Przepięcie w uzwojeniach transformatora

Dobór wymiarów i konstrukcji izolacji transformatora jest niemożliwy bez określenia naprężeń działających na poszczególne odcinki izolacji transformatora podczas eksploatacji oraz badań mających na celu zapewnienie niezawodnej pracy transformatora.

W tym przypadku często decydujące znaczenie mają napięcia działające na izolację transformatora w momencie uderzenia pioruna na jego wejście. Napięcia te, zwane także napięciami impulsowymi, w prawie wszystkich przypadkach decydują o doborze izolacji uzwojeń wzdłużnych, a w wielu przypadkach izolacji uzwojeń głównych, izolacji łącznika itp.

Wykorzystanie technologii komputerowych do wyznaczania przepięć pozwala na przejście od jakościowego rozpatrywania procesów impulsowych w uzwojeniach do bezpośrednich obliczeń przepięć i wprowadzania ich wyników do praktyki projektowej.

Aby obliczyć przepięcie, uzwojenia transformatora są reprezentowane przez obwód zastępczy, który odtwarza połączenia indukcyjne i pojemnościowe między elementami uzwojenia (rysunek 1).Wszystkie równoważne obwody uwzględniają pojemność między zwojami i między uzwojeniami.

Rysunek 1. Schemat zastępczy transformatora: UOV — fala padająca w uzwojeniu wysokiego napięcia, UOH — fala padająca w uzwojeniu niskiego napięcia, SV i CH — pojemności między zwojami odpowiednio uzwojenia wysokiego i niskiego napięcia, SVN — pojemność między zwojami uzwojenia wysokiego i niskiego napięcia.

Procesy falowe w transformatorach

Transformator będzie traktowany jako element indukcyjny, biorąc pod uwagę pojemność międzyzwojową, pojemności między ekranem a indukcyjnością oraz między indukcyjnością a masą (rys. 2a).

Do obliczania przepięć stosuje się następujące wzory:

gdzie: t to czas po dojściu fali do transformatora, T to stała czasowa przepięcia, ZEKV to zastępcza rezystancja obwodu, Z2 to rezystancja linii, Uo to przepięcie w czasie początkowym

Rysunek 2. Rozchodzenie się fali napięciowej wzdłuż uzwojenia transformatora z uziemionym punktem zerowym: a) schemat ideowy, b) zależność fali napięciowej od długości uzwojenia dla transformatora jednofazowego z uziemionym zaciskiem: Uo — spadek fali napięcia, ∆Ce — pojemność między cewką a ekranem, ∆Ck — pojemność własna między zwojami, ∆С3 — pojemność między cewką a ziemią, ∆Lк — indukcyjność warstw cewki.

Ponieważ w obwodzie równoważnym występuje zarówno indukcyjność, jak i pojemność, występuje oscylujący obwód LC (wahania napięcia pokazano na rysunku 2b).

Amplituda oscylacji wynosi 1,3 — 1,4 amplitudy fali padającej, tj.Uпep = (1,3-1,4) Uo, a największa wartość przepięcia wystąpi na końcu pierwszej trzeciej części uzwojenia, dlatego w konstrukcji transformatora 1/3 uzwojenia ma wzmocnioną izolację w stosunku do reszty .

Aby uniknąć przepięcia, należy skompensować prąd ładowania kondensatorów względem masy. W tym celu w obwodzie instalowany jest dodatkowy ekran (osłona). Podczas korzystania z ekranu pojemności uzwojeń do ekranu będą równe pojemności zwojów do ziemi, tj. ∆CE = ∆C3.

Ekranowanie wykonuje się w transformatorach o klasie napięciowej UH = 110 kV i wyższej. Ekran jest zwykle montowany w pobliżu obudowy transformatora.

Transformatory jednofazowe z izolowanym przewodem neutralnym

Obecność izolowanego przewodu neutralnego oznacza, że ​​między ziemią a uzwojeniem występuje pojemność Co, tj. pojemność jest dodawana do równoważnego obwodu transformatora uziemiającego, ale ekran jest usunięty (rysunek 3a).

Rysunek 3. Rozchodzenie się fali napięciowej wzdłuż uzwojenia transformatora z izolowanym punktem zerowym: a) schemat ideowy transformatora zastępczego, b) zależność napięcia fali padającej od długości uzwojenia.

Obwód oscylacyjny jest również tworzony z tym równoważnym obwodem. Jednak ze względu na pojemność Co istnieje oscylujący obwód LC z szeregowym połączeniem indukcyjności i pojemności. W tym przypadku, przy znacznej pojemności Co, najwyższe napięcie pojawi się na końcu uzwojenia (przepięcie może osiągnąć wartości do 2Uo). Charakter zmiany napięcia na cewce pokazano na rysunku 3b.

Aby zmniejszyć amplitudę oscylacji przepięć w uzwojeniu transformatora z izolowanym punktem neutralnym, konieczne jest zmniejszenie pojemności wyjściowej C względem masy lub zwiększenie pojemności własnej cewek. Zwykle stosuje się tę drugą metodę. W celu zwiększenia pojemności własnej ∆Ck między cewkami uzwojenia wysokiego napięcia w obwodzie zastosowano specjalne płytki (pierścienie) kondensatora.

Procesy falowe w transformatorach trójfazowych

W transformatorach trójfazowych na charakter procesu propagacji fali padającej wzdłuż uzwojenia oraz wielkość przepięć mają wpływ:

a) schemat podłączenia cewki,

b) liczba faz, do których dochodzi fala udarowa.

Transformator trójfazowy z uzwojeniem wysokiego napięcia, połączony w gwiazdę z przewodem neutralnym uziemionym na stałe

Niech padająca fala uderzeniowa wejdzie w jedną fazę transformatora (rysunek 4).

Procesy propagacji fal przepięciowych wzdłuż uzwojeń będą w tym przypadku zbliżone do procesów zachodzących w transformatorze jednofazowym z uziemionym punktem zerowym (w każdej z faz najwyższe napięcie będzie w 1/3 uzwojenia), natomiast nie zależą od tego, ile faz dociera do fali udarowej. Te. wartość przepięcia w tej części cewki jest równa Upep = (1,3-1,4) Uo

Rysunek 4. Schemat zastępczy transformatora trójfazowego z uzwojeniem wysokiego napięcia połączonym w gwiazdę z siecią z uziemieniem neutralnym. Fala uderzeniowa występuje w jednej fazie.

Trójfazowy transformator wysokiego napięcia połączony w gwiazdę z izolowanym punktem neutralnym

Niech fala uderzeniowa przyjdzie w jednej fazie.Obwód zastępczy transformatora, a także propagację fali padającej w uzwojeniu transformatora pokazano na rysunku 5.

Rysunek 5. Obwód zastępczy transformatora trójfazowego z uzwojeniem wysokiego napięcia połączonym w gwiazdę (a) i zależnością U = f (x) dla przypadku, gdy fala występuje w jednej fazie (b).

W takim przypadku pojawiają się dwie oddzielne strefy oscylacji. W fazie A będzie jeden zakres oscylacji i warunki w jakich one występują, aw fazach B i C będzie inna pętla oscylacji, również zakres oscylacji będzie inny w obu przypadkach. Największe przepięcie wystąpi na uzwojeniu odbierającym falę udarową. W punkcie zerowym możliwe są przepięcia do 2/3 Uo (w trybie normalnym w tym momencie U = 0, więc najbardziej niebezpieczne są dla niego przepięcia w stosunku do napięcia roboczego Uoperacja, ponieważ U0 >> Uoperacja).

Niech fala udarowa przejdzie przez dwie fazy A i B. Obwód zastępczy transformatora oraz propagacja fali padającej w uzwojeniu transformatora pokazano na rysunku 6.

Rysunek 6. Schemat zastępczy transformatora trójfazowego z uzwojeniem wysokiego napięcia połączonym w gwiazdę (a) i zależnością U = f (x) dla przypadku, gdy fala występuje w dwóch fazach.

W uzwojeniach faz, do których dociera fala, napięcie wyniesie (1,3 — 1,4) Uo. Napięcie neutralne wynosi 4/3 Uo. W tym przypadku, aby zabezpieczyć się przed przepięciem, do przewodu neutralnego transformatora podłączony jest ogranicznik.

Niech fala udarowa wystąpi w trzech fazach.Zastępczy obwód transformatora oraz propagacja fali padającej w uzwojeniu transformatora pokazano na rysunku 7.

Rysunek 7.Równoważny obwód transformatora trójfazowego z uzwojeniem wysokiego napięcia połączonym w gwiazdę (a) i zależnością U = f (x) dla przypadku, gdy fala występuje w trzech fazach.

Procesy propagacji fali spadkowej przepięcia w każdej z faz transformatora trójfazowego będą podobne do procesów w transformatorze jednofazowym z izolowanym wyjściem. Najwyższe napięcie w tym trybie będzie w stanie neutralnym i wyniesie 2U0. Ten przypadek przepięcia transformatora jest najpoważniejszy.

Trójfazowy transformator wysokiego napięcia z uzwojeniem w trójkąt

Niech fala udarowa przejdzie przez jedną fazę A trójfazowego transformatora wysokiego napięcia połączonego w trójkąt, pozostałe dwie fazy (B i C) są uważane za uziemione (Rysunek 8).

Rysunek 8. Schemat zastępczy transformatora trójfazowego z uzwojeniem wysokiego napięcia połączonym w trójkąt (a) i zależnością U = f (x) dla przypadku, gdy fala występuje w jednej fazie.

Uzwojenia AC i BC będą narażone na przepięcie (1,3 — 1,4) Uo. Przepięcia te nie są niebezpieczne dla pracy transformatora.

Niech fala przepięciowa wystąpi w dwóch fazach (A i B), wykresy objaśniające pokazano na rysunku 9. W tym trybie propagacja fal przepięciowych w uzwojeniach AB i BC będzie podobna do procesów w odpowiednich uzwojeniach trójfazowy uziemiony zacisk transformatora. Te. w tych uzwojeniach wartość przepięcia wyniesie (1,3 — 1,4) Uo, aw uzwojeniu prądu przemiennego osiągnie wartość (1,8 — 1,9) Uo.

Rysunek 9. Zależność U = f (x) dla przypadku, gdy fala przepięciowa przechodzi przez dwie fazy transformatora trójfazowego z uzwojeniem wysokiego napięcia połączonym w trójkąt.

Niech fale udarowe przejdą przez wszystkie trzy fazy transformatora trójfazowego z uzwojeniem wysokiego napięcia połączonym w trójkąt.

Uzwojenia wszystkich faz w tym trybie będą narażone na przepięcie (1,8 — 1,9) Uo. Jeżeli fala udarowa przechodzi jednocześnie przez dwa lub trzy przewody, to w środku uzwojenia, do którego fale dochodzą z obu stron, mogą wystąpić wahania napięcia o amplitudzie niebezpiecznej dla pracy transformatora.

Ochrona przeciwprzepięciowa transformatora

Najniebezpieczniejsze przepięcia izolacji głównej uzwojeń mogą wystąpić w przypadku jednoczesnego dotarcia fal przez trzy przewody do transformatora połączonego w trójkąt (w środku uzwojenia) lub gwiazdy z izolowanym punktem neutralnym (prawie neutralnym). . W tym przypadku amplitudy powstałych przepięć zbliżają się do dwukrotności napięcia wyjściowego lub czterokrotności amplitudy fali wejściowej. Niebezpieczne przepięcia międzyzwojowe izolacji mogą wystąpić we wszystkich przypadkach, gdy fala o stromym czole dociera do transformatora, niezależnie od schematu połączeń uzwojeń transformatora.

Tak więc dla wszystkich transformatorów w przypadku wystąpienia przepięć i ich rozkładu wzdłuż uzwojeń, w celu oszacowania ich wielkości konieczne jest uwzględnienie pojemności w obwodach zastępczych transformatorów (a nie tylko indukcyjności). Dokładność uzyskanych wartości przepięć zależy w dużej mierze od dokładności pomiaru pojemności.

Aby uniknąć przepięć w konstrukcji transformatorów, zapewniono:

• dodatkowy ekran, który rozprowadza prąd ładowania, dzięki czemu redukowane są przepięcia.Ponadto ekran zmniejsza natężenie pola w pewnych punktach uzwojenia transformatora,

• wzmocnienie izolacji uzwojeń w niektórych jej częściach (konstruktywna wymiana uzwojeń transformatora),

• montaż ograniczników przed i za transformatorem — od przepięć zewnętrznych i wewnętrznych oraz ogranicznika w przewodzie neutralnym transformatora.