4.4. Волновые процессы в трансформаторах

Волны грозовых ПН, приходящие на подстанцию, воздействуют на обмотки трансформаторов, а в трансформаторе происходит электромагнитный процесс, приводящий к перенапряжениям:

• между частями обмотки (слои, витки, катушки);

• между обмотками ВН и НН;

• между обмоткой ВН и заземленными частями трансформатора (корпус, железо).

Длина проводов в обмотках трансформатора ВН может достигать несколько километров, поэтому волновые процессы в обмотках имеют некоторую аналогию с процессами в длинных ЛЭП, однако они гораздо сложнее из-за ряда особенностей, присущих трансформаторам. Например, в схеме замещения одной фазы катушечной обмотки трансформатора, приведенной на рис. 4.18, а, следует учитывать (кроме сопротивления обмоток R_акт и проводимости диэлектрика g_акт, которые малы): емкость между катушками (витками) – продольная емкость К; взаимную индуктивность М(х) каждого витка со всеми остальными витками обмотки.

Рис. 4.18. Конструктивная схема (а) и электрическая схема замещения (б) высоковольтного трансформатора: Z_н – сопротивление нейтрали трансформатора

В первом приближении представим схему замещения обмотки трансформатора с учетом трех основных параметров L, С и К (средние значения на единицу длины обмотки) без учета g и R , которые относительно малы, поэтому ими можно пренебречь (рис. 4.18, б).

Рассмотрим переходные процессы в обмотках трансформатора. При падении волн на обмотку ВН обмотку НН (рис. 4.19) можно считать заземленной и закороченной, т. к. отходящие линии имеют волновое сопротивление много меньше, чем волновое сопротивление обмотки трансформатора (например, Z_л = 10…400 Ом, Z_тр = 1000…10 000 Ом). Переходный процесс зависит:

• от схемы соединения обмоток;

• режима нейтрали;

• количества фаз, по которым падает волна (по одной, двум или трем).

Рис. 4.19. Схема набегания волн перенапряжения на обмотку ВН-трансформатора

Для простоты рассмотрим основные закономерности на примере однофазной катушечной обмотки в случае падения прямоугольной бесконечной волны.

Весь переходный процесс делим на три стадии:

а) начальный процесс (t = 0);

б) установившийся процесс (t  t_уст);

г) переходный процесс 0 < t < t_уст (свободное колебание).

Схема замещения однофазной катушечной обмотки трансформатора для начального процесса приведена на рис. 4.20, а.

Графическое изображение начального распределения напряжения U_нач при t = 0 приведено на рис. 4.20, б.

Распределение установившегося напряжения вдоль обмотки трансформатора при Z_н = 0 (нейтраль заземлена) приведено на рис. 4.21, а. Начальное распределение напряжения будет переходить к установившемуся в колебательном режиме, совершая затухающие колебания относительно кривой распределения напряжения в установившемся режиме. В результате огибающая максимальных значений напряжения вдоль обмотки трансформатора будет иметь вид, приведенный на рис. 4.21, а. Максимум перенапряжений, возникающий в переходный период, приходится на обмотку примерно на расстоянии .

Распределение напряжения вдоль обмотки трансформатора с изолированной нейтралью приведено на рис. 4.21, б. В этом случае наибольшие напряжения в переходном режиме появляются на изолированной нейтрали обмотки.

Для обмоток трансформаторов особенно опасны срезанные волны, т. е. волны с крутыми спадами (срезами), при срабатывании защитных разрядников или перекрытий вблизи трансформаторов.

Все практические случаи падения волн ПН на трансформаторы могут быть получены методом суперпозиции исходя из двух рассмотренных примеров.

Передача волн ПН из одной обмотки в другую. При падении электромагнитной волны на одну из обмоток трансформатора электромагнитные процессы в ней возбуждают высокие потенциалы в другой обмотке. Возможны 2 вида передачи ВН.

1. Емкостная передача потенциала в трансформаторах (рис. 4.22).

Обычно в высоковольтных трансформаторах емкость на землю обмотки высокого напряжения много меньше, чем емкость на землю обмотки низкого напряжения, т. е. . Эквивалентная схема замещения, представленная на рис. 4.22, б, позволяет оценить напряжение на вторичной обмотке в зависимости от напряжения волны, пришедшей на первичную обмотку:

, . (4.31)

Рис. 4.22. Емкостная передача электромагнитной волны между обмотками трансформатора при приходе волны перенапряжения по одной из фаз: а – общая схема замещения; б – эквивалентная электрическая схема для расчета

При емкостной передаче электромагнитной волны между обмотками трансформатора коэффициент трансформации не играет роли и зависит от . Значительные потенциалы могут быть на обмотке 2 (НН), только когда С₂₂ мало.

Электромагнитная передача напряжения в трансформаторах.

Падение волны на обмотку НН представлено на рис. 4.23.

C

В этом случае возможны два варианта:

а) если фазы ВН присоединены к ЛЭП, то рост потенциала будет незначителен как в начале, так и в середине обмотки;

б) если фазы АВС отсоединены от ЛЭП, то

, (4.32)

где – коэффициент трансформации.

Это опасный режим и для внутренней, и для внешней изоляции трансформатора. Следовательно, нужна установка защитных аппаратов от перенапряжений на выводах трансформатора.

Например: , . При таких условиях , т. е. для трансформатора класса 10 кВ это напряжение в 3 раза выше испытательного (75…80 кВ).

Если обмотки А, В, С приземлены через волновые сопротивления ЛЭП, то на фазах А, В, С сохраняется нулевой потенциал, а возбуждаемая ЭДС повышает потенциал нейтрали. Отсюда можно сделать вывод: сети НН тоже нуждаются в защите от атмосферных перенапряжений, нужна установка трех защитных аппаратов на НН трансформатора, которые ограничивают амплитуду напряжения до 2,5…3 кВ.