変圧器巻線の過電圧

変圧器の絶縁のサイジングと設計の選択は、変圧器の信頼性の高い動作を保証するために設計された動作およびテスト中に変圧器絶縁のさまざまな部分に作用する応力を決定することなしには不可能です。

この場合、雷サージ波が入力に当たったときに変圧器の絶縁に作用する電圧が決定的な要因となることがよくあります。インパルス電圧とも呼ばれるこれらの電圧は、ほとんどの場合、縦巻線絶縁の選択を決定し、多くの場合、主巻線絶縁、スイッチングデバイス絶縁などを決定します。

過電圧の決定にコンピュータ技術を使用すると、巻線のインパルスプロセスの定性的検討から、過電圧の直接計算とその結果の設計実践への導入が可能になります。

過電圧を計算するために、変圧器の巻線は、巻線の要素間の誘導性および容量性接続を再現する等価回路によって表されます (図 1)。すべての等価回路では、巻線間および巻線間の静電容量が考慮されます。

図 1. 変圧器の等価回路: UOV — 高電圧巻線の入射波、UOH — 低電圧巻線の入射波、SV および CH — それぞれ高電圧巻線と低電圧巻線の巻線間の静電容量、SVN — 巻線間の静電容量高電圧と低電圧の巻線。

変圧器における波動プロセス

変圧器は、巻線間容量、スクリーンとインダクタンスの間、およびインダクタンスとグランドの間の容量を考慮して、誘導性要素として考慮されます (図 2a)。

過電圧の計算には次の式が使用されます。

ここで、 t は変圧器に波が到達してからの時間、T は過電圧の時定数、ZEKV は等価回路抵抗、Z2 は線路抵抗、Uo は初期時間の過電圧です。

図 2. 中性点が接地された変圧器の巻線に沿った電圧波の伝播: a) 回路図、b) 接地端子のある単相変圧器の巻線の長さに対する電圧波の依存性: Uo —降下電圧波、∆Ce — コイルとスクリーン間の静電容量、∆Ck — 巻線間の固有静電容量、∆С3 — コイルとアース間の静電容量、∆Lк — コイル層のインダクタンス。

等価回路にはインダクタンスとキャパシタンスの両方が存在するため、発振する LC 回路が発生します (電圧変動を図 2b に示します)。

振動の振幅は、入射波の振幅の 1.3 ～ 1.4 です。Uпep = (1.3-1.4) Uo であり、過電圧の最大値は巻線の最初の 3 分の 1 の終わりで発生します。したがって、変圧器の構造では、巻線の 1/3 が残りに比べて強化絶縁されています。 。

過電圧を回避するには、グランドに対するコンデンサの充電電流を補償する必要があります。この目的のために、追加のスクリーン (シールド) が回路に取り付けられます。スクリーンを使用する場合、スクリーンに対する巻線の静電容量は、アースに対する巻線の静電容量と等しくなります。 ΔCE = ΔC3。

シールドは、電圧クラス UH = 110 kV 以上の変圧器で実行されます。シールドは通常、変圧器のケーシングの近くに取り付けられます。

絶縁された中性点を備えた単相変圧器

絶縁された中性点の存在は、アースと巻線の間に静電容量 Co があることを意味します。つまり、静電容量はアース端子変圧器の等価回路に追加されますが、スクリーンは除去されます (図 3a)。

図 3. 絶縁された中性点を備えた変圧器の巻線に沿った電圧波の伝播: a) 等価変圧器の回路図、b) 巻線の長さに対する入射波電圧の依存性。

この等価回路により発振回路も形成される。ただし、容量 Co により、インダクタンスと容量が直列接続された発振 LC 回路が存在します。この場合、静電容量 Co が大きくなると、最高電圧は巻線の端に現れます (過電圧は最大 2Uo の値に達する可能性があります)。コイルにかかる電圧変化の性質を図 3b に示します。

絶縁された中性点を備えた変圧器の巻線における過電圧発振の振幅を低減するには、アースに対する出力 C の静電容量を低減するか、コイルの自己静電容量を増加する必要があります。通常は後者の方法が使用されます。高電圧巻線のコイル間の自己容量 ΔCk を増やすために、特別なコンデンサ プレート (リング) が回路に組み込まれています。

三相変圧器における波のプロセス

三相変圧器では、巻線に沿った入射波伝播プロセスの性質と過電圧の大きさは次の影響を受けます。

a) コイル接続図、

b) サージ波が到達する相の数。

高圧巻線を備えた三相変圧器、スター型で確実に接地された中性点に接続されています。

入射サージ波が変圧器の 1 つの相に入射するとします (図 4)。

この場合、巻線に沿って過電圧波が伝播するプロセスは、中性点が接地された単相変圧器のプロセスと似ています (各相で最高電圧は巻線の 1/3 になります)。サージ波に到達する位相の量には依存しません。これらは。コイルのこの部分の過電圧の値は、Upep = (1.3-1.4) Uo に等しくなります。

図4. 中性点接地ネットワークを備えたスターに接続された高圧巻線を備えた三相変圧器の等価回路。サージ波は 1 相で到来します。

絶縁中性点を備えた三相スター結線高圧変圧器

サージ波が 1 つの位相で到来するようにします。変圧器の等価回路と変圧器巻線内の入射波の伝播を図 5 に示します。

図 5. スター結線された高圧巻線を備えた三相変圧器の等価回路 (a) と、波が 1 相で到来する場合の依存性 U = f (x) (b)。

この場合、2 つの別々の振動ゾーンが表示されます。フェーズ A には 1 つの発振範囲とその発振条件があり、フェーズ B と C には別の発振ループがあり、両方の場合で発振範囲も異なります。最大の過電圧は、入射サージ波を受ける巻線に発生します。ゼロ点では、最大 2/3 Uo の過電圧が発生する可能性があります (この時点の通常モードでは U = 0 であるため、U0 >> Uoperation であるため、動作電圧 Uoperation に対する過電圧が最も危険です)。

サージ波が 2 つの相 A と B を通過するとします。変圧器の等価回路と変圧器巻線内の入射波の伝播を図 6 に示します。

図 6. スター結線された高圧巻線を備えた三相変圧器の等価回路 (a) と、波が 2 相で到来する場合の依存性 U = f (x)。

波が到来する相の巻線では、電圧は (1.3 — 1.4) Uo になります。中性点電圧は 4/3 Uo です。この場合の過電圧から保護するために、変圧器の中性点に避雷器が接続されます。

サージ波が 3 相で到来するとすると、変圧器の等価回路と変圧器巻線における入射波の伝播を図 7 に示します。

図7。スター結線された高圧巻線を備えた三相変圧器の等価回路 (a) と、波が三相で到来する場合の依存性 U = f (x)。

三相変圧器の各相における過電圧降下波の伝播プロセスは、絶縁出力を備えた単相変圧器のプロセスと同様です。このモードの最高電圧はニュートラルで 2U0 になります。この変圧器の過電圧の場合は最も深刻です。

三相高圧デルタ巻変圧器

デルタ接続された三相高圧変圧器の 1 つの相 A をサージ波が通過し、他の 2 つの相 (B および C) は接地されていると考えられます (図 8)。

図 8. デルタ接続された高電圧巻線を備えた三相変圧器の等価回路 (a) と、波が 1 相で到来する場合の依存性 U = f (x)。

巻線 AC および BC は過電圧 (1.3 — 1.4) Uo にさらされます。これらの過電圧は変圧器の動作にとって危険ではありません。

過電圧波が 2 つのフェーズ (A および B) で到来するとします。説明的なグラフを図 9 に示します。このモードでは、巻線 AB および BC での過電圧波の伝播は、巻線の対応する巻線でのプロセスと同様になります。三相接地変圧器端子。これらは。これらの巻線では過電圧値は (1.3 — 1.4) Uo になり、AC 巻線では値 (1.8 — 1.9) Uo に達します。

図 9. デルタ接続された高電圧巻線を持つ三相変圧器の 2 相を過電圧波が通過する場合の依存性 U = f (x)。

高電圧デルタ結線巻線を備えた三相変圧器の 3 相すべてにサージ波を通過させます。

このモードでは、すべての相の巻線が過電圧 (1.8 — 1.9) Uo にさらされます。 2本または3本の電線に同時にサージ波が到来すると、両側からサージ波が到来する巻線の途中で、変圧器の動作にとって危険な振幅の電圧変動が発生する可能性があります。

変圧器サージ保護

巻線の主絶縁の最も危険な過電圧は、デルタ結線 (巻線の中央) または絶縁された中性点 (ほぼ中性) を備えたスター型変圧器に 3 本のワイヤを介して波が同時に到達した場合に発生する可能性があります。 。この場合、結果として生じる過電圧の振幅は、出力電圧の 2 倍、または入力波の振幅の 4 倍に近づきます。危険なターン間絶縁過電圧は、変圧器の巻線の接続方式に関係なく、急勾配の波が変圧器に到達すると、あらゆる場合に発生する可能性があります。

したがって、過電圧が発生した場合のすべての変圧器とその巻線に沿った過電圧の分布について、その大きさを推定するには、変圧器の等価回路の静電容量（インダクタンスだけでなく）を考慮する必要があります。得られる過電圧値の精度は、静電容量測定の精度に大きく依存します。

変圧器の設計における過電圧を回避するために、次のものが提供されます。

• 充電電流を分配する追加のスクリーンにより、過電圧が軽減されます。また、スクリーンは変圧器巻線の特定の点での電界強度を低下させます。

• 特定の部分の巻線の絶縁を強化する（変圧器の巻線の建設的な交換）、

• 変圧器の中性点に避雷器を設置するだけでなく、外部および内部の過電圧に対して、変圧器の前と後に避雷器を設置します。