4.4. Хвильові
процеси в трансформаторах
Хвилі грозових ПН, що приходять на підстанцію, впливають
на обмотки трансформаторів, а в трансформаторі відбувається електромагнітний
процес, що приводить до перенапруг:
· між частинами
обмотки (шари, витки, котушки);
· між обмотками ВН
і НН;
· між обмоткою ВН
і заземленими частинами трансформатора (корпус, залізо).
Довжина проводів в обмотках
трансформатора ВН може досягати кілька кілометрів, тому хвильові процеси в
обмотках мають деяку аналогію із процесами в довгих ЛЕП, однак вони набагато
складніші через ряд особливостей, властивим трансформаторам. Наприклад, у схемі
заміщення однієї фази котушкової обмотки трансформатора, наведеної на
рис. 4.18, а, варто враховувати
(крім опору обмоток Rакт і
провідності діелектрика gакт,
які малі): ємність між котушками (витками) – поздовжня ємність К; взаємна індуктивність М(х)
кожного витка з усіма іншими витками обмотки.
Рис. 4.18. Конструктивна схема (а) і електрична
схема заміщення (б) високовольтного трансформатора: Zн – опір нейтралі
трансформатора
У першому наближенні представимо схему заміщення обмотки
трансформатора з обліком трьох основних параметрів L, С і К (середні значення на одиницю довжини
обмотки) без обліку g і R, які відносно малі, тому ними можна
знехтувати (рис. 4.18, б).
Розглянемо перехідні процеси в обмотках трансформатора.
При падінні хвиль на обмотку ВН обмотку НН рис. 4.19) можна вважати
заземленої і закороченою, тому що лінії, що відходять, мають хвильовий
опір набагато менший, ніж хвильовий опір обмотки трансформатора (наприклад, Zл =…400 Ом, Zтр = 1000…10000Ом).
Перехідний процес залежить:
· від схеми
з'єднання обмоток;
· режиму нейтралі;
·
кількості фаз, по яких падає хвиля (по одній, двох або трьох).
Рис. 4.19.
Схема набігання хвиль перенапруги на обмотку ВН-трансформатора
Для простоти розглянемо основні закономірності на прикладі
однофазної котушкової обмотки у випадку падіння прямокутної нескінченної хвилі.
Весь перехідний процес ділимо на три стадії:
а) початковий процес (t
= 0);
б) сталий процес (t
³ tуст);
г) перехідний процес 0 < t < tуст (вільне
коливання).
Схема заміщення однофазної котушкової обмотки
трансформатора для початкового процесу наведена на рис. 4.20, а.
Графічне зображення початкового розподілу напруги Uнач при t = 0 наведено на рис. 4.20, б.
Розподіл сталої напруги уздовж обмотки трансформатора при
Zн = 0 (нейтраль
заземлена) наведений на рис. 4.21, а.
Початковий розподіл напруги буде переходити до
сталого в коливальному режимі, роблячи загасаючі коливання відносно кривої
розподілу напруги в сталому режимі. У результаті огинаюча максимальних значень
напруги уздовж обмотки трансформатора буде мати вигляд, наведений на
рис. 4.21, а. Максимум перенапруг,
що виникає в перехідний період, доводиться на обмотку приблизно на відстані
.
Розподіл напруги
уздовж обмотки трансформатора з ізольованої нейтраллю наведено на
рис. 4.21, б. У цьому випадку
найбільші напруги в перехідному режимі з'являються на ізольованої нейтралі
обмотки.
Для обмоток
трансформаторів особливо небезпечні зрізані хвилі, тобто хвилі із крутими
спадами (зрізами), при спрацьовуванні захисних розрядників або перекриттів
поблизу трансформаторів.
Всі практичні випадки
падіння хвиль ПН на трансформатори можуть бути отримані методом суперпозиції
виходячи із двох розглянутих прикладів.
Передача хвиль ПН із однієї обмотки в іншу. При падінні електромагнітної хвилі на одну з обмоток
трансформатора електромагнітні процеси в ній збуджують високі потенціали в
іншій обмотці. Можливі 2 види передачі ВН.
1. Ємнісна передача потенціалу в трансформаторах
(рис. 4.22).
Звичайно у високовольтних
трансформаторах ємність на землю обмотки високої напруги набагато менша, ніж
ємність на землю обмотки низької напруги, тобто . Еквівалентна схема заміщення, представлена на
рис. 4.22, б,що дозволяє оцінити
напругу на вторинній обмотці залежно від напруги хвилі, що прийшла на первинну
обмотку:
,
. (4.31)
Рис. 4.22. Ємнісна передача електромагнітної хвилі
між обмотками трансформатора при приході хвилі перенапруги по одній з фаз: а – загальна схема заміщення; б – еквівалентна
електрична схема для розрахунку
При ємнісній передачі електромагнітної хвилі між
обмотками трансформатора коефіцієнт трансформації не грає ролі і залежить від .
Значні потенціали можуть бути на обмотці 2
(НН), тільки коли С22
мало.
Електромагнітна
передача напруги в трансформаторах.
Падіння хвилі на обмотку НН представлене на
рис. 4.23.
C
У цьому випадку можливі два варіанти:
а) якщо фази ВН приєднані до ЛЕП, то ріст потенціалу буде
незначний як на початку, так й у середині обмотки;
б) якщо фази АВС від’єднанні від ЛЕП, то
, (4.32)
де – коефіцієнт трансформації.
Це небезпечний режим і для внутрішньої, і для зовнішньої
ізоляції трансформатора. Отже, потрібна установка захисних апаратів від
перенапруг на виводах трансформатора.
Наприклад: ,
. За
таких умов
,
тобто для трансформатора класу 10 кВ ця напруга в 3 рази вище
випробної (75..80 кВ).
Якщо обмотки А, В,
С приземлені через хвильові опори ЛЕП, то на фазах А, В, С зберігається нульовий потенціал, а порушувана
ЕДС підвищує потенціал нейтралі. Звідси можна зробити висновок: мережі НН теж
мають потребу в захисті від атмосферних перенапруг, потрібна установка трьох
захисних апаратів на НН трансформатора, які обмежують амплітуду напруги до
2,5...3 кВ.