Supratensiune în înfășurările transformatorului

Dimensionarea și selectarea designului izolației transformatorului este imposibilă fără determinarea tensiunilor care acționează asupra diferitelor secțiuni ale izolației transformatorului în timpul funcționării și testării concepute pentru a asigura funcționarea fiabilă a transformatorului.

În acest caz, tensiunile care acționează asupra izolației transformatorului atunci când undele de fulger lovesc intrarea acestuia sunt adesea decisive. Aceste tensiuni, numite și tensiuni de impuls, în aproape toate cazurile determină alegerea izolației înfășurării longitudinale și în multe cazuri izolarea înfășurării principale, izolarea dispozitivului de comutare etc.

Utilizarea tehnologiilor informatice în determinarea supratensiunilor permite trecerea de la o considerare calitativă a proceselor de impuls în înfășurări la calculele directe ale supratensiunilor și introducerea rezultatelor acestora în practica de proiectare.

Pentru a calcula supratensiunea, înfășurările transformatorului sunt reprezentate printr-un circuit echivalent care reproduce conexiuni inductive și capacitive între elementele înfășurării (Figura 1).Toate circuitele echivalente iau în considerare capacitatea dintre spire și între înfășurări.

Figura 1. Circuitul echivalent al transformatorului: UOV — undă incidentă în înfășurarea de înaltă tensiune, UOH — undă incidentă în înfășurarea de joasă tensiune, SV și CH — capacități între spirele înfășurărilor de înaltă și, respectiv, joasă tensiune, SVN — capacitate între înfăşurări cu înaltă şi joasă tensiune.

Procese ondulatorii în transformatoare

Transformatorul va fi considerat un element inductiv, ținând cont de capacitatea interturn, de capacitățile dintre ecran și inductanță și dintre inductanță și masă (Figura 2a).

Următoarele formule sunt utilizate pentru a calcula supratensiunea:

unde: t este timpul de după sosirea undei la transformator, T este constanta de timp a supratensiunii, ZEKV este rezistența echivalentă a circuitului, Z2 este rezistența liniei, Uo este supratensiunea la momentul inițial

Figura 2. Propagarea undei de tensiune de-a lungul înfășurării unui transformator cu un neutru împământat: a) diagramă schematică, b) dependența undei de tensiune de lungimea înfășurării pentru un transformator monofazat cu o bornă legată la pământ: Uo — undă de cădere de tensiune, ∆Ce — capacitatea dintre bobină și ecran, ∆Ck — capacitatea inerentă între spire, ∆С3 — capacitatea dintre bobină și masă, ∆Lк — inductanța straturilor bobinei.

Deoarece există atât inductanță, cât și capacitate în circuitul echivalent, are loc un circuit LC oscilant (fluctuațiile de tensiune sunt prezentate în Figura 2b).

Amplitudinea oscilațiilor este de 1,3 — 1,4 din amplitudinea undei incidente, adică.Uпep = (1,3-1,4) Uo, iar cea mai mare valoare a supratensiunii va apărea la sfârșitul primei treimi a înfășurării, prin urmare, în construcția transformatorului, 1/3 din înfășurare are izolație întărită față de restul .

Pentru a evita supratensiunea, trebuie compensat curentul de încărcare al condensatorilor față de masă. În acest scop, în circuit este instalat un ecran suplimentar (scut). Când utilizați ecranul, capacitățile înfășurărilor la ecran vor fi egale cu capacitatea spirelor la pământ, adică. ∆CE = ∆C3.

Ecranarea se realizează în transformatoare cu clasa de tensiune UH = 110 kV și mai mare. Scutul este de obicei instalat lângă carcasa transformatorului.

Transformatoare monofazate cu neutru izolat

Prezența unui neutru izolat înseamnă că există o capacitate Co între pământ și înfășurare, adică capacitatea este adăugată la circuitul echivalent al transformatorului terminalului de pământ, dar ecranul este îndepărtat (Figura 3a).

Figura 3. Propagarea unei unde de tensiune de-a lungul înfășurării unui transformator cu un neutru izolat: a) schema schematică a unui transformator echivalent, b) dependența tensiunii undei incidente de lungimea înfășurării.

Cu acest circuit echivalent se formează și un circuit oscilant. Cu toate acestea, datorită capacității Co, există un circuit LC oscilant cu o conexiune în serie de inductanță și capacitate. În acest caz, cu o capacitate semnificativă Co, cea mai mare tensiune va apărea la sfârșitul înfășurării (supratensiunea poate atinge valori de până la 2Uo). Natura modificării tensiunii pe bobină este prezentată în Figura 3b.

Pentru a reduce amplitudinea oscilațiilor de supratensiune în înfășurarea unui transformator cu un neutru izolat, este necesară reducerea capacității ieșirii C față de masă sau creșterea capacității proprii a bobinelor. De obicei, se folosește ultima metodă. Pentru a crește autocapacitanța ∆Ck între bobinele înfășurării de înaltă tensiune, în circuit sunt incluse plăci speciale de condensatoare (inele).

Procese ondulatorii la transformatoarele trifazate

În transformatoarele trifazate, natura procesului de propagare a undei incidente de-a lungul înfășurării și mărimea supratensiunilor sunt influențate de:

a) schema de conectare a bobinei,

b) numărul de faze la care ajunge valul de supratensiune.

Un transformator trifazat cu o înfășurare de înaltă tensiune, conectat în stea cu un neutru solid împământat

Lăsați valul de supratensiune incidentă să intre într-o fază a transformatorului (Figura 4).

Procesele de propagare a undelor de supratensiune de-a lungul înfășurărilor în acest caz vor fi similare cu procesele dintr-un transformator monofazat cu un neutru împământat (în fiecare dintre faze, cea mai mare tensiune va fi în 1/3 din înfășurare), în timp ce ele nu depind de câte faze ajung la valul de supratensiune. Aceste. valoarea supratensiunii din această parte a bobinei este egală cu Upep = (1,3-1,4) Uo

Figura 4. Circuit echivalent al unui transformator trifazat cu o înfășurare de înaltă tensiune conectată la o stea cu o rețea de neutru împământat. Valul de creștere vine într-o singură fază.

Transformator de înaltă tensiune trifazat conectat în stea cu neutru izolat

Lăsați valul de creștere să vină într-o fază.Circuitul echivalent al transformatorului, precum și propagarea undei incidente în înfășurarea transformatorului, sunt prezentate în Figura 5.

Figura 5. Circuit echivalent al unui transformator trifazat cu o înfășurare de înaltă tensiune conectată în stea (a) și dependența U = f (x) pentru cazul când unda vine într-o fază (b).

În acest caz, apar două zone de oscilație separate. În faza A va exista un interval de oscilație și condițiile în care acestea apar, iar în fazele B și C va exista o altă buclă de oscilație, intervalul de oscilație va fi și el diferit în ambele cazuri. Cea mai mare supratensiune va fi pe înfășurarea care primește valul de supratensiune incidentă. La punctul zero sunt posibile supratensiuni de până la 2/3 Uo (în regim normal în acest moment U = 0, prin urmare supratensiunile față de tensiunea de funcționare Uoperare sunt cele mai periculoase pentru aceasta, deoarece U0 >> Ufuncționare).

Lăsați valul de supratensiune să treacă prin două faze A și B. Circuitul echivalent al transformatorului, precum și propagarea undei incidente în înfășurarea transformatorului sunt prezentate în figura 6.

Figura 6. Circuit echivalent al unui transformator trifazat cu o înfășurare de înaltă tensiune conectată în stea (a) și dependența U = f (x) pentru cazul când unda vine în două faze.

În înfășurările fazelor la care vine valul, tensiunea va fi (1,3 — 1,4) Uo. Tensiunea neutră este de 4/3 Uo. Pentru a proteja împotriva supratensiunii în acest caz, un descărcător este conectat la neutrul transformatorului.

Lăsați unda de supratensiune să vină în trei faze.Circuitul echivalent al transformatorului, precum și propagarea undei incidente în înfășurarea transformatorului sunt prezentate în Figura 7.

Figura 7.Circuit echivalent al unui transformator trifazat cu o înfășurare de înaltă tensiune conectată în stea (a) și dependența U = f (x) pentru cazul când unda vine în trei faze.

Procesele de propagare a unei unde de cădere de supratensiune în fiecare dintre fazele unui transformator trifazat vor fi similare cu procesele dintr-un transformator monofazat cu o ieșire izolată. Cea mai mare tensiune în acest mod va fi în neutru și va fi 2U0. Acest caz de supratensiune a transformatorului este cel mai grav.

Transformator trifazat de înaltă tensiune în delta

Lăsați valul de supratensiune să treacă printr-o fază A a unui transformator trifazat de înaltă tensiune conectat în deltă, celelalte două faze (B și C) sunt considerate împământate (Figura 8).

Figura 8. Circuit echivalent al unui transformator trifazat cu o înfășurare de înaltă tensiune conectată în delta (a) și dependența U = f (x) pentru cazul când unda vine într-o fază.

Înfășurările AC și BC vor fi expuse la o supratensiune (1,3 — 1,4) Uo. Aceste supratensiuni nu sunt periculoase pentru funcționarea transformatorului.

Lăsați unda de supratensiune să vină în două faze (A și B), graficele explicative sunt prezentate în Figura 9. În acest mod, propagarea undelor de supratensiune în înfășurările AB și BC va fi similară cu procesele din înfășurările corespunzătoare ale unui borna transformatorului cu împământare trifazată. Aceste. în aceste înfăşurări valoarea supratensiunii va fi (1,3 — 1,4) Uo iar în înfăşurarea AC va atinge valoarea (1,8 — 1,9) Uo.

Figura 9. Dependența U = f (x) pentru cazul când unda de supratensiune trece prin două faze ale unui transformator trifazat cu o înfășurare de înaltă tensiune conectată în deltă.

Lăsați undele de supratensiune să treacă prin toate cele trei faze ale unui transformator trifazat cu o înfășurare conectată în delta de înaltă tensiune.

Înfășurările tuturor fazelor din acest mod vor fi expuse la o supratensiune (1,8 — 1,9) Uo. Dacă o undă de supratensiune vine simultan prin două sau trei fire, atunci în mijlocul înfășurării, către care vin undele din ambele părți, pot apărea fluctuații de tensiune cu o amplitudine care sunt periculoase pentru funcționarea transformatorului.

Protecție la supratensiune a transformatorului

Cele mai periculoase supratensiuni ale izolației principale a înfășurărilor pot apărea în cazul sosirii simultane a undelor prin trei fire la transformator cu conexiune delta (în mijlocul înfășurării) sau o stea cu un neutru izolat (aproape neutru) . În acest caz, amplitudinile supratensiunilor rezultate se apropie de dublul tensiunii de ieșire sau de patru ori de amplitudinea undei de intrare. Supratensiuni periculoase de izolație ture-to-turn pot apărea în toate cazurile când o undă cu front abrupt ajunge la transformator, indiferent de schema de conectare a înfășurărilor transformatorului.

Astfel, pentru toate transformatoarele în caz de supratensiuni și distribuția acestora de-a lungul înfășurărilor, pentru a estima mărimea acestora, este necesar să se țină cont de capacitățile din circuitele echivalente ale transformatoarelor (și nu numai de inductanță). Precizia valorilor de supratensiune obținute depinde în mare măsură de precizia măsurării capacității.

Pentru a evita supratensiunile în proiectarea transformatoarelor, se prevede:

• un ecran suplimentar care distribuie curentul de încărcare, prin urmare, supratensiunile sunt reduse.De asemenea, ecranul reduce intensitatea câmpului în anumite puncte ale înfășurării transformatorului,

• consolidarea izolației înfășurărilor în anumite părți ale acesteia (înlocuirea constructivă a înfășurărilor transformatorului),

• instalarea descărcătoarelor în fața transformatorului și după acesta — împotriva supratensiunilor externe și interne, precum și a unui descărcător în neutrul transformatorului.