Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Гл. 17] Переходные процессы.

341

очень быстро возрастает. Скорость этого процесса настолько велика, что ток,

создаваемый электрическим зарядом волны, из-за большой индуктивности об-

мотки сначала проходит не по виткам обмотки

а по ее емкостной цепи (рис. 17-9, б).

Поэтому в момент подхода волны трансформатор в целом действует как некоторая

емкость С

вх

, называемая входной емкостью.

Процесс заряда емкостей цепи обмотки (рис. 17-9, б) при подходе волны длится

доли микросекунды. Этот процесс называется зарядом входной емко-

сти, а устанавливающееся в результате его распределение потенциалов или напря-

жения вдйль цепи обмотки — начальным распределением на-

пряжения. В начале этого процесса (рис. 17-10) напряжение волны

на зажимах трансформатора падает до нуля, а затем волна отражается

и напряжение на зажимах возрастает до двукратного значения амплитуды

волны U

Начальное распределение напряжения. Как видно из рис. 17-9, б, при началь-

ном заряде обмотки токи и электрические заряды распределяются по цепочке

продольных емкостей неравно-

мерно, так как по мере продан- д\

жения от начала обмотки Л к ее

концу X все больше тока и за-

рядов ответвляется через по-

перечные емкости на землю.

Поэтому через ближайшие к на-

чалу обмотки А продольные

емкости проходит большой ток

и они несут большие электри-

ческие заряды, а по направле-

нию к концу обмотки X заряды

продольных емкостей уменьша-

ются. В результате и падения

напряжения на элементах про-

дольных ещюстей уменьшаются от начала обмотки А к ее концу X. Вследствие

этого начальное распределение напряжения вдоль обмотки получается неравно-

мерным.

Можно показать 12], что в случае заземления конца обмотки распределение

напряжения относительно земли вдоль обмотки

Ь.

Овзг

»ммютм»>мтг>

Рис. 17-10. Подход прямоугольной волны

напряжения к трансформатору (а) и заряд

емкости (б)

-U а

осле

sh а

н при незавершенной обмотке

cha*

(17-32)

(17-33)

причем длина обмотки принята равной единице и

(17-34)

Начальное распределение напряжения вдоль обмоткн [см. равенства (17-32) и

(17-33)] для разных значений а приведено на рис. J7-11, а и б. Обычно C

> Cj и

a = 5 -г- 15. Как видно из рис. 17-11, при таких значениях а распределение на-

пряжения для заземленных и незаземленных обмоток практически одинаково.

Кроме того, при a ^ 5 распределение напряжения вдоль обмотки весьма неравно-

мерно.

Крутизна кривой напряжения, или градиент напряжения, в начале обмотки

(х= 1) по формуле (17-32)

я у —

th а

sh а

и по формуле (17-33)

\du/\

[ dx

\Р] -ctf^-al/.tha.

Ldx "cha

Ofi

Ц4

Кг

[

\ос

сечй

„

L v

f Ojt 0,6 0,4 02 0

-1.0

a 6

(Li

"х

ас

-1.0

a 6

(Li

-1.0

a 6

(Li

-1.0

a 6

(Li

ч*

1 0,8 0,8 0, 4 1

12 0

Рис. 17-11. Начальное распределение напряжения при заземленной (а)

и незаземленной (б) нейтрали

При а^Зс большой точностью tha = ctga = 1. Поэтому в обоих случая*

[%].-,

в то время как при равномерном распределении напряжения (а = 0)

При неравномерном начальном распределении напряжение на первой ка-

тушке, например, при a = 10 в 10 раз больше, чем при равномерном распределе-

нии. Это вызывает необходимость усиления междувитковой и междукатушечной

изоляции в начале обмотки.

Высокочастотные электромагнитные колебания. Как было указано выше,

в начальный момент подхода волны перенапряжения заряды не могут проникнуть

через индуктивные элементы схемы замещения (рис. 17-9, а), вследствие чега

возникает неравномерное начальное распределение напряжения (кривые 1 на

рис. 17-12). Однако при дальнейшем продвижении волны электрические заряду

будут проходить также Через индуктивности, и через некоторое время устано-

вится конечное распределение напряжения (кривые 2 иа рис. 17-12). При зазем-

ленной нейтрали напряжение будет спадать равномерно к концу обмотки, а неза-

землеиная обмотка на всем протяжении будет иметь одинаковый потенциал.

Ввиду наличия в схеме замещения обмотки (рис. 17-9) индуктивностей и емко-

стей обмотка в целом и ее части представляют собой по отношению к быстро про-

текающим электромагнитным процессам колебательные контуры. Переход от

начального распределения (кривые 1 на рис. 17-12) к конечному (кривые 2 на

рис. 17-12) будет происходить в виде высокочастотных колебаний. Из-за наличия

потерь (электрические потери в обмотках, диэлектрические потери в изоляции

И магнитные потери в сердечнике) эти колебания затухают, в результате чего и

устанавливается конечное распределение напряжения.

Начальная амплитуда колебаний в любой колебательной системе определя-

ется величиной возмущения или разностью координат конечного и начального

состояний системы.

Например, амплитуда колебаний подвешенного на пружине груза определяет-

ся величиной дополнительного груза, который будет добавлен к начальному, нли

величиной растяжения (деформа-

ции) пружины под воздействием

дополнительного груза. При этом

колебания совершаются отно-

сительно конечного положения

груза (колебательной системы).

Амплитуда возможных ко-

лебаний напряжений в обмотке

трансформатора в рассматривае-

мом случае в каждой точке

обмотки равна разности орди-

нат кривых 1 и 2 нЗ рис. 17-12.

Эти колебания совершаются от-

носительно кривой конечного

распределения 2, н поэтому мак-

симальные напряжения разных

точек обмотки относительно

земли определяются кривыми 3

(рис. 17-12), которые являются

зеркальным Отражением кри-

вых 1 относительно кривых 2.

Таким образом, напряжения разных точек обмотки во время колебаний

также колеблются между кривыми 1 и 3. Однако максимальные значения напря-

жений, определяемые кривыми 3, вследствие затухающего характера колебаний

фактически не достигаются.

На рис. 17-12 штриховые кривые показывают характер распределения напря-

жения в некоторый момент времени в процессе колебаний. Как видно из этих кри-

вых, во время колебаний большие перепады напряжения возникают и в конце

обмотки, вследствие чего возникает необходимость усиления междувитковой и

междукатушечной изоляции также в конце обмотки. Возможно возникновение

значительных перепадов и в средней части обмотки. Кроме того, в отдельных

частях обмотки напряжение относительно земли становится больше напряжения

падающей на обмотку волны U

. В частности, при незаземлениой нейтрали

в конце обмотки напряжение почти удваивается, и волна перенапряжения отража-

ется от конца обмотки с почти удвоенной амплитудой.

Защита трансформаторов от перенапряжений. Из изложенного вытекает,

что волны перенапряжений, достигающие трансформатора, могут вызвать опас-

ность повреждения его изоляции, вследствие чего возникает необходимость

борьбы с этой опасностью. Для этой цели начальные и концевые катушки высо-

ковольтных обмоток трансформатора выполняются с усиленной изоляцией, а ней-

трали обмоток с напряжением 35 кв н больше заземляются либо непосредственно,

и*

<с

Nil

Ч |

/г

УМ

' 1

1 1

.ц

Чх Чх

Чх

! 1

;

1 0 1 О

вЛУПУЛТ'Гион» oAVYVYWirrme

А ЧГ А К

Рис. 17-12. Переходные процессы в обмотке

трансформатора при воздействии прямоуголь-

ной волны перенапряжения в случае зазем-

ленной (а) и незаземлениой (б) нейтрали

Рис. 17-13. Экранное кольцо

в начале обмотки

либо через сопротивления, значения которых для высокочастотных колебательных

процессов малы. Кроме того, принимаются меры, направленные к частичному

или по возможности более полному предотвра-

щению электромагнитных колебаний в обмот-

ке Очевидно, что для этого необходимо

добиваться изменения кривой начального рас-

пределения напряжения таким образом, чтобы

она по возможности приближалась к кри-

вой конечного распределения. Этого можно

достичь изменением емкостных связей об-

мотки.

Простейшим мероприятием подобного рода

является применение емкостных экранных ко-

лец у начала обмотки на 35 кв и выше (рис. 17-13). Такое кольцо пред-

ставляет собой картонный металлизированный диск, разрезанный по радиусу

во избежание образования короткозамкнутого витка

и соединенный с началом обмотки. Емкость этого

кольца по отношению к виткам начальной катушки

представлена на схеме емкостной цепочки обмотки

(рис. 17-13) в виде емкости С

. Эта емкость шунти-

рует продольные емкости витков начальной катушки

и повышает их потенциал (рис. 17-14).

Лучшие результаты можно получить, если,

кроме того, охватить экранными кольцами также

ряй последующих катушек обмотки (рис. 17-15)

я соединить эти кольца с началом обмотки. Рас-

пределение емкостей этих колец в емкостной це-

почке обмотки показано на этом рисунке. Наличие

таких колец приводит к повышению потенциала

начальных и последующих катушек обмотки, причем

можно получить почти равномерное начальное рас-

пределение напряжения (рис. 17-14, кривая 3).

Действие таких колец можно пояснить следую-

щим образом.

Если удастся подобрать емкости экранных колец

так, что заряды на этих емкостях при зарядке емкост-

ной цепочки будут равны зарядам на соответствующих

элементах поперечных емкостей схемы замещения, то

заряды на соответствующих элементах продольных емкостей уменьшатся и будут

равны друг другу. Вследствие этого напряжения на этих элементах продольных

емкостей будут также меньше и равны друг другу!"

что и приведет к выравниванию кривой распреде-"

ления напряжений. Рассмотренный (рнс. 17-15)-

способ емкостной защиты трансформаторов раз-'

работали С. И. Рабинович, Ю. С. Кронгауз,

А. М. Чертии и Д. Г. Перлии (Московский

Трансформаторный завод), ои применяется

в отечественных трансформаторах напряже-

нием 110 к» и выше. Трансформаторы с по-

добной защитой называются грозоупор-

н ы м и или нерезоиирующими, по-

скольку в них практически устранена опас-

ность возникновения значительных резонанс-

ных- электромагнитных колебаний под воздействием волн перенапряжений.

Разработаны также другие способы борьбы с вредным воздействием волн

перенапряжений.

Рис. 17-14. Начальное

распределение напря«<

жения у обмотки бе»

экранных колец (/),.

с экранным кольцом у.

начала обмотки (2) И

вокруг первых кату-

шек (3) и конечное

распределение (4)

Рис. 17-15. Экранные кольца

в начале и вокруг первых

катушек обмотки

Глава восемнадцатая

РАЗНОВИДНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

§ 18-1. Трехобмоточные трансформаторы

Широкое применение в энергетике нашли трехобмоточные транс-

форматоры (рис. 18-1), у которых имеется одна первичная и две

вторичные обмотки. Такие трансформаторы используются на элек-

трических станциях и подстанциях для питания распределительных

сетей с различными номинальными напряжениями и позволяют

достичь экономии в капитальных затратах за счет установки

меньшего количества трансформа-

торов.

Будем считать, что Обмотки 2

и 3 приведены к числу витков

Рис. 18-1. Трехобмоточный транс-

форматор

Рис. 18-2. Упрощенная схема за-

мещения трехобмоточного трансфор-

матора

обмотки /, для чего введены коэффициенты приведения, или транс-

формации;

и °>1

(18-1)

Схема замещения трехобмоточного трансформатора, в отличие

от схемы замещения двухобмоточного трансформатора (см. рис. 14-5

и 14-6) будет иметь две вторичные цепи. У мощных трехобмоточных

силовых трансформаторов намагничивающий ток мал и

им

можно пре-

небречь. Схема замещения таких трансформаторов показана на рис,

18-2. Из рисунка видно, что изменение' нагрузки одной вторичной

обмотки влияет на напряжение другой вторичной обмотки, так как

при этом изменяется падение напряжения первичной обмотки Zj/j.

Векторные диаграммы трехобмоточного трансформатора можно

составить на основе схемы замещения рис. 18-2, они имеют вид,

показанный на рис. 18-3.

346

Трансформаторы [Разд. II

Параметры схемы замещения рис. 18-2 можно определить рас-

четным путем или из данных трех опытоб короткого замыкания

трехобмоточного трансформатора (рис. 18-4). По опытным значениям

сопротивлений короткого замыкания

Kl2

= Zi + Z

= r

Kl2

-f jx

Kl2

= (r

) + / (*

+ x

); 1

Kl8

= Z

+ Z

= r

Kl8

+ /*

18 = (ri +

/"a)

+ / (*i + *з); 1 (18-2)

K23

= Z

+ Z

= г

каа

+ /Хказ = (r

+ r

) + j (x

+ x

) J

можно наити

у +

— ZK23

о ,

Zma +

^каз — Z

i<t.

a—

2ц1з + ^к23 —

(18-3)

По аналогичным формулам через активные и- индуктивные

составляющие Z

Kl2

, Z

Kls

, Z,^ выражаются также г

, г

и х

,х

Данные опыта короткого замыкания

между обмотками 2 и 3 должны быть при-

ведены к первичной обмотке с коэффициен-

том приведения

'jhxz

•hft

Ь _

"12

—

rr~

Uln

(18-4)

В опытах короткого замыкания опреде-

ляются также напряжения короткого за-

мыкания ы

к12

, и

к18

, и

к28

, значения которых

в относительных единицах равны соответ-

ствующим сопротивлениям короткого за-

мыкания. Следует отметить, что индуктив-

ное сопротивление рассеяния обмотки,

расположенной между двумя другими,

близко к нулю или имеет небольшое

отрицательное значение, что формально

эквивалентно емкостному сопротивлению.

Возможность появления отрицательных ин-

дуктивных сопротивлений рассеяния свя-

зана с тем, что, согласно соотношениям

(14-31) и (14-32), для двух обмоточных трансформаторов они опре-

деляются разностью двух (в более общем случае — нескольких)

величин и эта разность может оказаться отрицательной.

Рис. 18-3. Векторная диа-

грамма трехобмоточного

трансформатора

Мощности обмоток трехобмоточного трансформатора

= MU-JTA S

= MU

\ S

= MU

(18-5)

в случае, если обмотка 1 является первичной, находятся в соотно-

шении

SI + S

так как коэффициенты мощности cos q>

и cos ф

обычно различны,

токи /

и /

сдвинуты по фазе и поэтому /

< /

+ /

Рис. 18-4. Схемы опытов короткого замыкания

трехобмоточного трансформатора

Практикуется изготовление трехобмоточных трансформаторов

со следующими вариантами соотношений номинальных мощностей

трех обмоток:

1) 100%, 100%, 100%;

2) 100%, 100%, 67%;

3) 100%, 67%, 100%;

4) 100%, 67%, 67%.

Напряжения короткого

замыкания и

кП

, и

к13

, м

К23

определяются при токах,

которые соответствуют но-

минальной мощности наи-

более мощной (первичной)

обмотки.

Трехфазные трансфор-

маторы выполняются с

группами соединений Y

/A-0-ll или Y

/A/A-ll-ll, а однофаз-

ные — с группой соединений I/1/1-0-0.

Трехобмоточные трансформаторы с двумя первичными обмотками

и одной вторичной (рис. 18-5) изготовляются для установки на мощ-

Рис. 18-5. Трехобмоточный трансформатор

с двумя первичными обмотками

ных электростанциях. При этом первичные обмотки имеют одинако-

вое номинальное напряжение и к ним присоединяется по одному

мощному генератору, а вторичная обмотка, имеющая две параллель-

ные ветви, соединяется через подстанцию с линиями передачи. Транс*

форматоры выполняются однофазными и соединяются в трехфазную

группу.

При таком устройстве трансформатора облегчается изготовление

первичных обмоток, имеющих большие токи, и в случае короткого

замыкания на зажимах одного генератора между двумя генераторам!»

действуют активные и индуктивные сопротивления двух первичных

обмоток трансформатора, что приводит к уменьшению тока корот-

кого замыкания.

§ 18-2. Автотрансформаторы и трансформаторы

последовательного включения

Автотрансформаторы. В обычных трансформаторах первичные

и вторичные обмотки имеют между собой только магнитную связью

В ряде случаев вместо таких трансформаторов экономически целесо^

образно применять трансформаторы, в которых первичные и вторич-

ные обмотки имеют также электрическую связь. Такие трансфор-

маторы называются автотрансформаторами.

В автотрансформаторе (рис. 18-6) первичная обмотка вклкн

чается в сеть параллельно, а вторичная w

— последовательна;

Устройство обмоток и их расположение иа стержнях такие ж%

как и в обычном трансформаторе, однако ввиду электрической

связи обмоток изоляция каждой из них относительно корпус^

должна быть рассчитана на напряжение сети высшего напряже-

ния Uг.*.

На рис. 18-6 показаны две возможные схемы соединения обмото«

трансформатора, причем Каждая схема представлена в двух различ-

ных изображениях. На рис. 18-6,я первичная обмотка включается

в сеть низшего напряжения t/

, а на рис. 18-6, б — в сеть высшего

напряжения U

„. В обоих случаях напряжение вторичной обмотки

складывается с напряжением

. „,

и при пренебрежении падени-

ями напряжения

= (18-6)1

Автотрансформатор может служить как для повышения, так й

для понижения напряжения. В первом случае сеть с напряжением

[/„.„ на рис. 18-6 является первичной и энергия передается из этой

сети в сеть с напряжением £/„.„. Во втором случае первично^

является сеть с напряжением £/

в-в

и направление передачи энергии

изменяется на обратное.

Рассмотрим энергетические соотношения в автотрансформаторе,

пренебрегая потерями, падениями напряжения и намагничивающим

током.

Э. д. с. и токи обмоток автотрансформатора связаны такими же

соотношениями, как в обычном трансформаторе:

Рис. 18-6. Схемы однофазных автотрансформаторов

С другой стороны, коэффициент трансформации напряжений

и токов первичной и вторичной сетей у автотрансформатора

(18-8)

Щ,В 'в.Н

отличается от отношения чисел витков w

и и>

Внутренняя, или расчетная, мощное т-ь

автотрансформатора, передаваемая посредством маг*

нитного поля из первичной обметай во вторичную, как и в обычном

трансформаторе, равна

=£

= £

. (18-9)

Внешняя, или проходная, мощность авто-

транс ф.о р м а т о р а, передаваемая из одной сети в другую

и равная

p=t/

-t/„. „/„.„, (18-10)

больше S

, так как часть мощности передается из одной сети в дру-

гую непосредственно электрическим путем. Расход материалов,

габариты и стоимость автотрансформаторов определяются мощностью

, и так как у автотрансформатора S

< S

, то в принципе

применение автотрансформаторов выгоднее применения обычных

трансформаторов, в которых S

= S

Для схемы рис. 18-6, а

l. (t/

-t/

. „)/„.„ k

тр

-1

T~~u—7 й—7 ~~~~k—• (lo-ii)

а для схемы рис. 18-6, б

p (Ub.u — ^Н.И) ЛЬН , , ,

1е 1о

с— =77—7— = 77—7 = «тр —

• (18-12)

•^пр

В. В'В.Н

B. Н'В.Н

Из полученных соотношений видно, что для схемы рис. 18-6, а

при прочих равных условиях в ^ раз меньше, чем для схемы

рис. 18-6, б. Это обусловлено Тем,

что напряжение вторичной об-

мотки U

в обеих схемах одина-

ково, но в схеме рис. 18-6, б этаи

обмотка нагружена в k

раз"

большим током. Поэтому на"

практике предпочитают приме-

нять схему рис. 18-6, а.

В табл. 18-1 приведены зна-

чения отношений Sp/S

при

разных значениях &

тр

для обеих

схем рис. 18-6.

Из данных этой таблицы вид-

но, что применение автотранс-

форматоров тем выгоднее, чем k

ближе к единице. Обычно авто-

трансформаторы используются

при &

тр

sc 2,5. В последнее время они находят все более широкое

применение для соединения высоковольтных сетей разных напря-

жений (110, 154, 220, 330, 500

А»)

энергетических систем. Они при-

меняются таюке в различных радиотехнических устройствах и

в ряде других случаев.

Потери и напряжение короткого замыкания, отнесенные к рас-

четной номинальной мощности и к номинальному напряжению

вторичной обмотки автотрансформатора, примерно такие же, как

и в обычных трансформаторах. Однако если эти величины отнести

к проходной мощности и к номинальному напряжению сети, то они

примерно в S

раз меньше, чем в обычных трансформаторах.

Это объясняется тем, что обмотка с числом витков w

рассчитана

только на часть напряжения i/„

и поэтому ее сопротивление меньше,

чем в обычном трансформаторе, а в обмотке с числом витков до

Таблица 18-1

Отношение расчетных и проходных

мощностей автотрансформаторов

~тр

1,00

1,25

1,50

1,75

2Л0

2,50

3,00

4,00

5,00

Р' пр

Схема

рнс. 18-6, а

0,20

0,33

0,43

0,50

0,60

0,67

0,75

0,80

Схема

рис. 18-6,б

0,25

ОД)

0,75

1,00

1,50

2,00

3,00

4,00