Переход электромагнитных волн с одной обмотки на другую

Падение волн на одну из обмоток трансформатора приводит в некоторых режимах к перенапряжениям и на остальных обмотках. В этих случаях говорят о переходе электромагнитных волн с одной обмотки на другие. Передача напряжения с возбуждающей на возбуждаемую обмотку возможна через электростатические и магнитные связи.

В начальные моменты времени электростатическое поле, связанное с зарядом q_вх на входной емкости трансформатора, создает потенциал на всех обмотках. В упрощенной схеме на рис. 8.15 потенциал обмотки 2 связан с потенциалом обмотки 1 соотношением

(8.20)

В значение емкости С₂₂ входит как емкость самой обмотки 2 на землю, так и емкость всех подключенных токоведущих элементов сети. Если к обмотке 2 подключены линии, то их емкость столь велика, что можно положить U₂=0, что и было ранее принято при исследовании переходных процессов. Сколько-нибудь значительные потенциалы могут быть наведены лишь на отключенной обмотке 2.

Рис. 8.15 – Переход волн через емкостную связь между обмотками.

Рис. 8.16 – Схема замещения трансформатора для расчета перенапряжений при электромагнитной передаче напряжения между обмотками.

Строго говоря, соотношение (8.19) справедливо лишь при очень малых продольных емкостях вторичной обмотки К₂. Поэтому его можно использовать только для расчета напряжения на вводе обмотки 2 (U₂) по напряжению на вводе обмотки 1 (U₁). Внутри же обмотки 2 потенциал повышается даже при заземлении ее ввода. Особенно высокие потенциалы наводятся через емкостные связи обмоток в том случае, когда обмотка 1 имеет ввод в середину.

Переход волн между обмотками осуществляется также через их магнитную связь. Э. д. с. в обмотке 2 индуктируется током в обмотке 1 примерно в соответствии с коэффициентом трансформации. Приближенно можно использовать обычную схему замещения трансформатора в виде его индуктивности рассеяния L_s (рис. 8.16), за которой включены волновые сопротивления подключенных к обмотке 2 линий или вращающихся машин z и сосредоточенная емкость С, учитывающая, в частности, емкость самой обмотки.

При падении на первичную обмотку волны с амплитудой U₀ напряжение на выводе обмотки 2 будет стремиться к значению U₀/k, где k —коэффициент трансформации. Если в схеме на рис. 6.16 выполняется условие

(8.21)

Это нарастание напряжения будет происходить по экспоненте с постоянной времени T=L_s/z, т. е. не явится источником опасных перенапря­жений.

Условие (8.21) выполняется в большинстве схем. Если, однако, на шинах, подключенных к выводу обмотки 2, будет включена большая сосредоточенная емкость (порядка микрофарад или нескольких десятых микрофарады), условие (8.21) может оказаться нарушенным. Тогда нарастание напряжения к амплитуде U₀/k будет происходить путем затухающих собственных колебаний с частотой . В процессе этих колебаний амплитуда напряжения на выводе обмотки 2 окажется близкой к 2U₀/k, что может оказаться опасным для изоляции, например, подключенных к обмотке 2 генераторов.

Рис. 8.17 – Распределение максимальных перенапряжений по обмоткам трансформатора с автотрансформаторной связью. а — схема трансформатора с автотрансформаторной связью между обмотками ВН и СН; б — распределение перенапряжений по обмоткам ВН—СН при падении волны U₀ со стороны вывода ВН и холостом выводе СН; коэффициент трансформации k=2; в —то же при падении волны U₀ со стороны вывода СН.

При автотрансформаторном соединении обмоток наличие гальванической связи между ними приводит к опасным перенапряжениям. Рассмотрим процесс трансформации волн при автотрансформаторном соединении обмоток ВН и СН (рис. 8.17,а). При воздействии волны напряжения U₀ со стороны ввода ВН и холостой обмотки СН переходные процессы развиваются, как в одной обмотке с заземленной нейтралью (рис. 8.17,б). Колебание напряжения около кривой принужденного распределения U_пр(х) может привести к повышению напряжения на вводе СН до значений, близких к 2U₀/k (на рис. 8.17 принято k=2).

При воздействии волны U₀ на ввод - СН начальное распределение напряжения по обе стороны обмотки от ввода СН имеет практически одинаковую форму. В принужденном режиме Через обмотку СН–0 потечет сквозной ток i_пp, который наведет через главный магнитный поток одинаковые э.д.с. во всех витках обмотки ВН–0. В результате кривая U_пр(х) будет иметь вид прямой с координатами U₀ в точке СН и 0 ,в нейтрали. В точке ВН напряжение равно kU₀, где k — коэффициент трансформации. В результате колебаний напряжение на вводе ВН теоретически может достигнуть значения 2kU₀ и даже выше. Защита от столь высоких перенапряжений должна осуществляться с помощью разрядников, постоянно подключенных к обмоткам трансформатора.