Сверхтоки

Классификация переходных режимов

ПЕРЕХОДНЫЕ РЕЖИМЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Лекция № 9

Переходные процессы в трансформаторах. Включение трансформатора в сеть вхолостую, ток включения. Внезапное короткое замыкание.

Перенапряжения в трансформаторах. Причины перенапряжений вдоль обмоток. Меры борьбы с перенапряжениями.

При всяком изменении одной или нескольких величин, определяющих работу трансформатора: напряжения, частоты, нагрузки и т. д., происходит переход от одного установившегося состояния к другому. Обычно этот переход длится очень короткое время, но тем не менее он может сопровождаться весьма значительными и опасными для трансформатора эффектами — возникновением очень больших механических усилий между обмотками или частями их, крайне неравномерным распределением напряжения между отдельными частями обмоток или даже отдельными витками, резким перегревом обмоток и т. д. Эти эффекты имеют особенно важное значение в современных мощных трансформаторах высокого напряжения. Поэтому современное трансформаторостроение разработало ряд мер, направленных на увеличение механической, электрической и термической прочности трансформаторов.

Смотря по тому, какой фактор – ток или напряжение — определяет в основном переходный режим, различают две главные группы явлений: а) явления сверхтоков н б) явления перенапряжений. Исследование этих явлений имеет весьма важлое эксплуатационное значение.

В наиболее отчетливой форме сверхтоки возникают: а) при включении трансформатора на сеть вхолостую и б) при коротком замыкании.

Ток включения. Будем считать, что вторичная обмотка трансформатора разомкнута. Мы знаем, что при установившемся режиме работы ток холостого хода силового трансформатора не превышает 10%. Но при включении трансформатора на сеть под напряжение, близкое к номинальному, могут наблюдаться резкие броски тока, во мцого раз превышающие номинальные значения тока холостого хода. Физически такие броски тока объясняются следующим образом. При установившемся режиме холостого хода данному значению подводимого напряжения =ab (рис. 10.1) соответствует значение установившегося потока . Но если не считаться с потоком остаточного памагничивания, то в момент включения трансформатора на сеть ток и создаваемый им поток должны быть равны пулю. Поэтому при включении трансформатора на сеть в нем возпикает такой по величипе свободный поток , чтобы было + . Если бы активное сопротивление системы

первичной обмотки было равно нулю (), то электромагнит-ная энергия, соответствующая потоку , не могла бы рассеяться и поток оставался бы постоянным по величине и знаку в течение неопределенного времени (штриховая прямая на рис. 10.1), налагаясь на периодически изменяющийся поток установив- шегося режима . В моменты, когда оба потока направлены по контуру сердечника трансформатора одинаково и, следовательно, арифметически складываются, сталь сердечника может оказаться насыщенной гораздо сильнее, чем при установившемся режиме холостого хода, соответственно чему растет и ток холостого хода, определяемый по кривой намагничивания трансформатора.'

В действительности , и поэтому поток постепенно затухает.

Будем считать, что подводимое напряжение изменяется синусоидально и не зависит от режима работы трансформатора. В этом случае уравнение ЭДС При включении трансформатора можно записать в виде:

(10.1)

Здесь – фаза включения, т. е. фазовый угол, определяющий значение в момент включения трансформатора на сеть (рис. 10.1).

Так как зависимость носит сложный характер, определяемый кривой намагничивания трансформатора, то решение уравнения (10.1) возможно только при упрощающем предположении, что поток является линейной функцией тока т. е. , где – постоянная индуктивность, соответствующая всему потоку, сцепленному с первичной обмоткой. Тогда уравнение (10.1) приобретает вид:

или

(10.2)

Это уравпение решается обычным путем [10]. Поток Ф_t выражается в виде суммы двух потоков –периодического потока соответствующего установившемуся режиму, и свободного потока Ф_св, соответствующего переходному режиму. Таким образом,

Ф_t = +. (10.3)

Поток отстает от подводимого к трансформатору напряжения и почти на 90°. Поэтому

(10.4)

где Ф_m – амплитуда потока при установившемся режиме работы.

Для определения потока приравниваем правую часть уравнения (10.2) нулю и, решая полученное таким образом уравнение, находим:

где – постоянная интегрирования, определяемая из начальных условий. В момент включения трансформатора на сеть, т. е. при = 0, в сердечнике существует только поток остаточного намагничивания ± . В этом случае уравнение (10.3) папишется в виде:

Откуда

.

Подставляя это значение в уравнение (10.5), находим:

Наиболее благоприятные условия включения имеют место при и . В этом случае

,

т. е. в трансформаторе сразу устанавливается поток, соответствующий установившемуся режиму.

Наименее благоприятны условия включения при, т. е. когда и поток противоположен по знаку потоку (рис. 10.2).

В этом случае

(10.8)

Обычно, . В этом случае через полупериод, т.е. при , имеем:

Так как, согласно сказанному выше, , то

и

Намагничивающий ток , необходимый для создания такого потока, определяется по кривой намагничивания. На рис. 10.3 точки и на кривой соответствуют нормальному и двойному значению магнитной индукции силовых трансформаторов, т. е. нормальному и двойному значению потока . Мы видим, что амплитуда тока

включения может превысить амплитуду установившегося тока холостого хода во много раз. Осциллографические записи показывают, что при тл отношение , а при больших индукциях доходит до . Если иметь в виду, что ток, то ясно, что ток включения может превысить номинальный в раз.

На рис. 10.4, а показала осциллограмма тока включения при =0. Для сравнения на рис. 10.4, б показан установившийся ток холостого хода. Так как , то кривая тока включения затухает медленно: еще спустя 1 сек после включения трансформатора ток включения в три раза превышает ток . Полное затухание происходит через 6 – 8 сек. Но в мощных трансформаторах высокого напряжения процесс затухает иногда в течение 20 сек и более.

Ток включения не представляет опасности непосредственно для трансформатора, но он может привести к выключению его из сети.

Поэтому защитная аппаратура должна быть так рассчитана, чтобы можно было избежать неправильных отключений трансформатора.

Все наши рассуждения относились к однофазному трансформатору. При включении трехфазных трансформаторов всегда следует ожидать более или менее значительных волчков тока, так как всегда будет фаза, напряжение которой в момент включения близко к нулю.

Ток внезапного короткого замыкания. При внезапном коротком замыкании трансформатора мы можем пренебречь током холостого хода. В этом случае схема замещения трансформатора представляет собой элементарную электрическую цепь с общим активным сопротивлением и общим индуктивным сопротивлением (см. рис. 10.5). Так как потоки рассеяния распределяются главным образом в немагнитной среде, то . В этом случае уравнение ЭДС при внезапном коротком замыкании пишется в виде:

(10.9)

Здесь – фаза включения трансформатора при коротком замыкании, аналогичная фазе включения при холостом ходе (см. рис. 10.1).

Решая уравнение (10.9) относительно тока и считая, что

,

получаем

Здесь и – мгновенные значения установившегося и свободного токов короткого замыкания; – амплитуда установившегося тока короткого замыкания.

Наименее благоприятные условия короткого замыкания, которые следует учитывать при проектировании трансформаторов, имеют место, когда , т.е. когда ; в этом случае

(10.11)

Если короткое замыкание происходит при номинальном напряжении на зажимах трансформатора, то ,

где – напряжение короткого замыкания выраженное в процентах; – номинальный ток.

В предельном случае, при , ток не затухает (штриховая горизонтальная линия на рис. 10.5) и, следовательно, через полупериод от момента внезапного короткого замыкания амплитуда тока внезапного короткого замыкания достигает двойного значения амплитуды установившегося тока короткого замыкания, т.е.

В реальных трансформаторах ток затухает тем быстрее, чем больше отношение .

В трансформаторах малой мощности, для которых , процесс затухает за один-два периода, т.е. .

В трансформаторах большой мощности, где .

Дата добавления: 2014-03-11; просмотров: 644; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!