تحليل إجراءات حماية محولات التوزيع من الصواعق

تحليل إجراءات حماية المحولات التوزيعية من الصواعق

لمنع تسلل النبضات الكهربائية الناجمة عن الصواعق وضمان التشغيل الآمن للمحولات التوزيعية، يقدم هذا البحث إجراءات حماية قابلة للتطبيق يمكنها تعزيز قدرتها على تحمل الصواعق بشكل فعال.

1. إجراءات حماية المحولات التوزيعية من الصواعق

1.1 تثبيت مكابح الصواعق على الجانب العالي الجهد (HV) للمحول التوزيعي.
وفقاً لـ SDJ7–79 الكود الفني لتصميم حماية المعدات الكهربائية من الجهد الزائد: “يجب عموماً حماية الجانب العالي الجهد للمحول التوزيعي بواسطة مكابح الصواعق. يجب ربط موصل الأرض لمكابح الصواعق والنقطة المحايدة لللفائف ذات الجهد المنخفض (LV) وخزان المحول معًا وتوصيلها بالأرض.” يُنصح بهذه التكوين أيضاً في DL/T620–1997 حماية الجهد الزائد والتنسيق العازل لتثبيتات الكهرباء البديلة التي أصدرتها سلطة الكهرباء الصينية.

ومع ذلك، تظهر الدراسات الواسعة والخبرة الميدانية أن الفشل في المحولات لا يزال يحدث حتى مع وجود مكابح الصواعق على الجانب العالي الجهد فقط تحت نبضات الصواعق. في المناطق النموذجية، معدل الفشل السنوي حوالي 1٪؛ في المناطق ذات الصواعق العالية، يمكن أن يصل إلى حوالي 5٪؛ وفي المناطق الأكثر شدة للأعاصير الرعدية (مثل المناطق التي تشهد أكثر من 100 يوم عاصفة رعدية سنوياً)، قد يرتفع معدل الفشل السنوي إلى حوالي 50٪. السبب الرئيسي هو الجهد الزائد المؤقت الذي يحدث عند غزو نبضات الصواعق للفائف عالية الجهد.

• الجهد الزائد العكسي للتحويل:
  عندما تغزو نبضة صاعقة (3–10 كيلو فولت) الجانب العالي الجهد، تقوم مكبح الصواعق بالتفريغ، مما يتسبب في مرور تيار ضار كبير عبر مقاومة الأرض، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد. يرفع هذا الجهد مستوى الجهد لنقطة المحايدة للجهد المنخفض. إذا كانت خطوط الجهد المنخفض طويلة، فإنها تتصرف كمقاومة موجية للأرض. نتيجة لذلك، يمر تيار ضار كبير عبر لفائف الجهد المنخفض. بما أن تيارات الجهد المنخفض الثلاثية هي متساوية في الحجم والاتجاه، فإنها تولد متجه مغناطيسي صفري قوي، والذي - عبر نسبة دوران المحول - يثير جهود زائدة مؤقتة عالية جداً في لفائف الجهد العالي. بما أن لفائف الجهد العالي متصلة بتكوين النجمة مع نقطة محايدة غير متصلاة بالأرض، فلا يوجد تيار ضار دوري في الجانب العالي الجهد لتعادل المتجه المغناطيسي. وبالتالي، يعمل كامل تيار الجهد المنخفض الضار كتيار تغذية، مما ينتج عنه جهد محفز عالٍ في نهاية المحايدة للجهد العالي - حيث تكون العزلة الأكثر هشاشة. بالإضافة إلى ذلك، تزداد تدرجات الجهد بين الطبقات والأطراف بشكل كبير، مما يعرض العزلة للانهيار في أماكن أخرى. يعرف هذا الظاهرة - التي تبدأ بنبضة جهد عالي ولكن تؤدي إلى جهد زائد عبر التحويل المغناطيسي للجهد المنخفض - باسم التحويل العكسي.
• الجهد الزائد المباشر للتحويل:
  عندما تدخل نبضة صاعقة عبر خط الجهد المنخفض، يتدفق تيار ضار عبر لفائف الجهد المنخفض، مما يثير جهداً عالياً في لفائف الجهد العالي عبر نسبة الدوران. هذا يرفع بشكل كبير مستوى الجهد لنقطة المحايدة للجهد العالي ويزيد من تدرجات الجهد بين الطبقات والأطراف. يعتبر هذا العملية - حيث تؤدي نبضة الجهد المنخفض إلى جهد زائد على الجانب العالي الجهد - تحويلاً مباشراً. تظهر الاختبارات أنه مع نبضة جهد منخفض تبلغ 10 كيلو فولت ومقاومة أرضية تبلغ 5 أوم، يمكن أن يتجاوز تدرج الجهد بين الطبقات في لفائف الجهد العالي قوة تحمل الجهد الزائد الكامل للمحول بنسبة تزيد عن 100٪، مما يؤدي حتماً إلى فشل العزلة.

1.2 تثبيت مكابح الصواعق التقليدية أو مكابح الأكسيد المعدني على الجانب ذو الجهد المنخفض.
في هذا التكوين، يتم ربط موصلات الأرض لكل من مكابح الجهد العالي والجهد المنخفض والنقطة المحايدة للجهد المنخفض وخزان المحول معًا وتوصيلها بالأرض (غالبًا ما يشار إليها باسم “ربط نقاط الأربعة” أو “توصيل ثلاثة في واحد”).

تؤكد البيانات الميدانية والدراسات التجريبية أن حتى المحولات ذات العزلة الجيدة لا يمكن أن تحميها مكابح الجهد العالي بمفردها من الأضرار الناجمة عن الجهود الزائدة المباشرة والعكسية. لا توفر مكابح الجهد العالي أي حماية ضد هذه النبضات الداخلية. تكون التدرجات الجهدية عبر الطبقات والأطراف متناسبة مع عدد الأطوار وتعتمد على هندسة اللفائف - ويمكن أن تحدث الفشل في بداية اللفائف أو منتصفها أو نهايتها، مع أن النهاية النهائية تكون الأكثر هشاشة. تساعد إضافة مكابح الجهد المنخفض بشكل فعال في تقييد الجهود الزائدة المباشرة والعكسية.

1.3 توصيل الأرض بشكل منفصل للجانبين العالي والمنخفض الجهد.
في هذا النهج، يتم توصيل مكبح الجهد العالي بالأرض بشكل مستقل، بينما يتم ربط النقطة المحايدة للجهد المنخفض وخزان المحول معًا وتوصيلهما بالأرض بشكل منفصل (دون مكبح الجهد المنخفض).

تظهر الأبحاث أن هذا الأسلوب يستفيد من التخفيض الأرضي لإزالة معظم الجهد الزائد العكسي للتحويل. بالنسبة للجهد الزائد المباشر للتحويل، تشير الحسابات إلى أنه يمكن خفض الجهد الزائد على الجانب العالي الجهد بنسبة حوالي 40٪ عن طريق تقليل مقاومة الأرض للجهد المنخفض من 10 أوم إلى 2.5 أوم. مع معالجة نظام الأرض للجهد المنخفض بشكل صحيح، يمكن تخفيف الجهد الزائد المباشر للتحويل بشكل فعال. تعد هذه الحلول بسيطة ومنخفضة التكلفة، رغم أنها تتطلب مقاومة أرضية منخفضة للجهد المنخفض، مما يمنحها قيمة عملية كبيرة.

بخلاف ما سبق، تشمل الإجراءات الأخرى تثبيت لفائف موازنة على نواة المحول لقمع الجهود الزائدة للتحويل أو تضمين مقاومات الأكسيد المعدني (MOVs) داخل المحول.

2. تطبيق إجراءات حماية الصواعق

تبين التحليل أعلاه أن كل طريقة حماية لها خصائص مميزة. يجب على المناطق اختيار استراتيجيات مناسبة بناءً على شدة العاصفة الرعدية المحلية (تقاس بعدد أيام العاصفة الرعدية في السنة):

• المناطق ذات الإضاءة المنخفضة (مثل السهول): يكفي تثبيت مانع الصواعق على الجانب العالي الجهد بسبب انخفاض معدلات الفشل السنوية.
• المناطق ذات الإضاءة المتوسطة: تثبيت مانع الصواعق على كلا الجانبين العالي والمنخفض الجهد.
• المناطق ذات الإضاءة العالية: غالبًا ما تكون الإجراءات المفردة غير كافية. يُنصح بنهج شامل: مانع صواعق عالي الجهد مع تأريض مستقل، بالإضافة إلى مانع صواعق منخفض الجهد مرتبط، وحيادي منخفض الجهد، وصهريج متصل بنظام تأريض منفصل.
• مناطق البرق الشديدة (خاصة حيث تظل معدلات الفشل السنوية عالية رغم الإجراءات الشاملة): بعد التقييم الفني والاقتصادي، يمكن النظر في حلول متقدمة مثل ملفات التوازن المثبتة على النواة (أي محولات مقاومة للبرق الجديدة) أو مانعات الصواعق الأكسيدية المعدنية المثبتة داخليًا.

3. الخلاصة

تختلف طرق حماية محولات التوزيع من البرق بشكل كبير، وتختلف الظروف المحلية بشكل كبير عبر المناطق. من خلال اختيار أنظمة الحماية استنادًا إلى الظروف المحلية، وتعزيز إدارة التشغيل، يمكن للشركات الكهربائية تحسين قدرة محولات التوزيع على تحمل البرق وموثوقيتها بشكل كبير.