Prepätie vo vinutí transformátora

Dimenzovanie a výber konštrukcie izolácie transformátora nie je možné bez určenia namáhania pôsobiaceho na rôzne úseky izolácie transformátora počas prevádzky a testovania, ktoré má zabezpečiť spoľahlivú prevádzku transformátora.

V tomto prípade sú často rozhodujúce napätia pôsobiace na izoláciu transformátora pri údere bleskových vĺn na jeho vstup. Tieto napätia, nazývané aj impulzné napätia, takmer vo všetkých prípadoch určujú výber izolácie pozdĺžneho vinutia a v mnohých prípadoch izolácie hlavného vinutia, izolácie spínacieho zariadenia atď.

Využitie výpočtovej techniky pri určovaní prepätí umožňuje prejsť od kvalitatívneho zvažovania impulzných procesov vo vinutí k priamym výpočtom prepätí a zavádzaniu ich výsledkov do konštrukčnej praxe.

Na výpočet prepätia sú vinutia transformátora reprezentované ekvivalentným obvodom, ktorý reprodukuje indukčné a kapacitné spojenia medzi prvkami vinutia (obrázok 1).Všetky ekvivalentné obvody berú do úvahy kapacitu medzi závitmi a medzi vinutiami.

Obrázok 1. Ekvivalentný obvod transformátora: UOV — dopadajúca vlna vo vysokonapäťovom vinutí, UOH — dopadajúca vlna vo vinutí nízkeho napätia, SV a CH — kapacity medzi závitmi vinutia vysokého a nízkeho napätia, SVN — kapacita medzi vinutia s vysokým a nízkym napätím.

Vlnové procesy v transformátoroch

Transformátor sa bude považovať za indukčný prvok, berúc do úvahy medzizávitovú kapacitu, kapacity medzi obrazovkou a indukčnosťou a medzi indukčnosťou a zemou (obrázok 2a).

Na výpočet prepätia sa používajú nasledujúce vzorce:

kde: t je čas po príchode vlny do transformátora, T je časová konštanta prepätia, ZEKV je ekvivalentný odpor obvodu, Z2 je odpor vedenia, Uo je prepätie v počiatočnom čase

Obrázok 2. Šírenie napäťovej vlny po vinutí transformátora s uzemneným neutrálom: a) schematický diagram, b) závislosť napäťovej vlny od dĺžky vinutia pre jednofázový transformátor s uzemnenou svorkou: Uo — Obr. vlna poklesu napätia, ∆Ce — kapacita medzi cievkou a obrazovkou, ∆Ck — vlastná kapacita medzi závitmi, ∆С3 — kapacita medzi cievkou a zemou, ∆Lк — indukčnosť vrstiev cievky.

Pretože v ekvivalentnom obvode je indukčnosť aj kapacita, vzniká oscilačný LC obvod (kolísanie napätia je znázornené na obrázku 2b).

Amplitúda kmitov je 1,3 — 1,4 amplitúdy dopadajúcej vlny, t.j.Uпep = (1,3-1,4) Uo a najväčšia hodnota prepätia sa vyskytne na konci prvej tretiny vinutia, preto v konštrukcii transformátora má 1/3 vinutia zosilnenú izoláciu v porovnaní so zvyškom .

Aby sa predišlo prepätiu, nabíjací prúd kondenzátorov vzhľadom na zem musí byť kompenzovaný. Na tento účel je v okruhu inštalovaná prídavná obrazovka (štít). Pri použití tienenia sa kapacity vinutí k tieneniu budú rovnať kapacite závitov voči zemi, t.j. ∆CE = ∆C3.

Tienenie sa vykonáva v transformátoroch s napäťovou triedou UH = 110 kV a vyššou. Štít je zvyčajne inštalovaný v blízkosti skrine transformátora.

Jednofázové transformátory s izolovaným neutrálom

Prítomnosť izolovaného nulového vodiča znamená, že medzi zemou a vinutím je kapacita Co, tj kapacita sa pridáva do ekvivalentného obvodu transformátora uzemňovacej svorky, ale je odstránená clona (obrázok 3a).

Obrázok 3. Šírenie napäťovej vlny pozdĺž vinutia transformátora s izolovaným neutrálom: a) schematický diagram ekvivalentného transformátora, b) závislosť napätia dopadajúcej vlny od dĺžky vinutia.

S týmto ekvivalentným obvodom je tiež vytvorený oscilačný obvod. Avšak kvôli kapacite Co existuje oscilačný LC obvod so sériovým zapojením indukčnosti a kapacity. V tomto prípade sa pri výraznej kapacite Co objaví najvyššie napätie na konci vinutia (prepätie môže dosiahnuť hodnoty až 2Uo). Charakter zmeny napätia na cievke je znázornený na obrázku 3b.

Na zníženie amplitúdy kmitov prepätia vo vinutí transformátora s izolovaným neutrálom je potrebné znížiť kapacitu výstupu C voči zemi alebo zvýšiť vlastnú kapacitu cievok. Zvyčajne sa používa posledná uvedená metóda. Na zvýšenie vlastnej kapacity ∆Ck medzi cievkami vysokonapäťového vinutia sú v obvode zahrnuté špeciálne kondenzátorové dosky (krúžky).

Vlnové procesy v trojfázových transformátoroch

V trojfázových transformátoroch je charakter procesu šírenia dopadajúcej vlny pozdĺž vinutia a veľkosť prepätí ovplyvnená:

a) schéma zapojenia cievky,

b) počet fáz, do ktorých sa vlnová vlna dostane.

Trojfázový transformátor s vysokonapäťovým vinutím do hviezdy spojený s pevne uzemneným neutrálom

Nechajte dopadajúcu rázovú vlnu vstúpiť do jednej fázy transformátora (obrázok 4).

Procesy šírenia prepäťových vĺn pozdĺž vinutia v tomto prípade budú podobné procesom v jednofázovom transformátore s uzemneným neutrálom (v každej z fáz bude najvyššie napätie v 1/3 vinutia), pričom nezávisia od toho, koľko fáz dosiahne rázová vlna. Títo. hodnota prepätia v tejto časti cievky sa rovná Upep = (1,3-1,4) Uo

Obrázok 4. Ekvivalentný obvod trojfázového transformátora s vysokonapäťovým vinutím zapojeným do hviezdy s neutrálnou uzemnenou sieťou. Nárazová vlna prichádza v jednej fáze.

Trojfázový vysokonapäťový transformátor zapojený do hviezdy s izolovaným neutrálom

Nechajte nárazovú vlnu prísť v jednej fáze.Ekvivalentný obvod transformátora, ako aj šírenie dopadajúcej vlny vo vinutí transformátora je znázornené na obrázku 5.

Obrázok 5. Ekvivalentné zapojenie trojfázového transformátora s hviezdicovým vysokonapäťovým vinutím (a) a závislosťou U = f (x) pre prípad, keď vlna prichádza v jednej fáze (b).

V tomto prípade sa objavia dve samostatné oscilačné zóny. Vo fáze A bude jeden oscilačný rozsah a podmienky, za ktorých sa vyskytujú, a vo fázach B a C bude ďalšia oscilačná slučka, rozsah oscilácií bude tiež v oboch prípadoch odlišný. Najväčšie prepätie bude na vinutí prijímajúcom dopadajúcu rázovú vlnu. V nulovom bode sú možné prepätia do 2/3 Uo (v normálnom režime v tomto momente U = 0, preto sú pre neho najnebezpečnejšie prepätia vzhľadom na prevádzkové napätie Uprevádzka, keďže U0 >> Uprevádzka).

Nechajte rázovú vlnu prechádzať cez dve fázy A a B. Ekvivalentný obvod transformátora ako aj šírenie dopadajúcej vlny vo vinutí transformátora je znázornené na obrázku 6.

Obrázok 6. Ekvivalentné zapojenie trojfázového transformátora s hviezdicovým vysokonapäťovým vinutím (a) a závislosťou U = f (x) pre prípad, keď vlna prichádza v dvoch fázach.

Vo vinutiach fáz, do ktorých vlna prichádza, bude napätie (1,3 — 1,4) Uo. Neutrálne napätie je 4/3 Uo. Na ochranu pred prepätím v tomto prípade je k neutrálu transformátora pripojený zvodič.

Nárazová vlna nech prichádza v troch fázach Ekvivalentný obvod transformátora ako aj šírenie dopadajúcej vlny vo vinutí transformátora je na obrázku 7. Obr.

Obrázok 7.Ekvivalentné zapojenie trojfázového transformátora s hviezdicovým vysokonapäťovým vinutím (a) a závislosťou U = f (x) pre prípad, keď vlna prichádza v troch fázach.

Procesy šírenia poklesovej vlny prepätia v každej z fáz trojfázového transformátora budú podobné procesom v jednofázovom transformátore s izolovaným výstupom. Najvyššie napätie v tomto režime bude v neutrálnej polohe a bude 2U0. Tento prípad prepätia transformátora je najzávažnejší.

Trojfázový vysokonapäťový transformátor s trojuholníkovým vinutím

Nechajte rázovú vlnu prechádzať cez jednu fázu A trojfázového vysokonapäťového transformátora zapojeného do trojuholníka, ostatné dve fázy (B a C) sa považujú za uzemnené (obrázok 8).

Obrázok 8. Ekvivalentné zapojenie trojfázového transformátora s vysokonapäťovým vinutím zapojeným do trojuholníka (a) a závislosťou U = f (x) pre prípad, keď vlna prichádza v jednej fáze.

Vinutia AC a BC budú vystavené prepätiu (1,3 – 1,4) Uo. Tieto prepätia nie sú pre prevádzku transformátora nebezpečné.

Nechajte prepäťovú vlnu prísť v dvoch fázach (A a B), vysvetľujúce grafy sú na obrázku 9. V tomto režime bude šírenie prepäťových vĺn vo vinutiach AB a BC podobné procesom v zodpovedajúcich vinutiach a. trojfázový uzemnený terminál transformátora. Títo. v týchto vinutiach bude hodnota prepätia (1,3 — 1,4) Uo a v striedavom vinutí dosiahne hodnotu (1,8 — 1,9) Uo.

Obrázok 9. Závislosť U = f (x) pre prípad, keď prepäťová vlna prechádza dvomi fázami trojfázového transformátora s vysokonapäťovým vinutím zapojeným do trojuholníka.

Nechajte rázové vlny prechádzať cez všetky tri fázy trojfázového transformátora s vysokonapäťovým vinutím zapojeným do trojuholníka.

Vinutia všetkých fáz v tomto režime budú vystavené prepätiu (1,8 — 1,9) Uo. Ak nárazová vlna prichádza súčasne cez dva alebo tri vodiče, potom v strede vinutia, ku ktorému vlny prichádzajú z oboch strán, sa môžu vyskytnúť výkyvy napätia s amplitúdou, ktoré sú nebezpečné pre prevádzku transformátora.

Prepäťová ochrana transformátora

Najnebezpečnejšie prepätia hlavnej izolácie vinutí sa môžu vyskytnúť v prípade súčasného príchodu vĺn cez tri vodiče do transformátora s trojuholníkovým zapojením (v strede vinutia) alebo hviezdou s izolovaným neutrálom (takmer neutrálnym) . V tomto prípade sa amplitúdy výsledných prepätí blížia k dvojnásobku napätia na výstupe alebo k štvornásobku amplitúdy vstupnej vlny. Nebezpečné prepätia otočnej izolácie sa môžu vyskytnúť vo všetkých prípadoch, keď k transformátoru dorazí vlna so strmým čelom, bez ohľadu na schému zapojenia vinutí transformátora.

Pre všetky transformátory v prípade prepätí a ich distribúcie po vinutiach je teda pre odhad ich veľkosti potrebné brať do úvahy kapacity v náhradných obvodoch transformátorov (a nielen indukčnosť). Presnosť získaných hodnôt prepätia závisí vo veľkej miere od presnosti merania kapacity.

Aby sa predišlo prepätiu pri konštrukcii transformátorov, poskytuje sa:

• prídavná obrazovka, ktorá distribuuje nabíjací prúd, preto sa znížia prepätia.Obrazovka tiež znižuje intenzitu poľa v určitých bodoch na vinutí transformátora,

• posilnenie izolácie vinutia v určitých jeho častiach (konštruktívna výmena vinutí transformátora),

• inštalácia zvodičov pred transformátor a za ním — proti vonkajším a vnútorným prepätiam, ako aj zvodič v neutráli transformátora.