ĆWICZENIE 8 PRZEPIĘCIA W UZWOJENIU TRANSFORMATORA

Transkrypt

1 ĆWICZENIE 8 RZEIĘCIA W ZWOJENI TRANSFORMATORA 8.1. WROWADZENIE Zadaniem ochrony przeciwprzepięciowej jest między innymi zapobieganie trwałym uszkodzeniom izoacji maszyn, transformatorów i aparatów w urządzeniach rozdzieczych. Awarie te pociągnęłyby za sobą straty materiałów i koszty napraw oraz powodowałyby dłuższe przerwy w ruchu. Szczegóną uwagę przy opracowywaniu ochrony przeciwprzepięciowej przykłada się do układów stacyjnych z transformatorami ze wzgędu na koszt urządzeń oraz możiwość zwiększenia wartości przepięć występujących w okreśonych miejscach uzwojenia transformatora jako skutku pojawienia się przepięcia na jego wejściu. Znajomość wartości przepięć występujących w transformatorze oraz czynników, od których one zaeżą, jest podstawą prawidłowego projektowania transformatorów. Transformator energetyczny jako układ izoacyjny jest reprezentowany (w dużym uproszczeniu) przez zespół cewek oddzieonych od siebie i od ziemi materiałem izoacyjnym. Na rys. 8.1 pokazano fragment budowy transformatora i odpowiadający mu schemat zastępczy, w którym uzwojenie jest schematycznie przedstawione za pomocą indukcyjności, równoegłych pojemności C c i pojemności doziemnych C z. Zaznaczono również parametry mniej istotne to znaczy rezystancję cewek R i upływność izoacji głównej G. Da przychodzącej fai przepięciowej, jak widać z rys. 8.2, transformator przedstawia układ pojemności, które mogą być scharakteryzowane jego pojemnością wejściową. ojemność ta jest reprezentowana przez wypadkową pojemności międzyzwojowych (cewkowych), pojemności doziemnych, a także pojemności izoatora przepustowego. ojemność wejściowa transformatora jest rzędu kikudziesięciu - kikuset pikofaradów i łagodzi nieco stromość czoła przepięcia [3]. W późniejszym okresie o zjawiskach przepięciowych w transformatorze decydują głównie jego indukcyjności, wobec tego zachodzi spiętrzenie fai na zacisku wejściowym transformatora (do 2 [3]). Można, więc mówić o wiekiej impedancji faowej transformatorów, chociaż nie bez poważnych zastrzeżeń. Istnienie, bowiem sinego wpływu pojemności międzyzwojowych sprawia, że charakter zjawisk odbiega od procesów faowych występujących np. w iniach napowietrznych. rzepięcia w przypadku transformatora mogą się przenosić przez pojemności szeregowe do daszych punktów uzwojenie bez opóźnień [4]. Nie bez znaczenia jest również sposób budowy transformatora, który sprawia, że rozkład parametrów jednostkowych nie jest iniowy, a raczej cewkowy. Odpowiedź transformatorów na przychodzące fae przepięcia zaeży również od układu połączeń i od iczby uzwojeń fazowych poddanych działaniu fai. Rozróżnić tu naeży przede wszystkim, czy to jest układ gwiazdy z uziemionym punktem zerowym, czy układ trójkąta ub gwiazdy z izoowanym punktem zerowym. W pierwszym przypadku zjawiska zachodzące na uzwojeniach nie zaeżą od warunków w pozostałych fazach. Natomiast w drugim przypadku zaeżą one od rodzaju układu i od tego, czy występujące przepięcia są jednakowe we wszystkich trzech fazach [3]. Wyniki badań oscyograficznych prowadzonych na modeach są postawą anaizy zjawisk przepięciowych, gdyż pełna anaiza teoretyczna jest bardzo skompikowana. ewną ogóną orientację o zjawiskach można uzyskać po przyjęciu założeń upraszczających. rzede wszystkim przyjmuje się uzwojenia transformatora w postaci cewki jednowarstwowej. onadto w schemacie o stałych rozłożonych często pomija się jednostkową rezystancję R i upływność G, które można później uwzgędnić pod postacią współczynnika tłumienia, a także indukcyjność

2 wzajemną M. Taki układ pokazano na rys unkt na tym rysunku odpowiada początkowi uzwojenia, a K końcowi. oznacza indukcyjność jednostkową uzwojenia, a C c i C z odpowiednio: jednostkową pojemność międzyzwojową i doziemną. Zacisk K może być izoowany od ziemi ub z nią połączony. G G R G R G R i K Rys zwojenie transformatora energetycznego: a przekrój, b - schemat zastępczy uzwojenia wysokiego napięcia I K Rys proszczony schemat zastępczy jednowarstwowego uzwojenia transformatora Da anaizy zjawisk i okreśenia rozkładu napięcia wzdłuż uzwojenia najłatwiej przyjąć przypadek dojścia do zacisków wejściowych transformatora fai napięciowej prostokątnej zasianej w sposób ciągły. Zastosowanie takiej fai, po pierwsze upraszcza anaizę matematyczną, po drugie jest przybiżeniem kształtu przepięcia atmosferycznego o dużej stromości czoła, po trzecie odwzorowuje przypadek załączenia transformatora przy szczytowej wartości napięcia przemiennego, jak również przeskok bezpośrednio na izoatorach transformatora. Z pomiarów oscyograficznych można zauważyć, że rozkład napięcia udarowego wzdłuż uzwojenia transformatora zmienia się czasem działania napięcia. oczątkowo jest to wyraźnie rozkład pojemnościowy p. Taki rozkład zapoczątkowuje przebiegi wyrównawcze, które wynikają z gry indukcyjności oraz pojemności i maję charakter oscyacji tłumionych. rzebiegi te prowadzę do rozkładu końcowego napięć k, podyktowanego przez warunki eektromagnetyczne i zazwyczaj niezaeżnego już od pojemności. Rozkład początkowy niewiee zaeży od tego, czy koniec uzwojenia transformatora K jest uziemiony, czy nie (przeważnie C c jest znacznie większe niż C z ). Natomiast rozkład końcowy k będzie zawsze zaeżał od warunków na końcu uzwojenia K. Jeżei koniec K jest uziemiony, to płynący przez indukcyjność prąd daje równomierny spadek napięcia od do. Jeżei jest izoowany, to napięcie wzgędem ziemi we wszystkich punktach uzwojenia jest stałe i równe = k. Na rys. 8.3 pokazano schematy układów da stanu początkowego (a) i końcowego (b) w

3 przypadku dojścia do początku uzwojenia fai prostokątnej. Na rys. 8.4 pokazano natomiast rozkłady napięć na uzwojeniu wzgędem ziemi da stanów początkowego i końcowego w przypadkach, gdy koniec uzwojenia jest uziemiony (a) i gdy koniec ten jest izoowany od ziemi (b). Na rysunku tym zaznaczono również obwiednie maksymanych oscyacji przebiegów wyrównawczych, które zaeżą również od układu połączeń zacisku K. Obwiednia maksymanych przepięć w wzdłuż uzwojenia wskazuje wartości i rozkład największych napięć wzgędem ziemi panujących na uzwojeniu transformatora. Znajomość tej charakterystyki ma duże znaczenie da projektowania izoacji głównej transformatora, decydując o jej wymiarach. Ampituda drgań wyrównawczych jest tym większa, im bardziej rozkład początkowy napięcia p różni się od rozkładu napięcia końcowego k, o czym decydują przede wszystkim wartości pojemności cewkowych C c i pojemności doziemnych C z. Jeśi, więc przyjąć, że C z =, to rozkład p (prosta 1 na rys. 8.5) byłby równomierny wzdłuż długości uzwojenia i odpowiadałby stanowi ustaonemu (przy K uziemionym). W innym przypadku, gdyby przyjąć, że C c = prąd fai przepięciowej przechodziłby całkowicie z inii do ziemi przez pierwszą z koei cewkę, która przejmowałaby całe napięcie panujące na zaciskach transformatora (prosta 2). raktycznie ani C z, ani C c nie mogę być równe zeru, więc rzeczywisty rozkład początkowy przedstawia inia 3 - pośrednia między przypadkami krańcowymi C z = i C c =. a) K b) K Rys Schemat zastępczy uzwojenie transformatora w różnych momentach czasowych: a - da stanu początkowego; b - da stanu końcowego (inią przerywaną zaznaczono możiwość uziemienia punktu końcowego K uzwojenia) Anaiza oscyogramów i teoretycznych zaeżności prowadzi do stwierdzenia, że rzeczywiste rozkłady początkowe napięć mają charakter krzywych zbiżonych do zaeżności wykładniczych [1]. Krzywe te, funkcje iorazu C z /C c, mogą być wyrażone uproszczonym równaniem (8.1), które jest ważne da układów z uziemionym i nie uziemionym końcem cewki: p α C z = = e f (8.1) Cc w którym: p - wartość napięcia p w punkcie uzwojenia, - wartość napięcia na zacisku wejściowym uzwojenia, C z α =, C c

4 - długość uzwojenia. a) b) w w k k p p Rys Rozkład napięcia wzgędem ziemi wzdłuż cewki: a - z uziemionym końcem, b - z końcem izoowanym, indeksy: p - stan pocztowy, k - stan końcowy, w - obwiednie maksymanych oscyacji przebiegów wyrównawczych 3 C c = 2 C c = C z = 1 C z = Rys oczątkowy rozkład napięcia wzdłuż uzwojenia transformatora da różnych wartości pojemności cewkowych C c i doziemnych C z : 1 - C z = ; 2 - C c = i C z = oraz 3 - C z i C c Równanie (8.1) wyprowadzono z zaeżności ogónej przy założeniu, że ioczyn α da transformatorów energetycznych nie ekranowanych praktycznie zawiera się w granicach od 5 do 2 [2]. Z równania wynika, że rozkład początkowy jest rozkładem nierównomiernym, z większą częścią napięcia występującą na pierwszych eementach uzwojenia. Miarą narażania izoacji w poszczegónych punktach uzwojenia może być nachyenie krzywej p, tj. gradient napięcia d d p α α e (8.2) przyjmujący według wyrażenia (8.3) na początku uzwojenia wartość maksymaną równą d d p = = α = α (8.3)

5 a więc α razy większą od gradientu napięcia w warunkach ustaonych, czyi. amiętając, że współczynnik α jest zaeżny od pojemności cewkowych C c i pojemności doziemnych C z według (8.1) możemy powiedzieć, że im większe jest C z w stosunku do C c, tym bardziej rozkład początkowy oddaa się od końcowego i drgania wyrównawcze są coraz większe. W układach rzeczywistych największe napięcia wzgędem ziemi dochodzą do wartości większych od 2,4 da transformatorów z izoowanym punktem zerowym (na końcu uzwojenia) i do 1,4 da transformatorów z uziemionym punktem zerowym (początek uzwojenia). Drgania wyrównawcze w transformatorze powodują nie tyko naprężenia izoacji poprzecznej (izoacja wzgędem ziemi), ae i izoacji podłużnej (izoacji międzyzwojowej). Największe naprężenie międzyzwojowe podczas drgań występuje na początku uzwojenia i jest około 1 razy większe od naprężenia obiczonego da prostoiniowego rozkładu naprężania wzdłuż uzwojenia. W innych częściach może mieć ono wartości około 4-5 razy większe (środek uzwojenia), a nawet 7,5 razy większe (koniec uzwojenia w transformatorze z izoowanym punktem zerowym). rzy omawianiu naprężeń międzyzwojowych naeży zaznaczyć, że one są okreśone da przebiegu przejściowego w ustaonym momencie czasowym - w odróżnieniu od naprężeń doziemnych, obiczonych w zaeżności od położenia obwiedni oscyacji maksymanych sporządzonej da różnych momentów czasowych. odsumowując można stwierdzić, że w warunkach przepięciowych w uzwojeniach transformatorów występują znaczne naprężania w izoacji, szczegónie na początku i na końcu uzwojeń. Wynika z tego konieczność abo znacznego zwiększania grubości izoacji w tych częściach uzwojeń abo budowy takich uzwojeń, w których drgania wyrównawcze nie powstaną. W praktyce transformatorowej stosuje się rozwiązania pośrednie - z jednej strony zapobiega się uszkodzeniu izoacji transformatora przez stopniowanie jej grubości wzdłuż uzwojenia [2], z drugiej strony dąży się do uzyskania jak najbardziej wyrównanego rozkładu napięcia zmieniając wartości C z i C c. W transformatorach na bardzo wysokie napięcia instauje się ekrany metaizowane, częściowo obejmujące uzwojenia i połączone z ich początkami ub końcami (rys. 8.6). Stwarza się w ten sposób dodatkowy układ pojemności C e kompensujący wpływ pojemności C z (rys. 8.7). Inny sposób to zmniejszenie C z przez zwiększanie odstępu między uzwojeniem cewki a rdzeniem. Z koei zwiększenie pojemności C c można uzyskać przez zastosowanie metaowych pierścieni wyrównawczych połączonych z końcami uzwojeń (rys. 8.8). Rozkład pojemnościowy zbiżony do rozkładu indukcyjnego daje odpowiedni dobór długości warstw uzwojeń w transformatorach najwyższych napięć z uzwojeniami cyindrycznymi warstwowymi (transformatory nie drgające) [2]. ekran uzwojenie rdzeń Rys rzykład rozmieszczenia ekranów na uzwojeniach transformatora energetycznego w ceu poprawy rozkładu napięć

6 ekran e C e C e C e C e K Rys kład pojemności w transformatorze bezoscyacyjnym z ekranem wysokonapięciowym cewki uzwojenia o izoacji wzmocnionej rdzeń cewki uzwojenia o izoacji normanej pierścienie końcowe (wyrównawcze) jarzmo Rys rzykład poprawy rozkładu przepięć na uzwojeniu transformatora przez stopniowanie izoacji cewek i umieszczenie pierścieni wyrównawczych Naeży pamiętać, że w ekspoatacji w większości przypadków faa napięciowa dochodząca do transformatora nie jest faą prostokątną, ma jednak wystarczająco strome czoło, aby wywołać drgania własne napięcia w uzwojeniach. Ampituda przepięć zaeży od stromości czoła przepięcia (mniejsza stromość - mniejsze oscyacje) i długości do półszczytu. W przypadku fa krótkich wartości przepięć będą mniejsze RZEBIEG ĆWICZENIA Ceem ćwiczenia jest poznanie sposobu okreśania rozkładu przepięć w uzwojeniu transformatora oraz możiwości uzyskania najbardziej korzystnego rozkładu przepięć wzdłuż długości uzwojenia transformatora na podstawie badań modeowych i symuacji komputerowej. Do reaizacji zadania ćwiczący mają do dyspozycji generator udarów napięciowych powtarzanych, oscyoskop, miernik RC, jednofazowy mode uzwojenia transformatora oraz zestaw kondensatorów. omiary i obiczenia naeży wykonać zarówno w przypadku izoowanego jak i uziemionego punktu końcowego uzwojenia. Wartości napięć naeży odczytywać bezpośrednio z oscyoskopu. unkt pomiarowy na wejściu uzwojenia naeży oznaczać indeksem.

7 Wykonanie ćwiczenia obejmuje: 1. oznanie budowy generatora udarów powtarzanych oraz okreśenie kształtu wytwarzanego udaru napięciowego. 2. oznanie budowy modeu uzwojenie transformatora, narysowanie jego pełnego schematu zastępczego oraz pomiar parametrów uzwojenia. 3. Zestawienie układu badawczego i wykonanie pomiarów napięcia w funkcji czasu i długości uzwojenia, umożiwiających okreśenie początkowego rozkładu napięcia, obwiedni drgań wyrównawczych oraz rozkładu końcowego da wymienionych niżej układów: brak pojemności dodatkowych C zd =, C cd =, dodatkowe pojemności doziemne C zd = var, C cd =, dodatkowe pojemności cewkowe C zd =, C cd = var, w których C zd i C cd oznaczają odpowiednio dodatkowe pojemności doziemne i cewkowe dołączone do wyprowadzeń na badanym modeu uzwojenia. 4. rzeprowadzenie anaizy porównawczej wyników badań modeowych z wynikami symuacji komputerowej przepięć w uzwojeniu transformatora według p. 4 wiadomości ogónych. Wyniki badań naeży zestawić w tabicy 8.1. p. Rozkład napięć wzdłuż uzwojenia transformatora kład g Nr zacisku badany kv % długości uzwojenia p kv % w kv % k kv % Tab1ica 8.1 Oznaczenia w tabicy: g - napięcie maksymane na wyjściu generatora udarów, p - napięcie początkowe w punkcie uzwojenia odegłym o od poczatku, w - maksymane napięcie oscyacji w punkcie uzwojenia odegłym o od poczatku, k napięcie końcowe w punkcie uzwojenia odegłym o od poczatku OCENA WYNIKÓW I WNIOSKI 1. Wyniki badań naeży przedstawić na wykresach w taki sposób, aby można było okreśić zmianę wartości i rozkładu przepięć jako wynik wpływu: wartości pojemności doziemnych C z i pojemności cewkowych C c, sposobu połączenia końca uzwojenia z ziemią. 2. Omówić wnioski wynikające z anaizy porównawczej wyników badań modeowych z wynikami symuacji komputerowej przepięć w uzwojeniu transformatora. 3. rzedstawione wyniki badań skonfrontować z danymi. z iteratury i podać odpowiednie wnioski mając na uwadze praktyczne znaczenie otrzymanych rezutatów. od uwagę naeży wziąć kształt zastosowanego w badaniach udaru napięciowego oraz sposobu wykonania uzwojenia na rdzeniu transformatora.

8 8.4. YTANIA KONTRONE 1. Zasada działania generatora udarów napięciowych i czynniki determinujące kształt udaru. 2. Scharakteryzować izoację poprzeczną i podłużną transformatora. 3. Czynniki wpływające na rozkład przepięć w uzwojeniach transformatorów energetycznych. 4. Schemat zastępczy uzwojenia transformatora. Czynniki determinujące rozkład początkowy i końcowy napięcia wzdłuż uzwojenia. rzykłady. 5. Drgania wyrównawcze. Wartości przepięć w uzwojeniach spotykane w praktyce. 6. Naprężenia międzycewkowe w stanach przejściowych. Wartości. 7. Wpływ kształtu napięcia na wejściu transformatora na wartości przepięć wzdłuż uzwojenia. 8. Omówić metodę pomiaru rozkładu początkowego i końcowego napięcia oraz maksymanych oscyacji. 9. Od czego zaeży współczynnik α. 1. Sposoby eiminacji procesów wyrównawczych w uzwojeniach transformatorów. 11. Roa pierścieni wyrównawczych w transformatorach. ITERATRA 1. Babikow M.: Technika wysokich napięć. Warszawa, WNT Jezierski B.: Transformatory. Warszawa, WNT Szpor S.: Ochrona odgromowa. Tom 1 i 2. Warszawa, WNT Va1kenburg M.: Anaiza układów eektrycznych. Warszawa, WN Fisowski Z.: Technika wysokich napięć. Warszawa, WNT Hasterman Z.: rzebiegi udarowe w transformatorach. Warszawa, WN 196