Sobretensão nos enrolamentos do transformador

O dimensionamento e a seleção do projeto da isolação do transformador são impossíveis sem determinar as tensões que atuam em várias seções da isolação do transformador durante a operação e testes projetados para garantir a operação confiável do transformador.

Neste caso, as tensões que atuam no isolamento do transformador quando as ondas do raio atingem sua entrada são muitas vezes decisivas. Essas tensões, também chamadas de tensões de impulso, em quase todos os casos determinam a escolha do isolamento longitudinal do enrolamento e, em muitos casos, o isolamento do enrolamento principal, isolamento do dispositivo de comutação, etc.

O uso de tecnologias de computador na determinação de sobretensões permite passar de uma consideração qualitativa de processos de impulso em enrolamentos para cálculos diretos de sobretensões e a introdução de seus resultados na prática de projeto.

Para calcular a sobretensão, os enrolamentos do transformador são representados por um circuito equivalente que reproduz conexões indutivas e capacitivas entre os elementos do enrolamento (Figura 1).Todos os circuitos equivalentes consideram a capacitância entre espiras e entre enrolamentos.

Figura 1. Circuito equivalente do transformador: UOV — onda incidente no enrolamento de alta tensão, UOH — onda incidente no enrolamento de baixa tensão, SV e CH — capacitâncias entre as espiras dos enrolamentos de alta e baixa tensão, respectivamente, SVN — capacitância entre enrolamentos de alta e baixa tensão.

Processos ondulatórios em transformadores

O transformador será considerado como um elemento indutivo, levando em consideração a capacitância entre espiras, as capacitâncias entre a blindagem e a indutância e entre a indutância e o terra (Figura 2a).

As seguintes fórmulas são usadas para calcular a sobretensão:

onde: t é o tempo após a chegada da onda ao transformador, T é a constante de tempo de sobretensão, ZEKV é a resistência equivalente do circuito, Z2 é a resistência da linha, Uo é a sobretensão no tempo inicial

Figura 2. Propagação de uma onda de tensão ao longo do enrolamento de um transformador com neutro aterrado: a) diagrama esquemático, b) dependência da onda de tensão do comprimento do enrolamento para um transformador monofásico com terminal aterrado: Uo — onda de queda de tensão, ∆Ce — capacitância entre a bobina e a blindagem, ∆Ck — capacitância inerente entre as espiras, ∆С3 — capacitância entre a bobina e o solo, ∆Lк — indutância das camadas da bobina.

Como há indutância e capacitância no circuito equivalente, ocorre um circuito LC oscilante (as flutuações de tensão são mostradas na Figura 2b).

A amplitude das oscilações é de 1,3 a 1,4 da amplitude da onda incidente, ou seja,Uпep = (1,3-1,4) Uo, e o maior valor de sobretensão ocorrerá no final do primeiro terço do enrolamento, portanto, na construção do transformador, 1/3 do enrolamento possui isolação reforçada em relação ao restante .

Para evitar sobretensão, a corrente de carga dos capacitores em relação ao terra deve ser compensada. Para isso, uma tela adicional (blindagem) é instalada no circuito. Ao usar a tela, as capacitâncias dos enrolamentos para a tela serão iguais à capacitância das voltas para a terra, ou seja, ∆CE = ∆C3.

A blindagem é realizada em transformadores com classe de tensão UH = 110 kV e superior. A blindagem geralmente é instalada perto da carcaça do transformador.

Transformadores monofásicos com neutro isolado

A presença de um neutro isolado significa que existe uma capacitância Co entre a terra e o enrolamento, ou seja, a capacitância é adicionada ao circuito equivalente do transformador terminal de terra, mas a blindagem é removida (Figura 3a).

Figura 3. Propagação de uma onda de tensão ao longo do enrolamento de um transformador com neutro isolado: a) diagrama esquemático de um transformador equivalente, b) a dependência da tensão da onda incidente com o comprimento do enrolamento.

Um circuito oscilante também é formado com este circuito equivalente. No entanto, devido à capacitância Co, existe um circuito LC oscilante com uma conexão em série de indutância e capacitância. Neste caso, com uma capacitância significativa Co, a maior tensão aparecerá no final do enrolamento (a sobretensão pode atingir valores de até 2Uo). A natureza da variação de tensão na bobina é mostrada na Figura 3b.

Para reduzir a amplitude das oscilações de sobretensão no enrolamento de um transformador com neutro isolado, é necessário reduzir a capacitância da saída C em relação à terra ou aumentar a autocapacitância das bobinas. O último método é geralmente usado. Para aumentar a autocapacitância ∆Ck entre as bobinas do enrolamento de alta tensão, placas especiais de capacitores (anéis) são incluídas no circuito.

Processos ondulatórios em transformadores trifásicos

Em transformadores trifásicos, a natureza do processo de propagação da onda incidente ao longo do enrolamento e a magnitude das sobretensões são influenciadas por:

a) diagrama de conexão da bobina,

b) o número de fases às quais chega a onda de surto.

Um transformador trifásico com um enrolamento de alta tensão, estrela conectada com um neutro solidamente aterrado

Deixe a onda incidente entrar em uma fase do transformador (Figura 4).

Os processos de propagação de ondas de sobretensão ao longo dos enrolamentos neste caso serão semelhantes aos processos em um transformador monofásico com neutro aterrado (em cada uma das fases a maior tensão estará em 1/3 do enrolamento), enquanto eles não dependem de quantas fases atingem a onda de surto. Esses. o valor da sobretensão nesta parte da bobina é igual a Upep = (1,3-1,4) Uo

Figura 4. Circuito equivalente de um transformador trifásico com enrolamento de alta tensão conectado a uma estrela com rede neutra aterrada. A onda surge em uma fase.

Transformador trifásico de alta tensão conectado em estrela com neutro isolado

Deixe a onda surge em uma fase.O circuito equivalente do transformador, bem como a propagação da onda incidente no enrolamento do transformador, é mostrado na Figura 5.

Figura 5. Circuito equivalente de um transformador trifásico com enrolamento de alta tensão em estrela (a) e dependência U = f (x) para o caso em que a onda vem em uma fase (b).

Neste caso, aparecem duas zonas de oscilação separadas. Na fase A haverá uma faixa de oscilação e as condições em que ocorrem, e nas fases B e C haverá outro loop de oscilação, a faixa de oscilação também será diferente em ambos os casos. A maior sobretensão será no enrolamento que recebe a onda incidente. No ponto zero, são possíveis sobretensões de até 2/3 Uo (no modo normal neste momento U = 0, portanto, as sobretensões em relação à tensão operacional Uoperação são as mais perigosas para ela, pois U0 >> Uoperação).

Deixe a onda de surto passar por duas fases A e B. O circuito equivalente do transformador, bem como a propagação da onda incidente no enrolamento do transformador é mostrado na figura 6.

Figura 6. Circuito equivalente de um transformador trifásico com enrolamento de alta tensão em estrela (a) e dependência U = f (x) para o caso em que a onda vem em duas fases.

Nos enrolamentos das fases para onde chega a onda, a tensão será (1,3 — 1,4) Uo. A tensão neutra é 4/3 Uo. Para proteção contra sobretensão neste caso, um pára-raios é conectado ao neutro do transformador.

Deixe a onda de surto vir em três fases. O circuito equivalente do transformador, bem como a propagação da onda incidente no enrolamento do transformador é mostrado na Figura 7.

Figura 7.Circuito equivalente de um transformador trifásico com um enrolamento de alta tensão conectado em estrela (a) e a dependência U = f (x) para o caso em que a onda vem em três fases.

Os processos de propagação de uma onda de queda de sobretensão em cada uma das fases de um transformador trifásico serão semelhantes aos processos em um transformador monofásico com saída isolada. A maior tensão neste modo estará no neutro e será 2U0. Este caso de sobretensão do transformador é o mais grave.

Transformador delta trifásico de alta tensão

Deixe a onda de surto passar por uma fase A de um transformador trifásico de alta tensão conectado em delta, as outras duas fases (B e C) são consideradas aterradas (Figura 8).

Figura 8. Circuito equivalente de um transformador trifásico com enrolamento de alta tensão ligado em delta (a) e dependência U = f (x) para o caso em que a onda vem em uma fase.

Os enrolamentos CA e BC serão expostos a uma sobretensão (1,3 — 1,4) Uo. Estas sobretensões não são perigosas para o funcionamento do transformador.

Suponha que a onda de sobretensão venha em duas fases (A e B), os gráficos explicativos são mostrados na Figura 9. Neste modo, a propagação das ondas de sobretensão nos enrolamentos AB e BC será semelhante aos processos nos enrolamentos correspondentes de um terminal de transformador trifásico aterrado. Esses. nestes enrolamentos o valor da sobretensão será (1,3 — 1,4) Uo e no enrolamento CA atingirá o valor (1,8 — 1,9) Uo.

Figura 9. Dependência U = f (x) para o caso em que a onda de sobretensão passa por duas fases de um transformador trifásico com enrolamento de alta tensão conectado em delta.

Deixe as ondas de surto passarem por todas as três fases de um transformador trifásico com um enrolamento conectado em delta de alta tensão.

Os enrolamentos de todas as fases neste modo serão expostos a uma sobretensão (1,8 — 1,9) Uo. Se uma onda de surto vier simultaneamente por dois ou três fios, então, no meio do enrolamento, para o qual as ondas vêm de ambos os lados, podem ocorrer flutuações de tensão com uma amplitude perigosa para a operação do transformador.

Proteção contra sobretensão do transformador

As sobretensões mais perigosas do isolamento principal dos enrolamentos podem ocorrer no caso de chegada simultânea de ondas através de três fios ao transformador com conexão delta (no meio do enrolamento) ou estrela com neutro isolado (quase neutro) . Nesse caso, as amplitudes das sobretensões resultantes se aproximam de duas vezes a tensão de saída ou quatro vezes a amplitude da onda de entrada. Sobretensões de isolação entre espiras perigosas podem ocorrer em todos os casos quando uma onda com uma frente íngreme chega ao transformador, independentemente do esquema de conexão dos enrolamentos do transformador.

Assim, para todos os transformadores no caso de sobretensões e sua distribuição ao longo dos enrolamentos, para estimar sua magnitude, é necessário levar em consideração as capacitâncias nos circuitos equivalentes dos transformadores (e não apenas a indutância). A precisão dos valores de sobretensão obtidos depende muito da precisão da medição de capacitância.

Para evitar sobretensões no projeto de transformadores, é fornecido:

• uma tela adicional que distribui a corrente de carga, portanto, as sobretensões são reduzidas.Além disso, a tela reduz a intensidade do campo em certos pontos do enrolamento do transformador,

• fortalecer o isolamento dos enrolamentos em certas partes dele (substituição construtiva dos enrolamentos do transformador),

• instalação de pára-raios na frente do transformador e depois dele - contra sobretensões externas e internas, bem como pára-raios no neutro do transformador.