2. Трансформаторы

где kp – коэффициент Роговского, равный для большинства силовых трансформаторов 0,98; Dср – средний диаметр обмотки; l – осевой размер обмотки; iуд – ударный ток короткого замыкания; w2 – число витков обмотки ВН.

F

F

F

i

i

i

F2

F

F

2d

2q

F

F

F2

1q

F1

2q

F1

F

F

1q

1d

F

F

1

2q

F

F2d

1q

F

F

F

2

i

i

F

i

а

б

в

Рис. 2.66. Осевые, радиальные и внутренние силы: а – при одинаковой высоте обмоток; б – при двустороннем укорочении обмоток; в – поперечное сечение обмоток

Осевые силы существенно меньше радиальных и часто не учитываются при расчетах. Для уменьшения этих сил первичные и вторичные обмотки располагают на магнитопроводе с предельно возможной симметричностью (рис. 2.66, б).

2.17. Перенапряжения в трансформаторах

Под перенапряжением в трансформаторе понимают кратковременные процессы, имеющие характер отдельных коротких импульсов, носящих периодический или апериодический характер.

Причинами перенапряжений бывают:

•явления атмосферного характера, возникающие вследствие прямых ударов молнии в линию передачи;

•коммутационные процессы – включение, выключение, быстрые изменения нагрузок, сопровождающиеся резким изменением электромагнитной системы трансформатора.

143

2. Трансформаторы

Исследования показали, что коммутационные перенапряжения могут превышать номинальное фазное напряжение в 2–5 раз, атмосферные перенапряжения достигают 7–12 номинальных напряжений и являются опасными для целостности трансформатора.

Достигающие зажимов трансформаторов перенапряжения могут быть ограничены устройствами защиты, находящимися вне трансформатора. Гораздо опаснее перенапряжения, возникающие внутри трансформатора при распределении электромагнитной волны вдоль обмотки, при этом напряжения между отдельными витками обмотки могут значительно превысить напряжения установившегося режима.

Чаще всего повреждаются витки, ближайшие к выводам трансформатора. Пробой изоляции влечет за собой выход трансформатора из строя и нарушение нормальных условий эксплуатации данной установки.

Процессы, происходящие в трансформаторе при перенапряжениях, являются случайными и в полном объеме не поддаются математическому анализу. Тем не менее, даже при упрощенном подходе к анализу процессов полученные результаты дали возможность сделать ряд практических выводов, позволивших создать так называемый грозоупорный трансформатор.

Рассмотрим простейший случай, когда волна перенапряжения с крутым фронтом (весьма высокой частоты, достигающей сотни килогерц) распространяется по линии в обе стороны от места разряда грозового облака и набегает на вывод трансформатора. Вследствие весьма большой скорости (частоты) изменения напряжения (от U = 0 до U = Umax напряжение нарастает за несколько микросекунд) индуктивное сопротивление xL обмоток трансформатора оказывается для разрядного тока чрезвычайно большим, тогда как ёмкостное сопротивление, наоборот, уменьшается.

								A		Разрядный ток устремляется в землю
										через неизбежные ёмкостные связи транс-
										форматора (рис. 2.67): вдоль обмотки по
										цепочке продольных (межвитковых) ёмко-
										стей Cd и поперечных (между витками об-
									Cd	мотки и стенкой бака) ёмкостей Cq. Если
Cq										допустить, что поперечные ёмкости отсут-
										ствуют, то разрядный ток устремится в
										землю по цепочке продольных ёмкостей, а
										напряжение набежавшей волны распреде-
										лится вдоль обмотки равномерно (рис.
								X		2.68, а), если допустить отсутствие про-
										дольных ёмкостей, то единственным пу-
Рис. 2.67. Ёмкостные связи
										тем разрядного тока на землю будут ёмко-
в трансформаторе										сти Cq, ближайшие к началу обмотки. При
										этом все падение напряжения (напряжение

144

2. Трансформаторы

волны) придется на первые витки. Распределение напряжения вдоль обмотки изобразится вертикальной прямой (рис. 2.68, б).

Фактически существуют те и другие ёмкости, и в неустановившемся периоде распределение напряжения вдоль обмотки происходит по кривой

(рис. 2.68, в).

U U U

L L L

А	Х А	Х	А	Х
а	б			в

Рис. 2.68. Начальное распределение напряжения в трансформаторе

Наибольшее напряжение волны приходится именно на первые витки обмотки. Вследствие резонансных колебаний (в неустановившемся режиме) возможно, что наибольшее напряжение придется на витки, несколько удаленные от начала обмотки.

Для увеличения грозоупорности трансформатора усиливают изоляцию крайних (с обеих сторон обмотки) витков (в трансформаторах класса напряжений до 20 кВ) или искусственно перераспределяют ёмкости обмотки (рис. 2.69). Для уменьшения падения напряжения на участке первых витков надо уменьшить сопротивление этого участка, увеличив его ёмкость ( xc =1ωC ). Также следует подобрать и ёмкостные сопротивления

остальных групп витков (рис. 2.69). В искусственно созданной таким образом схеме разрядный ток потечет по поперечным и продольным ёмкостям, значительно приблизив кривую начального распределения напряжения (кривая 1 на рис. 2.70) к установившемуся (кривая 2 на рис. 2.70).

В качестве дополнительной ёмкости в продольной цепи используют защитные кольца 1, незамкнутые экраны 2 (рис. 2.71), прибандажированные к катушкам 3. Разное удаление экранов от катушек обеспечивает нужные величины емкостей.

145

2. Трансформаторы

Сd А
		U
		2
		1
Сq		L
Х	А	Х
Рис. 2.69. Схема замещения		Рис. 2.70. Распределение
грозоупорного трансформатора		напряжения в грозоупорном
		трансформаторе

1

3

2

Рис. 2.71. Установка защитных экранов в грозоупорном трансформаторе

Защитные кольца и экраны предупреждают колебательные процессы

в трансформаторах при действиях волн перенапряжения. Трансформаторы

сискусственным перераспределением ёмкостей называют грозоупорными или нерезонирующими. Выполняют такие трансформаторы для напряжений 35 кВ и выше.

Таким образом, переходные процессы в трансформаторах являются наиболее тяжелыми режимами работы. Существующие способы защиты электрооборудования большой мощности в состоянии отключить трансформатор за время не менее 0,05–0,1 с. В то же время ток короткого замыкания в трансформаторе достигает максимального (ударного) значения за 0,01 с. Еще меньше время нарастания перенапряжения в трансформаторе при грозовом разряде. Следовательно, трансформатор следует рассчитать таким образом, чтобы он был в состоянии выдержать тяжелые пере-

146

2. Трансформаторы

ходные процессы без отрицательных последствий. Необходимо установить защитную аппаратуру, способную за короткое время отключить трансформатор от сети, с целью уменьшения времени протекания токов установившегося короткого замыкания и воздействия на изоляцию обмоток перенапряжений. Грамотно выбранная величина максимальной токовой отсечки автоматического выключателя исключит ложное срабатывание защиты при повышенных токах включения трансформатора в сеть.

Вопросы и задания для самоконтроля

1.Напишите все известные Вам выражения для ЭДС, индуктирующейся в обмотках трансформатора.

2.Могут ли иметь различные формы кривые ЭДС и потока в трансформаторе? Ответ поясните.

3.Как скажется на работе трансформатора исключение из намагничивающего тока третьей гармонической?

4.Напишите уравнения напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора и объясните физическую сущность входящих в уравнения величин.

5.Объясните, на каком основании пренебрегают намагничивающим током при построении диаграммы короткого замыкания трансформатора.

6.Каковы причины изменения напряжения у потребителей электроэнергии, получающих ее через трансформаторы?

7.В чем заключается смысл применения схемы замещения?

8.Какие параметры схемы замещения больше по своей величине:

индуктивные сопротивления рассеяния х1, х2 или индуктивное сопротивление намагничивающего контура х0?

9.Что показывает группа трансформатора? При решении каких вопросов работы трансформаторов необходимо знание группы?

10.Какие из условий параллельной работы трансформаторов допускают отклонения, а какие – нет?

11.Как сильно нарушается симметрия напряжений при однофазной нагрузке группового трансформатора и схеме соединения У/У0?

12.При включении трансформатора в сеть возникает кратковременный ток, в несколько раз превышающий номинальный. Объясните это.

13.Объясните, одинаковые или различные воздействия на трансформатор оказывает ударный и установившийся токи внезапного короткого замыкания. Какой из них и в каком отношении опаснее?

14.Какие ограничения накладывает схема открытого треугольника на допустимую нагрузку?

147