Волновые процессы в обмотках трансформаторов

Волны грозового (и коммутационного) характера, набегающие по линии электропередачи на подстанцию, приводят к возникновению импульсных напряжений, воздействующих на обмотку трансформатора (двигателя, генератора и др.). Характер пробоев изоляции обмоток ука­зывает на важную роль волновых процессов.

В трансформаторе под действием импульса напряжения воз­никает сложный электромагнитный процесс, приводящий к перенапря­жениям между катушками (витками) — продольная изоляция, и между обмотками и заземленными частями — главная изоляция.

Суммарная длина проводов в обмотках трансформаторов вы­сокого напряжения достигает нескольких километров (длинная линия). При воздействии импульсного напряжения в обмотке возникают вол­новые процессы, имеющие некоторую аналогию с процессами в линиях электропередачи. Однако схема замещения обмотки трансформатора, даже без учета активного сопротивления и проводимости, значительно сложнее схемы замещения линии (рис. 4.13).

Из-за того, что провод обмотки навивается вокруг магнито-провода, появляются два дополнительных параметра схемы замещения: емкость между соседними витками или катушками К (продольная ем­кость) и взаимная индуктивность М(х) каждого витка со всеми осталь­ными витками обмотки. Величины L, C, K - средние значения индук­тивности, емкости относительно заземленных элементов и соседних об­моток и продольной емкости на единицу длины обмотки.

В связи с этим ограничимся качественным рассмотрением процессов в трансформаторах. Электромагнитный переходный процесс в трансформаторе зависит от ряда факторов:

— схемы соединения обмоток;

— режима нейтрали (заземлена или изолирована);

— конструкции обмоток;

— падения волны по одной, двум, трем фазам ЛЭП.

Вначале рассмотрим основные закономерности переходного процесса для однофазного трансформатора с катушечной обмоткой. На обмотку ВН воздействует прямоугольная бесконечно длинная волна на­пряжения. Весь процесс воздействия волны можно представить состоя­щим из трех стадий:

а) начальный процесс (действует фронт волны) t = 0,

б) установившийся режим (переходные процессы закончи-
лись) t = 00,

в) переходный процесс (свободные колебания) 0< t <°о.

Рис. 4.13. Конструктивная схема однофазной катушечной обмот­ки (а) и электрическая схема замещения (б) высоковольтного трансформа­тора: Zн — сопротивление нейтрали трансформатора

4.6.1. Начальное распределение напряжения вдоль обмотки транс­форматоров

В начальный момент (t = 0), когда воздействует фронт волны напряжения (крутизна фронта большая, что эквивалентно высокой час­тоте), индуктивность обмотки не попускает ток. Следовательно, ток бу­дет протекать только по емкостям С и К и схема замещения примет вид (рис.4.14, а).

Для этой начальной стадии распределение напряжения вдоль обмотки трансформатора запишется в виде

где l - длина обмотки.

Из формулы видна большая роль параметра

где С₀бм — емкость обмотки между началом и концом; L_обм — индук­тивность обмотки между началом и концом.

Рис. 4.14. Начальное распределение напряжения по обмотке трансформатора: а) — электрическая схема замещения для начального про­цесса (t=0); б) — распределение напряжения вдоль обмотки для t=0

Для современных трансформаторов 5< l < 10. Ha значитель­ной части обмотки распределение напряжения будет одинаково как для режима заземленной нейтрали Zн = 0, так и с изолированной нейтра­лью Zн= (рис. 4.14, б).

В режиме с заземленной нейтралью конец обмотки будет иметь потенциал, равный 0. В режиме с изолированной нейтралью ко­нец обмотки будет иметь емкость C_dx относительно земли (см. схему за­мещения), на которой будет падение напряжения U. В начальном ре­жиме основное падение напряжения прикладывается к началу обмотки из-за крайне неравномерного распределения напряжения. В связи с этим изоляция первых витков или катушек делается усиленной.