Содержание  Главная (библиотека)
Предыдущий § Следущий

2-20. Переходные процессы в трансформаторах

В предыдущих параграфах рассматривались установившиеся режимы работы трансформаторов, когда значения амплитуд токов, напряжений, э. д. с. и потоков длительно остаются неизменными.

Переходные процессы получаются при переходе от одного установившегося режима работы к другому. Такой переход не совершается мгновенно, так как энергия магнитных и электрических полей, связанных с цепями, различна при различных установившихся режимах, а для конечного изменения энергии полей необходимо некоторое время. Изменение энергии полей сопровождается возникновением так называемых свободных полей и соответствующих им токов и напряжений, накладывающихся на токи и напряжения установившегося режима.

При переходных процессах результирующие токи, а также напряжения на отдельных частях обмоток могут значительно превышать те же величины при установившихся режимах, что необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации трансформаторов и электрических машин.

а) Включение трансформатора. Будем рассматривать переходный процесс при включении не-

нагруженного трансформатора. Для этого случая можем написать:

где Ф — полный поток, сцепляющийся со всеми витками первичной обмотки, a ψ — угол, определяющий мгновенное значение напряжения в момент включения трансформатора (при t=0). Так как в трансформаторе со стальным сердечником поток Ф и ток i₁ связаны сложной зависимостью, то приходится искать приближенное решение.

Можем заменить:

Второй член левой части количественно в обычных случаях значительно меньше, чем первый член; поэтому примем, что L₁ не зависит от потока и представляет собой постоянную величину. Тогда получаем уравнение с постоянными коэффициентами, которое решается обычным способом. Его решение состоит из двух слагаемых:

Ф = Ф' + Ф", (2-172)

где Ф' — мгновенное значение установившегося потока, а Ф"— мгновенное значение свободного потока.

Установившийся поток

Рис. 2-69. Изменение потока при наихудших условиях включения трансформатора.

Постоянная интегрирования С находится из начальных условий. Рассмотрим случай, когда в момент включения в сердечнике трансформатора имел место поток остаточного магнетизма ±Ф_ост. Тогда при t = 0 согласно (2-172) и (2-173)

Найдя кривую изменения потока, можно при помощи кривой намагничивания трансформатора (рис. 2-70) построить кривую намагничивающего тока. Мы видим, что при наиболее неблагоприятном случае ток холостого хода достигает весьма большого значения, в десятки раз превышающего максимальное значение установившегося тока холостого хода. Такой «бросок тока» следует иметь в виду, например, при опыте холостого хода: токовые цепи прецизионных измерительных приборов во избежание поломки стрелок нужно до включения трансформатора шунтировать.

Приведенное решение, как отмечалось, является приближенным, так как не были учтены поле рассеяния, действие вихревых токов и непостоянство L₁. Однако опыт подтверждает, что броски тока при включении трансформатора достигают указанных значений.

Задача определения тока для переходного процесса достаточно точно решается при пренебрежении током холостого хода. Мы в этом случае в дифференциальных уравнениях напряжений обмоток

Рис. 2-70. К определению "броска тока" при включении по кривой намагничивания трансформатора.

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

Такие токи в обмотках трансформатора создают очень большие электромагнитные силы, опасные в отношении механической прочности обмоток. При конструировании обмоток их необходимо принимать во внимание, особенно в случае мощных трансформаторов, где эти силы на единицу длины обмотки иногда получаются настолько большими, что приходится для таких трансформаторов брать повышенные значения и_к, чтобы уменьшить ток короткого замыкания. Кроме того, следует по возможности выполнять трансформаторы с обмотками одинаковой высоты. Если высоты обмоток неодинаковы, то возникают большие аксиальные силы, которые могут привести к разрушению изоляции с последующим пробоем ее.

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. Здесь время подъема напряжения от нуля до максимума, достигающего пяти-шестикратного значения амплитуды фазного напряжения, измеряется иногда десятыми долями микросекун-

ны. 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. Распределение напряжения вдоль обмотки получается неравномерным (кривая а на рис. 2-72,6), 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

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

Рис. 2-73. Частотная емкостная компенсация

катушечной обмотки (а); соответствующая

схема замещения (б).

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 лриходится 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 or 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 а применении добавочных емкостей, выполненных в виде особой формы

экранов, окружающих обмотку высшего напряжения (рис. 2-73,а). 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.

Содержание  Главная (библиотека)
Предыдущий § Следущий