Воздействиям атмосферных перенапряжений особенно сильно подвергаются трансформаторы, связанные с воздушными сетями. Таковыми большей частью являются крупные высоковольтные трансформаторы и трансформаторы меньших мощностей напряжением 10 и 35 кв.
Воздействие импульсных перенапряжений на изоляцию определяется как величиной их амплитуды, так и формой волны, т. е. изменением ее во времени и общей длительностью.
Действие волны импульса, кроме ее амплитуды, сильно зависит так же от крутизны ее фронта (т. е. участка подъема напряжения: чем круче фронт, тем действие волны сильнее). Поэтому при импульсных испытаниях заданная длительность фронта волны должна быть выдержана.
Формы волн импульсов атмосферных перенапряжений чрезвычайно разнообразны.
Для испытаний на импульсную прочность приняты (стандартизованы) две формы волны — полная и срезанная, как наиболее характерные из встречающихся в практике эксплуатации трансформаторов.
Форма полной волны приведена на рис. 13.3: τф = 1,5±0,2 мксек — длина фронта волны; τв = 40±4 мксек — общая длина волны; UB — амплитуда импульса напряжения.
Срез волны происходит, например, на подвесных гирляндах, на выводах и т. п. Форма срезанной волны приведена на рис. 13.4. Срезанная волна опасна для продольной изоляции обмотки из-за большой общей амплитуды U.
Рис. 13.3. Стандартная полная волна импульса 1,5/40 мксек
Рис. 13. 4. Стандартная срезанная волна импульса τр=2—3 мксек (предразрядное время)
Получение электрически прочной изоляции, противостоящей импульсным воздействиям путем простого увеличения изоляционных расстояний, вызвало бы значительное увеличение типовой мощности трансформатора и, следовательно, обошлось бы слишком дорого. В связи с этим возникает задача разработки наиболее рациональной конструкции изоляции, обеспечивающей достаточную электрическую
прочность последней, не слишком увеличивая размеры трансформатора. Для этого необходимо выяснить те явления, которые происходят в обмотке при падении на нее волны перенапряжения. Как показывают исследования, эти явления очень сложны. В упрощенном виде они могут быть представлены следующим образом.
Предположим, что к линейному вводу обмотки ВН трансформатора вследствие каких-либо причин пришла волна импульса с крутым фронтом. Практика показывает, что целость трансформатора в сильной степени зависит от того, насколько равномерно амплитуда импульса распределится по продольной изоляции обмотки. Прочность изоляции будет тем выше, чем равномерней распределится напряжение на обмотке, так как изоляция ее при этом становится равнопрочной.
Однако в дисковых непрерывных обмотках, обычно применяемых в крупных трансформаторах, в первый момент падения волны импульса напряжение распределяется неравномерно, и это создает большие трудности в осуществлении изоляции, стойкой против импульсных воздействий.
Ввиду большой крутизны фронта волны его можно представить на графике как часть синусоиды напряжения высокой частоты (рис. 13.5).
При высокой частоте ввиду быстрых изменений величины напряжения решающую роль в первоначальном распределении напряжении
Рис. 13.5. Крутой фронт волны как часть синусоида высокой частоты
я играют емкости, имеющиеся в обмотке. Индуктивности катушек обмотки для первоначального распределения значения иметь не могут ввиду сильного возрастания индуктивного сопротивления при высокой частоте (X = ωL). При этих условиях в схеме замещения непрерывной обмотки ВН современного крупного трансформатора каждую дисковую катушку упрощенно можно представить как обкладку конденсатора с емкостью С3 на землю и емкостью Ск на соседнюю катушку (фактически сама катушка имеет собственные внутренние емкости, и поэтому
представление ее в виде обкладки конденсатора может быть принято как
некоторое допущение).
Обмотку НН ввиду ее близости к стержню и сравнительно большой емкости на землю практически можно считать заземленной (рис. 13.6, а).
Таким образом, в первый момент падения волны импульса эквивалентная схема или схема замещения обмотки ВН будет иметь вид емкостной цепочки (рис. 13.6, б).
В данной схеме рассматривается случай заземленной нейтрали, как это обычно применяется в СССР, для сетей 110 кв и выше.
Для простоты рассуждения будем считать все катушки одинаковыми.
При этом емкости Ск между катушками будут также одинаковы и емкости С3 катушек на землю будут равны между собой. Начнем рассмотрение от последней катушки у заземленного конца X. Предположим, что через последний (нижний по схеме) конденсатор Ск течет какой-то ток I. Тогда в предпоследнем конденсаторе ток будет i+i1
Рис. 13.6. Схема замещения непрерывной обмоткн ВН
где i1 — ток, ответвившийся в последний конденсатор С3. В следующем, третьем снизу, конденсаторе Ск ток будет уже равен i+i1+i2, где i2 — ток в предпоследнем конденсаторе С3. Причем надо заметить, что поскольку напряжение на верхних конденсаторах выше, то i1<i2<i3 и т. д. Таким образом, рассуждая далее аналогичным образом, найдем, что по мере продвижения вверх токи между катушками будут увеличиваться. Следовательно, через верхний конденсатор Ск потечет наибольший ток.
Так как емкостные сопротивления между катушками одинаковы, то на основании закона Ома получим, что падение напряжения на той или иной катушке будет тем больше, чем выше она расположена. В результате получается неравномерное распределение напряжения по высоте обмотки. По этой причине катушки, расположенные ближе к линейному вводу (так называемые входные катушки), должны быть лучше изолированы, так как на них приходится относительно большее напряжение.
Построим график первоначального распределения (слово напряжение обычно опускается) по обмотке для идеальной волны импульса, т. е. при tф=0. По оси ординат отложим амплитуду волны UИ, а по оси абсцисс — общую высоту обмотки (рис. 13.7)
Рис. 13.7. График первоначального распределения
Если бы напряжение распределилось равномерно (идеальный случай), то график был бы изображен прямой ВХ. Но благодаря рассмотренному выше распределению токов по цепочке емкостей напряжение распределится по некоторой кривой, называемой кривой первоначального распределения. Эта кривая наглядно показывает, что верхние катушки испытывают значительно большие воздействия импульсов, чем это было бы при равномерном распределении. Причем степень неравномерности распределения зависит от величины некоторого коэффициента распределения
Чем меньше а, тем ближе кривая приближается к прямой конечного распределения (а = 0). В обычных конструкциях α=5÷15.
Ввиду большой опасности, которую представляют перенапряжения для обмоток трансформаторов, приводящие к разрушениям последних, возникла необходимость специальной защиты трансформатора, т. е. создания так называемых грозоупорных конструкций.
При разработке конструкций грозоупорных трансформаторов в значительной степени пользуются данными опытов, полученных при испытании моделей или аналогичных конструкций путем обмеров, импульсных испытаний и т. д. Расчет емкостной цепочки представляет большие трудности из-за неточного определения емкостей С3 и Ск и индуктивности L. Расчет усложняется еще тем, что витки и катушки обмоток распределены неравномерно. Поэтому все расчеты следует считать приближенными, нуждающимися в проверке опытом.
Для защиты трансформаторов от перенапряжений применяются внешние и внутренние способы защиты.
К внешним способам защиты относятся:
а)установка разного рода разрядников на линии, ограничивающих амплитуду волн перенапряжений;
б)установка заземленного защитного троса над проводами линии. Этот трос воспринимает прямые удары молнии и способствует ослаблению фронта волны импульса вблизи трансформатора.
Однако одних внешних способов защиты недостаточно, так как амплитуда волн, не задержанных внешней защитой, все же достаточно велика, и поэтому при определенных условиях необходимо применение также и внутренней защиты.
Внутренняя защита может быть основана на двух принципах: усиление изоляции входных катушек и искусственное уменьшение неравномерности первоначального распределения.
Наиболее простой из этих принципов заключается в усилении изоляции входных витков и катушек, особенно сильно подвергающихся воздействию волн импульсов. Однако в существующих сериях трансформаторов отечественного производства применение одного этого способа достаточно лишь для напряжений классов до 35 кв. При более высоких напряжениях — 110 га и выше получается весьма значительное увеличение размеров трансформатора, еще более увеличивающееся от получающегося неравномерного распределения ампер-витков обмотки по ее высоте (в зоне входных катушек), что делает этот способ неэффективным.
Более правильным, хотя и более сложным, является второй принцип внутренней защиты, называемый емкостной защитой, или емкостной компенсацией. При этой защите тем или иным способом компенсируют (нейтрализуют) вредные емкости С3 катушек на землю и тем самым уменьшают неравномерность первоначального распределения напряжения.
У трансформатора с емкостной компенсацией градиенты (напряжения, приходящиеся на каждую катушку) по высоте обмотки распределены более или менее равномерно, что существенно улучшает условия работы изоляции. Такие трансформаторы называются нерезонирующими, у которых переходный колебательный процесс от первоначального к конечному распределению почти или полностью отсутствует.
В последнее время для обмоток ВН 110 кв и выше большое распространение получила так называемая петлевая обмотка. У этой обмотки витки переплетены в каждой двойной катушке, благодаря чему значительно увеличивается продольная емкость обмотки и выравнивается первоначальное распределение.
