Sobretensión en los devanados del transformador.

La selección del tamaño y diseño del aislamiento del transformador es imposible sin determinar las tensiones que actúan sobre varias secciones del aislamiento del transformador durante la operación y las pruebas diseñadas para garantizar la operación confiable del transformador.

En este caso, las tensiones que actúan sobre el aislamiento del transformador cuando las ondas de choque del rayo inciden en su entrada suelen ser decisivas. Estas tensiones, también llamadas tensiones de impulso, determinan en casi todos los casos la elección del aislamiento del devanado longitudinal y en muchos casos el aislamiento del devanado principal, el aislamiento de los dispositivos de maniobra, etc.

El uso de tecnologías informáticas en la determinación de sobretensiones permite pasar de una consideración cualitativa de los procesos de impulso en devanados a cálculos directos de sobretensiones y la introducción de sus resultados en la práctica de diseño.

Para calcular la sobretensión, los devanados del transformador se representan mediante un circuito equivalente que reproduce conexiones inductivas y capacitivas entre los elementos del devanado (Figura 1).Todos los circuitos equivalentes consideran la capacitancia entre espiras y entre devanados.

Figura 1. Circuito equivalente del transformador: UOV — onda incidente en el devanado de alta tensión, UOH — onda incidente en el devanado de baja tensión, SV y CH — capacidades entre las espiras de los devanados de alta y baja tensión respectivamente, SVN — capacidad entre devanados de alta y baja tensión.

Procesos ondulatorios en transformadores

El transformador será considerado como un elemento inductivo, teniendo en cuenta la capacitancia entre espiras, las capacitancias entre pantalla e inductancia, y entre inductancia y tierra (Figura 2a).

Las siguientes fórmulas se utilizan para calcular la sobretensión:

donde: t es el tiempo después de la llegada de la onda al transformador, T es la constante de tiempo de sobretensión, ZEKV es la resistencia del circuito equivalente, Z2 es la resistencia de línea, Uo es la sobretensión en el tiempo inicial

Figura 2. Propagación de una onda de tensión a lo largo del devanado de un transformador con neutro puesto a tierra: a) diagrama esquemático, b) dependencia de la onda de tensión con la longitud del devanado para un transformador monofásico con terminal puesto a tierra: Uo — onda de caída de voltaje, ∆Ce — capacitancia entre la bobina y la pantalla, ∆Ck — capacitancia inherente entre las vueltas, ∆С3 — capacitancia entre la bobina y el suelo, ∆Lк — inductancia de las capas de la bobina.

Dado que hay inductancia y capacitancia en el circuito equivalente, se produce un circuito LC oscilante (las fluctuaciones de voltaje se muestran en la Figura 2b).

La amplitud de las oscilaciones es 1,3 — 1,4 de la amplitud de la onda incidente, es decirUpep = (1.3-1.4) Uo, y el mayor valor de sobretensión ocurrirá al final del primer tercio del devanado, por lo tanto, en la construcción del transformador, 1/3 del devanado tiene aislamiento reforzado en comparación con el resto .

Para evitar sobretensiones, se debe compensar la corriente de carga de los capacitores con respecto a tierra. Para este propósito, se instala una pantalla adicional (blindaje) en el circuito. Al usar la pantalla, las capacidades de los devanados a la pantalla serán iguales a la capacidad de las vueltas a tierra, es decir ∆CE = ∆C3.

El blindaje se realiza en transformadores con clase de tensión UH = 110 kV y superior. El escudo generalmente se instala cerca de la carcasa del transformador.

Transformadores monofásicos con neutro aislado

La presencia de un neutro aislado significa que existe una capacitancia Co entre tierra y el devanado, es decir, la capacitancia se suma al circuito equivalente del transformador terminal de tierra, pero se quita la pantalla (Figura 3a).

Figura 3. Propagación de una onda de tensión a lo largo del devanado de un transformador con neutro aislado: a) diagrama esquemático de un transformador equivalente, b) la dependencia de la tensión de onda incidente con la longitud del devanado.

También se forma un circuito oscilante con este circuito equivalente. Sin embargo, debido a la capacitancia Co, existe un circuito LC oscilante con una conexión en serie de inductancia y capacitancia. En este caso, con una capacitancia Co significativa, la tensión más alta aparecerá al final del devanado (la sobretensión puede alcanzar valores de hasta 2Uo). La naturaleza del cambio de voltaje a través de la bobina se muestra en la Figura 3b.

Para reducir la amplitud de las oscilaciones de sobretensión en el devanado de un transformador con neutro aislado, es necesario reducir la capacidad de la salida C con respecto a tierra o aumentar la capacidad propia de las bobinas. Generalmente se utiliza este último método. Para aumentar la autocapacitancia ∆Ck entre las bobinas del devanado de alto voltaje, se incluyen placas (anillos) de condensadores especiales en el circuito.

Procesos ondulatorios en transformadores trifásicos

En transformadores trifásicos, la naturaleza del proceso de propagación de la onda incidente a lo largo del devanado y la magnitud de las sobretensiones están influenciadas por:

a) diagrama de conexión de la bobina,

b) el número de fases a las que llega la onda de choque.

Un transformador trifásico con un devanado de alta tensión, conectado en estrella con un neutro sólidamente puesto a tierra.

Deje que la onda de sobretensión incidente entre en una fase del transformador (Figura 4).

Los procesos de propagación de ondas de sobretensión a lo largo de los devanados en este caso serán similares a los procesos en un transformador monofásico con neutro puesto a tierra (en cada una de las fases la tensión más alta estará en 1/3 del devanado), mientras que no dependen de la cantidad de fases que alcance la onda de oleaje. Estos. el valor de la sobretensión en esta parte de la bobina es igual a Upep = (1,3-1,4) Uo

Figura 4. Circuito equivalente de un transformador trifásico con devanado de alta tensión conectado en estrella con red neutra puesta a tierra. La oleada surge en una fase.

Transformador trifásico de alta tensión en estrella con neutro aislado

Deje que la onda de choque venga en una fase.El circuito equivalente del transformador, así como la propagación de la onda incidente en el devanado del transformador, se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Circuito equivalente de un transformador trifásico con devanado de alta tensión conectado en estrella (a) y la dependencia U = f (x) para el caso en que la onda viene en una fase (b).

En este caso, aparecen dos zonas de oscilación separadas. En la fase A habrá un rango de oscilación y las condiciones en las que se producen, y en las fases B y C habrá otro lazo de oscilación, el rango de oscilación también será diferente en ambos casos. La mayor sobretensión estará en el devanado que recibe la onda de choque incidente. En el punto cero son posibles sobretensiones de hasta 2/3 Uo (en modo normal en este momento U = 0, por lo tanto, las sobretensiones con respecto a la tensión de funcionamiento Ufuncionamiento son las más peligrosas para ello, ya que U0 >> Ufuncionamiento).

Deje que la onda de choque pase a través de dos fases A y B. El circuito equivalente del transformador, así como la propagación de la onda incidente en el devanado del transformador, se muestran en la figura 6.

Figura 6. Circuito equivalente de un transformador trifásico con devanado de alta tensión conectado en estrella (a) y la dependencia U = f (x) para el caso de que la onda venga en dos fases.

En los devanados de las fases a las que llega la onda, la tensión será (1,3 — 1,4) Uo. La tensión del neutro es 4/3 Uo. Para proteger contra sobretensiones en este caso, se conecta un pararrayos al neutro del transformador.

Si la onda de choque viene en tres fases, el circuito equivalente del transformador, así como la propagación de la onda incidente en el devanado del transformador, se muestran en la Figura 7.

Figura 7.Circuito equivalente de un transformador trifásico con devanado de alta tensión conectado en estrella (a) y la dependencia U = f (x) para el caso en que la onda venga en tres fases.

Los procesos de propagación de una onda de caída de sobretensión en cada una de las fases de un transformador trifásico serán similares a los procesos en un transformador monofásico con salida aislada. El voltaje más alto en este modo estará en neutral y será 2U0. Este caso de sobretensión del transformador es el más grave.

Transformador trifásico de devanado delta de alta tensión

Deje que la onda transitoria pase por una fase A de un transformador trifásico de alta tensión conectado en triángulo, las otras dos fases (B y C) se consideran puestas a tierra (Figura 8).

Figura 8. Circuito equivalente de un transformador trifásico con un devanado de alta tensión conectado en delta (a) y la dependencia U = f (x) para el caso de que la onda venga en una fase.

Los devanados AC y BC estarán expuestos a una sobretensión (1,3 — 1,4) Uo. Estas sobretensiones no son peligrosas para el funcionamiento del transformador.

Deje que la onda de sobretensión venga en dos fases (A y B), las gráficas explicativas se muestran en la Figura 9. En este modo, la propagación de las ondas de sobretensión en los devanados AB y BC será similar a los procesos en los devanados correspondientes de un terminal del transformador trifásico puesto a tierra. Estos. en estos devanados el valor de sobretensión será (1,3 — 1,4) Uo y en el devanado AC alcanzará el valor (1,8 — 1,9) Uo.

Figura 9. Dependencia U = f (x) para el caso en que la onda de sobretensión pasa por dos fases de un transformador trifásico con devanado de alta tensión conectado en triángulo.

Deje que las ondas de choque pasen a través de las tres fases de un transformador trifásico con un devanado conectado en delta de alto voltaje.

Los devanados de todas las fases en este modo estarán expuestos a una sobretensión (1,8 — 1,9) Uo. Si una onda de choque llega simultáneamente a través de dos o tres cables, entonces en el medio del devanado, al que llegan las ondas de ambos lados, pueden ocurrir fluctuaciones de voltaje con una amplitud que es peligrosa para el funcionamiento del transformador.

Protección contra sobretensiones del transformador

Las sobretensiones más peligrosas del aislamiento principal de los devanados pueden ocurrir en el caso de la llegada simultánea de ondas a través de tres cables al transformador con una conexión en triángulo (en el medio del devanado) o una estrella con un neutro aislado (casi neutro) . En este caso, las amplitudes de las sobretensiones resultantes se aproximan al doble de la tensión de salida o al cuádruple de la amplitud de la onda de entrada. Sobretensiones peligrosas de aislamiento entre vueltas pueden ocurrir en todos los casos cuando una onda con un frente abrupto llega al transformador, independientemente del esquema de conexión de los devanados del transformador.

Así, para todos los transformadores ante sobretensiones y su distribución a lo largo de los devanados, para estimar su magnitud, es necesario tener en cuenta las capacidades en los circuitos equivalentes de los transformadores (y no sólo la inductancia). La precisión de los valores de sobretensión obtenidos depende en gran medida de la precisión de la medida de la capacitancia.

Con el fin de evitar sobretensiones en el diseño de transformadores, se prevé:

• una pantalla adicional que distribuye la corriente de carga, por lo tanto, se reducen las sobretensiones.Además, la pantalla reduce la intensidad de campo en ciertos puntos del devanado del transformador,

• fortalecer el aislamiento de los devanados en ciertas partes del mismo (reemplazo constructivo de los devanados del transformador),

• instalación de pararrayos delante y detrás del transformador — contra sobretensiones externas e internas, así como un pararrayos en el neutro del transformador.