Определение размеров и выбор конструкции изоляции трансформаторов невозможны без определения напряжений, воздействующих на различные участки изоляции трансформатора при эксплуатации и испытаниях, предназначенных для обеспечения надежной работы трансформатора.
При этом часто определяющими являются напряжения, воздействующие на изоляцию трансформатора при попадании на его ввод грозовых волн перенапряжения. Эти напряжения, которые также называют импульсными, практически во всех случаях определяют выбор продольной изоляции обмоток и во многих случаях - главной изоляции обмоток, изоляции переключающих устройств и т.д.
Использование вычислительной техники при определении перенапряжений позволяет перейти от качественного рассмотрения импульсных процессов в обмотках к непосредственным расчетам перенапряжений и внедрению их результатов в практику проектирования.
Для расчета перенапряжений обмотки трансформатора представляют схемой замещения, воспроизводящей индуктивные и емкостные связи между элементами обмотки (рисунок 1). Все схемы замещения учитывают ёмкости между витками и между обмотками.
Рисунок 1. Схема замещения трансформатора: UОВ – падающая волна в обмотке высокого напряжения, UОН – падающая волна в обмотке низкого напряжения, СВ и СН – емкости между витками обмоток высокого и низкого напряжений соответственно, СВН – емкость между обмотками высокого и низкого напряжения.
Волновые процессы в трансформаторах
Трансформатор будем рассматривать как индуктивный элемент при учете междувитковой емкости, емкостей между экраном и индуктивностью, а также между индуктивностью и землей (рисунок 2а).
Для расчета перенапряжения используют следующие формулы:
где: t - время после прихода волны на трансформатор, Т - постоянная времени перенапряжения, ZЭКВ - эквивалентное сопротивление схемы, Z2 - сопротивление линии, Uo - перенапряжение в начальный момент времени
Рисунок 2. Распространение волны напряжения вдоль обмотки трансформатора с заземленной нейтралью: а) принципиальная схема, б) зависимость напряжения волны от длины обмотки для однофазного трансформатора с заземленным выводом: Uo - падающая волна напряжения, ∆Сэ - емкость между катушкой и экраном, ∆Ск - собственная емкость между витками, ∆Сз - емкость между катушкой и землей, ∆Lк - индуктивность слоев катушки обмотки.
Так как в схеме замещения имеются и индуктивности, и емкости, то возникает колебательный LC-контур (колебания напряжения приведены на рисунке 2б).
Амплитуда колебаний составляет 1,3 - 1,4 амплитуды падающей волны, т.е. Uпep = (1,3-1,4) Uo, а наибольшая величина перенапряжения будет иметь место в конце первой трети обмотки, поэтому в конструкции трансформатора 1/3 обмотки имеет усиленную изоляцию по сравнению с остальной ее частью.
Чтобы избежать всплеска перенапряжения следует компенсировать зарядный ток емкостей по отношению к земле. Для этого в схеме устанавливается дополнительный экран (щит). При использовании экрана емкости обмоток относительно экрана будут равны емкости витков относительно земли, т.е. ∆СЭ = ∆С3.
Экранирование осуществляется в трансформаторах классом напряжения UH = 110 кВ и выше. Экран обычно устанавливается около корпуса трансформатора.
Однофазные трансформаторы с изолированной нейтралью
Наличие изолированной нейтрали означает, что между землей и обмоткой существует емкость Со, т.е. в схему замещения трансформатора с заземленным выводом добавляется емкость, но убирается экран (рисунок 3а).
Рисунок 3. Распространение волны напряжения вдоль обмотки трансформатора с изолированной нейтралью: а) принципиальная схема замещения трансформатора, б) зависимость напряжения падающей волны от длины обмотки.
При данной схеме замещения также образуется колебательный контур. Однако за счет ёмкости Со здесь колебательный LC-контур при последовательном соединении индуктивности и ёмкости. В этом случае при значительной емкости Со наибольшее напряжение будет иметь место в конце обмотки ( перенапряжение может достигать значений до 2Uo). Характер изменения напряжения вдоль обмотки представлен на рисунке 3б.
Для уменьшения амплитуды колебаний перенапряжений в обмотке трансформатора с изолированной нейтралью необходимо уменьшить емкость Со вывода относительно земли или увеличить собственные емкости катушек. Обычно применяют последний метод. Для увеличения собственной емкости ∆Ск между катушками обмотки высокого напряжения в схему включают специальные конденсаторные пластины (кольца).
Волновые процессы в трехфазных трансформаторах
В трехфазных трансформаторах на характер процесса распространения падающей волны вдоль обмотки и на величину перенапряжений влияют:
а) схема соединения обмоток,
б) количество фаз, на которые приходит волна перенапряжения.
Трехфазный трансформатор с обмоткой высокого напряжения, соединенной звезду с глухозаземленной нейтралью
Пусть падающая волна перенапряжений приходит на одну фазу трансформатора (рисунок 4).
Процессы распространения волны перенапряжения вдоль обмоток в этом случае будут аналогичны процессам в однофазном трансформаторе с заземленной нейтралью (в каждой из фаз наибольшее напряжение будет в 1/3 части обмотки), при этом они не зависят от того, по скольким фазам приходит волна перенапряжения. Т.е. величина перенапряжения в этой части обмотки равна Uпep = (1,3-1,4) Uo
Рисунок 4. Схема замещения трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в звезду с глухозаземленной нейтралью. Волна перенапряжения приходит на одну фазу.
Трехфазный трансформатор с обмоткой высокого напряжения, соединенной звездой с изолированной нейтралью
Пусть волна перенапряжения приходит по одной фазе. Схема замещения трансформатора, а также распространение падающей волны в обмотке трансформатора приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. Схема замещения трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в звезду (а) и зависимость U = f(x) для случая, когда волна приходит по одной фазе (б).
В этом случае появляются две обособленные зоны колебания. В фазе А будет один размах колебаний, а также условия, в которых они происходят, а в фазе В и С - другой контур колебаний, размах колебаний также будет различен для обеих случаев. Наибольшее перенапряжение будет на обмотке, на которую приходит падающая волна перенапряжения. В нулевой точке возможны перенапряжения величиной до 2/3 Uo (в нормальном режиме в этой точке U=0, поэтому для нее перенапряжения по отношению к рабочему напряжению Uраб наиболее опасно, т.к. U0 >> Uраб).
Пусть волна перенапряжений приходит по двум фазам А и В. Схема замещения трансформатора, а также распространение падающей волны в обмотке трансформатора приведена на рисунке 6.
Рисунок 6. Схема замещения трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в звезду (а) и зависимость U = f(x) для случая, когда волна приходит по двум фазам.
В обмотках фаз, на которые приходит волна, напряжение будет составлять (1,3 - 1,4) Uo. В нейтрали напряжение равно 4/3 Uo. Для защиты от перенапряжений в этом случае в нейтраль трансформатора включается разрядник.
Пусть волна перенапряжений приходит по трем фазам. Схема замещения трансформатора, а также распространение падающей волны в обмотке трансформатора приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. Схема замещения трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в звезду (а) и зависимость U = f(x) для случая, когда волна приходит по трем фазам.
Процессы распространения падающей волны перенапряжения в каждой из фаз трехфазного трансформатора будут аналогичны процессам в однофазном трансформаторе с изолированным выводом. Наибольшее напряжение при этом режиме будет в нейтрали и составит 2U0. Этот случай перенапряжения трансформатора является самым тяжелым.
Трехфазный трансформатор с обмоткой высокого напряжения, соединенной в треугольник
Пусть волна перенапряжения приходит по одной фазе А трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в треугольник, две остальные фазы (В и С) считаем заземленными (рисунок 8).
Рисунок 8. Схема замещения трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в треугольник (а) и зависимость U = f(x) для случая, когда волна приходит по одной фазе.
Обмотки АС и ВС будут подвергаться перенапряжению величиной (1,3 - 1,4) Uo. Эти перенапряжения не являются опасными для работы трансформатора.
Пусть волна перенапряжения приходит по двум фазам (А и В), поясняющие графики приведены на рисунке 9. При этом режиме процессы распространения волн перенапряжения в обмотках АВ и ВС будут аналогичны процессам в соответствующих обмотках трехфазного трансформатора с заземленным выводом. Т.е. в этих обмотках величина перенапряжения составит (1,3 - 1,4) Uo, а в обмотке АС оно достигнет значения (1,8 - 1,9) Uo.
Рисунок 9. Зависимость U= f(x) для случая, когда волна перенапряжения приходит по двум фазам трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в треугольник.
Пусть волны перенапряжения проходят по всем трем фазам трехфазного трансформатора с обмоткой высокого напряжения, соединенной в треугольник.
Обмотки всех фаз в этом режиме будут подвергаться перенапряжению величиной (1,8 - 1,9) Uo. Если волна перенапряжения приходит сразу по двум или трем, проводам, то в середине обмотки, к которой приходят волны с двух сторон, могут возникнуть колебания напряжения с амплитудой, опасной для работы трансформатора.
Защита трансформаторов от перенапряжений
Наиболее опасные перенапряжения главной изоляции обмоток могут возникнуть в случае одновременного прихода волн по трем проводам к трансформатору с соединением обмоток по схеме треугольника (в середине обмотки) или звезды с изолированной нейтралью (вблизи нейтрали). При этом амплитуды возникающих перенапряжений приближаются к двукратному напряжению на выводе или к четырехкратной амплитуде приходящей волны. Опасные перенапряжения на межвитковой изоляции могут возникнуть во всех случаях прихода к трансформатору волны с крутым фронтом независимо от схемы соединений обмоток трансформатора.
Таким образом, для любых трансформаторов при возникновении перенапряжений и их распространении по обмоткам для оценки их величины необходимо учитывать ёмкости в схемах замещения трансформаторов (а не только индуктивности). Точность полученных величин перенапряжений зависит в значительной мере от точности учета емкостей.
Чтобы избежать перенапряжений в конструкции трансформаторов предусматривается:
-
дополнительный экран, который распределяет зарядный ток, следовательно, при этом перенапряжения уменьшаются. Также экран уменьшает напряженность поля в определённых точках обмотки трансформатора,
-
усиление изоляции обмоток на определенных ее участках (конструктивное изменение обмоток трансформатора),
-
установка разрядников перед трансформатором и после него – от внешних и внутренних перенапряжений, а также разрядника в нейтрали трансформатора.