Явления при включении или выключении трансформатора

Явления, имеющие место в трансформаторе при его включении или привыключении, представляют собою явления неустановившегося состояния, продолжающиеся всего лишь доли секунды. Несмотря на незначительную длительность этих явлений, изучение их крайне необходимо, так как последствия их, если не принять определенных противомер, могут вывести из строя трансформатор или приборы, включенные в его цепь. Не задаваясь целью детально изложить теорию упомянутых выше явлений,мы ограничимся в дальнейшем лишь главнейшими моментами этой теории.

Явления при включении трансформатора.

Трансформатор, включаемый в цепь при разомкнутой вторичной цепи во всем подобен обычной реактивной катушке с железом.Предположим предварительно, что реактивная катушка не имеет железного сердечника,а активное сопротивление ее обмотки ничтожно мало и им можно пренебречь. При установившемся режиме магнитный поток реактивной катушки меняется согласно основному закону электромагнитной индукции: v=w*dФ/dt*10-8 ,где где v — мгновенное значение приложенного напряжения, w — число витков катушки, dФ —изменение за время dt пронизывающего катушку магнитного потока. Полное изменение магнитного потока за какой-либо промежуток времени t, отсчитываемого от нулевого значения потока, выразится включение трансформаторасуммою изменений за тот же промежуток времени и будет равно
Фt =0 /tdФ=0 /tvdt/w×10-8
Поток Фt, представляет собою поток, который пронизывает катушку в момент времени t. Он является интегральной функцией приложенного напряжения. Следовательно, если напряжение меняется по синусоидальной кривой, то и магнитный поток будет меняться также по синусоидальной кривой со сдвигом по фазе на 1/4 периода. При неустановившемся режиме включения магнитный поток реактивной катушки меняется согласно тому же основному закону электромагнитной индукции, но форма кривых изменения его во времени зависит от момента включения катушки на первичную сеть.Предположим, что первичное напряжение меняется по синусоидальной кривой V1 и катушка включена в момент прохождения напряжения через наибольшее значение (рис.1а).

В первый момент включения магнитный поток равен нулю.Но он тотчас же начнет нарастать по кривой,которая является интегральной кривой напряжения V1, на рисунке 1а по кривой Фy. Начиная с нулевого значения, поток будет нарастать до тех пор, пока напряжение имеет положительное значение, т.е до момента нулевого значения напряжения.В этот момент магнитный поток достигнет наибольшего значения и начнет уже убывать. Совершенно ясно что изменение магнитного потока будет в рассматриваемом случае происходить по той же синусоидальной кривой, что и при установившемся режиме с отставанием от напряжения на 1/4 периода. Так как предполагается, что железа в реактивной катушке нет, то намагничивающий ток в своем изменении будет совпадать по фазе с магнитным потоком, т.е. будет меняться по синусоидальной кривой, совпадающей с кривой потока, на рис. 1а по кривой iy. В виду того, что нарастание магнитного потока при рассматриваемом включении такое же, что и при установившемся режиме, ток включения будет равен установившемуся току. Предположим теперь, что катушка включается в момент прохождения напряжения через нуль (рис. 1б). Начиная с этого момента, магнитный поток катушки будет нарастать до тех пор, пока приложенное напряжение не сделается равным нулю, т. е. в течение полупериода. Увеличение потока прекратится в момент прохождения напряжения через нуль.В течение следующего полупериода поток будет убывать,пока напряжение не изменит своего направления.
Изменение магнитного потока в этом случае изобразится на рис. 1б кривой Ф, а изменение намагничивающего тока кривой i. Так как кривая магнитного потока Ф в период его нарастания является интегральной кривой за полупериод,а не за 1/4 периода,как в первом включении,то ясно ,что наибольшее значение ординаты кривой Ф,а следовательно и кривой i, вдвое больше соответствующих значений ординат кривых Фy и iy. Это значит ,что ток включения реактивной катушки без железа в момент прохождения напряжения через нуль вдвое больше тока включения той же катушки в момент прохождения напряжения через наибольшее значение. Если бы активное сопротивление катушки было действительно равно нулю, то магнитный поток и, следовательно, ток пульсироваливключение трансформаторва в сеть бы неопределенно долгое время, не меняя своих знаков, т. е. ток в цепи катушки был бы пульсирующим постоянного направления. Намагничивающий ток i (так же, как и магнитный поток Ф) в рассматриваемом случае включения мы можем представить себе как бы сложенным из тока iy установившегося режима и постоянного тока iп, равного наибольшему значению установившегося тока Iy (рис.2), т. е. при включении катушки на намагничивающий ток установившегося режима iy как бы накладывается постоянный ток iп. Наше предположение,что активное сопротивление (рис.2). катушки равно нулю, не совпадает с действительностью. Наличие активного сопротивления быстро снижает постоянный ток Iп до нуля, вследствие чего ток включения постепенно переходит в ток установившегося состояния. В том случае, когда катушка включается в промежуточный момент между наибольшим и нулевым значениями напряжения, кривая тока включения по виду своему занимает среднее положение между кривыми тока рассмотренных случаев включения.Кривая тока включения трансформатора На рис.3 изображена кривая тока включения i в предположении, что включение произошло спустя период времени t после прохождения напряжения V1 через нуль, и что активное сопротивление катушки не равно нулю. Легко видеть, что ток включения в этом случае уже не является пульсирующим, постоянным по направлению, но он и не переменный симметричный ток установившегося режима. Этот ток мы можем рассматривать как результат сложения двух токов: тока установившегося режима, меняющегося по кривой iy, и тока постоянного по направлению, убывающего по кривой in. Суммы ординат кривых iy и in дают ординаты кривой i. Величины токов iy и iп, а также время, в течение которого постоянный ток исчезает и ток включения переходит в установившийся ток, зависит от величины активного сопротивления катушки R и коэффициента самоиндукции L.

Действительный трансформатор, включаемый на первичную сеть вхолостую, отличается от рассмотренной реактивной катушки тем,что он обладает весьма большим коэффициентом самоиндукции и имеет железный сердечник. Наличие же железа в значительной мере увеличивает ток включения. В самом деле, пусть включение произошло в момент прохождения напряжения через нуль. Магнитный поток должен увеличиться в этом случае до двойного своего значения установившегося режима. Следовательно, должна удвоиться индукция в железе, что приведет к сильному насыщению его и большому магнитному сопротивлению. Последнее обстоятельство имеет следствием чрезмерное возрастание намагничивающего тока включения.Осцилограмма токов включения трансформатора
У современных трансформаторов, в особенности с искусственным охлаждением, магнитная цепь берется с большим насыщением,и потому броски тока при включении должны быть большими. Осциллограммы токов включения современных трансформаторов показывают, что броски тока превосходят амплитуду нормального намагничивающего тока раз в 100—120. Так как нормальный намагничивающий ток составляет 5—10% нормального тока нагрузки, то броски тока при включении могут превосходить нормальный ток нагрузки в 8—12 раз. Такие токи опасны для приборов, включенных в цепь трансформатора, и нежелательны для сети,к которой подключается трансформатор. Нежелательны они и для самого трансформатора из-за тех механических усилий, которые получаются между катушками обмотки. В силу кратковременности эти токи не опасны в тепловом отношении. Чтобы проиллюстрировать сказанное о включении трансформатора, на рис.4 приведены осциллограммы токов включения одного трансформатора, причем первая осциллограмма отвечает случаю включения при переходе напряжения через наибольшее значение, т.е. через амплитуду его, а вторая осциллограмма —случаю включения при переходе через нуль. С целью ослабить ток включения применяют рубильники с так называемыми предварительными контактами, с помощью которых в первый момент в цепь трансформатора вводится большое сопротивление, замыкаемое накоротко при дальнейшем движении ножа рубильника. Кроме явления неустановившегося тока, при включении трансформатора имеют место явления неустановившегося напряжения, которые часто ведут к чрезмерному повышению напряжения между соседними витками обмотки и между зажимами трансформатора. Причина этих явлений лежит в свободных колебаниях, возникающих в цепи, состоящей или из емкости линии и самоиндукции самого трансформатора, когда последний включается с подключенной к линии вторичною обмоткою, или из емкости самого трансформатора и его же самоиндукции, когда включается одна обмотка высшего напряжения, имеющая довольно большую емкость. Математическим анализом свободных колебаний нетрудно показать, что эти колебания можно рассматривать как равнодействующие бегущих волн с крутым фронтом, перемещающихся по цепи в противоположные стороны с весьма большой скоростью, причем взаимный сдвиг их и высота фронта зависят от того, в какой момент изменения напряжения включается трансформатор. Бегущая волна,перемещаясь по обмотке трансформатора, дает между витком, над которым в данный момент расположился фронт волны, и следующим за ним витком напряжение, значительно превосходящее то напряжение, которое имеется между витками при установившемся состоянии. Если включение трансформатора происходит в момент перехода напряжения сети через наибольшее значение (амплитуду), то высота фронта волны, а следовательно, и напряжение между соседними витками может достигнуть величины амплитуды напряжения сети, т. е. в десятки раз превосходить нормальное напряжение между витками, равное V/w, где w— число витков обмотки.

Для трансформаторов низкого напряжения, у которых запас диэлектрической прочности изоляции велик в сравнении с обслуживаемым напряжением, такое перенапряжение между витками неопасно.Оно опасно для трансформаторов высокого напряжения, у которых изоляция работает ближе к пробивному напряжению. Средством борьбы с пробоями от местных перенапряжений является усиление изоляции первых витков обмотки и включение перед обмоткою реактивной катушки. Кроме местного перенапряжения, бегущие волны при благоприятных к тому условиях включения могут дать перенапряжение и на зажимах обмотки, достигающее двойной величины нормального напряжения.

Явления при выключении трансформатора

Явления при выключении трансформатора во многом зависят от условий разрыва цепи, а именно: от состояния и рода контактов включателя, от скорости разрыва цепи, от среды, в которой происходит разрыв цепи, и т. д. Время исчезновения тока в цепи зависит не только от скорости расхождения контактов выключателя, но и от скорости, с которой гаснет вольтовая дуга, образующаяся между расходящимися контактами. У плохо сконструированных выключателей после фактического разрыва цепи ток в ней поддерживается еще несколько периодов через вольтовую дугу. Наличие же вольтовой дуги, вызывающей свободные колебания, может привести к значительному перенапряжению у трансформаторов высокого напряжения, емкость обмоток которых довольно велика. Однако и в том случае, когда выключение не сопровождается заметной вольтовой дугой, например у масляных выключателей, может получиться у обмотки большое перенапряжение, на этот раз вследствие быстрого убывания тока, т. е. вследствие значительно превосходящей нормальную величину отношения di/dt; быстро убывающее поле индуктирует в этом случае большое напряжение в обмотке трансформатора.
Опасные перенапряжения возникают в трансформаторе и тогда когда он, будучи присоединен к одному лишь генератору (а не к шинам станции), сразу будет выключен при полной нагрузке со стороны высокого напряжения, т. е. со стороны вторичной цепи. Дело в том, что современные трансформаторы и при нормальном для них напряжении работают с довольно сильным насыщением если же это напряжение значительно повысится, как это имеет место в данном случае при сбрасывании нагрузки с генератора ,в особенности турбогенератора с его почти прямолинейной кривой намагничивания, то насыщенность магнитной цепи трансформатора возрастет в весьма большой степени, а это поведет к сильному искажению кривой намагничивающего тока, т.е. к появлению в ней высших гармоник.Эти гармоники вызовут в цепи генератора и трансформатора колебания всевозможных частот, вплоть до наивысших, которые в значительной степени могут повысить амплитуду напряжения, т. е. вызвать перенапряжение на зажимах обмоток трансформатора.Резонанс в цепи с трансформатором Кроме того вследствие высокой частоты могут возникнуть в обмотке местные колебания, влекущие за собою порчу изоляции между витками. Перенапряжение у обмотки трансформатора появляется также при выключении длинной линии или кабеля без нагрузки. Оно является следствием вторичного включения линии, происходящего через повторно появляющуюся вольтовую дугу между разошедшимися уже контактами выключателя. Это вторичное зажигание дуги объясняется следующим образом. При выключении линии в момент прохождения тока через ноль — а в этот именно момент и выключают обычно масляные выключатели, — напряжение как раз проходит через амплитуду его (ибо нагрузка длинной линии -почти емкостная); это напряжение и останется на отключенных концах линии в качестве зарядного напряжения. Напряжение же обмотки трансформатора будет продолжать меняться по синусоиде. Через пол периода между контактами выключателя со стороны трансформатора и контактами выключателя со стороны линии будет действовать двойное нормальное напряжение, которое может вызвать вольтову дугу и как бы вторичное включение линии, но уже при двойном напряжении. Это включение линии даст бегущие в противоположные стороны волны с фронтом двойной, по сравнению с нормальным включением, высоты, а следовательно, и опасные перенапряжения как для линии, так и для трансформатора. При плохом устройстве контактов или при медленном выключении повторное загорание дуги может иметь место несколько раз. Несовершенство выключателя, а именно не одновременное включение всех фаз, порча одного из контактов или обрыв одной или двух фаз линии — также могут дать перенапряжение у трансформатора, находящегося на конце линии. В самом деле, если одна линия будет разомкнута, то из самоиндукции трансформатора, емкости этой разомкнутой линии и последовательно с нею соединенной емкости остальной части линии (рис.5) образуется цепь, в которой могут возникнуть свободные колебания той же частоты, что и частота питающего тока. Результатом этого в цепи появится резонанс напряжений, а следовательно, и перенапряжение обмотки трансформатора, доходящее до большой величины.

Всего комментариев: 1

  • Евгений
    Автор: Евгений Добавлено Сентябрь 25, 2018 в 02:30

    Спасибо, очень доходчиво объяснили броски тока при включении трансформатора.

    Ответить

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован.

Иконка левого меню
Иконка в правом меню