Analyse af lynbeskyttelsesforanstaltninger for distributions-transformatorer

Analyse af lynbeskyttelsesforanstaltninger for distributions-transformatorer

For at forebygge lynovertrænging og sikre sikkert drift af distributions-transformatorer præsenterer denne artikel anvendelige lynbeskyttelsesforanstaltninger, der effektivt kan forbedre deres lynmodstandsdygtighed.

1. Lynbeskyttelsesforanstaltninger for distributions-transformatorer

1.1 Installér overstrømningssikrere på højspændings (HV) siden af distributions-transformatoren.
Ifølge SDJ7–79 Teknisk kodeks for design af overvoltagebeskyttelse af elektriske anlæg: “Højspændings-siden af en distributions-transformator bør generelt beskyttes med overstrømningssikrere. Overstrømningssikrernes jordleder, lavspændings (LV) vindings neutrale punkt og transformator tanken skal forbindes sammen og jordes.” Denne konfiguration anbefales også i DL/T620–1997 Overvoltagebeskyttelse og isoleringskoordinering for AC-elektriske installationer udstedt af Kinas elektricitetsmyndighed.

Men omfattende forskning og feltoplevelser viser, at selv med kun HV-side overstrømningssikrere, finder transformer stadig fejl under lynovertrænginger. I typiske områder er det årlige fejlrate omkring 1%; i områder med højt lynaktivitet kan det nå op til ca. 5%; og i ekstremt alvorlige tordenområder (fx områder med mere end 100 tordendage om året), kan den årlige fejlrate stige til omkring 50%. Den primære årsag er frem- og bagovergangs-overvoltage, der induceres, når lynovertrænginger invaderer HV-vindingen.

• Bagovergangs-overvoltage:
  Når en lynovertrænging (3–10 kV) invaderer HV-siden, fralader overstrømningssikringen, hvilket fører til, at en stor impulsstrøm flyder gennem jordmodstanden, og skaber et spændingsfald. Dette spænding hæver det neutrale punkts potentiale i LV-vindingen. Hvis LV-ledningen er lang, opfører den sig som en bølgemodstand mod jorden. Dermed flyder en stor impulsstrøm gennem LV-vindingen. Da de trefasede LV-strømme er lige store og rettede, genererer de en stærk nul-sekvens magnetisk flux, der via transformatorens vindingforhold inducerer ekstremt høje kortvarige spændinger i HV-vindingen. Eftersom HV-vindingen er sternet forbundet med en ikke-jordet neutral, findes der ingen cirkulerende impulsstrøm på HV-siden, der kan kompensere for fluxen. Således fungerer hele LV-impulsstrømmen som magnetiseringsstrøm, der producerer høje inducerede spændinger ved HV-neutralsenden—hvor isolationen er mest sårbart. Desuden øges interturn- og interlag-spændingsgrader betydeligt, hvilket risikerer isolationsnedbrydelse andre steder. Dette fænomen—initieret af en HV-side overtrænging, men inducerer overvoltage gennem LV-elektromagnetisk kobling—hedder bagovergang.
• Fremovergangs-overvoltage:
  Når en lynovertrænging indgår gennem LV-ledningen, flyder impulsstrøm gennem LV-vindingen, hvilket inducerer et højt spænding i HV-vindingen gennem vindingforholdet. Dette øger drastisk HV-neutralspotentialet og øger interlag- og interturn-spændingsgrader. Dette proces—hvor en LV-side overtrænging inducerer overvoltage på HV-siden—kaldes fremovergang. Test viser, at med en 10 kV LV-overtrænging og en 5 Ω jordmodstand, kan interlag-spændingsgrader i HV-vindingen overstige transformatorens fuldbølge impulsmodstandsdygtighed med mere end 100%, hvilket uundgåeligt føder til isolationsfejl.

1.2 Installér konventionelle ventiltype eller metaloksid overstrømningssikrere på LV-siden.
I denne konfiguration er jordlederne for både HV- og LV-overstrømningssikrere, LV-neutrale punkt og transformator tanken forbundet sammen og jordet (ofte kaldet “fire-punkt binding” eller “tre-i-en jordning”).

Feltdata og eksperimentelle studier bekræfter, at selv for transformatorer med god isolation kan HV-side overstrømningssikrere alene ikke forhindre skade fra frem- eller bagovergangs-overvoltage. HV-overstrømningssikrere giver ingen beskyttelse mod disse internt genererede kortvarige spændinger. De resulterende spændingsgrader mellem lag og vindinger er proportionale med antallet af vindinger og afhænger af vindinggeometri—fejl kan opstå ved begyndelsen, midten eller slutningen af vindingen, med terminalenden som de mest sårbare. Tilføjelse af LV-side overstrømningssikrere begrænser effektivt både frem- og bagovergangs-overvoltage.

1.3 Adskilt jordning for HV- og LV-sider.
I dette tilgang jordes HV-overstrømningssikring separat, mens LV-neutral og transformator tanken er forbundet og jordet separat (uden LV-overstrømningssikring).

Forskning viser, at denne metode udnytter jorddæmpning til i vid udstrækning at eliminere bagovergangs-overvoltage. For fremovergang indikerer beregninger, at reduktion af LV-jordmodstanden fra 10 Ω til 2.5 Ω kan sænke HV-side overvoltage med ca. 40%. Med passende behandling af LV-jordsystemet kan fremovergangs-overvoltage effektivt mildnes. Denne løsning er enkel og kostnadseffektiv, selvom den kræver lav LV-jordmodstand, hvilket giver den betydelig praktisk værdi.

Ud over ovenstående inkluderer andre foranstaltninger installation af balanceringsvindinger på transformatorkerne for at dæmpe overvoltage eller indbygning af metaloksid varistorer (MOVs) indeni transformator.

2. Anvendelse af lynbeskyttelsesforanstaltninger

Analysen ovenfor viser, at hver beskyttelsesmetode har unikke karakteristika. Regioner bør vælge passende strategier baseret på lokal lynaktivitet (målt i tordendage pr. år):

• Områder med lavt lynaktivitet (f.eks. sletter): Bølgeafleder på højspændingssiden alene er tilstrækkeligt grundet lave årlige fejlrate.
• Områder med moderat lynaktivitet: Installer bølgeafledere på både høj- og lavspændingssiden.
• Områder med højt lynaktivitet: Enkeltforanstaltninger er ofte utilstrækkelige. Der anbefales en kommende tilgang: Bølgeafleder på højspændingssiden med separat jording, kombineret med forbundet bølgeafleder på lavspændingssiden, nulleder og tank forbundet til et separat jordingsystem.
• Omkring med særlig intens lynaktivitet (især hvor årlige fejlrate forbliver høj trods omfattende foranstaltninger): Efter teknisk og økonomisk evaluering bør avancerede løsninger overvejes, såsom kerne monterede afbalanceringsviklinger (dvs. ny type lynbestandige transformatorer) eller internt installerede metaloxid-bølgeafledere.

3. Konklusion

Metoder til lynbeskyttelse af distributionstransformatorer varierer meget, og installationsforhold adskiller sig betydeligt mellem regioner. Ved at vælge beskyttelsesløsninger ud fra lokale forhold samt styrke driftsstyringen kan elselskaber markant forbedre distributionstransformatorers modstandsdygtighed og pålidelighed over for lynnedslag.