Sovratensione negli avvolgimenti del trasformatore

Il dimensionamento e la selezione del design dell'isolamento del trasformatore è impossibile senza determinare le sollecitazioni che agiscono su varie sezioni dell'isolamento del trasformatore durante il funzionamento e il collaudo progettato per garantire un funzionamento affidabile del trasformatore.

In questo caso sono spesso determinanti le tensioni che agiscono sull'isolamento del trasformatore quando le onde di fulmini colpiscono il suo ingresso. Queste tensioni, chiamate anche tensioni impulsive, determinano nella quasi totalità dei casi la scelta dell'isolamento dell'avvolgimento longitudinale e in molti casi dell'isolamento dell'avvolgimento principale, dell'apparecchio di manovra, ecc.

L'uso delle tecnologie informatiche nella determinazione delle sovratensioni consente di passare da una considerazione qualitativa dei processi di impulso negli avvolgimenti ai calcoli diretti delle sovratensioni e all'introduzione dei loro risultati nella pratica progettuale.

Per calcolare la sovratensione, gli avvolgimenti del trasformatore sono rappresentati da un circuito equivalente che riproduce connessioni induttive e capacitive tra gli elementi dell'avvolgimento (Figura 1).Tutti i circuiti equivalenti considerano la capacità tra le spire e tra gli avvolgimenti.

Figura 1. Circuito equivalente del trasformatore: UOV - onda incidente nell'avvolgimento ad alta tensione, UOH - onda incidente nell'avvolgimento a bassa tensione, SV e CH - capacità tra le spire rispettivamente degli avvolgimenti ad alta e bassa tensione, SVN - capacità tra avvolgimenti ad alta e bassa tensione.

Processi ondulatori nei trasformatori

Il trasformatore sarà considerato come un elemento induttivo, tenendo conto della capacità interturn, delle capacità tra lo schermo e l'induttanza e tra l'induttanza e la terra (figura 2a).

Le seguenti formule vengono utilizzate per calcolare la sovratensione:

dove: t è il tempo dopo l'arrivo dell'onda al trasformatore, T è la costante di tempo di sovratensione, ZEKV è la resistenza del circuito equivalente, Z2 è la resistenza di linea, Uo è la sovratensione all'istante iniziale

Figura 2. Propagazione di un'onda di tensione lungo l'avvolgimento di un trasformatore con neutro messo a terra: a) diagramma schematico, b) dipendenza dell'onda di tensione dalla lunghezza dell'avvolgimento per un trasformatore monofase con terminale a terra: Uo — onda di caduta di tensione, ∆Ce — capacità tra la bobina e lo schermo, ∆Ck — capacità intrinseca tra le spire, ∆С3 — capacità tra la bobina e il terreno, ∆Lк — induttanza degli strati della bobina.

Poiché nel circuito equivalente sono presenti sia induttanza che capacità, si verifica un circuito LC oscillante (le fluttuazioni di tensione sono mostrate nella Figura 2b).

L'ampiezza delle oscillazioni è 1,3 - 1,4 dell'ampiezza dell'onda incidente, cioèUпep = (1,3-1,4) Uo, e il valore maggiore di sovratensione si verificherà alla fine del primo terzo dell'avvolgimento, quindi, nella costruzione del trasformatore, 1/3 dell'avvolgimento ha un isolamento rinforzato rispetto al resto .

Per evitare sovratensioni, la corrente di carica dei condensatori rispetto a terra deve essere compensata. A tale scopo, nel circuito è installato uno schermo aggiuntivo (schermo). Quando si utilizza lo schermo, le capacità degli avvolgimenti rispetto allo schermo saranno uguali alla capacità delle spire verso terra, ad es. ∆CE = ∆C3.

La schermatura viene eseguita in trasformatori con classe di tensione UH = 110 kV e superiore. Lo schermo è solitamente installato vicino all'involucro del trasformatore.

Trasformatori monofase con neutro isolato

La presenza di un neutro isolato significa che c'è una capacità Co tra la terra e l'avvolgimento, cioè la capacità viene aggiunta al circuito equivalente del trasformatore terminale di terra, ma lo schermo viene rimosso (figura 3a).

Figura 3. Propagazione di un'onda di tensione lungo l'avvolgimento di un trasformatore con neutro isolato: a) diagramma schematico di un trasformatore equivalente, b) dipendenza della tensione dell'onda incidente dalla lunghezza dell'avvolgimento.

Con questo circuito equivalente si forma anche un circuito oscillante. Tuttavia, a causa della capacità Co, esiste un circuito LC oscillante con una connessione in serie di induttanza e capacità. In questo caso, con una capacità Co significativa, la tensione più alta apparirà alla fine dell'avvolgimento (la sovratensione può raggiungere valori fino a 2Uo). La natura della variazione di tensione attraverso la bobina è mostrata nella Figura 3b.

Per ridurre l'ampiezza delle oscillazioni di sovratensione nell'avvolgimento di un trasformatore con neutro isolato, è necessario ridurre la capacità dell'uscita C rispetto a terra o aumentare l'autocapacità delle bobine. Di solito viene utilizzato quest'ultimo metodo. Per aumentare l'autocapacità ∆Ck tra le bobine dell'avvolgimento ad alta tensione, nel circuito sono incluse speciali piastre del condensatore (anelli).

Processi ondulatori nei trasformatori trifase

Nei trasformatori trifase, la natura del processo di propagazione dell'onda incidente lungo l'avvolgimento e l'entità delle sovratensioni sono influenzate da:

a) schema di collegamento della bobina,

b) il numero di fasi a cui arriva l'onda di picco.

Un trasformatore trifase con un avvolgimento ad alta tensione, collegato a stella con un neutro messo a terra

Lascia che l'onda di picco incidente entri in una fase del trasformatore (Figura 4).

I processi di propagazione delle onde di sovratensione lungo gli avvolgimenti in questo caso saranno simili ai processi in un trasformatore monofase con neutro messo a terra (in ciascuna delle fasi la tensione più alta sarà in 1/3 dell'avvolgimento), mentre non dipendono da quante fasi raggiunge l'onda di picco. Questi. il valore della sovratensione in questa parte della bobina è pari a Upep = (1,3-1,4) Uo

Figura 4. Circuito equivalente di un trasformatore trifase con un avvolgimento ad alta tensione collegato a una stella con una rete neutra messa a terra. L'onda di picco arriva in una fase.

Trasformatore di alta tensione trifase collegato a stella con neutro isolato

Lascia che l'onda di picco arrivi in ​​​​una fase.Il circuito equivalente del trasformatore, così come la propagazione dell'onda incidente nell'avvolgimento del trasformatore, è mostrato in Figura 5.

Figura 5. Circuito equivalente di un trasformatore trifase con un avvolgimento ad alta tensione collegato a stella (a) e la dipendenza U = f (x) per il caso in cui l'onda arriva in una fase (b).

In questo caso, appaiono due zone di oscillazione separate. Nella fase A ci sarà un intervallo di oscillazione e le condizioni in cui si verificano, e nelle fasi B e C ci sarà un altro anello di oscillazione, anche l'intervallo di oscillazione sarà diverso in entrambi i casi. La massima sovratensione sarà sull'avvolgimento che riceve l'onda di picco incidente. Al punto zero sono possibili sovratensioni fino a 2/3 Uo (in modalità normale in questo momento U = 0, quindi le sovratensioni rispetto alla tensione operativa Uoperazione sono le più pericolose per essa, poiché U0 >> Uoperazione).

Lasciare che l'onda di picco passi attraverso due fasi A e B. Il circuito equivalente del trasformatore e la propagazione dell'onda incidente nell'avvolgimento del trasformatore sono mostrati in figura 6.

Figura 6. Circuito equivalente di un trasformatore trifase con un avvolgimento ad alta tensione collegato a stella (a) e la dipendenza U = f (x) per il caso in cui l'onda arriva in due fasi.

Negli avvolgimenti delle fasi a cui arriva l'onda, la tensione sarà (1,3 — 1,4) Uo. La tensione del neutro è 4/3 Uo. Per proteggere dalle sovratensioni in questo caso, uno scaricatore è collegato al neutro del trasformatore.

Lascia che l'onda di picco arrivi in ​​​​tre fasi.Il circuito equivalente del trasformatore e la propagazione dell'onda incidente nell'avvolgimento del trasformatore sono mostrati nella Figura 7.

Figura 7.Circuito equivalente di un trasformatore trifase con un avvolgimento ad alta tensione collegato a stella (a) e la dipendenza U = f (x) per il caso in cui l'onda arriva in tre fasi.

I processi di propagazione di un'onda di caduta di sovratensione in ciascuna delle fasi di un trasformatore trifase saranno simili ai processi in un trasformatore monofase con un'uscita isolata. La tensione più alta in questa modalità sarà in neutro e sarà 2U0. Questo caso di sovratensione del trasformatore è il più grave.

Trasformatore trifase ad alta tensione con avvolgimento a triangolo

Lasciare che l'onda di picco attraversi una fase A di un trasformatore ad alta tensione trifase collegato a triangolo, le altre due fasi (B e C) sono considerate messe a terra (Figura 8).

Figura 8. Circuito equivalente di un trasformatore trifase con un avvolgimento ad alta tensione collegato a triangolo (a) e la dipendenza U = f (x) per il caso in cui l'onda arriva in una fase.

Gli avvolgimenti AC e BC saranno esposti a una sovratensione (1,3 — 1,4) Uo. Queste sovratensioni non sono pericolose per il funzionamento del trasformatore.

Lasciando che l'onda di sovratensione arrivi in ​​due fasi (A e B), i grafici esplicativi sono mostrati in Figura 9. In questa modalità, la propagazione delle onde di sovratensione negli avvolgimenti AB e BC sarà simile ai processi negli avvolgimenti corrispondenti di un terminale del trasformatore con messa a terra trifase. Questi. in questi avvolgimenti il ​​valore di sovratensione sarà (1.3 — 1.4) Uo e nell'avvolgimento AC raggiungerà il valore (1.8 — 1.9) Uo.

Figura 9. Dipendenza U = f (x) per il caso in cui l'onda di sovratensione attraversa due fasi di un trasformatore trifase con un avvolgimento ad alta tensione collegato a triangolo.

Lascia che le onde di picco passino attraverso tutte e tre le fasi di un trasformatore trifase con un avvolgimento collegato a triangolo ad alta tensione.

Gli avvolgimenti di tutte le fasi in questa modalità saranno esposti a una sovratensione (1,8 — 1,9) Uo. Se un'onda di picco arriva simultaneamente attraverso due o tre fili, allora nel mezzo dell'avvolgimento, a cui arrivano le onde da entrambi i lati, possono verificarsi fluttuazioni di tensione con un'ampiezza pericolosa per il funzionamento del trasformatore.

Protezione contro le sovratensioni del trasformatore

Le sovratensioni più pericolose dell'isolamento principale degli avvolgimenti possono verificarsi in caso di arrivo simultaneo di onde attraverso tre fili al trasformatore con collegamento a triangolo (al centro dell'avvolgimento) o a stella con neutro isolato (quasi neutro) . In questo caso, le ampiezze delle sovratensioni risultanti si avvicinano al doppio della tensione di uscita oa quattro volte l'ampiezza dell'onda di ingresso. Pericolose sovratensioni di isolamento tra le spire possono verificarsi in tutti i casi in cui un'onda con fronte ripido arriva al trasformatore, indipendentemente dallo schema di collegamento degli avvolgimenti del trasformatore.

Quindi, per tutti i trasformatori in caso di sovratensioni e la loro distribuzione lungo gli avvolgimenti, per stimarne l'entità è necessario tenere conto delle capacità nei circuiti equivalenti dei trasformatori (e non solo dell'induttanza). L'accuratezza dei valori di sovratensione ottenuti dipende in gran parte dall'accuratezza della misurazione della capacità.

Al fine di evitare sovratensioni nella progettazione dei trasformatori, è previsto:

• uno schermo aggiuntivo che distribuisce la corrente di carica, quindi le sovratensioni sono ridotte.Inoltre, lo schermo riduce l'intensità del campo in determinati punti dell'avvolgimento del trasformatore,

• rafforzare l'isolamento degli avvolgimenti in alcune parti di esso (sostituzione costruttiva degli avvolgimenti del trasformatore),

• installazione di scaricatori davanti al trasformatore e dopo di esso - contro sovratensioni esterne e interne, nonché uno scaricatore nel neutro del trasformatore.