Импульсные процессы в обмотках трансформаторов

Процесс падения волны перенапряжения с линии на обмотку трансформатора выглядит значительно сложнее, чем это описано в предыдущем разделе, поскольку катушка трансформатора не может быть представлена индуктивным элементом на схеме замещения. Наблюдаемые в эксплуатации повреждения изоляции (в частности, повреждения витковой изоляции вблизи линейного ввода) могут быть объяснены на основе анализа процессов в обмотках трансформаторов как в длинных линиях в соответствии со схемой замещения рис. 6.4.

Рисунок 6.4 - Схема замещения обмотки трансформатора

В этой схеме K₀ - емкость между соседними витками на единицу длины, Ф*м, C₀ - емкость между витками и сердечником на единицу длины, Ф/м. Волновое сопротивление такой линии в несколько раз больше, чем для воздушной линии, поэтому выводы предыдущего раздела об удвоении падающей волны на обмотке трансформатора остаются верными. Рассмотрение волнового процесса будет проведено для простейшего случая прямоугольной волны напряжения с амплитудой U₀=2u _п.

В начальный момент времени (но после удвоения напряжения падающей волны на входе обмотки, которое происходит очень быстро, за время порядка 0.1 мкс) можно рассмотреть упрощенную схему замещения рис. 6.5, в которой на месте индуктивных элементов в соответствии с законами коммутации имеются разрывы, а все распределение напряжения определяется емкостными элементами.

Рисунок 6.5 - Схема замещения для начального момента времени

Схема замещения рис. 6.5 для случаев изолированной нейтрали или заземленной нейтрали различается только небольшим емкостным элементом в конце цепочечной схемы, который закорочен в случае заземленной нейтрали, или на котором есть напряжение при изолированной нейтрали. Ввиду малой длины этого элемента dx его влияние на распределение напряжения в оставшейся части схемы ничтожно, поэтому распределение напряжения по обмотке для разных случаев состояния нейтрали различается только наличием небольшого напряжения на изолированной нейтрали.

Распределение напряжения на цепочечной схеме рис. 14.5 нелинейно, поскольку при переходе от начала схемы к концу растет величина входной емкости оставшейся части схемы и уменьшается коэффициент деления емкостного делителя в текущей точке. Анализ переходного процесса включения схемы рис. 6.5 под постоянное напряжение U₀ приводит к следующим выражениям для напряжения по отношению к корпусу (баку), то есть для напряжения на главной изоляции трансформатора:

для заземленной нейтрали,

для изолированной нейтрали, .

Если то распределение равномерное, чем больше , тем неравномернее распределение. Напряжение на витковой изоляции определяется производной , и максимум этого производной расположен у начала обмотки:

для заземленной нейтрали,

для изолированной нейтрали.

Окончание переходного процесса включения цепочки рис. 6.4 под постоянное напряжение определяется резистивными элементами, индуктивные элементы при этом представляют собой просто закоротки. При заземленной нейтрали это приводит к линейному снижению напряжения при переходе к концу обмотки; при изолированной нейтрали напряжение на всей обмотке одно и то же (рис. 6.6).

Рисунок 6..6 - Распределение напряжения на главной изоляции при заземленной нейтрали (а) и на изолированной нейтрали (б)

Аккуратный анализ процесса для промежуточных моментов времени показывает, что происходят колебания напряжения на главной изоляции обмотки, причем максимум напряжения может достигать примерно 2U₀, и этот максимум лежит недалеко от ввода для заземленной нейтрали или на конце обмотки при изолированной нейтрали. Максимум напряжения на витковой изоляции по-прежнему сохраняется на первых витках вблизи линейного ввода трансформатора. Перенапряжения на витковой и главной изоляции заметно снижаются при снижении крутизны фронта импульса перенапряжения.

Усиление изоляции первых витков путем увеличения толщины витковой изоляции приводит к снижению продольной емкости K₀ с увеличением напряжения на этих витках. С целью усиления витковой изоляции применяют емкостное выравнивание потенциалов между витками начала обмотки с помощью экранов - проводящих незамкнутых колец, соединенных с первым витком, что увеличивает емкость K₀ для первых витков и снижает витковое напряжение.