Лабораторная работа №6
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ОБМОТКАХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Цель работы
Исследование перенапряжений в высоковольтной обмотке трансформатора при воздействии на нее импульса напряжения с крутым фронтом, выявление возникающих при этом перенапряжений, опасных для главной и продольной изоляции, рассмотрение мер, ограничивающих эти перенапряжения.
Программа работы
На схеме замещения измерить начальное распределение напряжения
вдоль обмотки для следующих случаев: обмотка непрерывная, нейтраль изолирована; обмотка непрерывная, нейтраль заземлена; обмотка непрерывная с экраном, нейтраль заземлена; обмотка переплетенная, нейтраль заземлена. Рассчитать значения максимальных напряжений 
. Рассчитать значения емкости экрана 
. По п.1 построить зависимости 
. Измерить максимальное напряжение в высоковольтной обмотке модели трансформатора для следующих режимов: - нейтраль изолирована, вторичная (низковольтная) обмотка замкнута; нейтраль изолирована, вторичная обмотка разомкнута; нейтраль заземлена, вторичная – либо замкнута, либо разомкнута.
Измерить перенапряжения при соединении высоковольтной обмотки трансформатора по схеме Δ (треугольника). Измерить перенапряжения вдоль обмотки ВН и СН автотрансформатора с замкнутой и разомкнутой вторичной обмоткой при воздействии импульса на линейный ввод обмотки СН. По пп.6÷8 построить зависимости
. Пояснения к работе
В эксплуатации обмотки трансформатора подвергаются воздействию перенапряжений, причем наиболее опасны грозовые перенапряжения. При этом в обмотке возникает переходный процесс, сопровождающийся перенапряжениями на главной (относительно «земли») и продольной (между элементами обмотки) изоляции. Наиболее простой для анализа и наиболее тяжелый для изоляции случай соответствует воздействию на обмотку бесконечно длинного импульса с амплитудой U0 и прямоугольным фронтом.
Анализ возникающих при этом перенапряжений производится по схеме замещения (рис.1). При воздействии фронта импульса 
индуктивное сопротивление элементов обмотки 
велико, а емкостные 
- малы (L0, C0, K0 – соответственно индуктивности и емкости на единицу длины обмотки). Поэтому в начальный момент времени ток протекает только по емкостным элементам схемы.
|
а |
|
б |
Рис.1. Разрез (а) и схема замещения (б) обмотки трансформатора при исследовании перенапряжений:
1 – проводники обмотки; 2 – заземленные части трансформатора; 3…6 – электростатические экраны в начальной части обмотки; K – емкость между катушками обмотки; C – емкость катушки обмотки на землю; 
- емкости между экранирующими витками и обмоткой; ЕК – емкостное кольцо
Емкости K0 одинаковы, но через них протекают токи, уменьшающиеся по мере удаления от начала обмотки за счет токов, оттекающих по емкостям C0. Вследствие этого распределение напряжения при t = 0, получившее название начального распределения напряжения, будет неравномерным. Закон изменения начального распределения напряжения вдоль обмотки для заземленной нейтрали имеет вид
,
для изолированной нейтрали (ключ Р разомкнут)
,
где 
C – емкость всей обмотки относительно земли, 
; K – продольная емкость (полная) обмотки, 
; l – длина обмотки.
Так как у современных трансформаторов 
, то 
и начальное распределение напряжения для заземленной и изолированной нейтрали практически совпадает и может быть описано выражением
. (1)
При t = 0 значительная часть напряжения прикладывается к начальной части обмотки, создавая большие перенапряжения на продольной изоляции. Максимальный продольный градиент напряжения
, (2)
т. е. он в 
раз больше градиента при равномерном распределении 
.
Из-за того, что элементы обмотки соединены между собой и образуют токопроводящую цепь, первоначальное распределение напряжения не остается неизменным: при временах, отличных от нуля, происходит переток зарядов по индуктивностям обмотки, возникает установившееся распределение напряжения 
. Поскольку обмотка однородна, падение напряжения по виткам будет равномерным. В случае заземленной нейтрали 
равномерно спадает от U0 в начале обмотки до нуля в конце обмотки (на нейтрали)
. (3)
Для изолированной нейтрали в установившемся режиме все точки обмотки будут находиться под одинаковым потенциалом, равным, U0 (рис.2).
Несоответствие между начальным и установившимся режимами является причиной возникновения свободных колебаний в обмотке. Как известно, в колебательном контуре амплитуда свободных колебаний Uсв равна разности между установившимся и начальным значением напряжения на емкости. Колебания происходят вокруг установившегося значения напряжения, поэтому максимальное значение напряжения 
на изоляции в переходном режиме будет равно сумме этих двух составляющих (рис.2), т. е. в рассматриваемом случае
. (4)
Обмотка трансформатора представляет собой сложную колебательную систему, обладающую довольно широким спектром частот собственных колебаний, поэтому определение 
представляет собой более сложную задачу. Однако для ориентировочной оценки 
можно пользоваться этим упрощенным выражением. Полученные этим методом значения достаточно хорошо совпадают с непосредственными измерениями.
Амплитуда и частота собственных колебаний обмотки определяются ее индуктивностью и емкостью. Если емкость в процессе работы практически не изменяет свою величину, то индуктивность существенно зависит от режима работы трансформатора. Влияние режима можно рассмотреть на примере первой гармоники, амплитуда которой преобладает над другими.
Период колебаний первой гармоники 
, где С – емкость всей обмотки; L – полная индуктивность обмотки, зависящая от пути замыкания магнитного потока, создаваемого током той обмотки, на которую падает импульс перенапряжения. При заземленной нейтрали и закороченной вторичной обмотке потока Ψ в магнитопроводе нет, так как токи в двух половинах обмотки текут в разных направлениях и создают встречные магнитные потоки, поэтому индуктивность трансформатора равна индуктивности короткого замыкания Lкз. То же будет и при разомкнутой вторичной обмотке.
|
а |
|
б |
Рис.2. Потенциалы в обмотке трансформатора с заземленной (а) и изолированной (б) нейтралью для различных моментов времени:
1 – начальное распределение напряжения; 2 – установившееся распределение напряжения; 3 – огибающая максимальных потенциалов
При изолированной нейтрали поток, создаваемый током основной гармоники, пересекает витки вторичной обмотки. Если вторичная обмотка замкнута, то по ней протекает ток, вытесняющий магнитный поток основной гармоники, т. е. индуктивность трансформатора равна Lкз. При разомкнутой вторичной обмотке ток по ней не течет, магнитный поток проникает в сталь, что резко увеличивает индуктивность 
. Поэтому у трансформатора с изолированной нейтралью период колебаний T1 при разомкнутой вторичной обмотке больше, чем при замкнутой. Это означает, что при воздействии на трансформатор импульса конечной длины τ0 напряжения достигнут максимальных значений при условии 
; если 
, то колебания не успеют развиться и напряжения будут ниже максимальных. Следовательно, при разомкнутой вторичной обмотке длина импульса может оказаться недостаточной для развития полных колебаний. Однако на практике вторичная обмотка присоединена либо к нагрузке, либо к отходящим линиям, что равносильно обмотке, замкнутой накоротко.
До сих пор переходные процессы в обмотках рассматривались в однофазных схемах. Рассмотрим особенности переходных процессов в трехфазных трансформаторах. Общий метод расчета перенапряжений остается прежним: определяются 
и 
, по их разности оценивается 
и определяется 
.
Переходные процессы в однофазных схемах справедливы для трехфазных трансформаторов с заземленной нейтралью. Для трансформаторов с изолированной нейтралью (обмотки соединены в звезду) выводы, полученные для однофазного трансформатора, также справедливы, если волна перенапряжения набегает одновременно по всем трем фазам. Если импульс перенапряжения воздействует на одну или две фазы трансформатора, перенапряжения в главной изоляции будут существенно меньшими. Действительно, если импульс перенапряжения воздействует на одну фазу трансформатора (рис.3), то две другие фазы трансформатора, соединенные последовательно с волновыми сопротивлениями отходящих линий, сохраняют потенциал, близкий к нулю 
. Объединив параллельно соединенные фазы В и С трансформатора, переходим к однофазной схеме с заземленным концом. Начальное распределение напряжения описывается выражением (1), установившееся имеет перелом в точке О 
, в этом случае напряжение на нейтрали в переходном режиме 
. При приходе волны одновременно по двум фазам 
.
|
|
| |
а) | б) |
Рис.3. Падение волны на одну фазу обмотки трехфазного трансформатора (О – нейтраль изолирована):
а – исходная схема; б – распределение напряжения вдоль обмоток
Если обмотки трансформатора соединены в треугольник и импульс перенапряжения набегает по одному из проводов, то переходный процесс в обмотке аналогичен рассмотренному выше (нейтраль изолирована). При воздействии импульса перенапряжения на три фазы обмотки одновременно волны попадают на каждую фазу с двух концов. Это соответствует явлениям, которые возникают при воздействии импульсов перенапряжения на обмотку половинной длины с изолированной нейтралью. Максимальные значения перенапряжений относительно земли будут в середине обмотки каждой фазы (рис.4).
Анализируя все случаи возникновения перенапряжений в трехфазных трансформаторах, можно сделать вывод о том, что наибольшие перенапряжения на главной изоляции возникают в случае одновременного прихода перенапряжений по трем фазам к трансформатору с соединением обмоток в треугольник (в середине обмотки). При этом 
. Опасные перенапряжения на продольной изоляции в начальной части обмоток возникают во всех случаях прихода к трансформатору импульса перенапряжения с крутым фронтом независимо от схемы соединения обмоток.
|
|
а б
Рис.4. Падение волны по трем фазам на обмотку трехфазного трансформатора, соединенную в треугольник:
а – исходная схема; б – распределение напряжения вдоль обмотки АВ
Перенапряжения, возникающие на изоляции трансформаторов, связаны с величиной свободной составляющей, поэтому снизить перенапряжения можно путем снижения амплитуды свободной составляющей, т. е. приближением начального распределения напряжения к установившемуся. Выровнять кривую начального распределения напряжения можно компенсацией токов, протекающих по емкости C0, с помощью экранирующих витков (см. рис.1). Экранирующие витки создают дополнительную емкость Cэ. Ток, протекающий по емкости Cэ, компенсирует ток, стекающий по емкостям C0. При этом через емкости K0 в любой точке обмотки будет протекать ток одинаковой величины, вызывая на каждом элементе одинаковое падение напряжения. Для случая заземленной обмотки величина емкости Cэ может быть определена из выражения
. (5)
Приблизить кривую начального распределения к установившемуся значению напряжения можно путем увеличения продольных емкостей K0, применяя переплетенные обмотки.
Изоляция обмоток силовых трансформаторов проектируется с учетом воздействующих перенапряжений и мер их ограничения. Обмотка трансформатора защищается разрядником либо нелинейным ограничителем перенапряжений, поэтому изоляция линейного конца выбирается по характеристикам защитных аппаратов с учетом перенапряжений (см. рис.2). Для систем с глухозаземленной нейтралью в начале обмотки изоляция усиливается увеличением изоляционного расстояния по сравнению с расстояниями в средней части; изоляция конца обмотки относительно земли выполняется ослабленной по сравнению с линейным концом. Если для ограничения токов однофазного короткого замыкания часть нейтралей трансформаторов 110…220 кВ разземляется, необходима защита нейтрали разрядником, удовлетворяющим требованиям по уровню изоляции нейтрали и Uгаш разрядника.
В системах с 
изоляция нейтралей выполняется с тем же уровнем, что и изоляция линейного конца. Перенапряжения с большей кратностью при выборе изоляции линейного конца не учитываются, так как вероятность их появления (приход волны перенапряжения одновременно по трем фазам) мала. Не усиливается и изоляция в середине обмотки при соединении обмоток в треугольник (опыт эксплуатации не имеет сведений о неудовлетворительной работе таких трансформаторов).
В связи с тем, что максимальные градиенты при любых режимах работы приходятся на первые катушки обмотки, продольная изоляция в начале обмоток усиливается.
В автотрансформаторах соединены последовательно обмотки среднего напряжения СН (общая обмотка) и высшего напряжения ВН (последовательная обмотка) (рис.5). Обмотку низшего напряжения иногда называют третичной.
|
Рис.5. Схема автотрансформатора (а) и распределение напряжения по обмоткам автотрансформатора при перенапряжении U0 со стороны ввода СН (б)
1 –начальное распределение напряжения; 2 – установившееся напряжение
При воздействии импульса U0 на ввод ВН (точка А) и холостой обмотки СН колебания развиваются так же, как в случае обмотки с заземленным концом (см. рис.2).
При воздействии перенапряжения на ввод обмотки СН (точка Аm) начальное распределение напряжения Uнач в обе стороны от точки Аm имеют практически одинаковую форму. В установившемся режиме по обмотке СН (Аm – 0) течет линейно изменяющийся ток, который в силу магнитной связи обмоток наводит одинаковые ЭДС во всех витках обмотки ВН, то есть напряжение в обмотке ВН линейно нарастает в соответствии с количеством витков
, (6)
где 
, 
- число витков в обмотках ВН и СН, 
- коэффициент трансформации. Максимальное напряжение на вводе ВН (точка 1) может достигнуть значения 
. Ограничивают такие перенапряжения с помощью разрядников или ОПН, постоянно присоединенных к вводам обмоток ВН и СН.
Методические указания
Работа выполняется на схеме замещения и на модели двухобмоточного трансформатора. Схема замещения обмотки трансформатора собрана из конденсаторов К, моделирующих емкости между элементами обмотки, конденсаторов С, моделирующих емкость между элементом обмотки и землей 
, и конденсаторов, моделирующих 
. Напряжение на схему замещения подается от сети 220 В через разделительный трансформатор. Конец обмотки изолирован или заземлен при помощи перемычки. Начальное распределение напряжения определяется путем измерения потенциала в соответствующих точках схемы относительно земли с помощью вольтметра. Для выравнивания распределения напряжения все емкости экрана с помощью перемычек присоединяются к соответствующим точкам обмотки. Значения 
, 
, 
рассчитываются по формулам (3), (4), (5) в относительных единицах 
.
Исследование переходных процессов в высоковольтной обмотке трансформатора проводится с помощью схемы (рис.6), состоящей из генератора прямоугольных импульсов напряжения (ГИН), двухобмоточного однофазного трансформатора, цифрового осциллографа, временная развертка которого синхронизирована с ГИН.
Обмотка ВН исследуемого трансформатора разделена на 16 катушек, от которых сделаны выводы для подключения осциллографа. Отсчет длины обмотки производится от линейного ввода. Нейтраль обмотки ВН может быть изолирована или заземлена. Концы обмотки НН могут быть разомкнуты или замкнуты.
В случае автотрансформатора линейным выводом обмотки СН считается точка, соответствующая половине длине обмотки ВН трансформатора, именно в эту точку подается напряжение от генератора. Начало обмотки ВН трансформатора и автотрансформатора совпадают, т. е. участок обмотки 0 - 8 (рис.6) соответствует обмотке ВН автотрансформатора, а участок 8-14 принимается за обмотку СН.
|
Рис.6. Схема для исследования переходных процессов в обмотках трансформатора
Контрольные вопросы
Чем обусловлены перенапряжения в обмотках трансформатора? Как выглядят на графике зависимости
, 
и 
для обмотки с заземленной и изолированной нейтралями? Почему 
для трансформаторов с заземленной и изолированной нейтралями практически совпадает? Как влияет режим нейтрали на величину перенапряжений в продольной изоляции? Как можно уменьшить перенапряжения в обмотках трансформаторов? Каково условие для расчета величины емкости Сэ? Как проектируется изоляция силовых трансформаторов? Почему изучают перенапряжения в обмотках на примере однофазного трансформатора? Чему равны перенапряжения на изолированной нейтрали трехфазного трансформатора, если перенапряжение возникает на одной фазе, на двух фазах, на трех фазах? Чему равны перенапряжения на заземленной нейтрали трехфазного трансформатора в случае возникновения перенапряжений на одной фазе, на двух фазах, на трех фазах? Чему равны максимальные перенапряжения на вводе обмотки ВН автотрансформатора, если kтр = 2? Литература
Техника высоких напряжений/ Под ред. . – М.: Энергия, 1976.
