти такой же, как и кривая конечного распределения 2 для обмоток с заземленной нейтралью.

Трансформаторы с изолированной нейтралью также могут снабжаться электростатическими экранами, но в этом случае применяют специальные устройства — импидоры, включаемые между нейтралью и землей. Это устройство содержит емкость, включен­ную параллельно разряднику и реактору, которая при волновых процессах заземляет нейтраль трансформатора, а при промышленной частоте имеет большое сопротивление и практически изолирует нейтраль.