Přepětí ve vinutí transformátoru

Dimenzování a konstrukční výběr izolace transformátoru je nemožný bez určení namáhání působících na různé úseky izolace transformátoru během provozu a zkoušek určených k zajištění spolehlivého provozu transformátoru.

V tomto případě jsou často rozhodující napětí působící na izolaci transformátoru, když na jeho vstup udeří rázové vlny blesku. Tato napětí, nazývaná také impulsní napětí, téměř ve všech případech určují volbu izolace podélného vinutí a v mnoha případech izolace hlavního vinutí, izolace spínacího zařízení atd.

Využití výpočetní techniky při stanovení přepětí umožňuje přejít od kvalitativního zohlednění impulsních procesů ve vinutí k přímým výpočtům přepětí a zavádění jejich výsledků do projekční praxe.

Pro výpočet přepětí jsou vinutí transformátoru reprezentována ekvivalentním obvodem, který reprodukuje indukční a kapacitní spojení mezi prvky vinutí (obrázek 1).Všechny ekvivalentní obvody berou v úvahu kapacitu mezi závity a mezi vinutími.

Obrázek 1. Ekvivalentní obvod transformátoru: UOV — dopadající vlna ve vinutí vysokého napětí, UOH — dopadající vlna ve vinutí nízkého napětí, SV a CH — kapacity mezi závity vinutí vysokého a nízkého napětí, SVN — kapacita mezi vinutí s vysokým a nízkým napětím.

Vlnové procesy v transformátorech

Transformátor bude považován za indukční prvek, přičemž se vezme v úvahu mezizávitová kapacita, kapacity mezi stíněním a indukčností a mezi indukčností a zemí (obrázek 2a).

Pro výpočet přepětí se používají následující vzorce:

kde: t je doba po příchodu vlny do transformátoru, T je časová konstanta přepětí, ZEKV je ekvivalentní odpor obvodu, Z2 je odpor vedení, Uo je přepětí v počátečním čase

Obrázek 2. Šíření napěťové vlny po vinutí transformátoru s uzemněným neutrálem: a) schéma, b) závislost napěťové vlny na délce vinutí u jednofázového transformátoru s uzemněnou svorkou: Uo — Obr. vlna poklesu napětí, ∆Ce — kapacita mezi cívkou a stíněním, ∆Ck — vlastní kapacita mezi závity, ∆С3 — kapacita mezi cívkou a zemí, ∆Lк — indukčnost vrstev cívky.

Protože v ekvivalentním obvodu je jak indukčnost, tak kapacita, vzniká oscilující LC obvod (kolísání napětí je znázorněno na obrázku 2b).

Amplituda kmitů je 1,3 — 1,4 amplitudy dopadající vlny, tzn.Uпep = (1,3-1,4) Uo a největší hodnota přepětí nastane na konci první třetiny vinutí, proto má v konstrukci transformátoru 1/3 vinutí zesílenou izolaci oproti zbytku .

Aby se zabránilo přepětí, musí být kompenzován nabíjecí proud kondenzátorů vůči zemi. Za tímto účelem je v obvodu instalována přídavná clona (stínění). Při použití stínění se kapacity vinutí vůči stínění budou rovnat kapacitě závitů vůči zemi, tzn. ∆CE = ∆C3.

Stínění se provádí v transformátorech s třídou napětí UH = 110 kV a vyšší. Stínění je obvykle instalováno v blízkosti skříně transformátoru.

Jednofázové transformátory s izolovaným neutrálem

Přítomnost izolovaného neutrálu znamená, že mezi zemí a vinutím je kapacita Co, tj. kapacita je přidána k ekvivalentnímu obvodu zemnícího terminálu transformátoru, ale stínění je odstraněno (obrázek 3a).

Obrázek 3. Šíření napěťové vlny po vinutí transformátoru s izolovaným neutrálem: a) schéma náhradního transformátoru, b) závislost napětí dopadající vlny na délce vinutí.

S tímto ekvivalentním obvodem je také vytvořen oscilační obvod. Vzhledem ke kapacitě Co však existuje oscilační LC obvod se sériovým zapojením indukčnosti a kapacity. V tomto případě se při značné kapacitě Co objeví nejvyšší napětí na konci vinutí (přepětí může dosáhnout hodnot až 2Uo). Charakter změny napětí na cívce je znázorněn na obrázku 3b.

Pro snížení amplitudy přepěťových kmitů ve vinutí transformátoru s izolovaným neutrálem je nutné snížit kapacitu výstupu C vůči zemi nebo zvýšit vlastní kapacitu cívek. Obvykle se používá druhá metoda. Pro zvýšení vlastní kapacity ∆Ck mezi cívkami vysokonapěťového vinutí jsou v obvodu zahrnuty speciální kondenzátorové desky (kroužky).

Vlnové procesy v třífázových transformátorech

U třífázových transformátorů je povaha procesu šíření dopadající vlny podél vinutí a velikost přepětí ovlivněna:

a) schéma zapojení cívky,

b) počet fází, do kterých rázová vlna dorazí.

Třífázový transformátor s vysokonapěťovým vinutím, hvězdicově spojený s pevně uzemněným neutrálem

Nechte dopadající rázovou vlnu vstoupit do jedné fáze transformátoru (obrázek 4).

Procesy šíření přepěťových vln podél vinutí v tomto případě budou obdobné jako procesy v jednofázovém transformátoru s uzemněným neutrálem (v každé z fází bude nejvyšší napětí v 1/3 vinutí), přičemž nezávisí na tom, kolik fází dosáhne rázové vlny. Tyto. hodnota přepětí v této části cívky je rovna Upep = (1,3-1,4) Uo

Obrázek 4. Ekvivalentní zapojení třífázového transformátoru s vysokonapěťovým vinutím zapojeným do hvězdy s neutrální uzemněnou sítí. Nárazová vlna přichází v jedné fázi.

Třífázový vysokonapěťový transformátor zapojený do hvězdy s izolovaným neutrálem

Nechte rázovou vlnu přijít v jedné fázi.Ekvivalentní obvod transformátoru, stejně jako šíření dopadající vlny ve vinutí transformátoru, je na obrázku 5. Obr.

Obrázek 5. Ekvivalentní zapojení třífázového transformátoru s hvězdicovým vysokonapěťovým vinutím (a) a závislostí U = f (x) pro případ, kdy vlna přichází v jedné fázi (b).

V tomto případě se objeví dvě samostatné oscilační zóny. Ve fázi A bude jeden oscilační rozsah a podmínky, za kterých k nim dochází, a ve fázích B a C bude další oscilační smyčka, rozsah oscilací bude také v obou případech jiný. Největší přepětí bude na vinutí přijímajícím dopadající rázovou vlnu. V nulovém bodě jsou možná přepětí do 2/3 Uo (v normálním režimu v tuto chvíli U = 0, proto jsou pro něj nejnebezpečnější přepětí vzhledem k provoznímu napětí Uprovoz, protože U0 >> Uprovoz).

Nechte rázovou vlnu projít dvěma fázemi A a B. Ekvivalentní obvod transformátoru i šíření dopadající vlny ve vinutí transformátoru je na obrázku 6. Obr.

Obrázek 6. Ekvivalentní zapojení třífázového transformátoru s hvězdicovým vysokonapěťovým vinutím (a) a závislostí U = f (x) pro případ, kdy vlna přichází ve dvou fázích.

Ve vinutích fází, do kterých vlna přichází, bude napětí (1,3 — 1,4) Uo. Neutrální napětí je 4/3 Uo. Pro ochranu před přepětím je v tomto případě k neutrálu transformátoru připojen svodič.

Nárazová vlna nechť přichází ve třech fázích Ekvivalentní obvod transformátoru a také šíření dopadající vlny ve vinutí transformátoru je na obrázku 7. Obr.

Obrázek 7.Ekvivalentní zapojení třífázového transformátoru s hvězdicovým vysokonapěťovým vinutím (a) a závislostí U = f (x) pro případ, kdy vlna přichází ve třech fázích.

Procesy šíření přepěťové poklesové vlny v každé z fází třífázového transformátoru budou podobné procesům v jednofázovém transformátoru s izolovaným výstupem. Nejvyšší napětí v tomto režimu bude v neutrálu a bude 2U0. Tento případ přepětí transformátoru je nejzávažnější.

Třífázový vysokonapěťový transformátor s trojúhelníkovým vinutím

Nechte rázovou vlnu procházet jednou fází A třífázového vysokonapěťového transformátoru zapojeného do trojúhelníku, ostatní dvě fáze (B a C) jsou považovány za uzemněné (obrázek 8).

Obrázek 8. Ekvivalentní zapojení třífázového transformátoru s vysokonapěťovým vinutím zapojeným do delta (a) a závislostí U = f (x) pro případ, kdy vlna přichází v jedné fázi.

Vinutí AC a BC budou vystavena přepětí (1,3 — 1,4) Uo. Tato přepětí nejsou pro provoz transformátoru nebezpečná.

Nechte přepěťovou vlnu přijít ve dvou fázích (A a B), vysvětlující grafy jsou na obrázku 9. V tomto režimu bude šíření přepěťových vln ve vinutích AB a BC podobné procesům v odpovídajících vinutích a trojfázový uzemněný terminál transformátoru. Tyto. v těchto vinutích bude hodnota přepětí (1,3 — 1,4) Uo a ve střídavém vinutí dosáhne hodnoty (1,8 — 1,9) Uo.

Obrázek 9. Závislost U = f (x) pro případ, kdy přepěťová vlna prochází dvěma fázemi třífázového transformátoru s vysokonapěťovým vinutím zapojeným do trojúhelníku.

Nechejte rázové vlny procházet všemi třemi fázemi třífázového transformátoru s vysokonapěťovým vinutím zapojeným do trojúhelníku.

Vinutí všech fází v tomto režimu bude vystaveno přepětí (1,8 — 1,9) Uo. Přichází-li nárazová vlna současně přes dva nebo tři vodiče, pak uprostřed vinutí, ke kterému vlny přicházejí z obou stran, mohou nastat výkyvy napětí s amplitudou, které jsou nebezpečné pro provoz transformátoru.

Přepěťová ochrana transformátoru

K nejnebezpečnějším přepětím hlavní izolace vinutí může dojít v případě současného příchodu vln třemi vodiči do transformátoru s trojúhelníkovým zapojením (uprostřed vinutí) nebo hvězdou s izolovaným neutrálem (téměř neutrálním) . V tomto případě se amplitudy výsledných přepětí blíží dvojnásobku napětí na výstupu nebo čtyřnásobku amplitudy vstupní vlny. Nebezpečná otočná izolační přepětí se mohou objevit ve všech případech, kdy k transformátoru dorazí vlna se strmým čelem, bez ohledu na schéma zapojení vinutí transformátoru.

U všech transformátorů v případě přepětí a jejich rozložení po vinutí je tedy pro odhad jejich velikosti nutné vzít v úvahu kapacity v náhradních obvodech transformátorů (a nejen indukčnost). Přesnost získaných hodnot přepětí závisí do značné míry na přesnosti měření kapacity.

Aby se zabránilo přepětí při konstrukci transformátorů, je poskytováno:

• přídavná obrazovka, která rozděluje nabíjecí proud, takže přepětí jsou snížena.Také stínění snižuje intenzitu pole v určitých bodech vinutí transformátoru,

• posílení izolace vinutí v určitých jeho částech (konstruktivní výměna vinutí transformátoru),

• instalace svodičů před transformátor a za ním — proti vnějším a vnitřním přepětím a také svodič v neutrálu transformátoru.