Краткие теоретические сведения. Изоляция обмоток высоковольтных силовых трансформаторов в значительной мере определяется перенапряжениями

Изоляция обмоток высоковольтных силовых трансформаторов в значительной мере определяется перенапряжениями, возникающими в обмотках при воздействии на них грозовых импульсов. При падении на обмотку импульсной волны возникают сложные электромагнитные процессы, которые приводят к быстро меняющимся перенапряжением на элементах главной и продольной изоляции.

Точный расчет этих процессов практически невозможен вследствие взаимного влияния многих элементов: распределенных продольных и поперечных емкостей обмотки, собственных и взаимных индуктивностей витков и обмоток и т.п. Поэтому наряду с теоретическими приближенными расчетами и моделированием процессов с помощью ЭВМ часто и наиболее плодотворно используются испытания на моделях или реальных обмотках с применением анализатора переходных процессов.

Обмотка трансформатора может быть представлена линейной электрической цепью (рис. 4.1), параметры которой отнесены к единице длины.

Рис. 4.1. Схема замещения обмотки однофазного трансформатора при падении на обмотку прямоугольной волны. Пунктиром показаны емкости относительно начала обмотки при наличии емкостного экрана

При падении на трансформатор прямоугольной волны индуктивности в первый момент не пропускают тока, и распределение напряжения вдоль обмотки определяются только емкостями С и К. Расчет такой емкостной цепочки ([1], [3], с.201), приводит к приближенному выражению

,

справедливому и для случая заземленной, и для случая изолированной нейтрали. При этом для современных трансформаторов

.

Так как витки и катушки обмотки соединены между собой и образуют токопроводящую цепь, первоначально возникшее распределение напряжения не может сохраниться. Возникает периодический переходный процесс, который закончится установившимся (принужденным) распределением напряжения вдоль обмотки. Принимая для схемы рис. 4.1, получим:

при заземленной нейтрали

;

при изолированной нейтрали

.

Напряжение в некоторой точке х в произвольный момент переходного процесса может быть представлено в виде

где - частота к-ой пространственной гармоники,

- функция распределения по x затухающих амплитуд собственных колебаний частоты .

Частота составляющих определяется параметрами эквивалентной схемы (рис.4.1),

,

а амплитуды зависят от рассматриваемой точки и краевых условий. Например, при глухом заземлении нейтрали , и распределены по длине обмотки, как показано на рис. 4.2,а – кривые 1, 2, 3. С ростом номера гармоники амплитуды быстро уменьшаются, поэтому для грубой оценки переходного процесса достаточно учитывать лишь три первые составляющие. Характерные кривые перенапряжения в обмотке в различные моменты времени представлены на рис.4.2. Кривая, проведенная через максимальные значения напряжения, возникающие в обмотке в различные моменты времени, называется огибающей максимальных потенциалов.

Рис. 4.2. Кривые распределения напряжения по обмотке трансформатора:

а – нейтраль заземлена; б – нейтраль изолирована;

--- огибающая максимальных потенциалов; - × - свободная (колебательная) составляющая напряжения; 1,2,3,5 – гармонические составляющие колебаний; - распределение напряжения по обмотке в различные моменты времени

Для приближенной оценки максимально возможных потенциалов в каждой точке обмотки можно считать, что гармонические колебания не затухают и период колебания Т всех гармоник одинаков. Тогда

Как видно из рис. 4.2 максимальные напряжения при изолированной нейтрали наблюдаются на конце обмотки и могут достичь величин (1,7-1,9) . Для трансформаторов с заземленной нейтралью максимальное напряжение до (1,2-1,3) наблюдается вблизи начала обмотки .

Максимальные напряженности в продольной изоляции наблюдаются в начале обмотки в первый момент после падения волны. Величина максимального градиента мажет быть оценена по соотношению

; ,

где - продольная напряженность при равномерном распределении напряжения вдоль обмотки.

В последующие моменты времени максимальные напряжения на продольной изоляции распространяются вглубь обмотки, при этом уменьшается их амплитуда.

Для снижения перенапряжений, возникающих на главной и продольной изоляции, в некоторых трансформаторах устанавливаются емкостные экраны в виде разомкнутых колец, соединенных с началом обмотки. В этом случае поперечные токи, оттекающие от обмотки через емкости , компенсируются токами, подтекающими через емкости , и первоначальное распределение напряжения вдоль обмотки выравнивается. Полное устранение колебательного процесса в обмотке трансформатора с заземленной нейтралью при наступает при условии

где i – номер катушки, считая от начала обмотки; m – число катушек в обмотке (рис.4.1).

В настоящей работе с помощью анализатора переходных процессов исследуются перенапряжения в обмотке трансформатора ТМ 10/380 320 кВА. Используется изолированная обмотка ВН одной фазы. Обмотка низкого напряжения этой фазы разомкнута.