ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И ЗАЩИТА ОТ НИХ

Рассмотрим защиту от перенапряжений на примере силовых трансформаторов. При нормальных условиях работы трансформатора между каждым витком его обмотки и заземленным корпусом и между любыми витками обмотки действуют синусоидальные напряжения номинальной частоты, которые не представляют опасности для изоляции трансформатора. К каждому витку обмотки приложено одинаковое вполне определенное напряжение, равное числу вольт на один виток, на которое рассчитывалась обмотка трансформатора.

Однако в эксплуатации к обмоткам трансформатора могут прикладываться импульсные напряжения, значительно превосходящие нормальные рабочие напряжения. Такие напряжения называют перенапряжениями. Внешние или грозовые перенапряжения могут возникать при ударах молнии в провода или опоры ЛЭП, к которой подключен трансформатор, а также индуктироваться при ударе молнии вблизи линии.

Перенапряжения атмосферного характера обычно длятся несколько десятков микросекунд, а их амплитуда может достигать десятикратного номинального напряжения трансформатора, что очень опасно для изоляции трансформатора.

Коммутационные или внутренние перенапряжения возникают при коммутационных операциях (включении и выключении трансформаторов и линий и при резком изменении нагрузки), а также при перемежающихся дуговых замыканиях на землю в системах с изолированной нейтралью. Коммутационные перенапряжения имеют большую длительность по сравнению с атмосферными перенапряжениями, но значительно меньшую амплитуду.

Импульсы перенапряжения обычно имеют апериодический характер и движутся вдоль линий электропередачи в виде волн со скоростью, близкой к скорости света. Они могут быть представлены гармоническими колебаниями очень высокой частоты. При импульсных перенапряжениях схему замещения трансформатора, приведенную на рис.4.5 использовать нельзя, так как при высоких частотах и больших значениях начинают сказываться емкости между витками обмоток и между обмотками трансформатора и заземленными частями обмотки (рис.10.6). В результате этого схема замещения становится более сложной. На рис.10.6 показана лишь упрощенная схема замещения при перенапряжениях. В действительности она гораздо сложнее. Отметим, что емкости С и С_З существуют и при нормальных режимах работы, однако при частоте f=50 Гц емкостные сопротивления их настолько велики, что ими можно пренебречь.

Поскольку анализ процессов, связанных с перенапряжениями, носит сложный характер, мы рассмотрим здесь только качественно простейший случай, когда трансформатор имеет одну обмотку и перенапряжение приходит к началу А обмотки при заземленном конце Х.

Когда волна перенапряжения с крутым фронтом длительностью около одной микросекунды, двигаясь вдоль линии, достигнет подстанции, на которой установлен трансформатор, напряжение на его выводах, после кратковременного уменьшения до нуля, начинает быстро возрастать. Волновое сопротивление линии гораздо меньше волнового сопротивления трансформатора. Поэтому, когда волна перенапряжения переходит из линии в трансформатор, то амплитуда ее увеличивается, достигая в пределе двукратного значения.

Рис.3.1. Упрощенная схема замещения обмотки трансформатора при воздействии на нее импульсных перенапряжений

Поскольку фронт волны очень крутой, то индуктивное сопротивление витков обмотки трансформатора резко возрастает, и ток в начале процесса не проходит по виткам обмотки трансформатора, а проходит только по емкостным цепям обмотки. Как показано в курсе ТОЭ, после того, как волна перенапряжения достигнет обмотки трансформатора, емкости начинают заряжаться, и напряжение на выводе А обмотки трансформатора сначала кратковременно падает до нуля, а затем достигает двойного значения амплитуды волны.

Рассмотрим, как напряжение распределяется вдоль обмотки трансформатора. Если рассматривать схему замещения трансформатора как однородную линию с распределенными параметрами, то напряжение вдоль обмотки трансформатора при заземленном выводе Х будет распределяться в соответствии с уравнением:

. (3.1)

Здесь L –длина всей обмотки; x – длина обмотки от конца до точки х, в которой определяется напряжение ; - коэффициент затухания; sinh - гиперболический синус.

На рис.10.6. показаны кривые распределения напряжения вдоль обмотки трансформатора при четырех разных значениях α: 1- α=0; 2- α=0,2; 3 – α=0,5; 4 – α=5. Это распределение напряжения называют начальным. Как видно из рис.10.6, если , напряжение вдоль обмотки распределяется неравномерно. На ближайшие к выводу А витки приходится большее напряжение, а на витки, ближайшие к концу обмотки – меньшее напряжение, причем крутизна напряжения в начале обмотки с ростом α увеличивается. При α=5 все напряжение приходится на первые витки, ближайшие к началу обмотки А.

У обмоток современных трансформаторов коэффициент затухания α лежит в пределах 5-15. Это значит, что при перенапряжениях в трансформаторах практически все напряжение прикладывается к первым от начала обмотки виткам или катушкам. Такое распределение напряжения является опасным для изоляции обмотки, и, если не принять специальных мер, то изоляция ближайших к началу обмотки витков будет пробиваться, что подтверждается опытом эксплуатации трансформаторов. Отметим, что и при незаземленном конце обмотки, картина неравномерного распределения напряжения вдоль обмотки качественно сохраняется.

Хотя рассмотренный нами анализ был проведен лишь для качественной оценки процессов в изоляции обмоток трансформатора, однако он позволяет сформулировать основные положения правильного конструирования обмоток высоковольтных трансформаторов и выбрать меры защиты изоляции от возможных перенапряжений. На основании исследований можно сделать следующие практические выводы.

Для надежной работы трансформатора необходимо во-первых, не допускать воздействия на обмотку волн с амплитудой напряжения, превышающей пределы, установленные для данного класса изоляции обмоток (внешняя защита) и во-вторых, усиливать изоляцию крайних катушек и принять меры для выравнивания начального распределения напряжения вдоль обмотки трансформатора в момент прихода волны перенапряжения (внутренняя защита). Соблюдение этих условий позволит повысить эксплуатационную надежность трансформаторов.

Для выполнения первого условия трансформаторные подстанции защищают молниеотводами, а линии электропередачи - заземленными тросами, а также вентильными разрядниками (РВ) и нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН). Вентильный разрядник представляет собой защитный аппарат, имеющий однократный или многократный искровой промежуток ИП, соединенный последовательно с варистором - нелинейным резистором НР, выполненным из вилита – материала на основе карбида кремния, обладающего нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис.10.7,а).

Рис.3.2.Принципиальная схема защиты трансформатора с использованием вентильного разрядника (а) и согласование вольт-секундных характеристик трансформатора и вентильного разрядника (б)

Вентильный разрядник подключают параллельно защищаемому объекту – трансформатору Т. Чем больше величина напряжения, прикладываемого к искровому промежутку разрядника, тем быстрее он пробивается. Эта зависимость 2, показанная на рис. 10.7,б, называется вольт-секундной характеристикой разрядника. В нормальных условиях искровой промежуток не пробит и ток через РВ не протекает. Когда же перенапряжение падающей волны u_ПАД достигнет значения, определяемого вольт-секундной характеристикой 2 разрядника РВ, то происходит его срабатывание, т.е. искровой промежуток ИП пробивается, соединяя линию, по которой идет перенапряжение, и защищаемую изоляцию с землей и отводя электрические заряды опасной волны перенапряжения в землю через искровой разряд.

Вольт-секундная характеристика 2 вентильного разрядника РВ с учетом разброса его параметров должна лежать ниже вольт-секундной характеристики 1 защищаемой изоляции (рис.10.7,б). По опытным данным этот интервал должен быть не менее 15-20%. При выполнении этого требования появление опасных для изоляции трансформаторов перенапряжений невозможно, так как при набегании импульса перенапряжения u_ПАД пробой ИП происходит при напряжении u_ПР раньше, чем произойдет пробой изоляции защищаемого объекта.

Необходимость включения в защитную цепь искрового промежутка связано с тем, что вилит обладает слабой нелинейностью. Наличие искрового промежутка значительно увеличивает напряжение срабатывания разрядника, а, следовательно, и напряжение на защищаемом объекте. Чтобы улучшить защитные характеристики разрядника и отказаться от искровых промежутков, необходимы резисторы из материала с резко нелинейной вольт-амперной характеристикой и достаточной пропускной способностью. Такие материалы позволяют, отказавшись от искровых промежутков, обеспечить глубокое ограничение перенапряжений и удешевить изоляцию защищаемого оборудования. Высоконелинейные резисторы на основе окиси цинка с применением окислов других металлов получили название оксидно-цинковых резисторов (ОЦР). Аппараты глубокого ограничения перенапряжений с высоконелинейными оксидно-цинковыми резисторами получили название ОПН – ограничители перенапряжений нелинейные. Уровень ограничения грозовых перенапряжений с помощью ОПН составляет (2,2-2,4)U_Ф в сетях 110 кВ и снижается до2U_Ф в сетях 750 кВ.

Соблюдение второго условия по ограничению перенапряжений представляет большие трудности и приводит к усложнению конструкции обмоток и технологии их производства. В настоящее время масляные трансформаторы напряжением до 35 кВ включительно имеют защиту от перенапряжений в виде усиленной изоляции начальных и концевых катушек обмотки ВН, где наибольшая вероятность появления перенапряжений. Число катушек с усиленной изоляцией составляет 5-7 % от общего числа катушек обмотки. Толщину изоляции в этих катушках увеличивают в три раза.

Простейшим мероприятием для выравнивания начального распределения напряжения является емкостная защита, основанная на применении разомкнутых «емкостных колец», являющихся электростатическими экранами. Эти кольца изготовляются из электрокартона с металлизированной поверхностью. Они охватывают несколько первых начальных витков обмотки и соединяются с началом обмотки. Схема замещения обмотки трансформатора с электростатическими экранами вокруг первых катушек трансформатора приведена на рис.10.8. Электростатический экран позволяет снять большое напряжение с первых витков обмотки за счет того, что он его несколько продвигает дальше от начала обмотки.

Физически действие экрана можно объяснить следующим образом. Согласно законам коммутации ток через катушку и напряжение на конденсаторе не могут изменяться скачком. В первый момент времени катушка представляет собой разрыв, а незараженный конденсатор – короткое замыкание. Таким образом, конденсаторы С_З в первый момент времени оказываются незаряженными. Ближайшие к началу обмотки незаряженные конденсаторы С_З и обусловливают большое напряжение на первых витках обмотки. Роль емкостных колец или экранов заключается в том, что они создают конденсаторы С_Э, через которые могут заряжаться конденсаторы С_З.

Чтобы распределение напряжения вдоль обмотки было близко к линейному, емкости экранов С_Э должна быть неодинаковыми. По мере удаления от начала обмотки емкость должна уменьшаться. Для этого экран располагают так, чтобы расстояние от обмотки до экрана увеличивалось по мере удаления от ее начала. В этом случае токи через емкости С_Э и С_З в соответствующих точках будут равны и обмотка не нагружается токами емкостей на землю. Распределение напряжения будет равномерным.

Выше было показано, что при α=0, когда С_З=0, распределение напряжения вдоль обмотки становится равномерным. Выполнить трансформатор так, чтобы его обмотки не имели емкости на землю, невозможно. Однако их можно исключить из схемы другим путем. Наличие емкостей С_Э, через которые заряжаются емкости С_З от подведенного перенапряжения, позволяет сделать цепи С_Э-С_З независимыми от обмотки и вынести их в качестве отдельной схемы. В этом случае для обмотки как бы соблюдается условие С_З=0, α=0 и распределение напряжений будет равномерным. В некоторых случаях экранируют всю обмотку.

Рис.3.3. Схема замещения обмотки трансформатора с электростатическими экранами вокруг первых катушек трансформатора

Рассмотренные выше специальные конструкции обмоток высшего напряжения повышает импульсную прочность трансформаторов. Такие трансформаторы получили название грозоупорных или нерезонирующих.