تحلیل اقدامات حفاظتی در برابر برق‌آتشی برای ترانسفورماتورهای توزیع

تحلیل اقدامات محافظت از برق در ترانسفورماتورهای توزیع

برای جلوگیری از نفوذ سرنشینی برق و اطمینان از عملکرد ایمن ترانسفورماتورهای توزیع، این مقاله اقدامات محافظت از برق قابل اجرا را ارائه می‌دهد که می‌توانند به طور مؤثر قابلیت تحمل برق آنها را افزایش دهند.

1. اقدامات محافظت از برق برای ترانسفورماتورهای توزیع

1.1 نصب حفاظ‌های سرنشینی روی سوی فشار بالا (HV) ترانسفورماتور توزیع.
بر اساس SDJ7–79 کد فنی طراحی محافظت از فشار زیاد برای تجهیزات برق: “به طور کلی باید سوی فشار بالای یک ترانسفورماتور توزیع با حفاظ‌های سرنشینی محافظت شود. هادی زمینی حافظ، نقطه خنثی پیچه فشار پایین (LV)، و ظرف ترانسفورماتور باید با هم متصل و زمین شوند.” این پیکربندی همچنین در DL/T620–1997 محافظت از فشار زیاد و هماهنگی عایق برای نصب‌های الکتریکی AC صادر شده توسط مرجع برق چین توصیه شده است.

با این حال، تحقیقات گسترده و تجربیات میدانی نشان می‌دهند که حتی با وجود فقط حفاظ‌های سوی فشار بالا، خرابی‌های ترانسفورماتور تحت سرنشینی برق هنوز رخ می‌دهند. در مناطق معمولی، نرخ خرابی سالانه حدود 1٪ است؛ در مناطق با برق زیاد، می‌تواند به حدود 5٪ برسد؛ و در مناطق با طوفان‌های رعد و برق بسیار شدید (مانند مناطقی با بیش از 100 روز رعد و برق در سال)، نرخ خرابی سالانه می‌تواند به حدود 50٪ برسد. علت اصلی این امر، فشار زیاد موقتی جلو و عقب است که هنگام نفوذ سرنشینی برق به پیچه فشار بالا ایجاد می‌شود.

• فشار زیاد موقتی معکوس:
  هنگامی که یک سرنشینی برق (3–10 kV) به سوی فشار بالا نفوذ می‌کند، حافظ تخلیه می‌شود و یک جریان ضربه‌ای بزرگ از طریق مقاومت زمین جریان می‌یابد و یک کاهش ولتاژ ایجاد می‌کند. این ولتاژ نقطه خنثی پیچه فشار پایین را افزایش می‌دهد. اگر خط فشار پایین طولانی باشد، مانند یک موج‌پذیری به زمین رفتار می‌کند. بنابراین، یک جریان ضربه‌ای بزرگ از طریق پیچه فشار پایین جریان می‌یابد. چون جریان‌های سه‌فاز فشار پایین در اندازه و جهت برابر هستند، یک مغناطیس‌شوندگی صفر-دنباله‌ای قوی ایجاد می‌کنند که از طریق نسبت دوره‌ای ترانسفورماتور، ولتاژ موقتی بسیار بالایی در پیچه فشار بالا القا می‌کند. چون پیچه فشار بالا به صورت ستاره‌ای با یک نقطه خنثی بدون زمین متصل است، هیچ جریان ضربه‌ای گردشی در سوی فشار بالا برای تعادل مغناطیس‌شوندگی وجود ندارد. بنابراین، تمام جریان ضربه‌ای فشار پایین به عنوان جریان مغناطیس‌شونده عمل می‌کند و ولتاژ القایی بالا در نقطه خنثی فشار بالا ایجاد می‌کند که عایق آن بسیار آسیب‌پذیر است. علاوه بر این، گرادیان‌های ولتاژ بین لایه‌ها و دوره‌ها به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد و خطر شکست عایق در نقاط دیگر را افزایش می‌دهد. این پدیده که با یک سرنشینی فشار بالا آغاز می‌شود اما از طریق جفت‌کردن الکترومغناطیسی فشار پایین ولتاژ زیاد القا می‌کند، معکوس تبدیل نامیده می‌شود.
• فشار زیاد موقتی جلو:
  هنگامی که یک سرنشینی برق از طریق خط فشار پایین وارد می‌شود، جریان ضربه‌ای از طریق پیچه فشار پایین جریان می‌یابد و ولتاژ بالایی در پیچه فشار بالا از طریق نسبت دوره‌ای القا می‌کند. این عمل به طور قابل توجهی ولتاژ نقطه خنثی فشار بالا را افزایش می‌دهد و گرادیان‌های ولتاژ بین لایه‌ها و دوره‌ها را افزایش می‌دهد. این فرآیند که در آن سرنشینی فشار پایین ولتاژ زیادی در سوی فشار بالا القا می‌کند، جلو تبدیل نامیده می‌شود. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که با یک سرنشینی 10 kV فشار پایین و یک مقاومت زمینی 5 Ω، گرادیان ولتاژ بین لایه‌ها در پیچه فشار بالا می‌تواند بیش از 100٪ قدرت تحمل ضربه‌ای کامل ترانسفورماتور را افزایش دهد و به طور حتم منجر به خرابی عایق می‌شود.

1.2 نصب حفاظ‌های سرنشینی معمولی شیری یا اکسید فلزی روی سوی فشار پایین.
در این پیکربندی، هادی‌های زمینی هر دو حافظ فشار بالا و فشار پایین، نقطه خنثی فشار پایین، و ظرف ترانسفورماتور همگی با هم متصل و زمین شده‌اند (اغلب به عنوان "چهار نقطه متصل" یا "سه در یک زمین" شناخته می‌شود).

داده‌های میدانی و مطالعات تجربی تأیید می‌کنند که حتی برای ترانسفورماتورهای با عایق خوب، فقط حافظ‌های سوی فشار بالا نمی‌توانند خرابی‌های ناشی از فشار زیاد موقتی جلو یا عقب را جلوگیری کنند. حافظ‌های فشار بالا هیچ محافظتی علیه این فشار زیاد داخلی ایجاد نمی‌کنند. گرادیان‌های ولتاژ بین لایه‌ها و دوره‌ها متناسب با تعداد دوره‌ها و وابسته به هندسه پیچه هستند - خرابی‌ها می‌توانند در ابتدا، میانه یا انتهای پیچه رخ دهند، با انتهای ترمینال بیشتر در معرض خطر بودن. افزودن حافظ‌های فشار پایین به طور مؤثر فشار زیاد موقتی جلو و عقب را محدود می‌کند.

1.3 زمین‌گیری جداگانه برای سوی فشار بالا و فشار پایین.
در این روش، حافظ فشار بالا مستقل زمین شده و نقطه خنثی فشار پایین و ظرف ترانسفورماتور با هم متصل و زمین شده‌اند (بدون حافظ فشار پایین).

تحقیقات نشان می‌دهند که این روش از تضعیف زمین برای حذف عمده فشار زیاد موقتی معکوس استفاده می‌کند. برای فشار زیاد موقتی جلو، محاسبات نشان می‌دهند که کاهش مقاومت زمین فشار پایین از 10 Ω به 2.5 Ω می‌تواند فشار زیاد سوی فشار بالا را تقریباً 40٪ کاهش دهد. با درمان صحیح سیستم زمین فشار پایین، فشار زیاد موقتی جلو به طور مؤثر می‌تواند کاهش یابد. این راه‌حل ساده و ارزان است، اگرچه نیاز به مقاومت زمینی کم فشار پایین دارد و ارزش عملی قابل توجهی دارد.

علاوه بر این‌ها، سایر اقدامات شامل نصب پیچه‌های تعادلی روی هسته ترانسفورماتور برای کاهش فشار زیاد موقتی یا جاسازی واریستورهای اکسید فلزی (MOVs) در داخل ترانسفورماتور هستند.

2. کاربرد اقدامات محافظت از برق

تحلیل فوق نشان می‌دهد که هر روش محافظت ویژگی‌های متمایزی دارد. مناطق باید راهبردهای مناسب را بر اساس شدت طوفان‌های رعد و برق محلی (اندازه‌گیری شده به صورت روزهای رعد و برق در سال) انتخاب کنند:

• مناطق کم‌بُرق (مانند دشت‌ها):فقط محافظ برق‌آبی سطح بالا برای این مناطق کافی است، زیرا نرخ شکست سالانه در آن پایین است.
• مناطق متوسط‌برق:نصب محافظ برق‌آبی در هر دو سطح بالا و پایین الزامی است.
• مناطق پربرق:در این مناطق، تدابیر تکی اغلب کافی نیست. توصیه می‌شود رویکرد جامع را به کار گیرید: محافظ برق‌آبی سطح بالا با زمین‌سازی مستقل، به علاوه محافظ برق‌آبی متصل به سطح پایین، خنثی سطح پایین و ظرف به سیستم زمین‌سازی جداگانه متصل شود.
• منطقه‌های بسیار پربرق (به ویژه جاهایی که نرخ شکست سالانه حتی با تدابیر جامع هم بالاست):پس از ارزیابی فنی و اقتصادی، راه‌حل‌های پیشرفته مانند سیم‌پیچ‌های تعادل‌بخش نصب شده در هسته (یعنی ترانسفورماتورهای مقاوم در برابر برق) یا محافظ‌های برق‌آبی اکسید فلزی داخلی نصب شده را در نظر بگیرید.

۳. نتیجه‌گیری

روش‌های محافظت از برق در ترانسفورماتورهای توزیع متنوع هستند و شرایط محلی در مناطق مختلف به طور قابل توجهی متفاوت است. با انتخاب روش‌های محافظت بر اساس شرایط محلی و تقویت مدیریت عملیاتی، شرکت‌های توزیع می‌توانند مقاومت و قابلیت اطمینان ترانسفورماتورهای توزیع در برابر برق را به طور قابل توجهی بهبود بخشند.