Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

Г лава ш ест н адц ат ая

ПЕРЕХОДНЫЕ РЕЖИМЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

16-1. Характер переходных режимов

Если напряжение или ток трансформатора почему-либо изменя­ ются, то происходит переход от одного установившегося состояния (режима) к другому. Обычно этот переход совершается в очень ко­ роткое время и, тем не менее, он может сопровождаться весьма зна­ чительными и опасными для трансформатора эффектами, например, возникновением очень больших механических усилий между обмот­ ками или частями их, крайне неравномерным распределением на­ пряжения между отдельными частями обмотки или даже отдельными витками и т. д.

По характеру переходного процесса различают явления сверх­ токов и явления перенапряжений. Сверхтоки возникают: при корот­ ком замыкании, при включении трансформатора в сеть. Перенапря­ жения возникают под действием атмосферных разрядов, при включе­ нии трансформатора в сеть, выключении его и т. д.

16-2. Ток внезапного короткого замыкания

Если пренебречь намагничивающим током (см. § 13-3 В), то при коротком замыкании трансформатор представляет собой реактивную

образом, при коротком замыкании трансформатор представляет собой цепь с постоянными по величине параметрами гк и хн.

228

установившегося и свободного токов при внезапном коротком за­

тока г'к уот; а к — фаза включения; Тк — LK/rK— постоянная времени затухания, определяющая скорость протекания переходного про­ цесса при внезапном коротком замыкании.

ную функцию времени, имеющую частоту сети, на которую включа­

включения ту же амплитуду, что и ток ік.усх, но представляет собой апериодическую функцию времени, затухающую по закону показа­ тельной функции, причем скорость затухания определяется величи­

и процесс не мог бы перейти в установившееся состояние;

2. В момент включения (t = 0) токи ік.уст и ік.св равны друг другу по величине, но имеют обратные знаки, т. е. результирующий ток равен нулю. Это соответствует начальным условиям работы катушки при ее включении на сеть, так как если при установившемся режиме каждому значению напряжения иг соответствует определенное зна­ чение тока гк, то в момент включения ік = 0 независимо от момента включения, а стало быть, и от напряжения иѵ Роль тока ік как раз и состоит в том, чтобы в момент включения катушки в сеть обеспечить это условие;

3. При прочих равных условиях ток ік св достигает наибольшей величины при оск = 0, т. е. когда включение происходит в момент перехода напряжения через нуль. Если же включение происходит в момент, когда и1 — Ulm, т. е. при а к = 90°, то свободный ток равен нулю.

Соответственно сказанному на рис. 16-2 изображено изменение тока при включении в сеть трансформатора в момент, когда щ = 0 (ак = 0). Здесь: 1 — подведенное к трансформатору напряжение; 2 — ток ік.уст; 3 и 5 — ток гк.св в предельном (гк = 0) и действитель­ ном случаях; 4 и 6 — результирующий ток в тех же условиях. При включении в сеть трансформатора в момент, когда = 0 (ак ~ 0),

229

амплитуда тока внезапного короткого замыкания достигает в пре­ дельном случае двойного значения установившегося тока короткого замыкания и наблюдается через полупериод после включения.

Так как установившийся ток короткого замыкания достигает

Рис. 16-2. Токи внезапного короткого замыкания транс­ форматора при включении в момент щ = О

При внезапном коротком замыкании амплитуда результирующего тока І Кт в кк раз превышает амплитуду установившегося тока (рис. 16-2, линии 2 и 6). Следовательно,

большой мощности кк — 1,7 -ь 1,85, а в трансформаторах малой мощ­ ности с относительно меньшей постоянной времени кК = 1,2 — 1,3; в последнем случае процесс внезапного короткого замыкания пере­ ходит в установившийся режим за один-два периода.

Короткое замыкание трансформатора при полном подведенном напряжении вызывает: значительное повышение температуры обмо­ ток (до 200—250° С) и появление чрезвычайно больших и потому

. опасных механических усилий как между отдельными частями об­ мотки, так и между обмотками. Чтобы избежать аварии, должна быть разработана соответствующая конструкция трансформатора и обес­ печена необходимая защита его.

230

16-3. Ток включения при холостом ходе трансформатора

Трансформатор с разомкнутой вторичной обмоткой представляет собой реактивную катушку с активным сопротивлением гх и индук­ тивностью Ьи определяемой потоком в сердечнике трансформатора при его холостом ходе.

Сначала рассматривается случай, когда сталь сердечника не насы­ щена и когда, следовательно, магнитная проводимость Л сердеч­ ника постоянна. Это состояние магнитной цепи трансформатора соот­ ветствует начальной части магнитной характеристики трансформатора на рис. 16-3,а и в этом случае индуктивность Ьх = const (так как Lx= = Л) и поток Ф пропорционален току і0. В этих условиях трансфор­ матор представляет собой электрическую цепь с постоянными пара-

Рис. 16-3. Ток включения: а — зависимость Ф = / (і0), б —переходной ток холостого хода, в —установив­ шийся ток холостого хода

метрами холостого хода = const и хх = coL1 = const. Анализ пере­ ходного процесса при включении этой цепи в сеть переменного тока производится совершенно так же, как и анализ переходного процесса короткого замыкания в цепи с постоянными параметрами: гк = = const и хк = сoLK = const (§ 16 -2). Если пренебречь остаточным магнитным потоком, то ток включения при холостом ходе, а стало быть, и поток включения Ф0.в определяется формулой, аналогич­ ной формуле (16-2), а именно:

Ф0.в = Ф0.уст + Ф0.св = — Фт cos (cot + а„) -f Фт cos а 0. (16-5)

Здесь Ф0.в, Фо.уст и Ф0. св — результирующий, установившийся и свободный потоки включения при холостом ходе; Фт — амплитуда потока Фуст; а 0 — фаза включения; Т0 — LJrl — постоянная времени затухания процесса при холостом ходе.

Из формулы (16-5) можно сделать в отношениЙАютока Ф0.в те же выводы, какие были сделаны ранее в отношении тока ік. Равным об­ разом, токи 2, 3, 4, 5 и 6 на рис. 16-2 при внезапном коротком замы­ кании можно рассматривать как соответствующие потоки при вклю­ чении в сеть трансформатора с разомкнутой вторичной обмоткой.

231

=Фт созапе~*/г° = Фт , т. е. достигает своей наибольшей величины.

Впредельном случае (г1 ~ 0) поток Ф0.с» не затухает (линия 3), налагаясь на поток Ф0.уст (линия 2), он увеличивает амплитуду ре­ зультирующего потока до значения Ф0тВ = 2Фт , т. е. до двойного значения амплитуды потока при установившемся режиме холостого хода (линия 4). В реальных условиях потоки Ф0.св и Ф0.в затухают

(линии 5 и 6) со скоростью, зависящей от постоянного времени

Т = LJrv

Следует учесть также остаточный магнитный поіск, который может быть направлен как встречно относительно потока Фт , так и согласно

этом картина переходного процесса в отношении результирующего потока Фо в (линии 4 или 6 на рис. 16-2) не изменяется, так как по за­ кону равновесия э. д. с. значение этого потока для любого момента

в сердечнике при установившемся режиме, точка В — двойную ин­ дукцию в предельном случае переходного режима холостого хода (линия 6 на рис. 16-2). Таким образом, амплитуда тока включения холостого хода может во много раз превысить амплитуду установивше­ гося тока холостого хода (рис. 16-3,- б, в). Исследования показывают, что в современных мощных трансформаторах ток включения холо­

в 6—8 раз.

Так как ток включения холостого хода сравнительно медленно затухает, то он может отключить трансформатор от сети, если защита трансформатора не имеет достаточной выдержки времени. Чтобы из­ бежать этого и ускорить процесс затухания тока включения холостого хода, можно на время включения ввести между трансформатором и сетью небольшое активное сопротивление,

16-4. Перенапряжения в трансформаторах

Перенапряжения, т. е. повышения напряжения, возможны: на зажимах трансформатора и между отдельными частями (катушками, слоями) обмотки трансформатора. К перенапряжениям на зажимах трансформатора следует отнести повышения напряжения сверх допу­ скаемых наибольших рабочих напряжений. Перенапряжения этого рода вызываются: явлениями атмосферного характера; аварийными режимами при коротких замыканиях, когда токи в линии изменяются в пределах, значительно превышающих обычные; коммутационными процессами, связанными с включением трансформатора на сеть, с его выключением и т. д.

232

Во всех этих случаях в месте аварии возникает электромагнитная волна и я, которая распространяется вдоль линии со скоростью, близ­ кой к скорости света, и, достигнув трансформатора 1, частью отража­ ется от него обратно в линию £/от, частью же проникает в трансформа­ тор и так или иначе распределяется вдоль его обмоток (рис. 16-4). Напряжение на трансформаторе будет І7тр. И в зависимости от свойств трансформатора могут возникнуть градиенты напряжений, опасные для целости изоляции обмотки. Самый опасный случай — это когда волна имеет форму, приближающуюся к прямоугольной. Действие такой волны воспринимается трансформатором как действие периоди­ ческой волны бесконечно большой частоты, так как при увеличении последней наклон синусоидальной кривой становится все круче и в пределе приближается к вертикали.

В этих условиях проявляются емкостные сопротивления транс­ форматора. До сих пор учитывались только индуктивные сопротивле­ ния xL — cab, в действительности существуют еще емкостные связи, упрощенная картина которых для одной какой-либо обмотки приво­ дится на рис. 16-5. Здесь Ск — емкость между двумя соседними ка­ тушками и Сэ — емкость катушки на землю.

Емкости Ск соединены последовательно, емкости С3 — парал­ лельно. Если пк — число катушек, то

одной эквивалентной (входной) емкостью Стр= ]/"С0§СОЛ, обусловли­ вающей емкостное сопротивление хс = 1/(2я/Стр). При нормальной частоте сопротивление хс настолько велико по сравнению с индуктив­

233

ным сопротивлением трансформатора xL — 2nfL, что ток идет прак­ тически только по обмотке, преодолевая сопротивление х l - Н о п о мере увеличения частоты соотношение между xL и Хс изменяется: xL уве­ личивается, а хс уменьшается. При f та оо сопротивление xL та оо, а хс та 0, т. е. в этих условиях ток течет только по емкостным связям, минуя обмотку. Процессы, которые возникают в трансформаторе при переходе от такого состояния к нормальному, зависят от того, зазем­ лена нулевая точка трансформатора или, наоборот, изолирована.

16-5. Переходный процесс в трансформаторе

Так как ток идет только по емкостным связям, то процесс распро­ странения волны в обмотке сводится к заряду системы конденсаторов, показанных на рис. 16-5. Исследования показывают, что время заряда в среднем не превышает 5 -ІО 8 сек, т. е. практически заряд происходит мгновенно.

дукатушечные емкости и нет емкостей на землю и 2) когда имеются только емкости на землю и нет междукатушечных емкостей.

В первом случае все междукатушечные емкости образуют цепь последовательно соединенных конденсаторов, по которым течет ток одной и той же величины. Так как предположено, что Сab = Св'с — = Ссо ит. д., то получается равномерное распределение напряжения по длине обмотки 10б от значения Ua на ее конце, присоединенном к линии, до нуля на заземленном конце обмотки (линия 1 на рис. 16-6,я). Такое же распределение напряжения существует в обмотке и при установившемся режиме, т. е. данное распределение напряже­ ния в начальный момент является наиболее благоприятным.

Во втором случае весь ток пройдет только через первый сверху конденсатор АО, к которому и будет подведено все напряжение линии и л (линия 2 на рис. 16-6,я). Физически это означает, что напряжение UПпадает целиком на первую катушку и, следовательно, во много раз превосходит нормальное. Такое распределение напряжения является

234

весьма неблагоприятным и может повести к повреждению изоляции этой катушки.

Действительное распределение напряжения находится между обоими предельными случаями и показано на рис. 16-6, а линией 3. Здесь на первый виток приходится уже не все напряжение Ua, а только его часть AU, но все же настолько значительная, что может произойти разрушение изоляции. Эта опасность особенно велика в трансформа­ торах повышенного и высокого напряжения. Поэтому первые, бли­ жайшие к линии, катушки трансформаторов на 35 кв и выше выпол­ няют с усиленной изоляцией.

Линия 3 дает распределение напряжения в обмотке в начальный момент времени t = 0. Но распределение напряжения при установив­ шемся режиме определяется линией 1. Так как трансформатор пред­ ставляет систему различным образом соединенных между собой ин­ дуктивностей и емкостей, образующих резонирующие контуры, то переход от начального распределения напряжения к установивше­ муся происходит в результате колебательного процесса.

Распределение напряжения в момент, следующий за начальным, дает линия 4 на рис. 16-6, а. Следует обратить внимание на то, что те­ перь наибольшее напряжение AU приходится на последний заземлен­ ный виток, т. е. опасность разрушения изоляции существует не только для первых (входных) витков обмотки, но и для последних. В дальнейшем колебания будут происходить в пределах, ограниченных линиями 3 и 4, постепенно затухая под действием активного сопро­ тивления. В целом процесс напоминает вибрацию струны, закреплен­ ной на концах.

Действительная картина распределения напряжения при перена­ пряжении значительно сложнее. В результате оказывается, что опас­ ность повреждения изоляции существует для любого витка обмотки.

Распределение напряжения в начальный момент в трансформаторе с изолированной нейтралью практически то же, что и в трансформа­ торе с заземленной нейтралью (линия 1, на рис. 16-6, б). Но при уста­ новившемся режиме все точки обмотки находятся под одним и тем же

щим случаем эти пределы гораздо шире, что составляет существенный недостаток систем с изолированной нейтралью.

16-6. Меры защиты трансформаторов от перенапряжений

Одной из таких мер является усиление изоляции входных кату­ шек. Но эта мера недостаточна, так как перенапряжения и, следова­ тельно, разрушение изоляции обмотки возможны в любой точке ее. Ранее было показано, что основной причиной, вызывающей эти пере­ напряжения, являются резонансные контуры трансформатора. Поэ­ тому такие трансформаторы называются резонирующими. Чтобы сделать трансформатор нерезонирующим, нужно устранить действие емкостей на землю С3, оставив только междукатушечные емкости Ск (рис. 16-5). В этом случае (§ 165) распределение напряжений в транс­

235

форматоре с заземленной нейтралью в начальный момент и при уста­ новившемся режиме совпадает. Это значит, что переходи установивше­ муся режиму происходит без колебаний напряжения или, во всяком случае, с ограничением последних.

Устранить емкости на землю нельзя, но их можно компенсировать. Для этой цели можно устроить особого рода экраны или щиты, нахо­ дящиеся под напряжением линии и изолированные от обмотки. В СССР применяется более простая система с частичной емкостной защитой каждого конца обмотки. В схематическом виде защита одного из концов обмотки показана на рис. 16-7. Защитные приспо­

собления состоят из: катушки І, имеющей усиленную изоля­ цию толщиной 3,5—5 мм на сто­ рону, катушки 2 тоже с усилен­ ной изоляцией и емкостным экраном 4 и четырех катушек 3, имеющих нормальную изоля­ цию витков и защищенных каждая емкостным экраном. Емкостные экраны выполняются

они защищают, и присоединяются к линейному концу обмотки, т. е. имеют потенциал линии. Необходимая величина защитной емкости определяется расстоянием между катушкой и экраном. Контур 4 должен быть разомкнут, чтобы избежать появления в нем тока.

В современных мощных трансформаторах в дополнение к емкост­ ным экранам 4 применяют еще емкостные кольца, располагаемые с обоих концов обмотки. Емкостное кольцо 1 может быть выполнено из электрокартона и представляет собой шайбу толщиной 8—10 мм, обмотанную медной лентой с наложенной поверх нее изоляцией 2 (рис. 16-8). Емкостное кольцо должно быть электрически разомкну­ тым и присоединенным к вводу 3.

Для компенсации емкости на землю применяют также обмотку из ряда слоев, емкость между которыми значительно превосходит емкость на землю.

Трансформаторы, защищенные от перенапряжений, часто назы­ ваются грозоупорными, поскольку грозы являются источником наи­ более опасных перенапряжений.

236