4.6. Хвильові процеси в обмотках трансформаторів

Хвилі грозового (і комутаційного) характеру, що набігають по лінії електропередачі на підстанцію, приводять до виникнення імпульсних напруг, що впливають на обмотку трансформатора (двигуна, генератора й ін.). Характер пробоїв ізоляції обмоток указує на важливу роль хвильових процесів.

У трансформаторі під дією імпульсу напруги виникає складний електромагнітний процес, що приводить до перенапруг між котушками (витками) - поздовжня ізоляція, і між обмотками й заземленими частинами - головна ізоляція.

Сумарна довжина проводів в обмотках трансформаторів високої напруги досягає декількох кілометрів (довга лінія).

При впливі імпульсної напруги в обмотці виникають хвильові процеси, що мають деяку аналогію із процесами в лініях електропередачі. Однак схема заміщення обмотки трансформатора, навіть без врахування активного опору й провідності, значно складніше схеми заміщення лінії (мал. 4.13).

Через те, що провід обмотки навивається навколо магнітопроводу, з'являються два додаткових параметри схеми заміщення: ємність між сусідніми витками або котушками К (поздовжня ємність) і взаємна індуктивність М(х) кожного витка з усіма іншими витками обмотки. Величини L, C, K – середні значення індуктивності, ємності щодо заземлених елементів і сусідніх обмоток і поздовжньої ємності на одиницю довжини обмотки.

У зв'язку із цим обмежимося якісним розглядом процесів у трансформаторах. Електромагнітний перехідний процес у трансформаторі залежить від ряду факторів:

- схеми з’єднання обмоток;

- режиму нейтралі (заземлена або ізольована);

- конструкції обмоток;

- падіння хвилі по однієї, двох, трьох фазах ЛЕП.

Рис. 4.13. Конструктивна схема однофазної котушкової обмотки (а) і електрична схема заміщення (б) високовольтного трансформатора: Zн — опір нейтралі трансформатора

Спочатку розглянемо основні закономірності перехідного процесу для однофазного трансформатора з котушковою обмоткою. На обмотку ВН впливає прямокутна нескінченно довга хвиля напруги. Весь процес впливу хвилі можна представити складається із трьох стадій:

а) початковий процес (діє фронт хвилі) t = 0,

б) сталий режим (перехідні процеси закінчилися) t = ∞,

в) перехідний процес (вільні коливання) 0< t <∞.

4.6.1. Початковий розподіл напруги уздовж обмотки трансформаторів

У початковий момент (t = 0), коли впливає фронт хвилі напруги (крутість фронту велика, що еквівалентно високій частоті), індуктивність обмотки не пропускає струм. Отже, струм буде протікати тільки по ємностях С и К і схема заміщення прийме вид (мал. 4.14, а).

Для цієї початкової стадії розподіл напруги уздовж обмотки трансформатора запишеться у вигляді

де l – довжина обмотки.

Рис. 4.14. Початковий розподіл напруги по обмотці трансформатора: а) — електрична схема заміщення для початкового процесу (t=0); б) — розподіл напруги уздовж обмотки для t=0

З формули видна велика роль параметра

де С_обм — ємність обмотки між початком і кінцем; L_обм — індуктивність обмотки між початком і кінцем.

Для сучасних трансформаторів 5<αl≤ 10. На значній частині обмотки розподіл напруги буде однаковий як для режиму заземленої нейтралі Z_H = 0 , так і з ізольованої нейтраллю Z_H = ∞ (мал. 4.14, б).

У режимі із заземленою нейтраллю кінець обмотки буде мати потенціал, рівний 0. У режимі з ізольованою нейтраллю кінець обмотки буде мати ємність С_dx щодо землі (див. схему заміщення), на якій буде спадання напруги ΔU. У початковому режимі основне спадання напруги прикладається до початку обмотки через нерівномірний розподіл напруги. У зв'язку із цим ізоляція перших витків або котушок робиться посиленою.