Überspannung in den Transformatorwicklungen

Die Dimensionierung und Designauswahl der Transformatorisolierung ist ohne Bestimmung der Belastungen, die während des Betriebs auf verschiedene Abschnitte der Transformatorisolierung einwirken, und ohne Prüfung, die einen zuverlässigen Betrieb des Transformators gewährleisten soll, nicht möglich.

Dabei sind oft die Spannungen ausschlaggebend, die beim Eintreffen von Blitzwellen auf den Eingang des Transformators auf die Isolierung wirken. Diese Spannungen, auch Stoßspannungen genannt, bestimmen in fast allen Fällen die Wahl der Wicklungslängsisolierung und in vielen Fällen der Hauptwicklungsisolierung, Schaltgeräteisolierung usw.

Der Einsatz von Computertechnologien bei der Ermittlung von Überspannungen ermöglicht den Übergang von einer qualitativen Betrachtung von Impulsvorgängen in Wicklungen zu einer direkten Berechnung von Überspannungen und deren Umsetzung in die Entwurfspraxis.

Zur Berechnung der Überspannung werden die Wicklungen des Transformators durch eine Ersatzschaltung dargestellt, die induktive und kapazitive Verbindungen zwischen den Elementen der Wicklung nachbildet (Abbildung 1).Alle Ersatzschaltungen berücksichtigen die Kapazität zwischen Windungen und Wicklungen.

Abbildung 1. Ersatzschaltbild des Transformators: UOV – einfallende Welle in der Hochspannungswicklung, UOH – einfallende Welle in der Niederspannungswicklung, SV und CH – Kapazitäten zwischen den Windungen der Hoch- bzw. Niederspannungswicklung, SVN – Kapazität zwischen Wicklungen mit Hoch- und Niederspannung.

Wellenprozesse in Transformatoren

Der Transformator wird als induktives Element betrachtet, wobei die Kapazität zwischen den Windungen, die Kapazitäten zwischen dem Schirm und der Induktivität sowie zwischen der Induktivität und Erde berücksichtigt werden (Abbildung 2a).

Zur Berechnung der Überspannung werden folgende Formeln verwendet:

Dabei ist: t die Zeit nach dem Eintreffen der Welle am Transformator, T die Überspannungszeitkonstante, ZEKV der Ersatzschaltkreiswiderstand, Z2 der Leitungswiderstand, Uo die Überspannung zum Anfangszeitpunkt

Abbildung 2. Ausbreitung einer Spannungswelle entlang der Wicklung eines Transformators mit geerdetem Neutralleiter: a) schematisches Diagramm, b) Abhängigkeit der Spannungswelle von der Länge der Wicklung für einen Einphasentransformator mit geerdetem Anschluss: Uo — Abfallspannungswelle, ∆Ce – Kapazität zwischen Spule und Schirm, ∆Ck – inhärente Kapazität zwischen den Windungen, ∆С3 – Kapazität zwischen Spule und Erde, ∆Lк – Induktivität der Spulenschichten.

Da im Ersatzschaltbild sowohl Induktivität als auch Kapazität vorhanden sind, entsteht ein oszillierender LC-Kreis (die Spannungsschwankungen sind in Abbildung 2b dargestellt).

Die Amplitude der Schwingungen beträgt 1,3 – 1,4 der Amplitude der einfallenden Welle, d.h.Uпep = (1,3-1,4) Uo, und der größte Wert der Überspannung tritt am Ende des ersten Drittels der Wicklung auf, daher weist bei der Konstruktion des Transformators 1/3 der Wicklung im Vergleich zum Rest eine verstärkte Isolierung auf .

Um Überspannungen zu vermeiden, muss der Ladestrom der Kondensatoren gegenüber Erde kompensiert werden. Zu diesem Zweck wird im Stromkreis eine zusätzliche Abschirmung (Shield) eingebaut. Bei Verwendung des Schirms sind die Kapazitäten der Wicklungen zum Schirm gleich der Kapazität der Windungen zur Erde, d. h. ∆CE = ∆C3.

Die Schirmung erfolgt bei Transformatoren mit der Spannungsklasse UH = 110 kV und höher. Die Abschirmung wird üblicherweise in der Nähe des Transformatorgehäuses angebracht.

Einphasentransformatoren mit isoliertem Neutralleiter

Das Vorhandensein eines isolierten Neutralleiters bedeutet, dass zwischen der Erde und der Wicklung eine Kapazität Co vorhanden ist, dh die Kapazität wird zum Ersatzschaltbild des Erdungstransformators hinzugefügt, die Abschirmung wird jedoch entfernt (Abbildung 3a).

Abbildung 3. Ausbreitung einer Spannungswelle entlang der Wicklung eines Transformators mit isoliertem Neutralleiter: a) schematisches Diagramm eines äquivalenten Transformators, b) die Abhängigkeit der einfallenden Wellenspannung von der Länge der Wicklung.

Auch mit diesem Ersatzschaltbild wird ein Schwingkreis gebildet. Aufgrund der Kapazität Co liegt jedoch ein schwingender LC-Kreis mit einer Reihenschaltung aus Induktivität und Kapazität vor. In diesem Fall tritt bei einer erheblichen Kapazität Co die höchste Spannung am Ende der Wicklung auf (die Überspannung kann Werte bis zu 2Uo erreichen). Die Art der Spannungsänderung an der Spule ist in Abbildung 3b dargestellt.

Um die Amplitude von Überspannungsschwingungen in der Wicklung eines Transformators mit isoliertem Neutralleiter zu verringern, ist es erforderlich, die Kapazität des Ausgangs C gegenüber Erde zu verringern oder die Eigenkapazität der Spulen zu erhöhen. Normalerweise wird die letztere Methode verwendet. Um die Eigenkapazität ∆Ck zwischen den Spulen der Hochspannungswicklung zu erhöhen, werden spezielle Kondensatorplatten (Ringe) in die Schaltung einbezogen.

Wellenprozesse in Drehstromtransformatoren

Bei Dreiphasentransformatoren werden die Art des Ausbreitungsprozesses der einfallenden Welle entlang der Wicklung und die Größe der Überspannungen beeinflusst durch:

a) Spulenanschlussplan,

b) die Anzahl der Phasen, in denen die Stoßwelle ankommt.

Ein Dreiphasentransformator mit einer Hochspannungswicklung, sternförmig mit einem fest geerdeten Neutralleiter verbunden

Lassen Sie die einfallende Stoßwelle in eine Phase des Transformators gelangen (Abbildung 4).

Die Ausbreitungsprozesse von Überspannungswellen entlang der Wicklungen ähneln in diesem Fall den Prozessen in einem einphasigen Transformator mit geerdetem Neutralleiter (in jeder Phase liegt die höchste Spannung in 1/3 der Wicklung), während Sie hängen nicht davon ab, wie viele Phasen die Stoßwelle erreicht. Diese. der Wert der Überspannung in diesem Teil der Spule ist gleich Upep = (1,3-1,4) Uo

Abbildung 4. Ersatzschaltbild eines Dreiphasentransformators mit einer Hochspannungswicklung, verbunden mit einem Stern mit einem neutral geerdeten Netzwerk. Die Schwallwelle verläuft einphasig.

Dreiphasiger Hochspannungstransformator in Sternschaltung mit isoliertem Neutralleiter

Lassen Sie die Druckwelle in einer Phase kommen.Das Ersatzschaltbild des Transformators sowie die Ausbreitung der einfallenden Welle in der Transformatorwicklung sind in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5. Ersatzschaltbild eines Dreiphasentransformators mit einer in Stern geschalteten Hochspannungswicklung (a) und der Abhängigkeit U = f (x) für den Fall, dass die Welle in einer Phase auftritt (b).

In diesem Fall entstehen zwei getrennte Schwingungszonen. In Phase A gibt es einen Schwingungsbereich und die Bedingungen, unter denen sie auftreten, und in den Phasen B und C gibt es eine weitere Schwingungsschleife, wobei der Schwingungsbereich in beiden Fällen ebenfalls unterschiedlich sein wird. Die größte Überspannung entsteht an der Wicklung, die die einfallende Stoßwelle empfängt. Am Nullpunkt sind Überspannungen bis zu 2/3 Uo möglich (im Normalbetrieb ist in diesem Moment U = 0, daher sind für ihn Überspannungen gegenüber der Betriebsspannung UBetrieb am gefährlichsten, da U0 >> UBetrieb).

Lassen Sie die Stoßwelle durch zwei Phasen A und B laufen. Das Ersatzschaltbild des Transformators sowie die Ausbreitung der einfallenden Welle in der Transformatorwicklung ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6. Ersatzschaltbild eines Dreiphasentransformators mit einer in Stern geschalteten Hochspannungswicklung (a) und der Abhängigkeit U = f (x) für den Fall, dass die Welle in zwei Phasen auftritt.

In den Wicklungen der Phasen, auf die die Welle trifft, beträgt die Spannung (1,3 – 1,4) Uo. Die Neutralleiterspannung beträgt 4/3 Uo. Zum Schutz vor Überspannung wird in diesem Fall ein Ableiter an den Neutralleiter des Transformators angeschlossen.

Lassen Sie die Stoßwelle in drei Phasen auftreten. Das Ersatzschaltbild des Transformators sowie die Ausbreitung der einfallenden Welle in der Transformatorwicklung ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7.Ersatzschaltbild eines Drehstromtransformators mit einer in Stern geschalteten Oberspannungswicklung (a) und der Abhängigkeit U = f (x) für den Fall, dass die Welle dreiphasig auftritt.

Die Ausbreitungsprozesse einer Überspannungsabfallwelle in jeder Phase eines Dreiphasentransformators ähneln den Prozessen in einem Einphasentransformator mit isoliertem Ausgang. Die höchste Spannung in diesem Modus liegt im Neutralleiter und beträgt 2U0. Dieser Fall einer Transformatorüberspannung ist der schwerwiegendste.

Dreiphasiger Hochspannungs-Dreiecktransformator

Lassen Sie die Stoßwelle durch eine Phase A eines im Dreieck geschalteten dreiphasigen Hochspannungstransformators laufen, die anderen beiden Phasen (B und C) gelten als geerdet (Abbildung 8).

Abbildung 8. Ersatzschaltbild eines Dreiphasentransformators mit einer im Dreieck (a) geschalteten Hochspannungswicklung und der Abhängigkeit U = f (x) für den Fall, dass die Welle in einer Phase auftritt.

Die Wicklungen AC und BC werden einer Überspannung (1,3 – 1,4) Uo ausgesetzt. Diese Überspannungen sind für den Betrieb des Transformators nicht gefährlich.

Lassen Sie die Überspannungswelle in zwei Phasen (A und B) auftreten. Die erläuternden Diagramme sind in Abbildung 9 dargestellt. In diesem Modus ähnelt die Ausbreitung von Überspannungswellen in den Wicklungen AB und BC den Prozessen in den entsprechenden Wicklungen von a dreiphasig geerdeter Transformatoranschluss. Diese. In diesen Wicklungen beträgt der Überspannungswert (1,3 – 1,4) Uo und in der Wechselstromwicklung den Wert (1,8 – 1,9) Uo.

Abbildung 9. Abhängigkeit U = f (x) für den Fall, dass die Überspannungswelle zwei Phasen eines Drehstromtransformators mit einer im Dreieck geschalteten Hochspannungswicklung durchläuft.

Lassen Sie Stoßwellen durch alle drei Phasen eines Dreiphasentransformators mit einer Hochspannungs-Dreieckwicklung laufen.

Die Wicklungen aller Phasen werden in diesem Modus einer Überspannung (1,8 – 1,9) Uo ausgesetzt. Kommt eine Stoßwelle gleichzeitig durch zwei oder drei Drähte, so können in der Mitte der Wicklung, auf die die Wellen von beiden Seiten treffen, Spannungsschwankungen mit einer für den Betrieb des Transformators gefährlichen Amplitude auftreten.

Überspannungsschutz für Transformatoren

Die gefährlichsten Überspannungen der Hauptisolierung der Wicklungen können auftreten, wenn gleichzeitig Wellen über drei Drähte zum Transformator mit Dreieckschaltung (in der Mitte der Wicklung) oder Stern mit isoliertem Neutralleiter (fast Neutralleiter) gelangen. . In diesem Fall nähern sich die Amplituden der resultierenden Überspannungen der doppelten Spannung der Ausgangswelle bzw. der vierfachen Amplitude der Eingangswelle an. Gefährliche Überspannungen der Windungsisolation können immer dann auftreten, wenn eine Welle mit steiler Front am Transformator ankommt, unabhängig von der Schaltung der Transformatorwicklungen.

Daher müssen bei allen Transformatoren bei Überspannungen und deren Verteilung entlang der Wicklungen zur Abschätzung ihrer Größe die Kapazitäten in den Ersatzschaltbildern der Transformatoren (und nicht nur die Induktivität) berücksichtigt werden. Die Genauigkeit der ermittelten Überspannungswerte hängt maßgeblich von der Genauigkeit der Kapazitätsmessung ab.

Um Überspannungen bei der Auslegung von Transformatoren zu vermeiden, ist Folgendes vorgesehen:

• eine zusätzliche Abschirmung, die den Ladestrom verteilt, dadurch werden Überspannungen reduziert.Außerdem verringert die Abschirmung die Feldstärke an bestimmten Stellen der Transformatorwicklung.

• Verstärkung der Isolierung der Wicklungen in bestimmten Teilen davon (konstruktiver Austausch der Wicklungen des Transformators),

• Installation von Ableitern vor und nach dem Transformator – gegen äußere und innere Überspannungen sowie eines Ableiters im Neutralleiter des Transformators.