Ανάλυση των Μέτρων Προστασίας από τον Κεραυνό για Διανομικά Μετατροπείς

Ανάλυση Μέτρων Προστασίας από Κεραυνούς για Μετασχηματιστές Διανομής

Για να αποφευχθεί η εισβολή υπέρτασης από κεραυνό και να διασφαλιστεί η ασφαλής λειτουργία των μετασχηματιστών διανομής, το παρόν άρθρο παρουσιάζει εφαρμόσιμα μέτρα προστασίας από κεραυνούς που μπορούν αποτελεσματικά να ενισχύσουν την αντοχή τους σε φαινόμενα κεραυνών.

1. Μέτρα Προστασίας από Κεραυνούς για Μετασχηματιστές Διανομής

1.1 Εγκατάσταση περιοριστών υπέρτασης στην πλευρά υψηλής τάσης (HV) του μετασχηματιστή διανομής.
Σύμφωνα με το SDJ7–79 Τεχνικός Κανονισμός για τον Σχεδιασμό Προστασίας από Υπερτάσεις του Ηλεκτρικού Εξοπλισμού: «Η πλευρά υψηλής τάσης ενός μετασχηματιστή διανομής θα πρέπει γενικά να προστατεύεται με περιοριστές υπέρτασης. Ο αγωγός γείωσης του περιοριστή, το ουδέτερο σημείο της περιέλιξης χαμηλής τάσης (LV) και η δεξαμενή του μετασχηματιστή θα πρέπει να συνδέονται μεταξύ τους και να γειώνονται.» Αυτή η διάταξη συνιστάται επίσης στο DL/T620–1997 Προστασία από Υπερτάσεις και Συντονισμός Μόνωσης για Εγκαταστάσεις Εναλλασσόμενου Ρεύματος που εκδόθηκε από την ηλεκτρική αρχή της Κίνας.

Ωστόσο, εκτεταμένες έρευνες και πεδιακές εμπειρίες δείχνουν ότι ακόμη και με περιοριστές στην πλευρά υψηλής τάσης μόνο, οι βλάβες του μετασχηματιστή συνεχίζουν να συμβαίνουν υπό συνθήκες υπέρτασης από κεραυνό. Σε τυπικές περιοχές, ο ετήσιος ρυθμός βλαβών είναι περίπου 1%· σε περιοχές με έντονη κεραυνική δραστηριότητα, μπορεί να φτάσει περίπου το 5%· και σε περιοχές με εξαιρετικά σοβαρές καταιγίδες (π.χ. περιοχές με περισσότερες από 100 ημέρες καταιγίδας το χρόνο), ο ετήσιος ρυθμός βλαβών μπορεί να ανέβει στο περίπου 50%. Η κύρια αιτία είναι οι προς τα εμπρός και προς τα πίσω παροδικές υπερτάσεις που επάγονται όταν η υπέρταση από κεραυνό εισβάλλει στην περιέλιξη υψηλής τάσης.

• Παροδική Υπέρταση Αντίστροφου Μετασχηματισμού:
  Όταν μια υπέρταση από κεραυνό (3–10 kV) εισβάλλει στην πλευρά υψηλής τάσης, ο περιοριστής εκφορτώνεται, προκαλώντας ένα μεγάλο παλμικό ρεύμα να διαρρέει την αντίσταση γείωσης, δημιουργώντας πτώση τάσης. Αυτή η τάση ανεβάζει το δυναμικό του ουδέτερου σημείου χαμηλής τάσης. Εάν η γραμμή LV είναι μεγάλη, συμπεριφέρεται σαν κύμα εμπέδησης προς τη γη. Ως εκ τούτου, ένα μεγάλο παλμικό ρεύμα διαρρέει την περιέλιξη LV. Εφόσον τα τριφασικά ρεύματα LV είναι ίσα κατά μέτρο και κατεύθυνση, δημιουργούν ισχυρή μαγνητική ροή μηδενικής ακολουθίας, η οποία — μέσω του λόγου σπειρών του μετασχηματιστή — επάγει εξαιρετικά υψηλές παροδικές τάσεις στην περιέλιξη HV. Εφόσον η περιέλιξη HV είναι συνδεδεμένη σε αστέρα με μη γειωμένο ουδέτερο, δεν υπάρχει κυκλοφορούν παλμικό ρεύμα στην πλευρά HV για να αντισταθμίσει τη ροή. Έτσι, ολόκληρο το παλμικό ρεύμα LV λειτουργεί ως μαγνητικό ρεύμα, παράγοντας υψηλή επαγόμενη τάση στο ουδέτερο άκρο της πλευράς HV — όπου η μόνωση είναι πιο ευάλωτη. Επιπλέον, οι κλίσεις τάσης μεταξύ σπειρών και στρωμάτων αυξάνονται σημαντικά, με κίνδυνο διάσπασης της μόνωσης σε άλλα σημεία. Αυτό το φαινόμενο — που ξεκινά από υπέρταση στην πλευρά HV αλλά επάγει υπέρταση μέσω ηλεκτρομαγνητικής σύζευξης της πλευράς LV — ονομάζεται αντίστροφος μετασχηματισμός.
• Παροδική Υπέρταση Ορθού Μετασχηματισμού:
  Όταν μια υπέρταση από κεραυνό εισέρχεται μέσω της γραμμής LV, παλμικό ρεύμα διαρρέει την περιέλιξη LV, επάγοντας υψηλή τάση στην περιέλιξη HV μέσω του λόγου σπειρών. Αυτό αυξάνει δραματικά το δυναμικό του ουδέτερου σημείου της πλευράς HV και αυξάνει τις κλίσεις τάσης μεταξύ στρωμάτων και σπειρών. Αυτή η διαδικασία — όπου μια υπέρταση από την πλευρά LV επάγει υπέρταση στην πλευρά HV — ονομάζεται ορθός μετασχηματισμός. Δοκιμές δείχνουν ότι με υπέρταση 10 kV στην πλευρά LV και αντίσταση γείωσης 5 Ω, η κλίση τάσης μεταξύ στρωμάτων στην περιέλιξη HV μπορεί να υπερβεί την αντοχή του μετασχηματιστή σε πλήρη κύμα παλμού κατά περισσότερο από 100%, προκαλώντας αναπόφευκτα αποτυχία της μόνωσης.

1.2 Εγκατάσταση συμβατικών περιοριστών βαλβίδας ή περιοριστών οξειδίου μετάλλου στην πλευρά LV.
Σε αυτή τη διάταξη, οι αγωγοί γείωσης τόσο των περιοριστών HV όσο και LV, το ουδέτερο σημείο LV και η δεξαμενή του μετασχηματιστή συνδέονται όλοι μεταξύ τους και γειώνονται (συχνά αναφέρεται ως «σύνδεση τεσσάρων σημείων» ή «σύνδεση τριών σε ένα»).

Στοιχεία από το πεδίο και πειραματικές μελέτες επιβεβαιώνουν ότι ακόμη και για μετασχηματιστές με καλή μόνωση, οι περιοριστές στην πλευρά HV μόνο δεν μπορούν να αποτρέψουν βλάβες από υπερτάσεις ορθού ή αντίστροφου μετασχηματισμού. Οι περιοριστές HV δεν παρέχουν προστασία έναντι αυτών των εσωτερικά δημιουργούμενων παροδικών φαινομένων. Οι προκύπτουσες κλίσεις τάσης μεταξύ στρωμάτων και σπειρών είναι ανάλογες του αριθμού των σπειρών και εξαρτώνται από τη γεωμετρία της περιέλιξης — οι βλάβες μπορούν να συμβούν στην αρχή, το μέσο ή το τέλος της περιέλιξης, με το τελικό άκρο να είναι το πιο ευάλωτο. Η προσθήκη περιοριστών στην πλευρά LV περιορίζει αποτελεσματικά τόσο τις υπερτάσεις ορθού όσο και αντίστροφου μετασχηματισμού.

1.3 Ξεχωριστή γείωση για τις πλευρές HV και LV.
Σε αυτή την προσέγγιση, ο περιοριστής HV γειώνεται ανεξάρτητα, ενώ το ουδέτερο σημείο LV και η δεξαμενή του μετασχηματιστή συνδέονται και γειώνονται ξεχωριστά (χωρίς περιοριστή στην πλευρά LV).

Έρευνες δείχνουν ότι αυτή η μέθοδος αξιοποιεί την εξασθένιση της γης για να εξαλείψει κατά μεγάλο μέρος την υπέρταση αντίστροφου μετασχηματισμού. Για τον ορθό μετασχηματισμό, υπολογισμοί δείχνουν ότι η μείωση της αντίστασης γείωσης LV από 10 Ω σε 2,5 Ω μπορεί να μειώσει την υπέρταση στην πλευρά HV κατά περίπου 40%. Με κατάλληλη διαχείριση του συστήματος γείωσης LV, η υπέρταση ορθού μετασχηματισμού μπορεί να περιοριστεί αποτελεσματικά. Αυτή η λύση είναι απλή και οικονομική, αν και απαιτεί χαμηλή αντίσταση γείωσης LV, γεγονός που της δίνει σημαντική πρακτική αξία.

Εκτός από τα παραπάνω, άλλα μέτρα περιλαμβάνουν την εγκατάσταση εξισορροπητικών περιελίξεων στον πυρήνα του μετασχηματιστή για να καταστείλουν τις υπερτάσεις μετασχηματισμού ή την ενσωμάτωση μεταβλητών αντιστάσεων οξειδίου μετάλλου (MOVs) μέσα στον μετασχηματιστή.

2. Εφαρμογή Μέτρων Προστασίας από Κεραυνούς

Η παραπάνω ανάλυση δείχνει ότι κάθε μέθοδος προστασίας έχει διακριτά χαρακτηριστικά. Οι περιοχές θα πρέπει να επιλέγουν κατάλληλες στρατηγικές βάσει της τοπικής έντασης των καταιγίδων (μετρούμενη σε ημέρες καταιγίδας ανά έτος):

• Περιοχές με χαμηλή εκπλήξη (π.χ., ορυγματικές πεδία): Αρκετό είναι η εγκατάσταση προστατευτών στο πλευρό υψηλής τάσης λόγω των χαμηλών ετήσιων στοιχείων αποτυχίας.
• Περιοχές με μέτρια εκπλήξη:Εγκαταστήστε προστατευτές στα πλευρά της υψηλής και χαμηλής τάσης.
• Περιοχές με υψηλή εκπλήξη:Μεμονωμένα μέτρα συχνά δεν είναι αρκετά. Συνιστάται συνολική προσέγγιση: Προστατευτής στο πλευρό υψηλής τάσης με ανεξάρτητη σύνδεση στο έδαφος, συνδεδεμένος προστατευτής χαμηλής τάσης, ουδέτερη σύνδεση χαμηλής τάσης και σύνδεση του δοχείου σε ξεχωριστό σύστημα σύνδεσης στο έδαφος.
• Περιοχές με σοβαρή εκπλήξη (ειδικά όπου οι ετήσιες αποτυχίες παραμένουν υψηλές παρά τα συνολικά μέτρα):Μετά από τεχνική και οικονομική αξιολόγηση, θεωρήστε προηγμένες λύσεις όπως ισορροπικές πλεξίδες εγκατεστημένες στον πυρήνα (δηλαδή, νέου τύπου μετατροπείς αντοχής στην εκπλήξη) ή εσωτερικά εγκατεστημένους προστατευτές μεταλλικών οξειδίων.

3. Συμπέρασμα

Οι μέθοδοι προστασίας από την εκπλήξη για τους μετατροπείς κατανομής διαφέρουν σημαντικά, και οι συνθήκες τόπου διαφέρουν σημαντικά από περιοχή σε περιοχή. Επιλέγοντας σχέδια προστασίας βάσει των τοπικών συνθηκών και ενισχύοντας τη διαχείριση της λειτουργίας, οι επιχειρήσεις δύνανται να βελτιώσουν σημαντικά την αντοχή και την αξιοπιστία των μετατροπείς κατανομής σε εκπλήξη.