Analiza mjerila zaštite od munje za distribucijske transformatori

Analiza mjera zaštite od groma za transformator u distributivnoj mreži

Kako bi se spriječilo prodiranje udara groma i osiguralo sigurno funkcioniranje transformatora u distributivnoj mreži, ovaj rad predstavlja primjenjive mjere zaštite od groma koje mogu učinkovito poboljšati otpornost transformatora na udar groma.

1. Mjere zaštite od groma za transformator u distributivnoj mreži

1.1 Instalacija prenaponskih ograničivača na visokonaponskoj (HV) strani transformatora u distributivnoj mreži.
Prema SDJ7–79 Tehnički propis za projektiranje zaštite od prenapona električne opreme: „Visokonaponska strana transformatora u distributivnoj mreži općenito bi trebala biti zaštićena prenaponskim ograničivačima. Provodnik uzemljenja ograničivača, neutralna točka niskonaponskog (LV) namota i posuda transformatora moraju biti spojeni zajedno i uzemljeni.“ Ova konfiguracija preporučuje se i u DL/T620–1997 Zaštita od prenapona i koordinacija izolacije za izmjenične električne instalacije, izdanom od strane kineske elektroenergetske uprave.

Međutim, obimna istraživanja i iskustva iz prakse pokazuju da čak i uz same HV ograničivače dolazi do kvarova transformatora pri udarima groma. U tipičnim područjima, godišnja stopa kvarova iznosi oko 1%; u područjima s jakim udarima groma može doseći približno 5%; a u ekstremno ozbiljnim olujnim zonama (npr. područja s više od 100 dana s grmljavinom godišnje), godišnja stopa kvarova može porasti do oko 50%. Glavni razlog su unaprijedne i obrnute privremene prenapone koje induciraju udari groma koji prodiru u HV namot.

• Obrnuti transformacijski prenapon:
  Kada udar groma (3–10 kV) prodira u HV stranu, ograničivač ispušta struju, što uzrokuje veliku impulsnu struju kroz otpor uzemljenja, stvarajući pad napona. Ovaj napon povećava potencijal LV neutralne točke. Ako je LV linija duga, ponaša se poput valne impedancije prema zemlji. Kao posljedica toga, velika impulsna struja teče kroz LV namot. Budući da su tri faze LV struje jednake po veličini i smjeru, one generiraju jak trofazni magnetski tok nultog redoslijeda, koji – putem omjera broja zavoja transformatora – inducira izuzetno visoke privremene napone u HV namotu. Budući da je HV namot zvjezdasto spojen s neuzemljenom neutralnom točkom, na HV strani ne postoji cirkulacijska impulsna struja koja bi uravnotežila tok. Stoga cijela LV impulsna struja djeluje kao magnetizirajuća struja, proizvodeći visoki inducirani napon na HV neutralnom kraju – gdje je izolacija najosjetljivija. Dodatno, međuzavojni i međuslojni gradijenti napona znatno se povećavaju, što dovodi do rizika proboja izolacije na drugim mjestima. Ovaj fenomen – pokrenut udarom groma sa strane HV-a, ali koji uzrokuje prenapone putem elektromagnetskog spajanja na strani LV-a – naziva se obrnuta transformacija.
• Unaprijedna transformacijska prenaponska pojava:
  Kada udar groma uđe putem LV linije, impulsna struja prolazi kroz LV namot, inducirajući visoki napon u HV namotu putem omjera broja zavoja. To drastično povećava potencijal HV neutralne točke i povećava međuslojne i međuzavojne gradijente napona. Ovaj proces – kod kojeg udar sa strane LV-a inducira prenapon na strani HV-a – naziva se unaprijedna transformacija. Ispitivanja pokazuju da s 10 kV LV udarom i otporom uzemljenja od 5 Ω, gradijent napona između slojeva u HV namotu može premašiti punovalni impulzni otpor transformatora za više od 100%, neizbježno uzrokujući kvar izolacije.

1.2 Instalacija klasičnih ventilske vrste ili metal-oksida prenaponskih ograničivača na LV strani.
U ovoj konfiguraciji provodnici uzemljenja HV i LV ograničivača, neutralna točka LV-a i posuda transformatora spojeni su zajedno i uzemljeni (često se naziva „spajanje četiri točke“ ili „spajanje tri u jedan“).

Podaci iz terena i eksperimentalna istraživanja potvrđuju da čak ni za transformatore s dobrim izolacijskim svojstvima, sami HV ograničivači ne mogu spriječiti oštećenja uzrokovana unaprijednim ili obrnutim transformacijskim prenaponima. HV ograničivači ne nude zaštitu protiv ovih unutrašnje generiranih privremenih pojava. Rezultirajući gradijenti napona između slojeva i zavoja proporcionalni su broju zavoja i ovise o geometriji namota – kvarovi se mogu pojaviti na početku, sredini ili kraju namota, pri čemu je kraj najosjetljiviji. Dodavanje LV ograničivača učinkovito ograničava i unaprijedne i obrnute transformacijske prenapone.

1.3 Odvojeno uzemljenje za HV i LV stranu.
U ovom pristupu, HV ograničivač je neovisno uzemljen, dok su neutralna točka LV-a i posuda transformatora spojene i posebno uzemljene (bez LV ograničivača).

Istraživanja pokazuju da ova metoda koristi prigušenje zemlje kako bi uvelike eliminirala obrnuti transformacijski prenapon. Za unaprijednu transformaciju, izračuni pokazuju da smanjenje otpora uzemljenja LV-a s 10 Ω na 2,5 Ω može sniziti prenapon na HV strani za otprilike 40%. S odgovarajućom obradom LV uzemljenskog sustava, unaprijedni transformacijski prenapon može učinkovito biti ublažen. Ovo rješenje je jednostavno i ekonomično, iako zahtijeva nizak otpor uzemljenja LV-a, što mu daje značajnu praktičnu vrijednost.

Osim gore navedenog, ostale mjere uključuju instalaciju uravnoteženih namota na jezgri transformatora kako bi se potisnuli transformacijski prenaponi ili ugradnju varistora od metal-oksida (MOVs) unutar transformatora.

2. Primjena mjera zaštite od groma

Gornja analiza pokazuje da svaka metoda zaštite ima različita obilježja. Regije bi trebale odabrati odgovarajuće strategije temeljene na lokalnoj intenzivnosti grmljavine (mjereno brojem dana s grmljavinom godišnje):

• Područja s niskom učestalosti groma (npr. ravni): Samo zaštitni uređaj na strani visokog napona je dovoljan zbog niske godišnje stopa otkaza.
• Područja s umjerenoj učestalosti groma:Instalirajte zaštitne uređaje na strani visokog i niskog napona.
• Područja s visokom učestalosti groma:Jedina mjera često nije dovoljna. Preporučuje se kompleksan pristup: zaštitni uređaj na strani visokog napona s neovisnim zemljem, plus spojeni zaštitni uređaj na strani niskog napona, neutralni vod niskog napona i spremnik povezani s odvojenim sustavom zemljanja.
• Područja s izrazito visokom učestalosti groma (posebno gdje su godišnje stope otkaza visoke unatoč kompleksnim mjerama):Nakon tehničke i ekonomske procjene, razmotrite napredne rješenja poput balansnih vijaka montiranih na jezgru (tj. nove tipove transformatora otpornih na grom) ili unutarnje instaliranih metal-oksidičnih zaštitnih uređaja.

3. Zaključak

Metode zaštite od groma za distribucijske transformatore variraju značajno, a uvjeti na lokaciji značajno se razlikuju prema regijama. Odabirom shema zaštite temeljem lokalnih uvjeta i jačanjem operativnog upravljanja, električne kompanije mogu značajno poboljšati otpornost na grom i pouzdanost distribucijskih transformatora.