Пренапон у намотајима трансформатора

Димензионисање и избор дизајна изолације трансформатора је немогућ без утврђивања напона који делују на различите делове изолације трансформатора током рада и испитивања дизајнираних да обезбеде поуздан рад трансформатора.

У овом случају, напони који делују на изолацију трансформатора када таласи удара грома ударе на његов улаз су често одлучујући. Ови напони, који се називају и импулсни напони, у скоро свим случајевима одређују избор изолације уздужног намотаја и у многим случајевима изолације главног намотаја, изолације склопног уређаја итд.

Употреба рачунарских технологија у одређивању пренапона омогућава да се са квалитативног разматрања импулсних процеса у намотајима пређе на директне прорачуне пренапона и увођење њихових резултата у пројектантску праксу.

За израчунавање пренапона, намотаји трансформатора су представљени еквивалентним колом које репродукује индуктивне и капацитивне везе између елемената намотаја (слика 1).Сва еквивалентна кола узимају у обзир капацитет између завоја и између намотаја.

Слика 1. Еквивалентно коло трансформатора: УОВ — упадни талас у намотају високог напона, УОХ — упадни талас у намотају ниског напона, СВ и ЦХ — капацитети између намотаја високог и ниског напона респективно, СВН — капацитивност између намотаји са високим и ниским напоном.

Таласни процеси у трансформаторима

Трансформатор ће се сматрати индуктивним елементом, узимајући у обзир међунавојну капацитивност, капацитете између екрана и индуктивности и између индуктивности и уземљења (слика 2а).

За израчунавање пренапона користе се следеће формуле:

где је: т време након доласка таласа у трансформатор, Т је временска константа пренапона, ЗЕКВ је еквивалентни отпор кола, З2 је отпор линије, Уо је пренапон у почетном тренутку

Слика 2. Ширење напонског таласа дуж намотаја трансформатора са уземљеном неутралом: а) шематски дијаграм, б) зависност напонског таласа од дужине намотаја за једнофазни трансформатор са уземљеним терминалом: Уо — талас пада напона, ∆Це — капацитивност између завојнице и екрана, ∆Цк — инхерентна капацитивност између завоја, ∆С3 — капацитивност између завојнице и земље, ∆Лк — индуктивност слојева завојнице.

Пошто у еквивалентном колу постоје и индуктивност и капацитивност, долази до осцилирајућег ЛЦ кола (флуктуације напона су приказане на слици 2б).

Амплитуда осцилација је 1,3 — 1,4 амплитуде упадног таласа, тј.Упеп = (1,3-1,4) Уо, а највећа вредност пренапона ће се јавити на крају прве трећине намотаја, стога у конструкцији трансформатора 1/3 намотаја има појачану изолацију у односу на остатак. .

Да би се избегао пренапон, струја пуњења кондензатора у односу на масу мора бити компензована. У ту сврху се у коло уграђује додатни екран (штит). Када се користи екран, капацитети намотаја према екрану биће једнаки капацитивности завоја према земљи, тј. ∆ЦЕ = ∆Ц3.

Заштита се изводи у трансформаторима напонске класе УХ = 110 кВ и више. Штит се обично поставља у близини кућишта трансформатора.

Монофазни трансформатори са изолованим неутралом

Присуство изоловане нуле значи да између земље и намотаја постоји капацитивност Цо, односно капацитивност се додаје у еквивалентно коло трансформатора терминала за уземљење, али се екран уклања (слика 3а).

Слика 3. Ширење напонског таласа дуж намотаја трансформатора са изолованом неутралном: а) шематски дијаграм еквивалентног трансформатора, б) зависност напона упадног таласа од дужине намотаја.

Са овим еквивалентним колом формира се и осцилационо коло. Међутим, због капацитивности Цо, постоји осцилирајуће ЛЦ коло са серијским повезивањем индуктивности и капацитивности. У овом случају, са значајном капацитивношћу Цо, највећи напон ће се појавити на крају намотаја (пренапон може достићи вредности до 2Уо). Природа промене напона на калему је приказана на слици 3б.

Да би се смањила амплитуда пренапонских осцилација у намотају трансформатора са изолованим неутралним елементом, потребно је смањити капацитивност излаза Ц у односу на масу или повећати самокапацитивност калемова. Обично се користи последњи метод. Да би се повећала самокапацитивност ∆Цк између намотаја високонапонског намотаја, у коло су укључене посебне кондензаторске плоче (прстенови).

Таласни процеси у трофазним трансформаторима

У трофазним трансформаторима, на природу процеса ширења упадног таласа дуж намотаја и на величину пренапона утичу:

а) дијаграм повезивања намотаја,

б) број фаза до којих долази таласни талас.

Трофазни трансформатор са високонапонским намотајем, звезда повезан са чврсто уземљеним неутралом

Нека упадни ударни талас дође у једну фазу трансформатора (слика 4).

Процеси простирања пренапонских таласа дуж намотаја у овом случају ће бити слични процесима у монофазном трансформатору са уземљеном неутралом (у свакој од фаза ће највећи напон бити у 1/3 намотаја), док ће не зависе од тога колико фаза достиже таласни талас. Ове. вредност пренапона у овом делу завојнице једнака је Упеп = (1,3-1,4) Уо

Слика 4. Еквивалентно коло трофазног трансформатора са високонапонским намотајем спојеним на звезду са неутралном уземљеном мрежом. Талас таласа долази у једној фази.

Трофазни високонапонски трансформатор спојен на звезду са изолованим неутралом

Нека талас таласа дође у једној фази.Еквивалентно коло трансформатора, као и ширење упадног таласа у намотају трансформатора, приказано је на слици 5.

Слика 5. Еквивалентно коло трофазног трансформатора са звездастим високонапонским намотајем (а) и зависношћу У = ф (к) за случај када талас долази у једној фази (б).

У овом случају се појављују две одвојене зоне осциловања. У фази А ће постојати један опсег осциловања и услови под којима се оне јављају, ау фазама Б и Ц ће постојати још једна петља осциловања, опсег осциловања ће такође бити различит у оба случаја. Највећи пренапон ће бити на намотају који прима ударни талас. У нултој тачки могући су пренапони до 2/3 Уо (у нормалном режиму у овом тренутку У = 0, дакле, пренапони у односу на радни напон У рад су за њега најопаснији, пошто У0 >> У рад).

Нека таласни талас прође кроз две фазе А и Б. Еквивалентно коло трансформатора као и ширење упадног таласа у намотају трансформатора је приказано на слици 6.

Слика 6. Еквивалентно коло трофазног трансформатора са звездастим високонапонским намотајем (а) и зависношћу У = ф (к) за случај када талас долази у две фазе.

У намотајима фаза на које талас долази, напон ће бити (1,3 — 1,4) Уо. Неутрални напон је 4/3 Уо. Да би се заштитио од пренапона у овом случају, одводник је повезан на неутрални део трансформатора.

Нека ударни талас долази у три фазе.Еквивалентно коло трансформатора као и ширење упадног таласа у намотају трансформатора приказано је на слици 7.

Слика 7.Еквивалентно коло трофазног трансформатора са звездастим високонапонским намотајем (а) и зависношћу У = ф (к) за случај када талас долази у три фазе.

Процеси ширења таласа пада пренапона у свакој од фаза трофазног трансформатора биће слични процесима у монофазном трансформатору са изолованим излазом. Највећи напон у овом режиму биће у неутралном и биће 2У0. Овај случај пренапона трансформатора је најтежи.

Трофазни високонапонски троугаони трансформатор

Нека таласни талас прође кроз једну фазу А трофазног високонапонског трансформатора повезаног у трокут, друге две фазе (Б и Ц) се сматрају уземљеним (слика 8).

Слика 8. Еквивалентно коло трофазног трансформатора са високонапонским намотајем спојеним у делта (а) и зависношћу У = ф (к) за случај када талас долази у једној фази.

Намотаји АЦ и БЦ ће бити изложени пренапону (1,3 — 1,4) Уо. Ови пренапони нису опасни за рад трансформатора.

Нека талас пренапона долази у две фазе (А и Б), графикони објашњења су приказани на слици 9. У овом режиму, ширење таласа пренапона у намотајима АБ и БЦ биће слично процесима у одговарајућим намотајима а трофазни уземљени трансформаторски терминал. Ове. у овим намотајима ће вредност пренапона бити (1,3 — 1,4) Уо а у намотају наизменичне струје достићи вредност (1,8 — 1,9) Уо.

Слика 9. Зависност У = ф (к) за случај када пренапонски талас пролази кроз две фазе трофазног трансформатора са високонапонским намотајем спојеним у трокут.

Пустите да таласи пренапона пролазе кроз све три фазе трофазног трансформатора са високонапонским трокутастим намотајем.

Намотаји свих фаза у овом режиму биће изложени пренапону (1,8 — 1,9) Уо. Ако пренапонски талас дође истовремено кроз две или три жице, онда у средини намотаја, на који таласи долазе са обе стране, може доћи до флуктуација напона са амплитудом које су опасне за рад трансформатора.

Заштита трансформатора од пренапона

Најопаснији пренапони главне изолације намотаја могу се јавити у случају истовременог доласка таласа кроз три жице до трансформатора са троуглом везом (у средини намотаја) или звездом са изолованим неутралним (скоро неутралним) . У овом случају, амплитуде резултујућих пренапона приближавају се двоструком напону излазног или четири пута већем од амплитуде улазног таласа. Опасни пренапони изолације од завоја до завоја могу настати у свим случајевима када на трансформатор стигне талас са стрмим фронтом, без обзира на шему повезивања намотаја трансформатора.

Дакле, за све трансформаторе у случају пренапона и њиховог распореда дуж намотаја, да би се проценила њихова величина, потребно је узети у обзир капацитете у еквивалентним колима трансформатора (а не само индуктивност). Тачност добијених вредности пренапона у великој мери зависи од тачности мерења капацитивности.

Да би се избегли пренапони у дизајну трансформатора, предвиђено је:

• додатни екран који дистрибуира струју пуњења, стога се смањују пренапони.Такође, екран смањује јачину поља у одређеним тачкама на намотају трансформатора,

• јачање изолације намотаја у појединим деловима (конструктивна замена намотаја трансформатора),

• уградња одводника испред трансформатора и после њега — против спољашњих и унутрашњих пренапона, као и одводника у неутралном делу трансформатора.