 |
|
Импульсные процессы в обмотках трансформаторов
Процесс падения волны перенапряжения с линии на обмотку транс-
форматора выглядит значительно сложнее, чем это описано в предыдущем
разделе, поскольку катушка трансформатора не может быть представлена
индуктивным элементом на схеме замещения. Наблюдаемые в эксплуата-
ции повреждения изоляции (в частности, повреждения витковой изоляции
вблизи линейного ввода) могут быть объяснены на основе анализа процес-
сов в обмотках трансформаторов как в длинных линиях в соответствии со
схемой замещения рис. 14.4.
i
R0 dx
L0 dx
i+di
u
C0 dx
K0 / dx
G0 dx
dx
u+du
Рис. 14.4. Схема замещения обмотки трансформатора
В этой схеме K0 – емкость между соседними витками на единицу
длины, Ф*м, C0 – емкость между витками и сердечником на единицу дли-
ны, Ф/м. Волновое сопротивление такой линии в несколько раз больше,
чем для воздушной линии, поэтому выводы предыдущего раздела об уд-
воении падающей волны на обмотке трансформатора остаются верными.
Рассмотрение волнового процесса будет проведено для простейшего слу-
чая прямоугольнойволнынапряжения с амплитудой U0=2uп .
Вначальныймоментвремени (но после удвоения напряжения па-
дающей волны на входе обмотки, которое происходит очень быстро, за
время порядка 0.1 мкс) можно рассмотреть упрощенную схему замещения
рис. 14.5, в которой на месте индуктивных элементов в соответствии с за-
конами коммутации имеются разрывы, а все распределение напряжения
определяется емкостными элементами.
u
C0 dx
K0 /dx
u+du
C0 dx
K0 / dx
C0 dx
K0 / dx
C0 dx
Рис. 14.5. Схема замещения для начального момента времени
Схема замещения рис. 14.5 для случаев изолированной нейтрали или
заземленной нейтрали различается только небольшим емкостным элемен-
том в конце цепочечной схемы, который закорочен в случае заземленной
нейтрали, или на котором есть напряжение при изолированной нейтрали.
Ввиду малой длины этого элемента dx его влияние на распределение на-
пряжения в оставшейся части схемы ничтожно, поэтому распределение
напряжения по обмотке для разных случаев состояния нейтрали различает-
ся только наличием небольшого напряжения на изолированной нейтрали.
Распределение напряжения на цепочечной схеме рис. 14.5 нелиней-
но, поскольку при переходе от начала схемы к концу растет величина
входной емкости оставшейся части схемы и уменьшается коэффициент де-
ления емкостного делителя в текущей точке. Анализ переходного процесса
включения схемы рис. 14.5 под постоянное напряжение U0приводит к сле-
дующим выражениям для напряжения по отношению к корпусу (баку), то
есть для напряжения на главной изоляции трансформатора:
shá (l − x)
u( x) |t=0=
( ,0) =
u x
chá
U0
−
)
shá l
для заземленной нейтрали,
C
( ,0) =
u x
U0
(l x
chá l
для изолированной нейтрали, á =
K0
.
Если á l << 1, то распределение равномерное, чем больше á , тем не-
равномернее распределение. Напряжениенавитковойизоляции опреде-
ляется производной ∂u,и максимум этого производной расположен у на-
чала обмотки:
( ,0)
∂ x
á chá
−
)
∂u
∂u x
∂ x
нейтрали,
( ,0)
∂u x
= −U0
(l x
shá l
á shá (l − x)
,
∂ x
∂u
x=0
= −U0á cthá l
0á thá
для заземленной
∂ x
нейтрали.
= −U0
chá l
,
∂ x
x=0
= −U
l
для изолированной
Окончаниепереходногопроцесса включения цепочки рис. 14.4 под
постоянное напряжение определяется резистивными элементами, индук-
тивные элементы при этом представляют собой просто закоротки. При за-
земленной нейтрали это приводит к линейному снижению напряжения при
переходе к концу обмотки; при изолированной нейтрали напряжение на
всей обмотке одно и то же (рис. 14.6).
Аккуратный анализ процесса дляпромежуточныхмоментов вре-
мени показывает, что происходят колебания напряжения на главной изо-
ляции обмотки, причем максимум напряжения может достигать примерно
2U0, и этот максимум лежит недалеко от ввода для заземленной нейтрали
или на конце обмотки при изолированной нейтрали. Максимум напряже-
ния на витковой изоляции по-прежнему сохраняется на первых витках
вблизи линейного ввода трансформатора. Перенапряжения на витковой и
главной изоляции заметно снижаются при снижении крутизны фронта им-
пульса перенапряжения.
а)
u
U0
t=oo
t=0
0<t<oo
l
x
б)
u
U0
t=0
0<t<oo
t=oo
≈2U0
l
x
Рис. 14.6. Распределение напряжения на главной изоляции при заземлен-
ной нейтрали (а) и на изолированной нейтрали (б)
Усиление изоляции первых витков путем увеличения толщины вит-
ковой изоляции приводит к снижению продольной емкости K0с увеличе-
нием напряжения на этих витках. С целью усиления витковой изоляции
применяют емкостное выравнивание потенциалов между витками начала
обмотки с помощью экранов – проводящих незамкнутых колец, соединен-
ных с первым витком, что увеличивает емкость K0для первых витков и
снижает витковое напряжение.
РЕЗЮМЕ
К длинным линиям относят электрические цепи, в которых необхо-
димо учитывать запаздывание в распространении электромагнитного поля.
К цепям с распределенными параметрами относят цепи, в которых необхо-
димо заниматься распределением напряжений и токов внутри отдельных
элементов цепи.
Прямое применение законов Кирхгофа для анализа процессов в
длинных линиях невозможно из-за того, что в них не учитывается запаз-
дывание в распространении электромагнитного поля. Применение законов
Кирхгофа к коротким отрезкам длинных линий приводит к дифференци-
альным уравнениям, называемым телеграфными уравнениями.
В длинной линии распространяются падающие и отраженные волны
напряжений. Грозовые перенапряжения полностью относятся к таким ти-
пам волн.
На конце линии возможно удвоение падающей волны напряжения, а
в обмотках трансформаторов на главной изоляции также возможны усло-
вия удвоения перенапряжений. Импульсные перенапряжения больше по
величине на витках, расположенных вблизи проходного изолятора, с кото-
рого приходит волна перенапряжения.
Контрольные вопросы
1. Что означают понятия «длинная линия», «цепь с распределенны-
ми параметрами»?
2. Выведите телеграфные уравнения двухпроводной линии и пока-
жите их решение для линии без потерь.
3. Покажите, как происходит падение волны перенапряжения на ре-
зистивную, емкостную и индуктивную нагрузки.
4. Представьте анализ процессов, происходящих в обмотке транс-
форматора при воздействии волны грозового перенапряжения.