Файл: Пиотровский Л.М. Электрические машины учебник.pdf

Во всех этих случаях в месте аварии возникает электромагнитная волна и я, которая распространяется вдоль линии со скоростью, близ­ кой к скорости света, и, достигнув трансформатора 1, частью отража­ ется от него обратно в линию £/от, частью же проникает в трансформа­ тор и так или иначе распределяется вдоль его обмоток (рис. 16-4). Напряжение на трансформаторе будет І7тр. И в зависимости от свойств трансформатора могут возникнуть градиенты напряжений, опасные для целости изоляции обмотки. Самый опасный случай — это когда волна имеет форму, приближающуюся к прямоугольной. Действие такой волны воспринимается трансформатором как действие периоди­ ческой волны бесконечно большой частоты, так как при увеличении последней наклон синусоидальной кривой становится все круче и в пределе приближается к вертикали.

В этих условиях проявляются емкостные сопротивления транс­ форматора. До сих пор учитывались только индуктивные сопротивле­ ния xL — cab, в действительности существуют еще емкостные связи, упрощенная картина которых для одной какой-либо обмотки приво­ дится на рис. 16-5. Здесь Ск — емкость между двумя соседними ка­ тушками и Сэ — емкость катушки на землю.

Емкости Ск соединены последовательно, емкости С3 — парал­ лельно. Если пк — число катушек, то

одной эквивалентной (входной) емкостью Стр= ]/"С0§СОЛ, обусловли­ вающей емкостное сопротивление хс = 1/(2я/Стр). При нормальной частоте сопротивление хс настолько велико по сравнению с индуктив­

233

ным сопротивлением трансформатора xL — 2nfL, что ток идет прак­ тически только по обмотке, преодолевая сопротивление х l - Н о п о мере увеличения частоты соотношение между xL и Хс изменяется: xL уве­ личивается, а хс уменьшается. При f та оо сопротивление xL та оо, а хс та 0, т. е. в этих условиях ток течет только по емкостным связям, минуя обмотку. Процессы, которые возникают в трансформаторе при переходе от такого состояния к нормальному, зависят от того, зазем­ лена нулевая точка трансформатора или, наоборот, изолирована.

16-5. Переходный процесс в трансформаторе

Так как ток идет только по емкостным связям, то процесс распро­ странения волны в обмотке сводится к заряду системы конденсаторов, показанных на рис. 16-5. Исследования показывают, что время заряда в среднем не превышает 5 -ІО 8 сек, т. е. практически заряд происходит мгновенно.

дукатушечные емкости и нет емкостей на землю и 2) когда имеются только емкости на землю и нет междукатушечных емкостей.

В первом случае все междукатушечные емкости образуют цепь последовательно соединенных конденсаторов, по которым течет ток одной и той же величины. Так как предположено, что Сab = Св'с — = Ссо ит. д., то получается равномерное распределение напряжения по длине обмотки 10б от значения Ua на ее конце, присоединенном к линии, до нуля на заземленном конце обмотки (линия 1 на рис. 16-6,я). Такое же распределение напряжения существует в обмотке и при установившемся режиме, т. е. данное распределение напряже­ ния в начальный момент является наиболее благоприятным.

Во втором случае весь ток пройдет только через первый сверху конденсатор АО, к которому и будет подведено все напряжение линии и л (линия 2 на рис. 16-6,я). Физически это означает, что напряжение UПпадает целиком на первую катушку и, следовательно, во много раз превосходит нормальное. Такое распределение напряжения является

234

весьма неблагоприятным и может повести к повреждению изоляции этой катушки.

Действительное распределение напряжения находится между обоими предельными случаями и показано на рис. 16-6, а линией 3. Здесь на первый виток приходится уже не все напряжение Ua, а только его часть AU, но все же настолько значительная, что может произойти разрушение изоляции. Эта опасность особенно велика в трансформа­ торах повышенного и высокого напряжения. Поэтому первые, бли­ жайшие к линии, катушки трансформаторов на 35 кв и выше выпол­ няют с усиленной изоляцией.

Линия 3 дает распределение напряжения в обмотке в начальный момент времени t = 0. Но распределение напряжения при установив­ шемся режиме определяется линией 1. Так как трансформатор пред­ ставляет систему различным образом соединенных между собой ин­ дуктивностей и емкостей, образующих резонирующие контуры, то переход от начального распределения напряжения к установивше­ муся происходит в результате колебательного процесса.

Распределение напряжения в момент, следующий за начальным, дает линия 4 на рис. 16-6, а. Следует обратить внимание на то, что те­ перь наибольшее напряжение AU приходится на последний заземлен­ ный виток, т. е. опасность разрушения изоляции существует не только для первых (входных) витков обмотки, но и для последних. В дальнейшем колебания будут происходить в пределах, ограниченных линиями 3 и 4, постепенно затухая под действием активного сопро­ тивления. В целом процесс напоминает вибрацию струны, закреплен­ ной на концах.

Действительная картина распределения напряжения при перена­ пряжении значительно сложнее. В результате оказывается, что опас­ ность повреждения изоляции существует для любого витка обмотки.

Распределение напряжения в начальный момент в трансформаторе с изолированной нейтралью практически то же, что и в трансформа­ торе с заземленной нейтралью (линия 1, на рис. 16-6, б). Но при уста­ новившемся режиме все точки обмотки находятся под одним и тем же

щим случаем эти пределы гораздо шире, что составляет существенный недостаток систем с изолированной нейтралью.

16-6. Меры защиты трансформаторов от перенапряжений

Одной из таких мер является усиление изоляции входных кату­ шек. Но эта мера недостаточна, так как перенапряжения и, следова­ тельно, разрушение изоляции обмотки возможны в любой точке ее. Ранее было показано, что основной причиной, вызывающей эти пере­ напряжения, являются резонансные контуры трансформатора. Поэ­ тому такие трансформаторы называются резонирующими. Чтобы сделать трансформатор нерезонирующим, нужно устранить действие емкостей на землю С3, оставив только междукатушечные емкости Ск (рис. 16-5). В этом случае (§ 165) распределение напряжений в транс­

235

форматоре с заземленной нейтралью в начальный момент и при уста­ новившемся режиме совпадает. Это значит, что переходи установивше­ муся режиму происходит без колебаний напряжения или, во всяком случае, с ограничением последних.

Устранить емкости на землю нельзя, но их можно компенсировать. Для этой цели можно устроить особого рода экраны или щиты, нахо­ дящиеся под напряжением линии и изолированные от обмотки. В СССР применяется более простая система с частичной емкостной защитой каждого конца обмотки. В схематическом виде защита одного из концов обмотки показана на рис. 16-7. Защитные приспо­

собления состоят из: катушки І, имеющей усиленную изоля­ цию толщиной 3,5—5 мм на сто­ рону, катушки 2 тоже с усилен­ ной изоляцией и емкостным экраном 4 и четырех катушек 3, имеющих нормальную изоля­ цию витков и защищенных каждая емкостным экраном. Емкостные экраны выполняются

они защищают, и присоединяются к линейному концу обмотки, т. е. имеют потенциал линии. Необходимая величина защитной емкости определяется расстоянием между катушкой и экраном. Контур 4 должен быть разомкнут, чтобы избежать появления в нем тока.

В современных мощных трансформаторах в дополнение к емкост­ ным экранам 4 применяют еще емкостные кольца, располагаемые с обоих концов обмотки. Емкостное кольцо 1 может быть выполнено из электрокартона и представляет собой шайбу толщиной 8—10 мм, обмотанную медной лентой с наложенной поверх нее изоляцией 2 (рис. 16-8). Емкостное кольцо должно быть электрически разомкну­ тым и присоединенным к вводу 3.

Для компенсации емкости на землю применяют также обмотку из ряда слоев, емкость между которыми значительно превосходит емкость на землю.

Трансформаторы, защищенные от перенапряжений, часто назы­ ваются грозоупорными, поскольку грозы являются источником наи­ более опасных перенапряжений.

236