Quá điện áp trong cuộn dây máy biến áp

Việc lựa chọn kích thước và thiết kế của cách điện máy biến áp là không thể nếu không xác định các ứng suất tác động lên các phần khác nhau của cách điện máy biến áp trong quá trình vận hành và thử nghiệm được thiết kế để đảm bảo hoạt động tin cậy của máy biến áp.

Trong trường hợp này, điện áp tác động lên lớp cách điện của máy biến áp khi sóng xung sét đánh vào đầu vào của nó thường có ý nghĩa quyết định. Các điện áp này, còn được gọi là điện áp xung, trong hầu hết các trường hợp quyết định việc lựa chọn cách điện cuộn dây dọc và trong nhiều trường hợp, cách điện cuộn dây chính, cách điện thiết bị đóng cắt, v.v.

Việc sử dụng các công nghệ máy tính trong việc xác định quá điện áp cho phép chuyển từ việc xem xét định tính các quá trình xung trong cuộn dây sang tính toán trực tiếp quá điện áp và đưa kết quả của chúng vào thực tiễn thiết kế.

Để tính toán quá điện áp, các cuộn dây của máy biến áp được biểu diễn bằng một mạch tương đương tái tạo các kết nối điện cảm và điện dung giữa các phần tử của cuộn dây (Hình 1).Tất cả các mạch tương đương đều xem xét điện dung giữa các vòng và giữa các cuộn dây.

Hình 1. Mạch tương đương của máy biến áp: UOV — sóng tới trong cuộn dây điện áp cao, UOH — sóng tới trong cuộn dây điện áp thấp, SV và CH — điện dung tương ứng giữa các vòng của cuộn dây điện áp cao và thấp, SVN — điện dung giữa cuộn dây có điện áp cao và thấp.

Quá trình sóng trong máy biến áp

Máy biến áp sẽ được coi là một phần tử cảm ứng, có tính đến điện dung xen kẽ, điện dung giữa màn hình và điện cảm và giữa điện cảm và đất (Hình 2a).

Các công thức sau đây được sử dụng để tính toán quá điện áp:

trong đó: t là thời điểm sau khi sóng đến máy biến áp, T là hằng số thời gian quá áp, ZEKV là điện trở mạch tương đương, Z2 là điện trở đường dây, Uo là thời điểm quá điện áp ban đầu

Hình 2. Sự lan truyền của sóng điện áp dọc theo cuộn dây của máy biến áp có trung tính nối đất: a) sơ đồ, b) sự phụ thuộc của sóng điện áp vào chiều dài của cuộn dây đối với máy biến áp một pha có đầu nối đất: Uo — sóng điện áp rơi, ∆Ce - điện dung giữa cuộn dây và màn hình, ∆Ck - điện dung vốn có giữa các vòng quay, ∆С3 - điện dung giữa cuộn dây và mặt đất, ∆Lк - độ tự cảm của các lớp cuộn dây.

Vì có cả điện cảm và điện dung trong mạch tương đương, mạch dao động LC xảy ra (các dao động điện áp được thể hiện trong Hình 2b).

Biên độ của các dao động bằng 1,3 - 1,4 biên độ của sóng tới, tức làUпep = (1,3-1,4)Uo, và giá trị quá áp lớn nhất sẽ xảy ra ở cuối 1/3 đầu tiên của cuộn dây, do đó, trong cấu tạo của máy biến áp, 1/3 cuộn dây được tăng cường cách điện so với phần còn lại .

Để tránh quá điện áp, dòng điện nạp của tụ điện so với đất phải được bù. Với mục đích này, một màn hình bổ sung (tấm chắn) được lắp đặt trong mạch. Khi sử dụng màn hình, điện dung của các cuộn dây đối với màn hình sẽ bằng điện dung của các cuộn dây với trái đất, tức là ∆CE = ∆C3.

Che chắn được thực hiện trong các máy biến áp có cấp điện áp UH = 110 kV trở lên. Tấm chắn thường được lắp gần vỏ máy biến áp.

Máy biến áp một pha có trung tính cách ly

Sự hiện diện của trung tính cách ly có nghĩa là có điện dung Co giữa đất và cuộn dây, tức là điện dung được thêm vào mạch tương đương của máy biến áp đầu nối đất, nhưng màn chắn bị loại bỏ (Hình 3a).

Hình 3. Sự lan truyền của sóng điện áp dọc theo cuộn dây của máy biến áp có trung tính cách ly: a) sơ đồ của máy biến áp tương đương, b) sự phụ thuộc của điện áp sóng tới vào chiều dài của cuộn dây.

Một mạch dao động cũng được hình thành với mạch tương đương này. Tuy nhiên, do có điện dung Co nên xuất hiện mạch dao động LC mắc nối tiếp cuộn cảm và tụ điện. Trong trường hợp này, với điện dung Co đáng kể, điện áp cao nhất sẽ xuất hiện ở cuối cuộn dây (quá điện áp có thể đạt giá trị tới 2Uo). Bản chất của sự thay đổi điện áp trên cuộn dây được thể hiện trong Hình 3b.

Để giảm biên độ dao động quá điện áp trong cuộn dây của máy biến áp có trung tính cách ly, cần giảm điện dung của đầu ra C so với đất hoặc tăng điện dung riêng của cuộn dây. Phương pháp thứ hai thường được sử dụng. Để tăng điện dung tự ∆Ck giữa các cuộn dây của cuộn dây cao áp, các tấm (vòng) tụ điện đặc biệt được đưa vào mạch.

Quá trình sóng trong máy biến áp ba pha

Trong máy biến áp ba pha, bản chất của quá trình lan truyền sóng tới dọc theo cuộn dây và độ lớn của quá điện áp bị ảnh hưởng bởi:

a) sơ đồ kết nối cuộn dây,

b) số lượng các giai đoạn mà sóng đột biến đến.

Máy biến áp ba pha có cuộn dây cao áp nối sao với trung tính nối đất chắc chắn

Cho sóng xung sự cố vào một pha của máy biến áp (hình 4).

Quá trình lan truyền sóng quá điện áp dọc theo cuộn dây trong trường hợp này sẽ tương tự như quá trình trong máy biến áp một pha có trung tính nối đất (trong mỗi pha, điện áp cao nhất sẽ ở 1/3 cuộn dây), trong khi chúng không phụ thuộc vào số lượng các pha đạt tới sóng tăng. Những cái này. giá trị quá điện áp ở phần này của cuộn dây bằng Upep = (1,3-1,4)Uo

Hình 4. Mạch điện tương đương của máy biến áp ba pha có cuộn dây cao áp nối hình sao với mạng trung tính nối đất. Làn sóng tăng đến trong một giai đoạn.

Máy biến áp cao áp ba pha nối sao có trung tính cách ly

Hãy để làn sóng tăng đến trong một giai đoạn.Mạch tương đương của máy biến áp, cũng như sự lan truyền của sóng tới trong cuộn dây của máy biến áp, được thể hiện trong Hình 5.

Hình 5. Mạch điện tương đương của máy biến áp ba pha có cuộn dây cao áp mắc hình sao (a) và sự phụ thuộc U = f(x) đối với trường hợp sóng đến một pha (b).

Trong trường hợp này, hai vùng dao động riêng biệt xuất hiện. Trong pha A sẽ có một dải dao động và điều kiện để chúng xảy ra, còn ở pha B và C sẽ có một vòng dao động khác, biên độ dao động cũng sẽ khác nhau trong cả hai trường hợp. Quá điện áp lớn nhất sẽ xảy ra trên cuộn dây nhận sóng xung sự cố. Tại điểm 0, có thể xảy ra quá điện áp lên tới 2/3 Uo (ở chế độ bình thường tại thời điểm này U = 0, do đó, quá điện áp đối với điện áp hoạt động Uhoạt động là nguy hiểm nhất đối với nó, vì U0 >> Uhoạt động).

Cho sóng xung truyền qua hai pha A và B. Mạch điện tương đương của máy biến áp cũng như quá trình truyền sóng tới trong cuộn dây của máy biến áp được thể hiện trên hình 6.

Hình 6. Mạch điện tương đương của máy biến áp ba pha có cuộn dây cao áp mắc hình sao (a) và sự phụ thuộc U = f(x) đối với trường hợp sóng đến hai pha.

Trong cuộn dây của các pha mà sóng đến, điện áp sẽ là (1,3 — 1,4) Uo. Điện áp trung tính là 4/3 Uo. Để bảo vệ chống quá điện áp trong trường hợp này, một bộ chống sét được nối với trung tính của máy biến áp.

Cho sóng tới theo ba pha.Mạch điện tương đương của máy biến áp cũng như sự lan truyền của sóng tới trong cuộn dây của máy biến áp được thể hiện trên Hình 7.

Hình 7.Mạch điện tương đương của máy biến áp ba pha có cuộn dây cao áp mắc hình sao (a) và sự phụ thuộc U = f(x) đối với trường hợp sóng đến theo ba pha.

Các quá trình lan truyền của sóng sụt áp quá điện áp trong từng pha của máy biến áp ba pha sẽ tương tự như các quá trình trong máy biến áp một pha có đầu ra cách ly. Điện áp cao nhất trong chế độ này sẽ ở trạng thái trung tính và sẽ là 2U0. Trường hợp quá áp máy biến áp này là nghiêm trọng nhất.

Máy biến áp tam giác cao áp ba pha

Cho sóng xung kích đi qua một pha A của máy biến áp cao áp ba pha nối tam giác, hai pha còn lại (B và C) coi như nối đất (Hình 8).

Hình 8. Mạch điện tương đương của máy biến áp ba pha có cuộn dây cao áp nối tam giác (a) và sự phụ thuộc U = f (x) đối với trường hợp sóng đến một pha.

Các cuộn dây AC và BC sẽ tiếp xúc với quá điện áp (1,3 — 1,4) Uo. Các quá điện áp này không gây nguy hiểm cho hoạt động của máy biến áp.

Để sóng quá điện áp có hai pha (A và B), các đồ thị giải thích được thể hiện trong Hình 9. Ở chế độ này, sự lan truyền của sóng quá điện áp trong các cuộn dây AB và BC sẽ tương tự như các quá trình trong các cuộn dây tương ứng của một đầu nối đất máy biến áp ba pha. Những cái này. ở các cuộn dây này giá trị quá điện áp sẽ là (1,3 — 1,4) Uo và ở cuộn dây xoay chiều sẽ đạt giá trị (1,8 — 1,9) Uo.

Hình 9. Sự phụ thuộc U = f(x) đối với trường hợp sóng quá điện áp đi qua hai pha của máy biến áp ba pha có cuộn dây cao áp nối tam giác.

Cho sóng xung truyền qua cả ba pha của máy biến áp ba pha có dây quấn cao áp nối tam giác.

Các cuộn dây của tất cả các pha trong chế độ này sẽ tiếp xúc với quá điện áp (1,8 — 1,9) Uo. Nếu sóng xung đột xuất hiện đồng thời qua hai hoặc ba dây, thì ở giữa cuộn dây, nơi sóng đến từ cả hai phía, có thể xảy ra dao động điện áp với biên độ gây nguy hiểm cho hoạt động của máy biến áp.

Chống sét máy biến áp

Quá điện áp nguy hiểm nhất của cách điện chính của cuộn dây có thể xảy ra trong trường hợp sóng đến đồng thời qua ba dây dẫn đến máy biến áp có kết nối tam giác (ở giữa cuộn dây) hoặc một ngôi sao có trung tính cách ly (gần như trung tính) . Trong trường hợp này, biên độ của quá điện áp thu được gần gấp đôi điện áp của đầu ra hoặc bốn lần biên độ của sóng đầu vào. Quá điện áp cách điện quay vòng nguy hiểm có thể xảy ra trong mọi trường hợp khi sóng có mặt trước dốc đến máy biến áp, bất kể sơ đồ kết nối của cuộn dây máy biến áp.

Do đó, đối với tất cả các máy biến áp trong trường hợp quá điện áp và sự phân bố của chúng dọc theo cuộn dây, để ước tính cường độ của chúng, cần tính đến điện dung trong các mạch tương đương của máy biến áp (và không chỉ điện cảm). Độ chính xác của các giá trị quá điện áp thu được phụ thuộc phần lớn vào độ chính xác của phép đo điện dung.

Để tránh quá điện áp trong thiết kế máy biến áp, nó được cung cấp:

• một màn hình bổ sung phân phối dòng sạc, do đó, giảm quá điện áp.Ngoài ra, màn hình làm giảm cường độ trường tại các điểm nhất định trên cuộn dây máy biến áp,

• tăng cường cách điện của cuộn dây ở một số bộ phận của nó (thay thế mang tính xây dựng các cuộn dây của máy biến áp),

• lắp đặt bộ chống sét trước và sau máy biến áp - chống quá điện áp bên ngoài và bên trong, cũng như bộ chống sét ở trung tính của máy biến áp.