Υπέρταση στις περιελίξεις του μετασχηματιστή

Η επιλογή μεγέθους και σχεδιασμού της μόνωσης του μετασχηματιστή είναι αδύνατη χωρίς τον προσδιορισμό των τάσεων που ασκούνται σε διάφορα τμήματα της μόνωσης του μετασχηματιστή κατά τη λειτουργία και τη δοκιμή που έχει σχεδιαστεί για να διασφαλίζει την αξιόπιστη λειτουργία του μετασχηματιστή.

Σε αυτή την περίπτωση, οι τάσεις που επενεργούν στη μόνωση του μετασχηματιστή όταν τα κύματα αστραπής χτυπούν στην είσοδο του είναι συχνά καθοριστικές. Αυτές οι τάσεις, που ονομάζονται και παλμικές τάσεις, καθορίζουν σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις την επιλογή της μόνωσης της διαμήκους περιέλιξης και σε πολλές περιπτώσεις τη μόνωση της κύριας περιέλιξης, τη μόνωση της συσκευής μεταγωγής κ.λπ.

Η χρήση τεχνολογιών υπολογιστών για τον προσδιορισμό των υπερτάσεων επιτρέπει τη μετάβαση από την ποιοτική εξέταση των διεργασιών ώθησης στις περιελίξεις στους άμεσους υπολογισμούς υπερτάσεων και την εισαγωγή των αποτελεσμάτων τους στην πρακτική σχεδιασμού.

Για τον υπολογισμό της υπέρτασης, οι περιελίξεις του μετασχηματιστή αντιπροσωπεύονται από ένα ισοδύναμο κύκλωμα που αναπαράγει επαγωγικές και χωρητικές συνδέσεις μεταξύ των στοιχείων της περιέλιξης (Εικόνα 1).Όλα τα ισοδύναμα κυκλώματα λαμβάνουν υπόψη την χωρητικότητα μεταξύ στροφών και μεταξύ περιελίξεων.

Σχήμα 1. Ισοδύναμο κύκλωμα του μετασχηματιστή: UOV — προσπίπτον κύμα στην περιέλιξη υψηλής τάσης, UOH — προσπίπτον κύμα στην περιέλιξη χαμηλής τάσης, SV και CH — χωρητικότητες μεταξύ των στροφών των περιελίξεων υψηλής και χαμηλής τάσης αντίστοιχα, SVN — χωρητικότητα μεταξύ περιελίξεις με υψηλή και χαμηλή τάση.

Κυματικές διεργασίες σε μετασχηματιστές

Ο μετασχηματιστής θα θεωρηθεί ως επαγωγικό στοιχείο, λαμβάνοντας υπόψη την χωρητικότητα διακοπής, τις χωρητικότητες μεταξύ της οθόνης και της αυτεπαγωγής και μεταξύ της αυτεπαγωγής και της γείωσης (Εικόνα 2α).

Για τον υπολογισμό της υπέρτασης χρησιμοποιούνται οι ακόλουθοι τύποι:

όπου: t είναι ο χρόνος μετά την άφιξη του κύματος στον μετασχηματιστή, T είναι η χρονική σταθερά υπέρτασης, ZEKV είναι η ισοδύναμη αντίσταση κυκλώματος, Z2 είναι η αντίσταση γραμμής, Uo είναι η υπέρταση στον αρχικό χρόνο

Εικόνα 2. Διάδοση ενός κύματος τάσης κατά μήκος της περιέλιξης ενός μετασχηματιστή με γειωμένο ουδέτερο: α) σχηματικό διάγραμμα, β) εξάρτηση του κύματος τάσης από το μήκος της περιέλιξης για μονοφασικό μετασχηματιστή με γειωμένο ακροδέκτη: Uo — κύμα πτώσης τάσης, ∆Ce — χωρητικότητα μεταξύ του πηνίου και της οθόνης, ∆Ck — εγγενής χωρητικότητα μεταξύ των στροφών, ∆С3 — χωρητικότητα μεταξύ του πηνίου και του εδάφους, ∆Lκ — επαγωγή των στρωμάτων του πηνίου.

Εφόσον υπάρχει τόσο αυτεπαγωγή όσο και χωρητικότητα στο ισοδύναμο κύκλωμα, εμφανίζεται ένα ταλαντούμενο κύκλωμα LC (οι διακυμάνσεις της τάσης φαίνονται στο Σχήμα 2β).

Το πλάτος των ταλαντώσεων είναι 1,3 — 1,4 του πλάτους του προσπίπτοντος κύματος, δηλ.Uпep = (1,3-1,4) Uo, και η μεγαλύτερη τιμή υπέρτασης θα συμβεί στο τέλος του πρώτου τρίτου της περιέλιξης, επομένως, στην κατασκευή του μετασχηματιστή, το 1/3 της περιέλιξης έχει ενισχυμένη μόνωση σε σύγκριση με το υπόλοιπο .

Για να αποφευχθεί η υπέρταση, πρέπει να αντισταθμιστεί το ρεύμα φόρτισης των πυκνωτών σε σχέση με τη γείωση. Για το σκοπό αυτό, τοποθετείται μια πρόσθετη οθόνη (ασπίδα) στο κύκλωμα. Όταν χρησιμοποιείτε την οθόνη, οι χωρητικότητες των περιελίξεων στην οθόνη θα είναι ίσες με την χωρητικότητα των στροφών προς τη γη, δηλ. ∆CE = ∆C3.

Η θωράκιση πραγματοποιείται σε μετασχηματιστές με κατηγορία τάσης UH = 110 kV και άνω. Η θωράκιση συνήθως εγκαθίσταται κοντά στο περίβλημα του μετασχηματιστή.

Μονοφασικοί μετασχηματιστές με απομονωμένο ουδέτερο

Η παρουσία ενός απομονωμένου ουδέτερου σημαίνει ότι υπάρχει χωρητικότητα Co μεταξύ της γείωσης και της περιέλιξης, δηλαδή η χωρητικότητα προστίθεται στο ισοδύναμο κύκλωμα του μετασχηματιστή ακροδεκτών γείωσης, αλλά η οθόνη αφαιρείται (Εικόνα 3α).

Σχήμα 3. Διάδοση κύματος τάσης κατά μήκος της περιέλιξης ενός μετασχηματιστή με απομονωμένο ουδέτερο: α) σχηματικό διάγραμμα ισοδύναμου μετασχηματιστή, β) η εξάρτηση της τάσης του προσπίπτοντος κύματος από το μήκος της περιέλιξης.

Ένα κύκλωμα ταλάντωσης σχηματίζεται επίσης με αυτό το ισοδύναμο κύκλωμα. Ωστόσο, λόγω της χωρητικότητας Co, υπάρχει ένα ταλαντούμενο κύκλωμα LC με σειριακή σύνδεση επαγωγής και χωρητικότητας. Σε αυτή την περίπτωση, με σημαντική χωρητικότητα Co, η υψηλότερη τάση θα εμφανιστεί στο τέλος της περιέλιξης (η υπέρταση μπορεί να φτάσει τιμές έως και 2Uo). Η φύση της αλλαγής τάσης στο πηνίο φαίνεται στο Σχήμα 3β.

Για να μειωθεί το πλάτος των ταλαντώσεων υπέρτασης στην περιέλιξη ενός μετασχηματιστή με απομονωμένο ουδέτερο, είναι απαραίτητο να μειωθεί η χωρητικότητα της εξόδου C σε σχέση με τη γείωση ή να αυξηθεί η αυτο-χωρητικότητα των πηνίων. Συνήθως χρησιμοποιείται η τελευταία μέθοδος. Για να αυξηθεί η αυτοχωρητικότητα ∆Ck μεταξύ των πηνίων της περιέλιξης υψηλής τάσης, στο κύκλωμα περιλαμβάνονται ειδικές πλάκες πυκνωτών (δαχτυλίδια).

Κυματικές διεργασίες σε μετασχηματιστές τριών φάσεων

Στους μετασχηματιστές τριών φάσεων, η φύση της διαδικασίας διάδοσης του προσπίπτοντος κύματος κατά μήκος της περιέλιξης και το μέγεθος των υπερτάσεων επηρεάζονται από:

α) διάγραμμα σύνδεσης πηνίου,

β) τον αριθμό των φάσεων στις οποίες φτάνει το κύμα υπέρτασης.

Τριφασικός μετασχηματιστής με περιέλιξη υψηλής τάσης, αστέρι συνδεδεμένο με σταθερά γειωμένο ουδέτερο

Αφήστε το προσπίπτον κύμα υπέρτασης να εισέλθει σε μία φάση του μετασχηματιστή (Εικόνα 4).

Οι διαδικασίες διάδοσης των κυμάτων υπέρτασης κατά μήκος των περιελίξεων σε αυτή την περίπτωση θα είναι παρόμοιες με τις διαδικασίες σε μονοφασικό μετασχηματιστή με γειωμένο ουδέτερο (σε κάθε μία από τις φάσεις η υψηλότερη τάση θα είναι στο 1/3 της περιέλιξης), ενώ δεν εξαρτώνται από το πόσες φάσεις φθάνουν στο κύμα κύματος. Αυτά τα. η τιμή της υπέρτασης σε αυτό το τμήμα του πηνίου είναι ίση με Upep = (1,3-1,4) Uo

Εικόνα 4. Ισοδύναμο κύκλωμα τριφασικού μετασχηματιστή με περιέλιξη υψηλής τάσης συνδεδεμένο σε αστέρι με ουδέτερο γειωμένο δίκτυο. Το κύμα κύματος έρχεται σε μία φάση.

Τριφασικός μετασχηματιστής υψηλής τάσης συνδεδεμένος με αστέρι με απομονωμένο ουδέτερο

Αφήστε το κύμα κύματος να έρθει σε μια φάση.Το ισοδύναμο κύκλωμα του μετασχηματιστή, καθώς και η διάδοση του προσπίπτοντος κύματος στην περιέλιξη του μετασχηματιστή, φαίνεται στο Σχήμα 5.

Σχήμα 5. Ισοδύναμο κύκλωμα τριφασικού μετασχηματιστή με περιέλιξη υψηλής τάσης συνδεδεμένο με αστέρι (a) και εξάρτηση U = f (x) για την περίπτωση που το κύμα έρχεται σε μία φάση (b).

Σε αυτή την περίπτωση, εμφανίζονται δύο ξεχωριστές ζώνες ταλάντωσης. Στη φάση Α θα υπάρχει ένα εύρος ταλάντωσης και οι συνθήκες κάτω από τις οποίες συμβαίνουν, και στις φάσεις Β και Γ θα υπάρχει ένας άλλος βρόχος ταλάντωσης, το εύρος ταλάντωσης θα είναι επίσης διαφορετικό και στις δύο περιπτώσεις. Η μεγαλύτερη υπέρταση θα είναι στην περιέλιξη που δέχεται το προσπίπτον κύμα υπέρτασης. Στο σημείο μηδέν, είναι πιθανές υπερτάσεις έως και 2/3 Uo (σε κανονική λειτουργία αυτή τη στιγμή U = 0, επομένως, οι υπερτάσεις σε σχέση με την τάση λειτουργίας Uoperation είναι οι πιο επικίνδυνες γι 'αυτό, αφού U0 >> Uoperation).

Αφήστε το κύμα υπέρτασης να περάσει από δύο φάσεις Α και Β. Το ισοδύναμο κύκλωμα του μετασχηματιστή καθώς και η διάδοση του προσπίπτοντος κύματος στην περιέλιξη του μετασχηματιστή φαίνονται στο σχήμα 6.

Σχήμα 6. Ισοδύναμο κύκλωμα τριφασικού μετασχηματιστή με περιέλιξη υψηλής τάσης συνδεδεμένο με αστέρι (a) και εξάρτηση U = f (x) για την περίπτωση που το κύμα έρχεται σε δύο φάσεις.

Στις περιελίξεις των φάσεων στις οποίες έρχεται το κύμα, η τάση θα είναι (1,3 — 1,4) Uo. Η ουδέτερη τάση είναι 4/3 Uo. Για την προστασία από την υπέρταση σε αυτή την περίπτωση, ένας απαγωγέας συνδέεται στον ουδέτερο του μετασχηματιστή.

Αφήστε το κύμα υπέρτασης να έρθει σε τρεις φάσεις.Το ισοδύναμο κύκλωμα του μετασχηματιστή καθώς και η διάδοση του προσπίπτοντος κύματος στην περιέλιξη του μετασχηματιστή φαίνεται στο Σχήμα 7.

Εικόνα 7.Ισοδύναμο κύκλωμα τριφασικού μετασχηματιστή με περιέλιξη υψηλής τάσης συνδεδεμένο με αστέρι (a) και εξάρτηση U = f (x) για την περίπτωση που το κύμα έρχεται σε τρεις φάσεις.

Οι διαδικασίες διάδοσης ενός κύματος πτώσης υπέρτασης σε κάθε μία από τις φάσεις ενός μετασχηματιστή τριών φάσεων θα είναι παρόμοιες με τις διαδικασίες σε έναν μονοφασικό μετασχηματιστή με απομονωμένη έξοδο. Η υψηλότερη τάση σε αυτή τη λειτουργία θα είναι στο ουδέτερο και θα είναι 2U0. Αυτή η περίπτωση υπέρτασης μετασχηματιστή είναι η πιο σοβαρή.

Τριφασικός μετασχηματιστής δέλτα υψηλής τάσης

Αφήστε το κύμα υπέρτασης να περάσει από μια φάση Α ενός τριφασικού μετασχηματιστή υψηλής τάσης συνδεδεμένου σε δέλτα, οι άλλες δύο φάσεις (Β και Γ) θεωρούνται γειωμένες (Εικόνα 8).

Σχήμα 8. Ισοδύναμο κύκλωμα τριφασικού μετασχηματιστή με περιέλιξη υψηλής τάσης συνδεδεμένο στο δέλτα (α) και εξάρτηση U = f (x) για την περίπτωση που το κύμα έρχεται σε μία φάση.

Τα τυλίγματα AC και BC θα εκτεθούν σε υπέρταση (1,3 — 1,4) Uo. Αυτές οι υπερτάσεις δεν είναι επικίνδυνες για τη λειτουργία του μετασχηματιστή.

Αφήστε το κύμα υπέρτασης να έρθει σε δύο φάσεις (Α και Β), τα επεξηγηματικά γραφήματα φαίνονται στο Σχήμα 9. Σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας, η διάδοση των κυμάτων υπέρτασης στις περιελίξεις AB και BC θα είναι παρόμοια με τις διαδικασίες στις αντίστοιχες περιελίξεις ενός τριφασικός γειωμένος ακροδέκτης μετασχηματιστή. Αυτά τα. σε αυτές τις περιελίξεις η τιμή υπέρτασης θα είναι (1,3 — 1,4) Uo και στην περιέλιξη AC θα φτάσει την τιμή (1,8 — 1,9) Uo.

Σχήμα 9. Εξάρτηση U = f (x) για την περίπτωση που το κύμα υπέρτασης διέρχεται από δύο φάσεις ενός τριφασικού μετασχηματιστή με περιέλιξη υψηλής τάσης συνδεδεμένο στο δέλτα.

Αφήστε τα κυματικά κύματα να περάσουν και από τις τρεις φάσεις ενός μετασχηματιστή τριών φάσεων με περιέλιξη υψηλής τάσης συνδεδεμένο σε δέλτα.

Οι περιελίξεις όλων των φάσεων σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας θα εκτεθούν σε υπέρταση (1,8 — 1,9) Uo. Εάν ένα κύμα κύματος έρχεται ταυτόχρονα μέσω δύο ή τριών συρμάτων, τότε στη μέση της περιέλιξης, στην οποία προέρχονται τα κύματα και από τις δύο πλευρές, ενδέχεται να εμφανιστούν διακυμάνσεις τάσης με πλάτος που είναι επικίνδυνες για τη λειτουργία του μετασχηματιστή.

Προστασία από υπερτάσεις μετασχηματιστή

Οι πιο επικίνδυνες υπερτάσεις της κύριας μόνωσης των περιελίξεων μπορούν να συμβούν στην περίπτωση ταυτόχρονης άφιξης κυμάτων μέσω τριών συρμάτων στον μετασχηματιστή με σύνδεση δέλτα (στο μέσο της περιέλιξης) ή αστέρι με απομονωμένο ουδέτερο (σχεδόν ουδέτερο) . Σε αυτή την περίπτωση, τα πλάτη των υπερτάσεων που προκύπτουν πλησιάζουν το διπλάσιο της τάσης της εξόδου ή το τετραπλάσιο του πλάτους του κύματος εισόδου. Επικίνδυνες υπερτάσεις μόνωσης από στροφή σε στροφή μπορεί να εμφανιστούν σε όλες τις περιπτώσεις όταν ένα κύμα με απότομο μέτωπο φτάνει στον μετασχηματιστή, ανεξάρτητα από το σχήμα σύνδεσης των περιελίξεων του μετασχηματιστή.

Έτσι, για όλους τους μετασχηματιστές σε περίπτωση υπερτάσεων και κατανομής τους κατά μήκος των περιελίξεων, για να εκτιμηθεί το μέγεθός τους, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη οι χωρητικότητες στα ισοδύναμα κυκλώματα των μετασχηματιστών (και όχι μόνο η αυτεπαγωγή). Η ακρίβεια των τιμών υπέρτασης που λαμβάνονται εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ακρίβεια της μέτρησης της χωρητικότητας.

Προκειμένου να αποφευχθούν υπερτάσεις στο σχεδιασμό των μετασχηματιστών, παρέχεται:

• μια πρόσθετη οθόνη που κατανέμει το ρεύμα φόρτισης, επομένως, μειώνονται οι υπερτάσεις.Επίσης, η οθόνη μειώνει την ένταση του πεδίου σε ορισμένα σημεία στην περιέλιξη του μετασχηματιστή,

• ενίσχυση της μόνωσης των περιελίξεων σε ορισμένα μέρη του (εποικοδομητική αντικατάσταση των περιελίξεων του μετασχηματιστή),

• εγκατάσταση απαγωγέων μπροστά από τον μετασχηματιστή και μετά από αυτόν — έναντι εξωτερικών και εσωτερικών υπερτάσεων, καθώς και απαγωγέα στο ουδέτερο του μετασχηματιστή.