книги / Техника высоких напряжений

трансформатора. Поэтому напря­ жения, воздействующие на отдель­ ные элементы трансформаторной изоляции, зависят не только от ве­ личины перенапряжения, но и от конструкции самой обмотки. Это в особенности относится к продоль­ ной изоляции, напряжения на кото­ рой могут быть снижены в несколь­ ко раз путем рационального конст­ руирования трансформатора. Для того чтс^бы понять идеи такого ра­ ционального конструирования, не­ обходимо хотя бы кратко ознако­ миться с переходными процессами в обмотках трансформаторов, кото­ рые рассматриваются в следующем параграфе.

16-3. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОБМОТКАХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Суммарная длина провода в об­ мотках трансформаторов высокого напряжения достигает нескольких километров, поэтому при включении обмотки толчком к источнику на­ пряжения в обмотке возникают вол­ новые процессы, имеющие некото­ рую аналогию с волновыми процес­ сами в линиях электропередачи. Од­ нако схема замещения обмотки трансформатора, показанная на рис. 16-9, значительно сложнее схе­ мы замещения линии. Благодаря то му, что провод обмотки навивается вокруг магнитопровода, появляются два дополнительных параметра схе­ мы замещения — емкость между со­ седними витками или'катушками К (продольная емкость) и взаимная индуктивность М(х) каждого витка со всеми остальными витками об-

K/dx.

Рис. 16-9. Схема замещения трансформато­ ра при импульсных воздействиях.

мотки. Обычно под величинами L, С и К понимают .средние значения индуктивности, емкости относитель­ но земли и продольной емкости на единицу длины обмотки и представ­ ляют трансформатор в виде схемы с распределенными параметрами. Это является определенным прибли­ жением, так как в действительно­ сти схема замещения трансформа­ тора должна была бы представлять цепочку с ограниченным числом элементов, равным числу витков об­ мотки. Наибольшие трудности, ко­ торые встречаются при анализе пе­ реходных процессов в обмотках трансформаторов, связаны с пра­ вильным учетом взаимоиндукции, который осуществлен в достаточно полном виде только в самое послед­ нее время. Поскольку такой анализ весьма сложен и его невозможно даже в сокращенном виде привести

вучебнике по общему курсу, мы ограничимся качественным рассмот­ рением процесса, иллюстрируя его математическими выкладками лишь

впростейших случаях.

а) Начальное распределение напряжения вдоль обмотки трансформатора

Предположим, что на трансфор­ матор воздействует прямоугольная волна напряжения с амплитудой U0. В первый момент времени (t=0) индуктивности обмотки не пропу­ скают тока, поэтому наличие вза­ имных индуктивностей не играет никакой роли, и схема замещения трансформатора для этого момента времени состоит только из емкостей С и К. Для чисто емкостной схемы можно написать два уравнения:

заряд на емкости ^

Q ^ dU = K ^ r ; (16-1)

заряд на емкости C dx равен прира­ щению заряда Q

dQ — CdxU или =CU . (16-2)

Из (16-1) и (16-2) следует диф­ ференциальное уравнение для напря­ жения относительно земли:

al = 1

(16-8)

который определяется отношением суммарной емкости обмотки относи­ тельно земли к суммарной продоль­ ной емкости (т. е. к емкости между крайними витками обмотки).

Изолированная нейтраль

. • '( '- т ) + Г ( ' - т )

ea‘ + е~л‘

Из этих формул видна большая роль параметра

Рис. 16-10. Начальное распределение на­ пряжения по обмотке, имеющей а/=5.

что в начальный момент времени распределение напряжения вдоль обмотки крайне неравномерно, при­ чем значительная часть напряжения прикладывается к первым элемен­ там обмотки. Максимальный гра­ диент напряжения имеет место в на­ чале обмотки и равен:

(\ — J)макс = и 9л = —-а1, (16-10)

t

t

t

-^7

!,32мксеп

Рис. 16-11. Характерная форма импульсных напряжений меж­ ду катушками обмотки транс­ форматора типа ОМТ-6667ДЮ.

1 — п ервы й к а н а л ; 2 — тр ети й к а ­ н ал ; 3 — п яты й к а н а л ; 4 — сед ьм о й к а н а л ; 5 — г р а д у и р о в к а .

ра. Из рис. 16-9 следует, что эта схема представляет собой сложную колебательную систему, обладаю­

в произвольный момент времени t может быть представлено в виде ряда:

!--------

' W r ç

!\

I

Рис. 16-14. Кривые изменения во времени напряжения Ù\ на первой катушке обмот­

ки трансформатора.

a)

Рис. 16-13. Построение кривой распределения градиентов вдоль обмотки.

где £/уст(*) представляет собой распределение напряжения по об­ мотке в установившемся режиме, на которое накладываются собст­ венные колебания. Амплитуда ко­ лебаний £-й гармоники зависит как от ее номера, так и от координа­ ты х, таким образом колебания обмотки имеют характер стоячих волн, аналогичных стоячим волнам в линиях конечной длины.

Конечной целью анализа пере­ ходного процесса в обмотке транс­

вать на основании чисто качествен­

от режима нейтрали. В случае за­ земленной нейтрали в силу одно­ родности обмоток установившееся распределение напряжения будет определяться наклонной прямой ли­ нией, как показано на рис. 16-15,а*. При изолированной нейтрали в установившемся режиме вся об­ мотка примет одинаковый потен­ циал относительно земли ,и

* Напомним, что по-прежнему рассмат­ ривается воздействие на трансформатор бесконечно длинной прямоугольной волны напряжения с амплитудой £/„.

вие и является причиной возникно­

гаемое в процессе колебаний, рав­

А=1

Рис. 16-15. Приближенное определение ма­ ксимальных потенциалов в обмотке транс­ форматора с заземленной (а) и изолиро­ ванной (б) нейтралями.

/ — начальное распределение напряжения; 2 — ко­ нечное распределение напряжения; 3— огибаю­ щая максимальных потенциалов.

Из рис. 16-15,6 видно, что при изолированной нейтрали Sf/K(.v) монотонно возрастает от начала обмотки к концу. Поэтому первая гармоника собственных колебаний должна иметь узел в начале и пуч­ ность в конце обмотки. Следова­ тельно, ток во всей обмотке прохо­ дит в одном направлении. Магнит­ ный поток замыкается через сердеч­ ник и трансформатор обладает ин­ дуктивностью холостого хода Lxx.

При заземленной нейтрали, как видно из рис. 16-15,а, первая гар­ моника должна иметь максимум в середине обмотки и узлы по ее концам. Токи в двух половинах обмотки проходят в противополож­ ных направлениях, создавая встреч­ ные магнитные потоки. Благодаря этому поток вытесняется на пути рассеяния и индуктивность транс­ форматора близка к индуктивности короткого замыкания LK.3.

Таким образом, в схеме заме­ щения трансформатора должна быть использована индуктивность холостого хода только в одном случае, когда трансформатор с изо­ лированной нейтралью имеет ра­ зомкнутую вторичную обмотку. При этом, очевидно, частоты собст­ венных колебаний имеют наимень­

шие значения (Lx.x^> ^к.з). Однако этот случай редко встречается на

практике, так как вторичная об­ мотка в большинстве случаев либо

а)

б>

Рис. 16-16. Переходный процесс в обмотке трансформатора с заземленной (а) и изоли­ рованной (б) нейтралью при воздействии

бесконечной прямоугольной волны

t = 0 < t 1< t 2< t z < t 4 < t = œ .