Overspanning in de transformatorwikkelingen

De dimensionering en ontwerpselectie van transformatorisolatie is onmogelijk zonder de spanningen te bepalen die tijdens bedrijf op verschillende delen van de transformatorisolatie inwerken en testen die zijn ontworpen om een ​​betrouwbare werking van de transformator te garanderen.

In dit geval zijn de spanningen die op de isolatie van de transformator werken wanneer bliksemschokgolven de ingang raken, vaak doorslaggevend. Deze spanningen, ook wel stootspanningen genoemd, bepalen in bijna alle gevallen de keuze van langswikkelisolatie en in veel gevallen de hoofdwikkelisolatie, schakelinrichtingisolatie etc.

Het gebruik van computertechnologieën bij het bepalen van overspanningen maakt het mogelijk om over te gaan van een kwalitatieve overweging van impulsprocessen in wikkelingen naar directe berekeningen van overspanningen en de introductie van hun resultaten in de ontwerppraktijk.

Om de overspanning te berekenen, worden de wikkelingen van de transformator weergegeven door een equivalent circuit dat inductieve en capacitieve verbindingen tussen de elementen van de wikkeling reproduceert (figuur 1).Alle equivalente circuits houden rekening met de capaciteit tussen windingen en tussen wikkelingen.

Figuur 1. Equivalent circuit van de transformator: UOV - invallende golf in de hoogspanningswikkeling, UOH - invallende golf in de laagspanningswikkeling, SV en CH - capaciteiten tussen de windingen van respectievelijk de hoogspannings- en laagspanningswikkelingen, SVN - capaciteit tussen wikkelingen met hoog- en laagspanning.

Golfprocessen in transformatoren

De transformator wordt beschouwd als een inductief element, rekening houdend met de interturn-capaciteit, de capaciteiten tussen het scherm en de inductantie, en tussen de inductantie en aarde (figuur 2a).

De volgende formules worden gebruikt om overspanning te berekenen:

waar: t is de tijd na aankomst van de golf in de transformator, T is de overspanningstijdconstante, ZEKV is de equivalente circuitweerstand, Z2 is de lijnweerstand, Uo is de overspanning op de begintijd

Figuur 2. Voortplanting van een spanningsgolf langs de wikkeling van een transformator met een geaarde nulleider: a) schematisch diagram, b) afhankelijkheid van de spanningsgolf van de lengte van de wikkeling voor een enkelfasige transformator met een geaarde aansluiting: Uo — spanningsvalgolf, ∆Ce — capaciteit tussen de spoel en het scherm, ∆Ck — inherente capaciteit tussen de windingen, ∆С3 — capaciteit tussen de spoel en de aarde, ∆Lк — inductantie van de spoellagen.

Aangezien er zowel inductantie als capaciteit is in het equivalente circuit, treedt een oscillerend LC-circuit op (de spanningsfluctuaties worden getoond in figuur 2b).

De amplitude van de oscillaties is 1,3 - 1,4 van de amplitude van de invallende golf, d.w.z.Uпep = (1.3-1.4) Uo, en de grootste waarde van overspanning zal optreden aan het einde van het eerste derde deel van de wikkeling, daarom heeft bij de constructie van de transformator 1/3 van de wikkeling een versterkte isolatie in vergelijking met de rest .

Om overspanning te voorkomen, moet de laadstroom van de condensatoren ten opzichte van aarde worden gecompenseerd. Hiervoor wordt een extra afscherming (schild) in het circuit geplaatst. Bij gebruik van het scherm zijn de capaciteiten van de wikkelingen naar het scherm gelijk aan de capaciteit van de windingen naar aarde, d.w.z. ∆CE = ∆C3.

Afscherming vindt plaats in transformatoren met spanningsklasse UH = 110 kV en hoger. De afscherming wordt meestal in de buurt van de transformatorbehuizing geïnstalleerd.

Eenfasige transformatoren met geïsoleerde nulleider

De aanwezigheid van een geïsoleerde nulleider betekent dat er een capaciteit Co is tussen de aarde en de wikkeling, dwz de capaciteit wordt toegevoegd aan het equivalente circuit van de aardklemtransformator, maar het scherm wordt verwijderd (Figuur 3a).

Figuur 3. Voortplanting van een spanningsgolf langs de wikkeling van een transformator met een geïsoleerde nulleider: a) schematisch diagram van een equivalente transformator, b) de afhankelijkheid van de invallende golfspanning van de lengte van de wikkeling.

Met deze equivalente schakeling wordt ook een oscillerende schakeling gevormd. Door de capaciteit Co is er echter een oscillerende LC-kring met een serieschakeling van zelfinductie en capaciteit. In dit geval, met een aanzienlijke capaciteit Co, verschijnt de hoogste spanning aan het einde van de wikkeling (de overspanning kan waarden bereiken tot 2Uo). De aard van de spanningsverandering over de spoel wordt getoond in figuur 3b.

Om de amplitude van overspanningsoscillaties in de wikkeling van een transformator met een geïsoleerde nulleider te verminderen, is het noodzakelijk om de capaciteit van de uitgang C ten opzichte van aarde te verminderen of om de zelfcapaciteit van de spoelen te vergroten. Meestal wordt de laatste methode gebruikt. Om de zelfcapaciteit ∆Ck tussen de spoelen van de hoogspanningswikkeling te vergroten, zijn speciale condensatorplaten (ringen) in de schakeling opgenomen.

Golfprocessen in driefasige transformatoren

In driefasige transformatoren worden de aard van het voortplantingsproces van invallende golven langs de wikkeling en de grootte van overspanningen beïnvloed door:

a) spoelaansluitschema,

b) het aantal fasen waar de golfgolf aankomt.

Een driefasige transformator met een hoogspanningswikkeling, ster verbonden met een stevig geaarde nulleider

Laat de invallende golfgolf in één fase van de transformator komen (figuur 4).

De voortplantingsprocessen van overspanningsgolven langs de wikkelingen zullen in dit geval vergelijkbaar zijn met de processen in een enkelfasige transformator met een geaarde nulleider (in elk van de fasen zal de hoogste spanning in 1/3 van de wikkeling zijn), terwijl ze zijn niet afhankelijk van het aantal fasen dat de golfgolf bereikt. Deze. de waarde van de overspanning in dit deel van de spoel is gelijk aan Upep = (1,3-1,4) Uo

Figuur 4. Equivalent circuit van een driefasige transformator met een hoogspanningswikkeling aangesloten op een ster met een neutraal geaard netwerk. De golfgolf komt in één fase.

Driefasige stergeschakelde hoogspanningstransformator met geïsoleerde nulleider

Laat de stootgolf in één fase komen.Het equivalente circuit van de transformator, evenals de voortplanting van de invallende golf in de transformatorwikkeling, wordt getoond in figuur 5.

Figuur 5. Equivalent circuit van een driefasige transformator met een in ster geschakelde hoogspanningswikkeling (a) en de afhankelijkheid U = f (x) voor het geval dat de golf in één fase komt (b).

In dit geval verschijnen er twee afzonderlijke oscillatiezones. In fase A zal er één trillingsbereik zijn en de omstandigheden waaronder deze optreden, en in fasen B en C zal er nog een trillingslus zijn, het trillingsbereik zal in beide gevallen ook verschillend zijn. De grootste overspanning bevindt zich op de wikkeling die de invallende golfgolf ontvangt. Op het nulpunt zijn overspanningen tot 2/3 Uo mogelijk (in de normale modus op dit moment U = 0, daarom zijn overspanningen met betrekking tot de bedrijfsspanning Uoperation het gevaarlijkst, aangezien U0 >> Uoperation).

Laat de stootgolf door twee fasen A en B gaan. Het equivalente circuit van de transformator en de voortplanting van de invallende golf in de transformatorwikkeling wordt getoond in figuur 6.

Figuur 6. Equivalent circuit van een driefasige transformator met een in ster geschakelde hoogspanningswikkeling (a) en de afhankelijkheid U = f (x) voor het geval dat de golf in twee fasen komt.

In de wikkelingen van de fasen waarin de golf komt, zal de spanning (1,3 - 1,4) Uo zijn. De neutrale spanning is 4/3 Uo. Ter bescherming tegen overspanning is in dit geval een afleider aangesloten op de nulleider van de transformator.

Laat de stootgolf in drie fasen komen.Het equivalente circuit van de transformator en de voortplanting van de invallende golf in de transformatorwikkeling wordt getoond in figuur 7.

Figuur 7.Equivalent circuit van een driefasige transformator met een ster-verbonden hoogspanningswikkeling (a) en de afhankelijkheid U = f (x) voor het geval dat de golf in drie fasen komt.

De voortplantingsprocessen van een overspanningsvalgolf in elk van de fasen van een driefasige transformator zullen vergelijkbaar zijn met de processen in een enkelfasige transformator met een geïsoleerde uitgang. De hoogste spanning in deze modus is neutraal en is 2U0. Dit geval van overspanning van de transformator is het ernstigst.

Driefasige hoogspannings-deltagewikkelde transformator

Laat de stootgolf door één fase A van een driefasige hoogspanningstransformator gaan die in een driehoek is aangesloten, de andere twee fasen (B en C) worden als geaard beschouwd (afbeelding 8).

Figuur 8. Equivalent circuit van een driefasige transformator met een hoogspanningswikkeling aangesloten in delta (a) en de afhankelijkheid U = f (x) voor het geval dat de golf in één fase komt.

De wikkelingen AC en BC worden blootgesteld aan een overspanning (1,3 — 1,4) Uo. Deze overspanningen zijn niet gevaarlijk voor de werking van de transformator.

Laat de overspanningsgolf in twee fasen komen (A en B), de verklarende grafieken worden getoond in figuur 9. In deze modus zal de voortplanting van overspanningsgolven in de wikkelingen AB en BC vergelijkbaar zijn met de processen in de overeenkomstige wikkelingen van een driefasige geaarde transformatoraansluiting. Deze. in deze wikkelingen zal de overspanningswaarde (1,3 - 1,4) Uo zijn en in de AC-wikkeling zal deze de waarde (1,8 - 1,9) Uo bereiken.

Figuur 9. Afhankelijkheid U = f (x) voor het geval dat de overspanningsgolf door twee fasen van een driefasige transformator gaat met een hoogspanningswikkeling die in delta is geschakeld.

Laat stootgolven alle drie de fasen van een driefasige transformator met een hoogspannings-delta-verbonden wikkeling passeren.

De wikkelingen van alle fasen in deze modus worden blootgesteld aan een overspanning (1,8 — 1,9) Uo. Als een stootgolf tegelijkertijd door twee of drie draden komt, kunnen in het midden van de wikkeling, waar de golven van beide kanten naartoe komen, spanningsschommelingen optreden met een amplitude die gevaarlijk is voor de werking van de transformator.

Transformator overspanningsbeveiliging

De gevaarlijkste overspanningen van de hoofdisolatie van de wikkelingen kunnen optreden in het geval van gelijktijdige aankomst van golven via drie draden naar de transformator met een delta-verbinding (in het midden van de wikkeling) of een ster met een geïsoleerde nulleider (bijna neutraal) . In dit geval benaderen de amplitudes van de resulterende overspanningen tweemaal de spanning van de uitgang of viermaal de amplitude van de ingangsgolf. Gevaarlijke turn-to-turn isolatie-overspanningen kunnen in alle gevallen optreden wanneer een golf met een steil front bij de transformator aankomt, ongeacht het aansluitschema van de transformatorwikkelingen.

Dus voor alle transformatoren in het geval van overspanningen en hun verdeling langs de wikkelingen, om hun grootte te schatten, moet rekening worden gehouden met de capaciteiten in de equivalente circuits van de transformatoren (en niet alleen de inductantie). De nauwkeurigheid van de verkregen overspanningswaarden hangt grotendeels af van de nauwkeurigheid van de capaciteitsmeting.

Om overspanningen in het ontwerp van transformatoren te voorkomen, is voorzien:

• een extra scherm dat de laadstroom verdeelt, waardoor overspanningen worden verminderd.Ook vermindert het scherm de veldsterkte op bepaalde punten op de transformatorwikkeling,

• versterking van de isolatie van de wikkelingen in bepaalde delen ervan (constructieve vervanging van de wikkelingen van de transformator),

• installatie van afleiders voor en achter de transformator - tegen externe en interne overspanningen, evenals een afleider in de nulleider van de transformator.