Внезапное короткое замыкание трансформатора

Токи короткого замыкания. В § 14-5 был рассмотрен режим установившегося короткого замыкания на вторичных зажимах трансформатора. В условиях эксплуатации короткое замыкание обычно возникает внезапно в результате различных неисправностей в электрических сетях (электрический пробой или механическое повреждение изоляции, ошибочные действия персонала и т, д.). При этом в трансформаторе возникает резкий переходный процесс, сопровождаемый большими токами, которые могут вызвать опасность повреждения трансформатора. Рассмотрим процесс внезапного короткого замыкания на вторичных зажимах однофазного трансформатора (рис. 17-6 а), полагая при этом, что действующее значение первичного напряжения U_x остается неизменным. Особенности этого процесса характерны и для случая короткого замыкания на вторичных зажимах трехфазного трансформатора.

При установившемся коротком замыкании намагничивающий ток весьма мал по сравнению с полным током обмотки (см. § 14-5). Это же верно и для случая внезапного короткого замыкания. Кроме того, вследствие большой величины тока короткого замыкания падение напря- Рис. 17-6. Схема ко-жения в активном сопротивлении г_г и индук- роткого замыкания тивном сопротивлении рассеяния х_х первичной трансформатора обмотки велико. Действительно, обычно г_х яг z'_it и, согласно схеме рис. 14-6, при коротком замыкании I_xz_x да 0,5 Е_г, Поэтому э. д. с. Е_г и поток сердечника Ф почти в два раза меньше своих нормальных значений и сердечник трансформатора не насыщен. По этим причинам при внезапном коротком замыкании также можно пренебречь намагничивающим током и положить в основу расчета упрощенную схему замещения трансформатора (рис. 17-6, б). Параметры этой схемы

можно считать постоянными.

Согласно схеме рис. 17-6, б, процесс внезапного короткого замыкания на вторичных зажимах трансформатора описывается дифференциальным уравнением

Это уравнение совершенно аналогично уравнению (17-1), что вполне естественно, так Как оба эти уравнения в сущности соответ-

Ток короткого замыкания имеет индуктивный характер, и О <. Фк < 90°- Обычно нагрузка трансформатора также имеет индуктивный характер, и поэтому 0 < ср_нг < 90. При этих, условиях, как видно из выражения (17-26), предшествующая нагрузка вызывает уменьшение свободного апериодического тока, а тем самым и уменьшение пиковых значений тока короткого замыкания. Наоборот, при емкостном характере предшествующей нагрузки i[*₀ увеличивается. На практике емкостная нагрузка трансформаторов встречается редко, и поэтому обычно наиболее неблагоприятным является случай короткого замыкания на холостом ходу, описываемый равенством (17-28). Этот случай мы и будем иметь в виду в дальнейшем.

В зависимости от величины угла ф — ф_к кривая t_lK = f{t) имеет различный вид. Характерные случаи аналогичны представленным на рис. 17-2.

При ф —ф_к = ±я/2 свободный апериодический ток и пики тока имеют наибольшие значений (см. рис. 17-2, б). Полагая -ф — — Фк — —я/2, согласно выражению (17-28), имеем

Максимальное, или ударное, значение тока?_{1к уд} достигается приблизительно при at — и или через промежуток времени t = я/ю после начала короткого замыкания. При этом в соответствии с выражением (17-29)

Максимальное, или ударное, значение тока?_{1к уд} достигается приблизительно при at — и или через промежуток времени t = я/ю после начала короткого замыкания. При этом в соответствии с выражением (17-29)

называется ударным коэффициентом и показывает, во сколько раз ударный ток короткого замыкания больше амплитуды установившегося тока короткого замыкания. В зависимости от величины rJx_K этот коэффициент может изменяться в пределах &_уд = 1 -г- 2. Для мощных трансформаторов к_ул = 1,7 -*• 1,8, а для малых &_уд = 1,2 -г- 1,3, Например, у трансформатора мощностью 1000 кв >а напряжение короткого замыкания и его составляющие равны: и_к% = 6,5%, и_ка% = 1,5% и и_кг% = 6,32%, При этом

раза больше амплитуды номинального тока.

При внутренних коротких замыканиях в трансформаторе, когда вследствие повреждения изоляции накоротко замыкается часть витков обмотки трансформатора, кратность тока в поврежденной части обмотки еще больше, так как напряжение или э. д. с. этой части обмотки уменьшаются пропорционально числу витков в первой степени, а индуктивное сопротивление уменьшается пропорционально квадрату числа витков.

Действие токов короткого замыкания выражается в усиленном нагреве обмоток трансформатора и в возникновении значительных электромагнитных сил, действующих на об» мотки.

В современных электрических системах и сетях применяются быстродействующие релейные защиты или плавкие предохранители, и поврежденные участки сетей и поврежденное оборудование выключаются из сети в течение десятых долей секунды после начала короткого замыкания. Поэтому при внешних коротких замыканиях обмотки трансформаторов не успевают нагреваться до опасной температуры. Однако при внутренних коротких замыканиях проводники замкнутых витков обычно частично расплавляются и трансформатор сильно повреждается. На рис. 17-7 показана картина поля рассеяния трансформатора с концентрическими обмотками при внешнем коротком замыкании.

Из рассмотрения этой картины магнитного поля следует, что на обмотки действуют электромагнитные силы двоякого рода: 1) радиальные силы F_v, стремящиеся сжать внутреннюю обмотку и растянуть наружную обмотку в радиальном направлении; 2) аксиальные силы F_a, стремящиеся сжать обмотки в аксиальном направлении. При отключении части витков (например, при регулировании напряжения) характер распределения поля рассеяния меняется, что приводит также к изменению действующих электромагнитных сил. При этом заметным образом возрастают аксиальные силы.

Действующие на обмотку электромагнитные силы пропорциональны квадрату тока, и при коротких замыканиях они весьма велики, В связи с этим обеспечение необходимой надежности креп-

Рис. 17-7. Характер магнитного поля рассеяния и электромагнитные силы при коротком замыкании трансформатора

ления обмоток является одной из важных задач проектирования трансформаторов.

Ввиду сложного характера магнитных полей точный расчет действующих на обмотку электромагнитных сил представляет значительные трудности. Приближенные формулы для расчета этих сил приводятся в более обширных руководствах по электрическим машинам и трансформаторам и в пособиях по расчету и проектирований трансформаторов [3, 21, 23, 46].

§ 17-3. Перенапряжения в трансформаторе

Общие сведения о перенапряжениях. При работе электрических сетей в них возникают кратковременные импульсы напряжений, величины которых могут во много раз превышать нормальные рабочие напряжения. Такие импульсы напряжений называются перенапряжениями. Перенапряжения вызываются различными причинами: 1) коммутационными операциями (включение и выключение линий, трансформаторов и вращающихся электрических машин); 2) замыканиями на землю через электрическую дугу; 3) грозовыми разрядами непосредственно в линиях электропередачи или вблизи от них. В последнем случае высокое напряжение в проводах линии электропередачи индуктируется токами молнии. Наиболее опасными обычно являются атмосферные перенапряжения, вызываемые грозовыми разрядами. Амплитуды атмосферных перенапряжений достигают значений, измеряемых миллионами вольт.

Перенапряжения имеют характер кратковременных апериодических илл периодических импульсов или волн. Возникающие на каком-либо участке сети волны перенапряжения распространяются по воздушным линиям электропередачи со скоростью, близкой к скорости света, и достигают подстанций с установленным на них оборудованием, в том числе трансформаторов. Для защиты электрических сетей

и подстанций от перенапряжений устанавливаются разрядники, существенным элементом которых являются искровые промежутки. Одни полюсы искровых промежутков соединены с линией, а другие — с землей. При перенапряжениях искровой промежуток пробивается и электрический заряд волны перенапряжения отводится в землю. Однако волна перенапряжения при этом полностью не исчезает, так как величину искрового промежутка необходимо выбрать настолько большой, чтобы после отвода заряда волны перенапряжения в землю на искровом промежутке не возникла электрическая дуга под воздействием нормального рабочего напряжения сети.

Возникновению этой дуги способствует ионизация искрового промежутка под воздействием разряда волны перенапряжения. Поэтому разрядники обеспечивают снижение амплитуд волн перенапряжений до значений, которые все же в несколько раз превышают нормальное рабочее напряжение. Такие волны перенапряжений также достигают трансформаторов.

Характерная форма волны перенапряжения имеет вид показанного на рис. 17-8, а апериодического импульса. Начальный, быстро или круто поднимающийся участок Оа называется фронтом волны, а спадающий участок — хвостам волны. Длительность действия волны составляет обычно десятки микросекунд, а длительность фронта волны — несколько микросекунд или даже

Рис. 17-8. Апериодическая (а) и прямоугольная (б) волна перенапряжения

доли микросекунды. Таким образом, волну перенапряжения можно рассматривать как первую половину некоторого периодического напряжения, имеющего весьма большую частоту (f — 10000 -г- 50000 гц). При приближенном анализе вопроса волну с крутым фронтом Можно (рис. 17-8, а) заменить прямоугольной волной (рис. 17-8, б).

Схема замещения обмоток трансформатора при перенапряжениях. Между отдельными витками и катушками обмоток, а также между ними и заземленными частями трансформатора (сердечник, бак и т. д) существуют определенные емкости, которые шунтируют указанные элементы обмоток. Эти емкости столь малы, что соответствующие емкостные сопротивления

при рабочей частоте / = 50 гц весьма невелики и не оказывают какого-либо заметного влияния на работу трансформаторов. Поэтому выше, при рассмотрении

нормальных и аварийных пройессов, протекающих с нормальной частотой,. эти емкости во внимание не'принимались. Однако при действии волн перенапряжений, которые движутся и изменяются с большой скоростью или большой частотой, влияние-этих емкостей имеет первостепенное значение.

Схема замещения трансформатора при перенапряжениях, учитывающая все виды связи (кондуктивная, индуктивная, емкостная) между отдельными элементами обмо-РиС. 17-9. Упрощенная схема замещения (а) и ток и между ними и землей, емкостная цепочка (б) обмотки трансформатора является чрезвычайно сложной. По этой причине точный

анализ процессов, происходящих в трансформаторе при перенапряжениях, весьма труден. Поэтому мы ограничимся рассмотрением упрощенной схемы замещения обмотки трансформатора при волновых процессах (рис. 17-9, а), которая позволит выяснять основные, характерные особенности возникающих явлений. На рис. 1?-9, а индуктивности L представляют собой индуктивности элементов обмотки (витков и катушек), C'_d — емкости между этими элементами, или так называемые продольные емкости, а С^ — емкости между указанными

элементами и землей, или так называемые поперечные ем кости. Активные Сопротивления элементов обмотки на схеме рис. 17-9,а не учитываются. Таким образом, согласно рис. 17-9, а, обмотка представляется в виде однородной электрической цепи, полная продольная емкость которой

Заряд входной емкости. При подходе волны перенапряжения к зажимам трансформатора напряжение на них вследствие большой крутизны фронта волны

очень быстро возрастает. Скорость этого процесса настолько велика, что ток, создаваемый электрическим зарядом волны, из-за большой индуктивности обмотки сначала проходит не по виткам обмотки,, а по ее емкостной цепи (рис. 17-9, б). Поэтому в момент подхода волны трансформатор в целом действует как некоторая емкость С_вх, называемая входной емкостью.

Процесс заряда емкостей цепи обмотки (рис. 17-9,6) при подходе волны длится доли микросекунды. Этот процесс называется зарядом входной емкости, а устанавливающееся в результате его распределение потенциалов или напряжения вдбль цепи обмотки — начальным распределением напряжения. В.начале этого процесса (рис. 17-10) напряжение волны на зажимах трансформатора падает до нуля, а затем волна отражается и напряжение на зажимах возрастает до двукратного значения амплитуды волны U_А.

Начальное распределение напряжения. Как видно из рис. 17-9, б, при начальном заряде обмотки токи и электрические заряды распределяются по цепочке продольных емкостей неравномерно, так как по мере продви-жения от начала обмотки Л к ее концу X все больше тока и зарядов ответвляется через поперечные емкости на землю. Поэтому через ближайшие к началу обмотки А продольные емкости проходит большой ток и они несут большие электрические заряды, а по направлеб X

Рис. 17-10. Подход прямоугольной волны

напряжения к трансформатору (а) и заряд

емкости (б)

нию к концу обмотки X заряды продольных емкостей уменьшаются. В результате и падения напряжения на элементах продольных емкостей уменьшаются от начала обмотки Л к ее концу X. Вследствие этого начальное распределение напряжения вдоль обмотки получается неравномерным.

Можно показать {2], что в случае заземления конца обмотки распределение напряжения относительно земли вдоль обмотки

Начальное распределение напряжения вдоль обмотки [см. равенства (17-32) и (17-33)] для разных значенийа приведено на рис. J7-11, а и б. Обычно C_q > C_a и а = 5 -S- 15. Как видно из рис. 17-11, при таких значениях а распределение напряжения для заземленных и незаземленных обмоток практически одинаково. Кроме того, при а 3= 5 распределение напряжения вдоль обмотки весьма неравномерно.

При неравномерном начальном распределении напряжение на первой катушке, например, при а = 10 в 10 раз больше, чем при равномерном распределе» нии. Это вызывает необходимость усиления междувитковой и междукатушечной изоляции в начале обмотки.

Высокочастотные электромагнитные колебания. Как было указано выше, в начальный момент подхода волны перенапряжения заряды не могут проникнуть через индуктивные элементы схемы замещения (рис. 17-9, а), вследствие чего возникает неравномерное начальное распределение напряжения (кривые 1 на рис. 17-12). Однако при дальнейшем продвижении волны электрические заряды будут проходить также через индуктивности, и через некоторое время установится конечное распределение напряжения (кривые 2 на рис. 17-12). При заземленной нейтрали напряжение будет спадать равномерно к концу обмотки, а неза* земленная обмотка на всем протяжении будет иметь одинаковый потенциал.

Ввиду наличия в схеме замещения обмотки (рис. 17-9) индуктивностей и емкостей обмотка в целом и ее части представляют собой по отношению к быстро протекающим электромагнитным процессам колебательные контуры. Переход от начального распределения (кривые 1 на рис. 17-12) к конечному (кривые 2 на рис. 17-12) будет происходить в виде высокочастотных колебаний. Из-за наличия потерь (электрические потери в обмотках, диэлектрические потери в изоляции и магнитные потери в сердечнике) эти колебания затухают, в результате чего и устанавливается конечное распределение напряжения.

Начальная амплитуда колебаний в любой колебательной системе определяется величиной возмущения или разностью координат конечного и начального состояний системы.

Например, амплитуда колебаний подвешенного на пружине груза определяется величиной дополнительного груза, который будет добавлен к начальному, или величиной растяжения (деформации) пружины под воздействием дополнительного груза. При этом колебания совершаются относительно конечного положения груза (колебательной системы).

Амплитуда возможных колебаний напряжений в обмотке трансформатора в рассматриваемом случае в каждой точке обмотки равна разности ординат кривых 1 и 2 на рис. 17-12. Эти колебания совершаются относительно кривой конечного распределения 2, и поэтому максимальные напряжения разных точек обмотки относительно земли определяются кривыми 3 (рис. 17-12), которые являются зеркальным бтражением кривых 1 относительно кривых 2.

Таким образом, напряжения разных точек обмотки во время колебаний также колеблются между кривыми / и 3. Однако максимальные значения напряжений, определяемые кривыми 3, вследствие затухающего характера колебаний фактически не достигаются.

На рис. 17-12 штриховые кривые показывают характер распределения напряжения в некоторый момент времени в процессе колебаний. Как видно из этих кривых, во время колебаний большие перепады напряжения возникают и в конце обмотки, вследствие чего возникает необходимость усиления междувитковой и междукатушечной изоляции также в конце обмотки. Возможно возникновение значительных перепадов и в средней части обмотки. Кроме того, в отдельных частях обмотки напряжение относительно земли становится больше напряжения падающей на обмотку волны l/д- В частности, при незаземленной нейтрали в конце обмотки напряжение почти удваивается, и волна перенапряжения отражается от конца обмотки с почти удвоенной амплитудой.

Защита трансформаторов от перенапряжений. Из изложенного вытекает, что волны перенапряжении, достигающие трансформатора, могут вызвать опасность повреждения его изоляции, вследствие чего возникает необходимость борьбы с этой опасностью. Для этой цели начальные и концевые катушки высоковольтных обмоток трансформатора выполняются с усиленной изоляцией, а нейтрали обмоток с напряжением 35 «в и больше заземляются либо непосредственно,

Рис. 17-12. Переходные процессы в обмотке трансформатора при воздействии прямоугольной волны перенапряжения в случае заземленной (а) и незаземленной (б) нейтрали

либо через сопротивления, значения которых для высокочастотных колебательных процессов малы. Кроме того, принимаются меры, направленные к частичному

или по возможности более полному предотвращению электромагнитных колебаний в обмотке Очевидно, что для этого необходимо добиваться изменения кривой начального распределения напряжения таким образом, чтобы она по возможности приближалась к кривой конечного распределения. Этого можно достичь изменением емкостных связей обмотки.

Простейшим мероприятием подобного рода является применение емкостных экранных колец У начала обмотки на 35 кв и выше (рис. 17-13). Такое кольцо представляет собой картонный металлизированный диск, разрезанный по радиусу во избежание образования короткозамкнутого витка и соединенный с началом обмотки. Емкость этого кольца по отношению к виткам начальной катушки представлена на схеме емкостной цепочки обмотки (рис. 17-13) в виде емкости С₃. Эта емкость шунтирует продольные емкости витков начальной катушки и повышает их потенциал (рис. 17-14).

Лучшие результаты можно получить, если, кроме того, охватить экранными кольцами также ря£ последующих катушек обмотки (рис. 17-15} и соединить эти кольца с началом обмотки. Распределение емкостей этих колец в емкостной цепочке обмотки показано на этом рисунке. Наличие таких колец приводит к повышению потенциала начальных и последующих катушек обмотки, причем можно получить почти равномерное начальное распределение напряжения (рис. 17-14, кривая 3).

Действие таких колец можно пояснить следующим образом.

Если удастся подобрать емкости экранных колец так, что заряды на этих емкостях при зарядке емкостной цепочки будут равны зарядам на соответствующих элементах поперечных емкостей схемы замещения, то заряды на соответствующих элементах продольных емкостей уменьшатся и буду! равны друг другу. Вследствие этого напряжения на этих элементах продольных

емкостей будут также меньше и равны друг другу* что и приведет к выравниванию кривой распреде--ления напряжений. Рассмотренный (рис. 17-15)* способ емкостной защиты трансформаторов раз-¹ работали С. И. Рабинович, Ю. С. Кронгауз, А. М. Чертин и Д. Г. Перлин (Московский трансформаторный завод), он применяется в отечественных трансформаторах напряжением ПО кв и выше. Трансформаторы с подобной защитой называются грозоупор-н ы м и или нерезонирующими, поскольку в них практически устранена опасность возникновения значительных резонанс-

ныХ- электромагнитных колебаний под воздействием волн перенапряжений. Разработаны также другие способы борьбы с вредным воздействием волн перенапряжений.

Рис. 17-15. Экранные кольца

В начале и вокруг первых

катушек обмотки

Рис. 17-14. Начальное распределение напря*. жени я у обмотки беэ экранных колец (1)^ с экранным кольцом j£ начала обмотки (2) И вокруг первых катушек (3) и конечное пяспвелеление (4\

Дата добавления: 2015-07-18