Problemi e soluzioni per i circuiti secondari dei trasformatori di tensione

Questo documento analizza in profondità la situazione sopra descritta e riassume le misure tecniche per risolvere i problemi.

1. Principali problemi dei prodotti SPD nei circuiti secondari del trasformatore di tensione

Attualmente, esistono SPD (parafulmini a interruttore) senza corrente residua sia in patria che all'estero. I loro principali circuiti di scarica interni utilizzano tubi/gap di scarica, con una capacità di corrente di scarica elevata (superiore ai varistori di ossido di zinco). Tuttavia, presentano difetti fatali: limitazione della tensione scarsa, tensione di estrazione dell'arco e tempo di risposta lungo (fino a 100 ns). Questi impediscono al circuito secondario di ottenere una protezione adeguata. Peggio ancora, la tensione di estrazione dell'arco spesso riduce la tensione del circuito secondario del trasformatore di tensione (100 V) a poche volt, facendo mostrare al sistema di misurazione e controllo una perdita di tensione della linea ad alta tensione. Pertanto, i parafulmini a interruttore non sono utilizzabili.

2. Soluzioni e contenuti principali

Gli elementi di scarica principali degli SPD sul mercato includono il tubo di scarica CDT, il varistor di ossido di zinco MOV e il soppressore di tensione transitoria TVD. Il TVD ha una risposta ultra-rapida (1 ns), un'ottima limitazione della tensione e una corrente residua bassa (inferiore a 1 μA); si brucia e si disconnette dopo il danno, senza cortocircuito. Tuttavia, la sua corrente di scarica è bassa (1 kA). Inoltre, CDT, GAP e TVD hanno una maggiore capacità di resistenza agli impulsi ad alta tensione rispetto al MOV, sopportando impulsi di 10 kV senza danni strutturali.

Combinando i vantaggi di questi elementi e utilizzando un circuito combinato, viene progettato un prodotto (MOV in serie con CDT e TVD in parallelo), come mostrato nella Figura 1.

Figura 1: Principio di scarica

Quando la corrente del fulmine invade nel Punto A, il MOV rimane inizialmente non conduttivo. Tuttavia, la corrente residua del MOV equalizza il potenziale tra i Punti A e B. In questo momento, il TVS si attiva entro 1 ns, creando un percorso diretto tra i Punti B e C. Di conseguenza, l'intera tensione del fulmine viene applicata al MOV tra i Punti A e B. Poiché la tensione di attivazione del MOV Um è solo il 50% della tensione di attivazione del circuito combinato Uc, la tensione elevata accelera l'attivazione del MOV, riducendo il suo tempo di risposta tipico da 25 ns a circa 12,5 ns. Durante questo periodo, mentre la corrente di scarica sta ancora aumentando, il percorso diretto da A a B forza la maggior parte della tensione del fulmine tra i Punti B e C (dove la capacità massima di corrente del TVD è ~1 kA).

Dal punto di vista del progetto, la tensione di attivazione del CDT è inferiore del 50% rispetto a Uc. Inoltre, la resistenza interna RL del MOV parzialmente conduttivo crea una caduta di tensione che innalza la tensione nel Punto B al di sopra della tensione iniziale del fulmine. I test dimostrano che ciò riduce il tempo di attivazione del CDT da 100 ns a 15 ns, consentendo al circuito completo di condurre completamente entro 25 ns, pari al tempo di risposta di un MOV isolato.

Dopo la scarica, la corrente residua trascurabile del TVD e la completa disconnessione del CDT eliminano i problemi di corrente residua del MOV, prevenendo potenziali pericoli. Per quanto riguarda le prestazioni di limitazione della tensione, l'attivazione precisa del TVD (dove la tensione di attivazione è uguale alla tensione di limitazione) garantisce una soglia di limitazione bassa. Considerando Um = 0.5Uc, la tensione di limitazione del MOV all'interno del circuito è 1.5Uc, risultando in una tensione di limitazione complessiva del circuito combinato di 2Uc—significativamente migliore del rapporto 3× dei moduli MOV isolati.

Viene integrato un circuito di monitoraggio aggiuntivo per rilevare i guasti dei componenti. Quando gli elementi interni si degradano, il nodo di monitoraggio passa da aperto a chiuso, segnalando il guasto dello SPD. La Tabella 1 confronta le prestazioni dei moduli MOV isolati rispetto al circuito combinato di scarica SPD nelle stesse condizioni.

Questo nuovo tipo di SPD ha una corrente residua, ma può controllare la sovratensione a un livello molto basso (inferiore a 10 μA). Inoltre, può mantenere invariati i parametri della corrente residua e disconnettersi rapidamente dopo la scomparsa della sovratensione. È un prodotto ideale applicabile al circuito secondario del trasformatore di tensione.

Lo SPD adotta un circuito di scarica combinato per sostituire il modulo singolo di varistor di ossido di zinco, fornendo misure tecniche di protezione contro la sovratensione per il circuito secondario del trasformatore di tensione. Può evitare il problema dell'aumento della corrente residua dovuto all'invecchiamento dopo che il circuito SPD viene colpito più volte da fulmini o sovratensioni operative. Inoltre, in caso di rottura e guasto, non si verifica il fenomeno di cortocircuito. Se lo SPD presenta punti di guasto come rottura e cortocircuito, il personale di manutenzione può essere avvisato tramite il punto di contatto di allarme dello SPD, evitando la protezione errata o la mancanza di protezione.

3. Conclusione

Nel processo di utilizzo effettivo, lo SPD che adotta il circuito combinato ha il valore di corrente residua praticamente invariato dall'inizio al guasto (dopo il danno, viene disconnesso direttamente) e può essere controllato al di sotto di 3 μA. Inoltre, lo SPD può fornire comodamente un punto di contatto di monitoraggio del guasto attraverso il circuito combinato, facilitando il monitoraggio da parte del personale di operazione e manutenzione.

Adottando la tecnologia di soppressione della sovratensione per il circuito secondario del trasformatore di tensione combinato, si evita il rischio di malfunzionamenti o mancanze di protezione causati dal pericolo di terra dello SPD nel circuito secondario del trasformatore di tensione. Si realizza veramente la protezione contro i fulmini e le sovratensioni operative nel circuito secondario del trasformatore di tensione, garantendo il funzionamento sicuro delle apparecchiature secondarie di potenza in ambienti climatici severi e in situazioni di incidente.