Prenapetost v navitjih transformatorja

Izbira velikosti in konstrukcije izolacije transformatorja je nemogoča brez določitve napetosti, ki delujejo na različnih delih izolacije transformatorja med delovanjem in preskušanjem, namenjenim zagotavljanju zanesljivega delovanja transformatorja.

V tem primeru so pogosto odločilne napetosti, ki delujejo na izolacijo transformatorja, ko na njegov vhod udarijo prenapetostni valovi strele. Te napetosti, imenovane tudi impulzne napetosti, v skoraj vseh primerih določajo izbiro vzdolžne izolacije navitja in v mnogih primerih glavne izolacije navitja, izolacije stikalne naprave itd.

Uporaba računalniških tehnologij pri določanju prenapetosti omogoča prehod s kvalitativnega upoštevanja impulznih procesov v navitjih na neposredne izračune prenapetosti in uvedbo njihovih rezultatov v prakso projektiranja.

Za izračun prenapetosti so navitja transformatorja predstavljena z enakovrednim vezjem, ki reproducira induktivne in kapacitivne povezave med elementi navitja (slika 1).Vsa enakovredna vezja upoštevajo kapacitivnost med obrati in med navitji.

Slika 1. Enakovredno vezje transformatorja: UOV — vpadni val v visokonapetostnem navitju, UOH — vpadni val v nizkonapetostnem navitju, SV in CH — kapacitivnosti med zavoji visoko in nizkonapetostnega navitja, SVN — kapacitivnost med navitja z visoko in nizko napetostjo.

Valovni procesi v transformatorjih

Transformator bomo obravnavali kot induktivni element, pri čemer bomo upoštevali medobratno kapacitivnost, kapacitivnosti med zaslonom in induktivnostjo ter med induktivnostjo in maso (slika 2a).

Za izračun prenapetosti se uporabljajo naslednje formule:

kjer je: t čas po prihodu vala do transformatorja, T časovna konstanta prenapetosti, ZEKV upor ekvivalentnega vezja, Z2 upor linije, Uo prenapetost v začetnem času

Slika 2. Širjenje napetostnega vala vzdolž navitja transformatorja z ozemljeno nevtralnostjo: a) shematski diagram, b) odvisnost napetostnega vala od dolžine navitja za enofazni transformator z ozemljeno sponko: Uo — val padca napetosti, ∆Ce — kapacitivnost med tuljavo in zaslonom, ∆Ck — inherentna kapacitivnost med ovoji, ∆С3 — kapacitivnost med tuljavo in maso, ∆Lк — induktivnost plasti tuljave.

Ker sta v ekvivalentnem vezju induktivnost in kapacitivnost, pride do nihanja LC vezja (nihanja napetosti so prikazana na sliki 2b).

Amplituda nihanj je 1,3 - 1,4 amplitude vpadnega vala, tj.Uпep = (1,3-1,4) Uo, največja vrednost prenapetosti pa se bo pojavila na koncu prve tretjine navitja, zato ima v konstrukciji transformatorja 1/3 navitja ojačano izolacijo v primerjavi z ostalim .

Da bi se izognili prenapetosti, je treba kompenzirati polnilni tok kondenzatorjev glede na zemljo. V ta namen je v vezje nameščen dodaten zaslon (ščit). Pri uporabi zaslona bodo kapacitivnosti navitij do zaslona enake kapacitivnosti ovojev do zemlje, tj. ∆CE = ∆C3.

Zaščita se izvaja v transformatorjih napetostnega razreda UH = 110 kV in več. Ščit je običajno nameščen v bližini ohišja transformatorja.

Enofazni transformatorji z izolirano nevtralnostjo

Prisotnost izoliranega nevtralnega elementa pomeni, da obstaja kapacitivnost Co med zemljo in navitjem, kar pomeni, da je kapacitivnost dodana ekvivalentnemu vezju transformatorja ozemljitvene sponke, vendar je zaslon odstranjen (slika 3a).

Slika 3. Širjenje napetostnega vala po navitju transformatorja z izoliranim nevtralnim: a) shema ekvivalentnega transformatorja, b) odvisnost napetosti vpadnega vala od dolžine navitja.

S tem ekvivalentnim vezjem se oblikuje tudi nihajni krog. Vendar pa zaradi kapacitivnosti Co obstaja nihajoče LC vezje z zaporedno vezavo induktivnosti in kapacitivnosti. V tem primeru se s pomembno kapacitivnostjo Co najvišja napetost pojavi na koncu navitja (prenapetost lahko doseže vrednosti do 2Uo). Narava spremembe napetosti na tuljavi je prikazana na sliki 3b.

Da bi zmanjšali amplitudo prenapetostnih nihanj v navitju transformatorja z izoliranim nevtralnim, je treba zmanjšati kapacitivnost izhoda C glede na tla ali povečati lastno kapacitivnost tuljav. Običajno se uporablja zadnja metoda. Za povečanje lastne kapacitivnosti ∆Ck med tuljavami visokonapetostnega navitja so v vezje vključene posebne kondenzatorske plošče (obročki).

Valovni procesi v trifaznih transformatorjih

V trifaznih transformatorjih na naravo procesa širjenja vpadnega valovanja vzdolž navitja in velikost prenapetosti vpliva:

a) shema povezave tuljave,

b) število faz, do katerih pride udarni val.

Trifazni transformator z visokonapetostnim navitjem, zvezdasto povezan s trdno ozemljeno nevtralnostjo

Naj vpadni udarni val pride v eno fazo transformatorja (slika 4).

Procesi širjenja prenapetostnih valov vzdolž navitij bodo v tem primeru podobni procesom v enofaznem transformatorju z ozemljeno nevtralnostjo (v vsaki od faz bo najvišja napetost v 1/3 navitja), medtem ko niso odvisni od tega, koliko faz doseže udarni val. te. vrednost prenapetosti v tem delu tuljave je enaka Upep = (1,3-1,4) Uo

Slika 4. Ekvivalentno vezje trifaznega transformatorja z visokonapetostnim navitjem, povezanim v zvezdo z nevtralnim ozemljenim omrežjem. Prenapetostni val pride v eni fazi.

Trifazni visokonapetostni transformator, vezan v zvezdo, z izoliranim nevtralnim

Naj prenapetostni val pride v eni fazi.Enakovredno vezje transformatorja, kot tudi širjenje vpadnega valovanja v navitju transformatorja, je prikazano na sliki 5.

Slika 5. Ekvivalentno vezje trifaznega transformatorja z zvezdasto vezanim visokonapetostnim navitjem (a) in odvisnostjo U = f (x) za primer, ko val prihaja v eni fazi (b).

V tem primeru se pojavita dve ločeni coni nihanja. V fazi A bo eno območje nihanja in pogoji, pod katerimi se pojavljajo, v fazah B in C pa bo druga nihajna zanka, tudi območje nihanja bo v obeh primerih različno. Največja prenapetost bo na navitju, ki sprejema vpadni udarni val. Na ničelni točki so možne prenapetosti do 2/3 Uo (v normalnem načinu v tem trenutku U = 0, zato so zanjo najbolj nevarne prenapetosti glede na delovno napetost Uobratovanje, saj je U0 >> Udelovanje).

Prenapetostni val naj gre skozi dve fazi A in B. Enakovredno vezje transformatorja in širjenje vpadnega vala v navitju transformatorja je prikazano na sliki 6.

Slika 6. Ekvivalentno vezje trifaznega transformatorja z zvezdasto vezanim visokonapetostnim navitjem (a) in odvisnostjo U = f (x) za primer, ko val prihaja v dveh fazah.

V navitjih faz, do katerih prihaja val, bo napetost (1,3 - 1,4) Uo. Nevtralna napetost je 4/3 Uo. Za zaščito pred prenapetostjo je v tem primeru na nevtralni transformator priključen odvodnik.

Naj udarni val pride v treh fazah Enakovredno vezje transformatorja kot tudi širjenje vpadnega vala v navitju transformatorja je prikazano na sliki 7.

Slika 7.Ekvivalentno vezje trifaznega transformatorja z zvezdasto vezanim visokonapetostnim navitjem (a) in odvisnostjo U = f (x) za primer, ko val prihaja v treh fazah.

Procesi širjenja prenapetostnega padca v vsaki od faz trifaznega transformatorja bodo podobni procesom v enofaznem transformatorju z izoliranim izhodom. Najvišja napetost v tem načinu bo v nevtralnem položaju in bo 2U0. Ta primer prenapetosti transformatorja je najhujši.

Trifazni visokonapetostni trikotno navit transformator

Pustimo, da prenapetostni val prehaja skozi eno fazo A trifaznega visokonapetostnega transformatorja, povezanega v trikotniku, ostali dve fazi (B in C) veljata za ozemljeni (slika 8).

Slika 8. Ekvivalentno vezje trifaznega transformatorja z visokonapetostnim navitjem, vezanim v trikot (a) in odvisnost U = f (x) za primer, ko val prihaja v eni fazi.

Navitji AC in BC bodo izpostavljeni prenapetosti (1,3 — 1,4) Uo. Te prenapetosti niso nevarne za delovanje transformatorja.

Naj pride prenapetostni val v dveh fazah (A in B), razlagalni grafi so prikazani na sliki 9. V tem načinu bo širjenje prenapetostnih valov v navitjih AB in BC podobno procesom v ustreznih navitjih a trifazni ozemljeni transformatorski terminal. te. v teh navitjih bo vrednost prenapetosti (1,3 — 1,4) Uo, v navitju AC pa bo dosegla vrednost (1,8 — 1,9) Uo.

Slika 9. Odvisnost U = f (x) za primer, ko prenapetostni val prehaja skozi dve fazi trifaznega transformatorja z visokonapetostnim navitjem, povezanim v trikot.

Prenapetostni valovi prehajajo skozi vse tri faze trifaznega transformatorja z visokonapetostnim navitjem, vezanim na trikot.

Navitja vseh faz v tem načinu bodo izpostavljena prenapetosti (1,8 - 1,9) Uo. Če prenapetostni val pride hkrati skozi dve ali tri žice, potem lahko na sredini navitja, do katerega valovi prihajajo z obeh strani, pride do napetostnih nihanj z amplitudo, ki je nevarna za delovanje transformatorja.

Prenapetostna zaščita transformatorja

Najnevarnejše prenapetosti glavne izolacije navitij se lahko pojavijo v primeru hkratnega prihoda valov skozi tri žice do transformatorja s povezavo trikotnika (na sredini navitja) ali zvezde z izoliranim nevtralnim (skoraj nevtralnim) . V tem primeru se amplitude nastalih prenapetosti približajo dvakratni napetosti izhoda ali štirikratni amplitudi vhodnega vala. Nevarne izolacijske prenapetosti od zavoja do zavoja lahko nastanejo v vseh primerih, ko na transformator prispe val s strmo fronto, ne glede na shemo vezave navitij transformatorja.

Tako je za vse transformatorje v primeru prenapetosti in njihove porazdelitve po navitjih treba za oceno njihove velikosti upoštevati kapacitivnosti v ekvivalentnih vezjih transformatorjev (in ne samo induktivnost). Natančnost dobljenih vrednosti prenapetosti je v veliki meri odvisna od natančnosti merjenja kapacitivnosti.

Da bi se izognili prenapetostim pri načrtovanju transformatorjev, je zagotovljeno:

• dodatni zaslon, ki porazdeli polnilni tok, zato se zmanjšajo prenapetosti.Poleg tega zaslon zmanjša jakost polja na določenih točkah navitja transformatorja,

• krepitev izolacije navitij v nekaterih njegovih delih (konstruktivna zamenjava navitij transformatorja),

• namestitev odvodnikov pred transformatorjem in za njim - proti zunanjim in notranjim prenapetostim, kot tudi odvodnik v nevtralnem transformatorju.