Причины появления перенапряжений.

При нормальных условиях работы трансформатора между отдельными частями его обмоток (витками и катушками), а так же между обмотками и заземленным магнитопроводом действуют синусоидальные напряжения номинальной частоты и амплитуды, которые не опасны для правильно спроектированного трансформатора. Если конец обмотки заземлен, то напряжения, действующие между ее витками и заземленным магнитопроводом, изменяются равномерно, уменьшаясь по мере приближения к концу обмотки. При изолированном конце все точки обмотки находятся под одним и тем же напряжением относительно заземленного магнитопровода.

В процессе эксплуатации трансформатор подвергается воздействию напряжений, превосходящих номинальное напряжение по амплитуде и имеющих другую частоту и форму кривой.

Перенапряжения в трансформаторе вызываются различными причинами: коммутационными (включение и выключение трансформатора или соединенных с ним электрических линий), короткими замыканиями и грозовыми разрядами. Наибольшие перенапряжения возникают (до 10 U_ном) при прямых ударах молнии в провода и опоры электрических линий и при грозовых разрядах вблизи линий, во время которых в проводах индуктируются электромагнитные волны высокого напряжения. Эти перенапряжения называются атмосферными, они наиболее опасны для продольной изоляции (между катушками, слоями и витками обмотки). Перенапряжения, возникающие вследствие коммутационных причин, воздействуют в основном на главную изоляцию обмоток.

В большинстве случаев грозовые разряды создают в линии перенапряжения в виде кратковременных импульсов (или периодических волн), причем амплитуда и форма импульса перенапряжения, проникающего в обмотки трансформатора, в значительной степени зависят от дальности атмосферного разряда, принятой защиты трансформаторной подстанции от перенапряжений, подходов к ней и т.п.

Увеличение напряжения от нуля до максимума (фронт волны) происходит за очень короткий промежуток времени, измеряемый долями микросекунды. Волна с крутым фронтом может рассматриваться как ¼ периода переменного напряжения очень высокой частоты (10-5- кГц).

                                       1 – фронт волны, 2 - хвост волны

Схема замещения при перенапряжении.

В полную схему замещения трансформатора помимо активных и индуктивных сопротивлений необходимо вводить емкостные сопротивления, обусловленные продольными емкостями С _d между отдельными элементами обмоток (витками и катушками) и поперечными емкостями C_q  между этими элементами и заземленными частями (магнитопровод, бак).

При рабочей частоте 50 Гц созданные емкостями сопротивления весьма велики и практически не оказывают влияния на работу трансформатора. Однако при больших частотах, характерных для волн перенапряжения, роль этих емкостей возрастает, так как по мере увеличения частоты индуктивное сопротивление x_L увеличивается, а емкостное x_C уменьшается. Следовательно, все большая часть тока начинает проходить через емкости С_d  и C_q.

На рисунке упрощенная схема замещения входной обмотки при перенапряжениях, в которой не учитывается активное сопротивление, а индуктивности L включают в себя как собственную, так и взаимные индуктивности каждого элемента обмоток.

При подходе волны напряжения к зажимам трансформатора напряжение на обмотке вследствие большой крутизны фронта волны быстро возрастает. Скорость этого процесса настолько велика, что ток вначале не проходит по виткам обмотки из-за большой их индуктивности, а протекает только по ее емкостной цепи.

В этот момент обмотка действует как некоторая емкость С_вх = √С_{d рез} C_{q рез}, называемая входной.

При этом значения продольной и поперечной составляющих входной емкости

С_{d рез}= 1/ ∑1/ С_d и  C_{q рез}= ∑ C_q.

При воздействии на трансформатор набегающей волны перенапряжения с крутым фронтом в схеме замещения входной обмотки возникает переходный процесс изменения тока и напряжения. В начальный момент времени в течение долей микросекунды происходит процесс заряда входной емкости.

При этом при переходе волны напряжения из электрической линии (т.е. из цепи с меньшим волновым сопротивлением) в трансформатор (т.е. в цепь с большим волновым сопротивлением) напряжение на его входной обмотке сначала уменьшается до нуля, а затем возрастает и достигает двукратного значения амплитуды волны.

Т.о., вначале обмотки А токи и заряды имеют бОльшие значения, чем в конце обмотки Х, так как через поперечные емкости C_q большая часть тока уходит в землю, т.е. распределяются неравномерно. Степень неравномерности зависит от коэффициента α = √C_{q рез}/ С_{d рез}.

Обычно в трансформаторах C_{q рез}> С_{d рез}  и α = 5÷15.

При перенапряжениях наибольшей опасности подвергается изоляция начальных витков и катушек, так как в начальные моменты времени на них приходится максимальная часть напряжения.

Защита от перенапряжений.

Для пред отвращения воздействия на трансформаторы волн перенапряжений с амплитудой, превышающей допустимую для данного класса изоляции, трансформаторные подстанции защищают заземленными тросами и разрядниками. Они обеспечивают снижение амплитуды падающей на трансформатор волны перенапряжения.

В трансформаторах класса напряжения 35 кВ для защиты от атмосферных перенапряжений в начале и в конце обмотки ВН усиливают изоляцию первой и второй катушек, а также увеличивают вентиляционные каналы между ними. Нейтрали обмоток с напряжением 35 кВ и выше заземляют непосредственно либо через сопротивления, которые при высокочастотных колебаниях не оказывают существенного влияния на характер переходного процесса.

Для выравнивания начального распределения напряжения и сближения его с конечным распределением, а также для снижения опасных электромагнитных колебаний под воздействием волн перенапряжений в трансформаторах класса напряжения 110 кВ и выше применяют емкостную защиту обмоток. Сущность такой защиты заключается в том, что в конструкцию обмотки включают добавочные емкости, выполненные в виде электростатических экранов, которые шунтируют продольные емкости С_d.

Трансформаторы с емкостной защитой называют грозоупорными или нерезонирующими, так как у них практически отсутствует опасность возникновения значительных резонансных колебаний в обмотках при воздействии периодических затухающих волн перенапряжения.

В трансформаторах напряжением 110 кВ и выше наряду с емкостной защитой начальные и концевые катушки высоковольтных обмоток выполняют с усиленной изоляцией.