Переходные режимы. Переходные процессы в трансформаторах и дросселях могут вызвать следующие изменения электрических характеристик, способных оказать вредное воздействие на изоляцию:
а) небольшие периодические увеличения напряжения, приводящие к появлению частичных разрядов, для поддержания которых требуется меньшая напряженность электрического
поля, чем для их поджига;
Рис. 1.2. Зависимость срока службы изоляции от температуры для основных классов изоляции 1 — 105 °С; 2 — 130 °С; 3 — 170 °С
б) изменения частоты и формы кривой напряжения, которые ускоряют процессы старения;
в) импульсные перенапряжения, способные привести к пробою или серьезному повреждению изоляции;
г) длительный перегрев обмотки и связанное с ним ускоренное старение изоляции (см. рис. 1.2);
д) короткие замыкания и как следствие — электродинамические удары или термические воздействия на изоляцию; из-за быстрого перепада температур возможны появления значительных деформаций в изоляции за счет разных значений температурных коэффициентов линейного расширения материала обмотки и изоляции.
Возможны и другие виды воздействий и их комбинаций на изоляцию.
Переходные процессы в трансформаторах при синусоидальном напряжении описываются уравнением
(1.3)
где i — мгновенное значение тока.
Ток при переходных процессах имеет установившуюся и апериодическую составляющие. Последняя затухает с постоянной времени х = L/r, где индуктивность L соответствует потоку рассеяния. Затухание переходных процессов происходит также вследствие токов Фуко.
Переходные процессы могут вызываться внешними, например атмосферными, явлениями или возникать, вследствие нарушения работы схемы, в которую включен трансформатор.
Переходные процессы на стороне первичной обмотки. Высоковольтные анодные трансформаторы мощностью до 100 кВ-А имеют напряжение на первичной стороне 220... 380 В и, как правило, хорошо защищены от внешних (атмосферных) перенапряжений.
Для таких трансформаторов переходные процессы, способные повлиять на изоляцию, могут возникать при включении в сеть на холостом ходу или при коротких замыканиях. Характер протекания переходных процессов будет зависеть от схемы выпрямителя.
Однополупериодное выпрямление однофазного переменного тока в современных установках применяется редко. В таких схемах из-за наличия значительной постоянной составляющей возникает подмагничивание магнитопровода, что приводит к специфическому протеканию переходных процессов.
Для трехфазных выпрямителей характерной особенностью является наличие значительных высших гармонических составляющих первичного тока.
Работа трансформатора в режиме холостого хода может привести к быстрому возрастанию намагничивающего тока и к перенапряжениям в высоковольтной обмотке. Эти кратковременные пусковые токи продолжаются не более нескольких периодов и обычно не представляют опасности для изоляции. Но если пуск происходит в момент перехода напряжения через нуль, то магнитный поток трансформатора содержит периодическую и апериодическую составляющие, а максимальная амплитуда переходного тока достигает почти двойного значения по сравнению с амплитудой установившегося потока.
В трехфазном трансформаторе с сетевой обмоткой, соединенной в треугольник, каждая фаза независимо включена в сеть. Максимальное значение потока будет иметь место только в одной фазе, где напряжение в момент включения проходит через нуль.
Известную опасность для обмотки и изоляции представляют электромагнитные силы взаимного притяжения, возникающие при пусковых токах между витками первичной обмотки. Однако в монолитных конструкциях, залитых эпоксидным компаундом, этими силами можно пренебречь.
Перенапряжения, возникающие в высоковольтной обмотке при включении ненагруженного трансформатора, могут оказать разрушающее влияние на продольную изоляцию. Особая опасность возникает в анодных трансформаторах, содержащих большое число витков тонкого провода диаметром до 0,2... 0,3 мм. Возможные в этих случаях нарушения межвитковой изоляции могут привести к созданию короткозамкнутых витков, локальному перегреву и к появлению трещин в главной изоляции или отслоению ее от обмотки. При продолжительном коротком замыкании может наступить деструкция компаунда и пробой.
Значительные механические разрушения являются следствием больших градиентов температурного поля в твердом диэлектрике из-за разности температур в очаге короткозамкнутых витков и на периферии. При этом с увеличением объема катушки и ее изоляции возрастают механические напряжения и разрушения в ней.
Ток виткового замыкания может быть определен из выражения
(1.4)
где I2 ном — номинальный ток обмотки; UK.3 — напряжение короткого замыкания; w2 — число витков обмотки; w2к.з— число короткозамкнутых витков.
При коротком замыкании на стороне сетевой обмотки анодного трансформатора ток короткого замыкания достигает своего максимального значения приблизительно через полпериода и может быть определен из выражения
(1.5)
где I1у = U1/Zк.з — установившийся ток короткого замыкания; U1 — напряжение сетевой обмотки; rк.з, хк.з и Zк.з — соответственно активное, реактивное и полное сопротивление обмотки при коротком замыкании.
Электродинамические силы, возникающие в осевом направлении при коротких замыканиях, представляют особую опасность при неодинаковой высоте сетевой высоковольтной обмоток. Из-за искривления магнитных линий поля появляются дополнительные электромагнитные силы, которые могут деформировать обмотку. Такие явления при глухом коротком замыкании во взаимодействии с джоулевыми потерями в обмотке и
с учетом уменьшения механической прочности компаунда при температуре выше 80... 90° С могут привести к механическому разрушению изоляции.
При коротком замыкании исследуется также термическое воздействие на изоляцию и обеспечивается такое время срабатывания системы защиты, которое гарантировало бы кратковременный нагрев изоляции не выше 200... 250° С.
Переходные процессы на стороне вторичной обмотки. В схеме выпрямителя, т. е. на стороне высоковольтной обмотки анодного трансформатора, возможны явления, вызванные зажиганиями в ламповых вентилях обратных токов или пробоями в полупроводниковых приборах. Систематически возникают перенапряжения в режиме нормальной коммутации при зажигании очередного вентиля.
Расчет установившегося значения тока короткого замыкания в анодной обмотке может быть произведен аналогично расчету симметричного короткого замыкания на вторичных обмотках обычного силового трансформатора. Форма кривой анодных токов при коротком замыкании близка к синусоиде, а длительность их равна полупериоду. Нарастание тока до своего конечного значения происходит со скоростью, обратно пропорциональной индуктивности цепи короткого замыкания, а максимальные значения достигаются весьма редко, так как между замыкающимися проводами при прохождении напряжения через максимум или вблизи него возникает дуга, которая и является коротким замыканием.
Характер воздействия короткого замыкания на изоляцию не отличается от воздействия на первичную обмотку трансформатора. Зажигания в газонаполненных вентилях вследствие обратных токов могут быть вызваны нарушением температурного режима, перегрузками, короткими замыканиями, ухудшением вакуума и т. д.
В выпрямителях, работающих но трехфазной двухполупериодной схеме Ларионова, при обратном зажигании в одном из вентилей ток в обратно проводящей фазе превышает в несколько раз фазные токи в двух других фазах. Последние, в свою очередь, превышают токи при симметричном коротком замыкании фаз.
Кроме того, появляется большая постоянная составляющая, которая .не может трансформироваться в первичную обмотку. Это приводит к нарушению баланса намагничивающих сил в обеих обмотках и при возникших токах вызывает резкое возрастание электродинамических усилий, действующих на обмотки в осевом направлении. Эти усилия могут привести к нарушению монолитности обмоток, залитых эпоксидным компаундом. При неустойчивых режимах выпрямителя наблюдаются периодические изменения тока, происходящие с большой частотой.
Рис. 1.3. Кривая коммутационных перенапряжений трехфазного двухполупериодного выпрямителя на газотронах
Для выпрямителей, собранных по трехфазной схеме Ларионова, были найдены три типа колебаний с частотой 9, 4,5 и 2 кГц.
При наличии в схеме распределенных параметров R, L, Ζ может возникнуть резонанс напряжений, сопровождающийся перенапряжениями.
Таким образом, перенапряжения в выпрямителях имеют характер или кратковременных электрических импульсов или периодических волн.
Значительная часть перенапряжения (до 30..-40%) может падать на первой секции обмотки. Перенапряжения, которые происходят в результате нормальной коммутации, не превосходят двойного значения номинального напряжения, но для большинства схем они на 10... 20% выше номинального.
В некоторых аварийных режимах эти колебания могут привести к перенапряжениям, приближающимся к (2,5 ... 3)-кратному рабочему напряжению. По некоторым данным возможны перенапряжения, превосходящие в 10 раз амплитуду номинального напряжения.
При исследовании коммутационных перенапряжений в выпрямителях на 30 кВ, собранных по трехфазной двухполупериодной схеме Ларионова, было определено, что они представляют собой трехчастотную кривую, которая может быть выражена уравнением.
Рис. 1.4. Трехфазная двухполупериодная схема выпрямителя (а) и форма кривых напряжения, приложенного к главной изоляции и анодного Та и накального Ти трансформаторов (б)
Кривая, построенная по данному уравнению, представлена на рис.. 1.3.
Все перечисленные виды перенапряжений будут действовать и на изоляцию высокопотенциальных накальных, сеточных и поджигающих трансформаторов, включенных в анодную или катодную цепь выпрямителя (рис. 1.4).
Имеющиеся статистические данные свидетельствуют о возможности возникновений значительного числа воздействий аварийных и коммутационных перенапряжений, которые возникают при оперативных и защитных отключениях. Особенно большим перегрузкам изоляция подвергается в период настройки и регулировки выпрямителя и генератора.
Важное значение для условий эксплуатации изоляции трансформаторов имеет применение электронных схем защиты выпрямителей от перегрузок и КЗ, заменивших в настоящее время релейные системы.
На рис. 1.5 показано изменение напряжения относительно земли в точке высоковольтной обмотки для трех, наиболее распространенных волн перенапряжений в трансформаторах.
Рис. 1.5. Изменение напряжения относительно земли в точке обмотки при прямоугольной бесконечно длинной волне — а, при апериодической волне конечной длины — б и при образовании срезанной волны (кривая 3) в результате наложения двух волн разных знаков (кривые I и 2) — в (заштрихованная область — результирующая)
В обмотках с незаземленным концом возникает отражение волны со значительным увеличением ее амплитуды, а в обмотках с заземленным концом — максимальное напряжение относительно земли снижается и колебания затухают соответственно постепенному снижению напряжения на зажимах обмотки (рис. 1.6 и 1.7).
При возникновении перенапряжений опасные по значению напряжения могут возникнуть как для главной, так; и для продольной изоляции.
Рис. 1.6. Распределение напряжения в переходном режиме вдоль обмотки трансформатора с изолированным (а) и с заземленным (б) концами; 1 — огибающая наибольшего напряжения; 2 — τ=∞; 3 — τ=0
Рис. 1.7. Распределение межслоевого перенапряжении по обмотке дросселя
Защита от перенапряжений, не предусмотренных изоляцией трансформатора, осуществляется установкой разрядников, исключающих воздействие на обмотку волн с амплитудой, превышающей допустимую для выбранной изоляции. В самой конструкции катушки предусматривают выравнивание картины электрического поля, т. е. более равномерное распределение напряженности поля в объеме изоляции.
В дросселях фильтров, имеющих большое сопротивление обмотки, процессы установления тока и напряжения при включении являются апериодическими. Соответственно перенапряжения при этом невелики.
В мощных выпрямителях, особенно с Г-образным фильтром, при включениях и резких изменениях нагрузки могут возникать значительные перенапряжения, которые наиболее опасны для начальных витков обмотки.
При включении и отключении выпрямителя в обмотке дросселя возникают волны перенапряжений с фронтами, порядка десятков или сотен микросекунд. Максимальные значения перенапряжений превышают номинальное значение в 2,0.. .2,5раза.
Угрозу для разрушения продольной изоляции дросселя фильтра высоковольтного выпрямителя представляет режим короткого замыкания в сети нагрузки. В' этом случае напряжение скачкообразно изменяется от рабочего до нуля. Фронт воздействующей волны для каждой' схемы будет определяться скоростью коммутации при срабатывании аппаратуры защиты и значениями распределенных параметров R, L, Z схемы.
Экспериментально определено, что перераспределение по обмотке перенапряжения U, происходит только в дросселях с большим числом (несколько тысяч) витков. При небольшом числе (до нескольких сотен) витков перенапряжение распределяется почти равномерно. На рис. 1.7 показано изменение межслоевого перенапряжения Uп.сл на различных участках обмотки. Зависимости построены в относительных единицах для дросселей с числом витков 102 (кривая 1) и 103 (кривая 2).
