Лекции / Лекция 09 Переходные режимы трансформаторов

Рис. 10.15. Распределение напряжения вдоль обмотки в различные моменты времени: a – при заземлённой нейтрали; б – при изолированной нейтрали

Гармонические напряжения разных порядков распространяются вдоль обмотки с разными скоростями, поэтому проникающая в обмотку волна непрерывно деформируется. Рис. 10.15, а для заземленной и рис. 10.15, б для изолированной нейтрали показывают примерное распределение напряжения вдоль обмотки в различные моменты времени, причем на кривых обозначено время в долях периода колебания с момента установления начального распределения напряжения. Кроме того, анализ позволяет заключить, что волновое сопротивление обмотки трансформатора не является величиной постоянной, но представляет собой функцию от порядка гармонической. Как в отношении деформации волны, так и волнового сопротивления трансформатор резко отличается от линии передачи, по которой волна распределяется почти без искажения, причем линия имеет постоянное волновое сопротивление для всех волн и импульсов.

Аналогичным образом ведется рассмотрение более сложных явлений при набегании на трансформатор апериодического импульса любой формы. Если импульс имеет характер высокочастотного колебания, то возникает опасность резонанса импульса данной частоты и одной из гармонических. В результате можно считать, что в трансформаторе могут возникнуть значительные градиенты напряжения как между обмоткой трансформатора в данной ее точке и землей, так и между соседними

имели бы Cз /Коб 0 ; в этом случае, как это следует из кривых

на рис. 10.12, а и б, распределение напряжения вдоль обмотки сразу, т. е. с первого момента подхода волны перенапряжения к трансформатору, приобрело бы равномерный характер. Физически невозможно устранить емкости на землю, но можно скомпенсировать токи, необходимые для заряда этих емкостей, токами, протекающими из линии через систему присоединенных к обмотке экранирующих защитных емкостей Cэ .

Конструктивно защитные емкости могут быть осуществлены поразному. На рис. 10.16, а показана система с заземленной нейтралью, в которой защитная емкость осуществляется посредством особого экранирующего щита, выполненного из изолирующего материала с металлизированной поверхностью и присоединенного к линейному концу обмотки. При соответствующем подборе защитных емкостей ток, необходимый для заряда данной емкости на землю, например ток I2 для

заряда емкости на землю Cз2 , подается непосредственно через защит-

ную емкость Cэ2 , минуя цепь последовательно соединенных емкостей

К между катушками К . Поэтому схему на рис. 10.16, а можно заменить схемой на рис. 10.16, б. Левая часть ее состоит из емкостей и, следовательно, представляет собой нерезонирующую систему.

Правую часть той же схемы образуют две параллельные ветви, одна из которых состоит из ряда последовательно соединенных индуктивностей, а другая – из такого же ряда последовательно соединенных емкостей между катушками. Все звенья каждой цепи одинаковы; поээтому на каждое звено в каждой цепи приходится одно и то же напряжение, а по каждой цепи течет по всей ее длине ток данной величины. В перемычках bb ,cc и т. д. токов нет, т. е. все происходит так, как если бы обе цепи были электрически независимы друг от друга. Следовательно, правая часть схемы, так же как и левая, представляет собой нерезонирующую систему.

Катушки с усиленной изоляцией выполняются из проводников в 1,5 – 2 раза большего сечения, чем остальные катушки с соответственно меньшей допускаемой в них плотностью тока.

Емкостные экраны выполняются из медных проводников того же сечения, что и катушка, которую они защищают, и присоединяются к линейному концу обмотки, т. е. имеют потенциал линии. Проводник экрана надежно изолируется от катушки слоем изоляции толщиной 5 мм на сторону. Расстояние между катушкой и экраном определяет необходимую величину защитной емкости. Емкостный экран должен

быть разомкнут (чтобы избежать образования замкнутого на себя витка) и охватывает катушку по длине, составляющей примерно 2/3 длины ее окружности.

Рис. 10.16. Схемы замещения нерезонирующего трансформатора

Так как градиенты напряжения достигают наибольшей величины на входной катушке, то существенно важно по возможности равномерно распределить напряжение между ее витками. С этой целью в современных мощных трансформаторах в дополнение к емкостным экранам применяют емкостное кольцо, которое может быть выполнено из спрессованного электрокартона и представляет собой шайбу толщиной 8 – 10 мм со скругленными краями, обмотанную медной лентой с наложенной поверх нее изоляцией (рис. 10.18). Медная лента соединяется с помощью специального кабеля с линейным или нейтральным концом обмотки. Емкостное кольцо, так же как емкостный экран, должно быть электрически разомкнутым.

Опыт эксплуатации свидетельствует, что трансформаторы, защищенные описанным выше способом, устойчивы в отношении наиболее опасных по своему характеру атмосферных перенапряжений; поэтому такие трансформаторы часто называют грозоупорными.

С той же целью защиты трансформаторов от перенапряжений применяется многослойная цилиндрическая обмотка (рис. 10.19). В этой конструкции емкость между слоями Коб значительно больше ём-

отличается от установившегося. Для выравнивания емкости между слоями и устранения влияния емкости обмотки на стержень применяют один или два цилиндрических экрана по схеме на рис. 10.19.

Рис 10.18. Емкостное кольцо