Sobretensió en els bobinats del transformador

La selecció de dimensionament i disseny de l'aïllament del transformador és impossible sense determinar les tensions que actuen sobre diverses seccions de l'aïllament del transformador durant el funcionament i les proves dissenyades per garantir un funcionament fiable del transformador.

En aquest cas, les tensions que actuen sobre l'aïllament del transformador quan les ones de sobretensió del llamp incideixen en la seva entrada són sovint determinants. Aquestes tensions, també anomenades tensions d'impuls, en gairebé tots els casos determinen l'elecció de l'aïllament longitudinal del bobinat i en molts casos l'aïllament del bobinat principal, l'aïllament del dispositiu de commutació, etc.

L'ús de tecnologies informàtiques en la determinació de sobretensions permet passar d'una consideració qualitativa dels processos d'impuls en bobinats als càlculs directes de sobretensions i la introducció dels seus resultats a la pràctica del disseny.

Per calcular la sobretensió, els bobinats del transformador es representen mitjançant un circuit equivalent que reprodueix connexions inductives i capacitives entre els elements del bobinat (Figura 1).Tots els circuits equivalents tenen en compte la capacitat entre espires i entre bobinatges.

Figura 1. Circuit equivalent del transformador: UOV — ona incident en el bobinat d'alta tensió, UOH — ona incident en el bobinat de baixa tensió, SV i CH — capacitats entre les espires dels bobinats d'alta i baixa tensió respectivament, SVN — capacitat entre bobinats amb alta i baixa tensió.

Processos ondulatoris en transformadors

El transformador es considerarà com un element inductiu, tenint en compte la capacitat entre voltes, les capacitats entre la pantalla i la inductància, i entre la inductància i la terra (figura 2a).

Per calcular la sobretensió s'utilitzen les següents fórmules:

on: t és el temps després de l'arribada de l'ona al transformador, T és la constant de temps de sobretensió, ZEKV és la resistència equivalent del circuit, Z2 és la resistència de línia, Uo és la sobretensió en el moment inicial

Figura 2. Propagació d'una ona de tensió al llarg del bobinatge d'un transformador amb un neutre posat a terra: a) diagrama esquemàtic, b) dependència de l'ona de tensió de la longitud del bobinatge per a un transformador monofàsic amb un terminal posat a terra: Uo — ona de caiguda de tensió, ∆Ce — capacitat entre la bobina i la pantalla, ∆Ck — la capacitat inherent entre les espires, ∆С3 — la capacitat entre la bobina i el terra, ∆Lк — la inductància de les capes de la bobina.

Com que hi ha inductància i capacitat al circuit equivalent, es produeix un circuit LC oscil·lant (les fluctuacions de tensió es mostren a la figura 2b).

L'amplitud de les oscil·lacions és d'1,3 a 1,4 de l'amplitud de l'ona incident, és a dir.Uep = (1,3-1,4) Uo, i el valor més gran de sobretensió es produirà al final del primer terç del bobinatge, per tant, en la construcció del transformador, 1/3 del bobinatge té un aïllament reforçat en comparació amb la resta .

Per evitar sobretensions, cal compensar el corrent de càrrega dels condensadors respecte a terra. Per a això, s'instal·la una pantalla addicional (escut) al circuit. Quan utilitzeu la pantalla, les capacitats dels bobinatges a la pantalla seran iguals a la capacitat de les espires a terra, és a dir. ∆CE = ∆C3.

El blindatge es realitza en transformadors amb classe de tensió UH = 110 kV i superior. L'escut sol instal·lar-se a prop de la carcassa del transformador.

Transformadors monofàsics amb neutre aïllat

La presència d'un neutre aïllat significa que hi ha una capacitat Co entre la terra i el bobinat, és a dir, la capacitat s'afegeix al circuit equivalent del transformador del terminal de terra, però s'elimina la pantalla (figura 3a).

Figura 3. Propagació d'una ona de tensió al llarg del bobinat d'un transformador amb un neutre aïllat: a) esquema esquemàtic d'un transformador equivalent, b) la dependència de la tensió d'ona incident de la longitud del bobinatge.

Amb aquest circuit equivalent també es forma un circuit oscil·lant. Tanmateix, a causa de la capacitat Co, hi ha un circuit LC oscil·lant amb una connexió en sèrie d'inductància i capacitat. En aquest cas, amb una capacitat Co significativa, la tensió més alta apareixerà al final del bobinatge (la sobretensió pot arribar a valors de fins a 2Uo). La naturalesa del canvi de tensió a través de la bobina es mostra a la figura 3b.

Per reduir l'amplitud de les oscil·lacions de sobretensió en el bobinat d'un transformador amb un neutre aïllat, cal reduir la capacitat de la sortida C respecte a terra o augmentar l'autocapacitat de les bobines. Normalment s'utilitza aquest últim mètode. Per augmentar l'autocapacitat ∆Ck entre les bobines del bobinatge d'alta tensió, s'inclouen plaques de condensadors especials (anells) al circuit.

Processos ondulatoris en transformadors trifàsics

En els transformadors trifàsics, la naturalesa del procés de propagació de l'ona incident al llarg del bobinatge i la magnitud de les sobretensions estan influenciades per:

a) diagrama de connexió de la bobina,

b) el nombre de fases a les quals arriba l'ona de sobretensió.

Un transformador trifàsic amb un bobinat d'alta tensió, connectat en estrella amb un neutre sòlidament posat a terra

Deixeu que l'ona de sobretensió incident entri en una fase del transformador (figura 4).

Els processos de propagació de les ones de sobretensió al llarg dels bobinatges en aquest cas seran similars als processos en un transformador monofàsic amb neutre posat a terra (en cadascuna de les fases la tensió més alta estarà en 1/3 del bobinatge), mentre que no depenen de quantes fases arribin a l'ona d'onada. Aquests. el valor de la sobretensió en aquesta part de la bobina és igual a Upep = (1,3-1,4) Uo

Figura 4. Circuit equivalent d'un transformador trifàsic amb un bobinat d'alta tensió connectat a una estrella amb una xarxa neutre a terra. L'ona d'onada arriba en una fase.

Transformador d'alta tensió trifàsic connectat en estrella amb neutre aïllat

Deixeu que l'ona d'onada arribi en una fase.A la figura 5 es mostra el circuit equivalent del transformador, així com la propagació de l'ona incident al bobinatge del transformador.

Figura 5. Circuit equivalent d'un transformador trifàsic amb un bobinat d'alta tensió connectat en estrella (a) i la dependència U = f (x) per al cas en què l'ona ve en una fase (b).

En aquest cas, apareixen dues zones d'oscil·lació separades. A la fase A hi haurà un rang d'oscil·lació i les condicions en què es produeixen, i a les fases B i C hi haurà un altre bucle d'oscil·lació, el rang d'oscil·lació també serà diferent en ambdós casos. La sobretensió més gran serà al bobinatge que rep l'ona de sobretensió incident. En el punt zero, són possibles sobretensions de fins a 2/3 Uo (en mode normal en aquest moment U = 0, per tant, les sobretensions respecte a la tensió de funcionament Uoperació són les més perilloses per a això, ja que U0 >> Uoperació).

Deixeu que l'ona de sobretensió passi per dues fases A i B. El circuit equivalent del transformador així com la propagació de l'ona incident al bobinat del transformador es mostra a la figura 6.

Figura 6. Circuit equivalent d'un transformador trifàsic amb un bobinat d'alta tensió connectat en estrella (a) i la dependència U = f (x) per al cas que l'ona ve en dues fases.

En els bobinatges de les fases a les quals arriba l'ona, la tensió serà (1,3 — 1,4) Uo. La tensió del neutre és de 4/3 Uo. Per protegir-se de la sobretensió en aquest cas, es connecta un descargador al neutre del transformador.

Deixeu que l'ona de sobretensió vingui en tres fases. A la figura 7 es mostra el circuit equivalent del transformador així com la propagació de l'ona incident al bobinat del transformador.

Figura 7.Circuit equivalent d'un transformador trifàsic amb un bobinat d'alta tensió connectat en estrella (a) i la dependència U = f (x) per al cas en què l'ona arriba en tres fases.

Els processos de propagació d'una ona de caiguda de sobretensió en cadascuna de les fases d'un transformador trifàsic seran similars als processos d'un transformador monofàsic amb una sortida aïllada. La tensió més alta en aquest mode estarà en neutre i serà 2U0. Aquest cas de sobretensió del transformador és el més greu.

Transformador trifàsic d'alta tensió bobinada en delta

Deixeu que l'ona de sobretensió passi per una fase A d'un transformador d'alta tensió trifàsic connectat en un delta, les altres dues fases (B i C) es consideren posades a terra (figura 8).

Figura 8. Circuit equivalent d'un transformador trifàsic amb un bobinat d'alta tensió connectat en delta (a) i la dependència U = f (x) per al cas en què l'ona ve en una fase.

Els bobinatges AC i BC estaran exposats a una sobretensió (1,3 — 1,4) Uo. Aquestes sobretensions no són perilloses per al funcionament del transformador.

Si l'ona de sobretensió es presenta en dues fases (A i B), els gràfics explicatius es mostren a la figura 9. En aquest mode, la propagació de les ones de sobretensió als bobinatges AB i BC serà similar als processos en els bobinats corresponents d'un Terminal del transformador trifàsic posat a terra. Aquests. en aquests bobinats el valor de sobretensió serà (1,3 — 1,4) Uo i en el bobinat de CA arribarà al valor (1,8 — 1,9) Uo.

Figura 9. Dependència U = f (x) per al cas en què l'ona de sobretensió travessa dues fases d'un transformador trifàsic amb un bobinat d'alta tensió connectat en delta.

Deixeu que les ones de sobretensió passin per les tres fases d'un transformador trifàsic amb un bobinatge connectat en delta d'alta tensió.

Els bobinatges de totes les fases d'aquest mode estaran exposats a una sobretensió (1,8 — 1,9) Uo. Si una ona de sobretensió arriba simultàniament a través de dos o tres cables, aleshores al mig del bobinatge, al qual arriben les ones dels dos costats, es poden produir fluctuacions de tensió amb una amplitud perilloses per al funcionament del transformador.

Protecció contra sobretensions del transformador

Les sobretensions més perilloses de l'aïllament principal dels bobinats es poden produir en el cas de l'arribada simultània d'ones a través de tres cables al transformador amb connexió en triangle (al mig del bobinat) o una estrella amb un neutre aïllat (gairebé neutre). . En aquest cas, les amplituds de les sobretensions resultants s'acosten al doble de la tensió de sortida o quatre vegades a l'amplitud de l'ona d'entrada. En tots els casos es poden produir perilloses sobretensions d'aïllament gir a gir quan una ona amb un front pronunciat arriba al transformador, independentment de l'esquema de connexió dels bobinats del transformador.

Així, per a tots els transformadors en cas de sobretensions i la seva distribució al llarg dels bobinats, per estimar-ne la magnitud, cal tenir en compte les capacitats en els circuits equivalents dels transformadors (i no només la inductància). La precisió dels valors de sobretensió obtinguts depèn en gran mesura de la precisió de la mesura de la capacitat.

Per evitar sobretensions en el disseny dels transformadors, es preveu:

• una pantalla addicional que distribueix el corrent de càrrega, per tant, es redueixen les sobretensions.A més, la pantalla redueix la força del camp en determinats punts del bobinatge del transformador,

• reforçar l'aïllament dels bobinatges en determinades parts (substitució constructiva dels bobinatges del transformador),

• instal·lació de paracarregadors davant del transformador i després d'ell, contra sobretensions externes i internes, així com un pararrayos al neutre del transformador.