Överspänning i transformatorlindningarna

Dimensionering och designval av transformatorisolering är omöjligt utan att bestämma spänningarna som verkar på olika sektioner av transformatorisoleringen under drift och testning utformad för att säkerställa tillförlitlig drift av transformatorn.

I det här fallet är ofta de spänningar som verkar på transformatorns isolering när blixtvågor slår mot dess ingång avgörande. Dessa spänningar, även kallade impulsspänningar, bestämmer i nästan alla fall valet av längsgående lindningsisolering och i många fall huvudlindningsisolering, kopplingsanordningsisolering m.m.

Användningen av datorteknik vid bestämning av överspänningar gör det möjligt att gå från en kvalitativ övervägande av impulsprocesser i lindningar till direkta beräkningar av överspänningar och införandet av deras resultat i designpraxis.

För att beräkna överspänningen representeras transformatorns lindningar av en ekvivalent krets som återger induktiva och kapacitiva anslutningar mellan elementen i lindningen (Figur 1).Alla ekvivalenta kretsar tar hänsyn till kapacitansen mellan varven och mellan lindningarna.

Figur 1. Transformatorns ekvivalenta krets: UOV — infallande våg i högspänningslindningen, UOH — infallande våg i lågspänningslindningen, SV och CH — kapacitanser mellan varven på hög- respektive lågspänningslindningen, SVN — kapacitans mellan lindningar med hög och låg spänning.

Vågprocesser i transformatorer

Transformatorn kommer att betraktas som ett induktivt element, med hänsyn till interturn-kapacitansen, kapacitanserna mellan skärmen och induktansen och mellan induktansen och jord (Figur 2a).

Följande formler används för att beräkna överspänning:

där: t är tiden efter vågens ankomst till transformatorn, T är överspänningens tidskonstant, ZEKV är ekvivalent kretsresistans, Z2 är linjeresistansen, Uo är överspänningen vid den initiala tiden

Figur 2. Utbredning av en spänningsvåg längs lindningen av en transformator med jordad nol: a) schematiskt diagram, b) spänningsvågens beroende av lindningens längd för en enfastransformator med en jordad terminal: Uo — fallspänningsvåg, ∆Ce — kapacitans mellan spolen och skärmen, ∆Ck — inneboende kapacitans mellan varven, ∆С3 — kapacitans mellan spolen och jord, ∆Lк — induktans för spolskikten.

Eftersom det finns både induktans och kapacitans i den ekvivalenta kretsen uppstår en oscillerande LC-krets (spänningsfluktuationerna visas i figur 2b).

Svängningarnas amplitud är 1,3 — 1,4 av den infallande vågens amplitud, d.v.s.Uпep = (1,3-1,4) Uo, och det största värdet av överspänning kommer att inträffa i slutet av den första tredjedelen av lindningen, därför har 1/3 av lindningen förstärkt isolering i transformatorns konstruktion jämfört med resten .

För att undvika överspänning måste kondensatorernas laddningsström i förhållande till jord kompenseras. För detta ändamål är en extra skärm (skärm) installerad i kretsen. Vid användning av skärmen kommer kapacitanserna för lindningarna till skärmen att vara lika med kapacitansen för varven till jord, d.v.s. ∆CE = ∆C3.

Skärmning utförs i transformatorer med spänningsklass UH = 110 kV och högre. Skölden installeras vanligtvis nära transformatorhöljet.

Enfas transformatorer med isolerad noll

Närvaron av en isolerad nolla innebär att det finns en kapacitans Co mellan jord och lindning, dvs kapacitansen läggs till motsvarande krets för jordplinttransformatorn, men skärmen tas bort (Figur 3a).

Figur 3. Utbredning av en spänningsvåg längs lindningen av en transformator med en isolerad nolla: a) schematiskt diagram av en ekvivalent transformator, b) beroendet av den infallande vågspänningen på lindningens längd.

En oscillerande krets bildas också med denna ekvivalenta krets. Men på grund av kapacitansen Co finns det en oscillerande LC-krets med seriekoppling av induktans och kapacitans. I det här fallet, med en betydande kapacitans Co, kommer den högsta spänningen att visas i slutet av lindningen (överspänningen kan nå värden upp till 2Uo). Typen av spänningsändringen över spolen visas i figur 3b.

För att minska amplituden av överspänningssvängningar i lindningen av en transformator med en isolerad noll, är det nödvändigt att minska kapacitansen hos utgången C med avseende på jord eller att öka spolarnas självkapacitans. Den senare metoden används vanligtvis. För att öka självkapacitansen ∆Ck mellan högspänningslindningens spolar ingår speciella kondensatorplattor (ringar) i kretsen.

Vågprocesser i trefastransformatorer

I trefastransformatorer påverkas karaktären av den infallande vågutbredningsprocessen längs lindningen och storleken på överspänningar av:

a) spolanslutningsschema,

b) antalet faser till vilka överspänningsvågen kommer.

En trefastransformator med högspänningslindning, stjärnkopplad med en solid jordad noll

Låt den infallande överspänningsvågen komma in i en fas av transformatorn (Figur 4).

Processerna för utbredning av överspänningsvågor längs lindningarna kommer i detta fall att likna processerna i en enfastransformator med en jordad neutral (i var och en av faserna kommer den högsta spänningen att vara i 1/3 av lindningen), medan de beror inte på hur mycket faser som når överspänningsvågen. Dessa. värdet på överspänningen i denna del av spolen är lika med Upep = (1,3-1,4) Uo

Figur 4. Ekvivalent krets av en trefastransformator med en högspänningslindning ansluten till en stjärna med ett neutralt jordat nätverk. Överspänningsvågen kommer i en fas.

Trefas stjärnkopplad högspänningstransformator med isolerad noll

Låt svallvågen komma i en fas.Transformatorns ekvivalenta krets, liksom utbredningen av den infallande vågen i transformatorlindningen, visas i figur 5.

Figur 5. Ekvivalent krets för en trefastransformator med stjärnkopplad högspänningslindning (a) och beroendet U = f (x) för fallet då vågen kommer i en fas (b).

I det här fallet visas två separata oscillationszoner. I fas A kommer det att finnas ett svängningsområde och de förhållanden under vilka de uppstår, och i faserna B och C kommer det att finnas ytterligare en svängningsslinga, svängningsområdet kommer också att vara olika i båda fallen. Den största överspänningen kommer att finnas på lindningen som tar emot den infallande överspänningsvågen. Vid nollpunkten är överspänningar upp till 2/3 Uo möjliga (i normalläge i detta ögonblick U = 0, därför är överspänningar med avseende på driftspänningen U-drift de farligaste för den, eftersom U0 >> U-drift).

Låt överspänningsvågen passera genom två faser A och B. Transformatorns ekvivalenta krets samt den infallande vågutbredningen i transformatorlindningen visas i figur 6.

Figur 6. Ekvivalent krets för en trefastransformator med en stjärnkopplad högspänningslindning (a) och beroendet U = f (x) för fallet då vågen kommer i två faser.

I lindningarna av de faser som vågen kommer till kommer spänningen att vara (1,3 — 1,4) Uo. Nollspänningen är 4/3 Uo. För att skydda mot överspänning i detta fall är en avledare ansluten till transformatorns nolla.

Låt överspänningsvågen komma i tre faser. Transformatorns ekvivalenta krets samt utbredningen av den infallande vågen i transformatorlindningen visas i figur 7.

Bild 7.Ekvivalent krets av en trefastransformator med en stjärnkopplad högspänningslindning (a) och beroendet U = f (x) för fallet då vågen kommer i tre faser.

Utbredningsprocesserna för en överspänningsfallvåg i var och en av faserna i en trefastransformator kommer att likna processerna i en enfastransformator med en isolerad utgång. Den högsta spänningen i detta läge kommer att vara i neutral och kommer att vara 2U0. Detta fall av transformatoröverspänning är det allvarligaste.

Trefas högspännings deltalindad transformator

Låt överspänningsvågen passera genom en fas A av en trefas högspänningstransformator ansluten i ett delta, de andra två faserna (B och C) anses vara jordade (Figur 8).

Figur 8. Ekvivalent krets av en trefastransformator med en högspänningslindning kopplad i delta (a) och beroendet U = f (x) för fallet då vågen kommer i en fas.

Lindningar AC och BC kommer att utsättas för en överspänning (1,3 — 1,4) Uo. Dessa överspänningar är inte farliga för transformatorns funktion.

Låt överspänningsvågen komma i två faser (A och B), de förklarande graferna visas i figur 9. I detta läge kommer utbredningen av överspänningsvågor i lindningarna AB och BC att likna processerna i motsvarande lindningar i en trefas jordad transformatorterminal. Dessa. i dessa lindningar blir överspänningsvärdet (1,3 — 1,4) Uo och i AC-lindningen kommer det att nå värdet (1,8 — 1,9) Uo.

Figur 9. Beroende U = f (x) för fallet när överspänningsvågen passerar genom två faser av en trefastransformator med en högspänningslindning kopplad i delta.

Låt överspänningsvågor passera genom alla tre faserna i en trefastransformator med en högspänningsdeltakopplad lindning.

Lindningarna för alla faser i detta läge kommer att utsättas för en överspänning (1,8 - 1,9) Uo. Om en överspänningsvåg kommer samtidigt genom två eller tre ledningar, kan det i mitten av lindningen, till vilken vågorna kommer från båda sidor, uppstå spänningsfluktuationer med en amplitud som är farliga för transformatorns drift.

Transformator överspänningsskydd

De farligaste överspänningarna i lindningarnas huvudisolering kan uppstå vid samtidig ankomst av vågor genom tre ledningar till transformatorn med en deltaanslutning (i mitten av lindningen) eller en stjärna med en isolerad neutral (nästan neutral) . I detta fall närmar sig amplituderna för de resulterande överspänningarna två gånger spänningen på utgången eller fyra gånger amplituden för ingångsvågen. Farliga sväng-till-sväng-isoleringsöverspänningar kan uppstå i alla fall när en våg med en brant front anländer till transformatorn, oavsett anslutningsschemat för transformatorlindningarna.

Sålunda, för alla transformatorer i händelse av överspänningar och deras fördelning längs lindningarna, för att uppskatta deras storlek, är det nödvändigt att ta hänsyn till kapacitanserna i transformatorernas ekvivalenta kretsar (och inte bara induktansen). Noggrannheten hos de erhållna överspänningsvärdena beror till stor del på noggrannheten i kapacitansmätningen.

För att undvika överspänningar i designen av transformatorer tillhandahålls det:

• en extra skärm som fördelar laddningsströmmen, därför minskar överspänningarna.Dessutom minskar skärmen fältstyrkan vid vissa punkter på transformatorlindningen,

• stärka isoleringen av lindningarna i vissa delar av den (konstruktivt utbyte av transformatorns lindningar),

• installation av avledare framför transformatorn och efter den — mot externa och interna överspänningar, samt en avledare i transformatorns noll.