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.

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 ук 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 позволили сделать ряд практических выводов, позволивших создать так называемый грозоупорный трансформатор.

Рассмотрим простейший случай, когда волна перенапряжения с крутым фронтом распространяется по линии в обе стороны от места разряда грозового облака и набегает на вывод трансформатора. Вследствие весьма большой скорости (частоты) изменения напряжения (от  до  напряжение нарастает за несколько микросекунд), индуктивное сопротивление  обмоток трансформатора оказывается для разрядного тока чрезвычайно большим, тогда как емкостное сопротивление, наоборот, уменьшается. Разрядный ток устремляется в землю через неизбежные емкостные связи трансформатора: вдоль обмотки по цепочке продольных (межвитковых) емкостей  и поперечных (между витками обмотки и стенкой бака) емкостей  (рис. 7.9).

Если допустить, что поперечные емкости отсутствуют, то разрядный ток устремится в землю по цепочке продольных емкостей, а напряжение набежавшей волны распределится вдоль обмотки равномерно (рис. 7.10, а). если допустить отсутствие продольных емкостей, то единственным путем разрядного тока на землю будут емкости , ближайшие к началу обмотки. При этом все падение напряжения (напряжение волны) придется на первые витки. Распределение напряжения вдоль обмотки изобразится вертикальной прямой (рис. 7.10, б).

Фактически существуют те и другие емкости, и в неустановившемся периоде распределение напряжения вдоль обмотки происходит по кривой 1 (рис. 7.10, в).

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 емкости обмотки. Для уменьшения падения напряжения на участке первых витков надо уменьшить сопротивление этого участка, увеличив его емкость (). Так же следует подобрать и емкостные сопротивления остальных групп витков (рис. 7.11). В искусственно созданной таким образом схеме разрядный ток потечет по поперечным и продольным емкостям, значительно приблизив кривую начального распределения напряжения (кривая 1, рис. 7.12) к установившемуся (кривая 2, рис. 7.12).

В качестве дополнительной емкости в продольной цепи используют незамкнутые экраны 2 (рис. 7.13), прибандажированные к катушкам 3, с защитными кольцами 1. Разное удаление экранов от  катушек обеспечивает нужные величины емкостей.

Защитные кольца и экраны предупреждают колебательные процессы в трансформаторах при действиях волн перенапряжения. Трансформаторы с искусственным перераспределением емкостей называют грозоупорными, или нерезонирующими. Выполняют такие трансформаторы для напряжений 35 кВ и выше.