Analýza ochranných opatření proti blesku pro distribuční transformátory

Analýza opatření pro ochranu před bleskem u distribučních transformátorů

Za účelem prevence vnikání bleskových přepětí a zajištění bezpečného provozu distribučních transformátorů tento dokument předkládá uplatnitelná opatření pro ochranu před bleskem, která mohou efektivně zvýšit odolnost transformátorů vůči blesku.

1. Opatření pro ochranu před bleskem u distribučních transformátorů

1.1 Instalace bleskozvodů na vysokonapěťové (HV) straně distribučního transformátoru.
Podle SDJ7–79 Technický předpis pro návrh ochrany elektrických zařízení proti přepětí: „Vysokonapěťová strana distribučního transformátoru by měla být obecně chráněna bleskozvody. Zemnící vodič bleskozvodu, bod nulového napětí nízkonapěťové (LV) vinutí a transformátorová nádoba musí být spojeny dohromady a uzemněny.“ Tato konfigurace je doporučena také v dokumentu DL/T620–1997 Ochrana proti přepětí a izolační koordinace pro střídavá elektrická zařízení, vydaném čínskou energetickou správou.

Avšak rozsáhlý výzkum a praktické zkušenosti ukazují, že i přes použití bleskozvodů pouze na HV straně mohou docházet k poruchám transformátoru při bleskových přepětích. V typických oblastech činí roční míra poruch přibližně 1 %; v oblastech s vysokou bleskovou aktivitou může dosáhnout přibližně 5 %; a v extrémně těžkých bouřkových oblastech (např. oblasti s více než 100 bouřkovými dny ročně) může roční míra poruch vystoupit až na přibližně 50 %. Hlavní příčinou jsou přechodná přepětí směrem vpřed a zpět indukovaná, když bleskové přepětí pronikne do HV vinutí.

• Přepětí reverzní transformace:
  Když bleskové přepětí (3–10 kV) pronikne na HV stranu, bleskozvod se vybije, což způsobí velký impulzní proud tekoucí přes zemnící odpor a vytváří tak úbytek napětí. Toto napětí zvyšuje potenciál nulového bodu LV strany. Pokud je LV vedení dlouhé, chová se jako vlnová impedance vůči zemi. V důsledku toho teče velký impulzní proud skrz LV vinutí. Protože třífázové LV proudy jsou stejně velké a ve stejném směru, generují silný magnetický tok nulové posloupnosti, který – prostřednictvím převodu transformátoru – indukuje extrémně vysoká přechodná napětí do HV vinutí. Jelikož je HV vinutí spojeno do hvězdy s neuzemněným bodem nulového napětí, neexistuje na HV straně žádný vyrovnávací impulzní proud, který by tento tok kompenzoval. Celý impulzní proud na LV straně tak působí jako magnetizační proud, což produkuje vysoké indukované napětí na neutrálním konci HV – kde je izolace nejzranitelnější. Navíc výrazně stoupají gradienty napětí mezi závity a mezi vrstvami, což ohrožuje průraz izolace jinde. Tento jev – iniciovaný přepětím na HV straně, ale indukující přepětí prostřednictvím elektromagnetické vazby na LV straně – se nazývá reverzní transformace.
• Přepětí přímé transformace:
  Když bleskové přepětí vstoupí po LV vedení, impulzní proud prochází LV vinutím a indukuje vysoké napětí do HV vinutí prostřednictvím převodu počtu závitů. To drasticky zvyšuje potenciál neutrálního bodu HV a zvyšuje gradienty napětí mezi vrstvami a mezi závity. Tento proces – kdy přepětí na LV straně indukuje přepětí na HV straně – se nazývá přímá transformace. Testy ukazují, že při 10 kV LV přepětí a zemnícím odporu 5 Ω může gradient napětí mezi vrstvami v HV vinutí překročit plnou rázovou odolnost transformátoru o více než 100 %, což nevyhnutelně způsobí poruchu izolace.

1.2 Instalace běžných ventilových nebo oxidově kovových bleskozvodů na LV straně.
V této konfiguraci jsou zemnící vodiče bleskozvodů na HV i LV straně, neutrální bod LV a transformátorová nádoba spojeny dohromady a uzemněny (často označováno jako „spojení čtyř bodů“ nebo „uzemnění tří v jednom“).

Praktická data a experimentální studie potvrzují, že i u transformátorů s dobrou izolací nestačí pouze bleskozvody na HV straně k zabránění poškození způsobenému přepětím přímé nebo reverzní transformace. Bleskozvody na HV straně neposkytují ochranu proti těmto interně generovaným přechodným jevům. Výsledné gradienty napětí mezi vrstvami a závity jsou úměrné počtu závitů a závisí na geometrii vinutí – poruchy mohou nastat na začátku, uprostřed nebo na konci vinutí, přičemž koncový konec je nejzranitelnější. Přidání bleskozvodů na LV straně efektivně omezuje jak přepětí přímé, tak reverzní transformace.

1.3 Oddělené uzemnění pro HV a LV stranu.
U této metody je bleskozvod na HV straně uzemněn samostatně, zatímco neutrální bod LV a transformátorová nádoba jsou spojeny a uzemněny odděleně (bez bleskozvodu na LV straně).

Výzkum ukazuje, že tato metoda využívá útlum země k výrazné eliminaci přepětí reverzní transformace. U přímé transformace výpočty ukazují, že snížení zemnícího odporu LV z 10 Ω na 2,5 Ω může snížit přepětí na HV straně přibližně o 40 %. S vhodným řešením systému uzemnění LV lze přepětí přímé transformace efektivně zmírnit. Toto řešení je jednoduché a ekonomické, avšak vyžaduje nízký zemnící odpor LV, čímž má značnou praktickou hodnotu.

Kromě výše uvedeného patří mezi další opatření instalace vyrovnávacích vinutí na jádro transformátoru za účelem potlačení přepětí transformace nebo vložení oxidově kovových varistorů (MOV) dovnitř transformátoru.

2. Aplikace opatření pro ochranu před bleskem

Výše uvedená analýza ukazuje, že každá metoda ochrany má své specifické vlastnosti. Oblasti by měly vybírat vhodné strategie podle místní intenzity bouřek (měřeno počtem bouřkových dnů za rok):

• Oblasti s nízkou aktivitou blesků (např. roviny):Pro ochranu stačí ochranný přístroj na straně VV, protože roční frekvence poruch je nízká.
• Oblasti s mírnou aktivitou blesků:Instalujte ochranné přístroje na obou stranách, VV i NV.
• Oblasti s vysokou aktivitou blesků:Jednotlivá opatření často nestačí. Doporučuje se komplexní přístup: ochranný přístroj na straně VV s nezávislým zemným spojením, plus spojený ochranný přístroj na straně NV, neutral na straně NV a nádrž spojené s samostatným zemným systémem.
• Oblasti s velmi vysokou aktivitou blesků (zejména tam, kde jsou roční frekvence poruch stále vysoké, i přes komplexní opatření):Po technické a ekonomické evaluaci zvažte pokročilá řešení, jako jsou vyrovnávací vinutí montovaná v jádře (tj. nové typy blesko odolných transformátorů) nebo vnitřně instalované kovové oxidové ochranné přístroje.

3. Závěr

Metody ochrany distribučních transformátorů proti bleskům se liší, stejně jako lokální podmínky v různých oblastech. Výběrem ochranných schémat podle místních podmínek a posílením operačního řízení mohou dodavatelé elektrické energie významně zlepšit odolnost a spolehlivost distribučních transformátorů proti bleskům.