В) Перенапряжения в трансформаторах

Перенапряжения, возникающие в трансформаторах, могут быть вызваны различными причинами. Из них главнейшие: процессы при включении и выключении трансформатора; короткие замыкания и повторные заземляющие дуги на линии передачи, к которой присоединен трансформатор; грозовые разряды вблизи линии. Наибольшие перенапряжения в обмотках трансформатора получаются при грозовых разрядах. Они называются атмосферными перенапряжениями.

В большинстве случаев грозовые разряды создают в линии апериодические электрические импульсы большой амплитуды и малой продолжительности действия. Примерная форма такого импульса показана на рис. 2-71.

Рис. 2-71. Примерная форма кривой электрического импульса при грозовых разрядах.

Здесь время подъема напряжения от нуля до максимума, достигающего пяти- шестикратного значения амплитуды фазного напряжения, измеряется иногда десятыми долями микросекунды (отрезок ). Соответствующая часть кривой называется фронтом волны. Она может рассматриваться как четверть периода периодического процесса весьма высокой частоты. При такой частоте мы можем считать, что ток будет проходить только по емкостным связям между витками отдельных катушек и между катушками обмотки высшего напряжения, а также между катушками и сталью. Обмотку низшего напряжения при этом приближенно можно принять заземленной, так как она соединена со сталью большими емкостями (т. е. малыми емкостными сопротивлениями). Токами по индуктивным и активным сопротивлениям катушек мы пренебрегаем: при очень высокой частоте они малы по сравнению с емкостными токами.

В этом случае обмотка высшего напряжения, обычно состоящая из последовательно соединенных катушек, может быть заменена цепочкой емкостей, показанной на рис. 2-72,а, где С₃ — емкости между катушками и землей; С_к — емкости между катушками.

Рис. 2-72. Приближенная схема замещения трансформатора при высокочастотных процессах (a); кривые распределения напряжения вдоль обмотки (б).

Распределение напряжения вдоль обмотки получается неравномерным (кривая а на рис. 2-72,б), так как токи, проходящие по емкостям С_к, будут неодинаковы. Они больше вблизи линейного конца и меньше вблизи заземленной нейтрали. Показанное распределение напряжения называется емкостным.

После затухания свободных полей получим равномерное распределение напряжения вдоль обмотки (кривая b на рис. 2-72,б). Теперь оно будет обусловлено только индуктивными и активными сопротивлениями катушек и будет соответствовать установившемуся режиму работы при нормальной частоте тока.

Кривая а на рис. 2-72,б показывает, что при начальном распределении напряжения большая его часть приходится на первые катушки, и, следовательно, их изоляция подвергается наибольшей опасности. Опыт это подтверждает, так как пробои изоляции чаще всего имеют место именно на первых катушках, поэтому их часто выполняют с усиленной изоляцией.

Переход от начального распределения напряжения к установившемуся (от кривой а к кривой b) сопровождается колебательными процессами и перенапряжениями резонансного характера, так как здесь вступают в действие не только емкостные, но и индуктивные связи между катушками. Опытные исследования этих процессов показывают, что высокие градиенты электрического поля получаются также для средних и нижних катушек, но все же наибольшие значения они имеют для начальных катушек.

В крупных трансформаторах на напряжения 115, 220 кВ и выше применяется так называемая емкостная компенсация. Сущность ее заключается в применении добавочных емкостей, выполненных в виде особой формы экранов, окружающих обмотку высшего напряжения (рис. 2-73,а).

Рис. 2-73. Частичная емкостная компенсация катушечной обмотки (a); соответствующая схема замещения (б).

При этом получается схема замещения, показанная на рис. 2-73,б. Емкости С'_э, С"_э, С"'_э,…можно подобрать таким образом, чтобы токи по емкостям С_к были приблизительно одинаковы хотя бы на протяжении 40 — 50% длины обмотки. Тогда начальное распределение становится более равномерным и перенапряжения между катушками будут значительно снижены.

Высоковольтные трансформаторы с емкостной компенсацией, конструкция которых разработана на заводах советской электропромышленности, являются достаточно надежными, что подтверждается длительным сроком их эксплуатации на линиях Советского Союза.

2-21. Трансформаторы специального назначения