Villámvédelem elemzése elosztó transzformátorok számára

A háttértávolszakadások védelmének elemzése elosztó transzformátorok esetén

A villámútony bejutásának megelőzésére és az elosztó transzformátorok biztonságos működésének biztosítására ebben a tanulmányban olyan alkalmazható villámvédelmi intézkedéseket mutatunk be, amelyek hatékonyan megerősíthetik a transzformátorok villámútony-ellenálló képességét.

1. A háttértávolszakadások védelmének intézkedéseinek elosztó transzformátorok esetén

1.1 Villámütköző telepítése a magasfeszültségű (MF) oldalon az elosztó transzformátoron.
Az SDJ7–79 Elektromos berendezések túlfeszültség-védelmi tervezési technikai szabvány szerint: “Általában a magasfeszültségű oldalát kell védni villámütközővel. A villámütköző földelő vezetéke, az alacsonyfeszültségű (AF) tekercs közepi pontja és a transzformátor tartálya együtt kell legyenek földre kötve.” Ez a konfiguráció ajánlott a Kínai Elektromos Energiavállalat DL/T620–1997 Villamos AC-berendezések túlfeszültség-védelme és izolációs koordinációja szabványában is.

Ugyanakkor kiterjedt kutatások és mezőnyi tapasztalatok azt mutatják, hogy még a MF-oldali villámütközők egyedül sem tudnak teljesen megelőzni a transzformátorok kudarcát a villámútonyok esetén. Tipikus területeken az éves hibaráta körülbelül 1%; nagy villámzónákban pedig körülbelül 5%-ra emelkedhet; súlyos villámzónákban (pl. 100-nál több villámnapos területeken) az éves hibaráta akár 50%-ig is növekedhet. Az elsődleges ok a villámútonyok befolyása során a MF tekercsben előidézett előreforduló és hátraforduló átmeneti túlfeszültségek.

• Hátraforduló átalakítási túlfeszültség:
  Amikor egy villámútony (3–10 kV) befolyik a MF oldalra, a villámütköző kiüt, ami egy nagy impulzusos áramot eredményez a földelő ellenálláson, ami feszültség-lejtést hoz létre. Ez a feszültség emeli az AF közepi pont potenciálját. Ha az AF vonal hosszú, akkor hullámellenállásnak viselkedik a földre nézve. Így egy nagy impulzusos áram folyik az AF tekercsen. Mivel a háromfázisú AF áramok egyenlőek nagyságban és irányban, ezek erős nullsorozatú mágneses áramerőt generálnak, ami a transzformátor tekerccsviszonyán keresztül extrém magas átmeneti feszültséget indukál a MF tekercsben. Mivel a MF tekercs csillagkapcsolással van összekötve, és a közepi pontja nem kötve, nincs cirkuláló impulzusos áram a MF oldalon, ami ellensúlyozná a fluktuációt. Így az egész AF impulzusos áram magnézáló áramként működik, ami nagy indukált feszültséget hoz létre a MF közepi pontján, ahol a izoláció a legsebezhetőbb. Emellett a tekercs rétegek és forgástartományok közötti feszültség-lejtés jelentősen növekszik, ami más helyeken is izolációs kudarc kockázatát növeli. Ez a jelenség, amit a MF-oldali útony indít, de az AF elektromágneses kölcsönhatás révén túlfeszültséget indukál, a hátraforduló átalakításnak nevezik.
• Előreforduló átalakítási túlfeszültség:
  Amikor a villámútony az AF vonal mentén befolyik, impulzusos áram folyik az AF tekercsen, ami a tekerccsviszonyon keresztül magas feszültséget indukál a MF tekercsben. Ez drasztikusan emeli a MF közepi pont potenciálját, és növeli a rétegek és forgástartományok közötti feszültség-lejtést. Ez a folyamat, amit az AF-oldali útony indít, és túlfeszültséget indukál a MF oldalon, az előreforduló átalakításnak nevezik. Tesztek szerint 10 kV AF útony és 5 Ω földelő ellenállás mellett a MF tekercsben a rétegek közötti feszültség-lejtés a transzformátor teljes hullámú impulzusos ellenálló erejét 100%-kal meghaladva, feltétlenül izolációs kudarchoz vezet.

1.2 Hagyományos csapajtós vagy fémmioxid villámütközők telepítése az AF oldalon.
Ebben a konfigurációban a MF és AF villámütközők földelő vezetékei, az AF közepi pont, valamint a transzformátor tartálya mindegyike együtt van kötve és földre kötve (gyakran “négy pontú kötés” vagy “három egyszerű fölkötés” néven emlegetik).

Mezőnyi adatok és kísérleti tanulmányok igazolják, hogy még a jól izolált transzformátorok esetén is, a MF-oldali villámütközők egyedül nem tudják megelőzni az előreforduló vagy hátraforduló átalakítási túlfeszültségek miatti kudarcokat. A MF villámütközők nem nyújtanak védelmet ezekkel a belsőleg generált átmeneti feszültségekkel szemben. A keletkező feszültség-lejtések a tekercs rétegei és forgástartományai között arányosak a forgástartományok számával, és a tekercs geometriájától függnek - a kudarcok történhetnek a tekercs elején, közepén vagy végén, a terminális vég a legsebezhetőbb. Az AF-oldali villámütközők hozzáadása hatékonyan korlátozza mind az előreforduló, mind a hátraforduló átalakítási túlfeszültségeket.

1.3 Elsődleges és másodlagos oldalak külön-külön fölkötése.
Ebben a módszerben a MF villámütköző önállóan van fölkötve, míg az AF közepi pont és a transzformátor tartálya együtt van kötve és fölkötve (szóban sincs AF villámütköző).

Kutatások szerint ez a módszer a föld segítségével nagy mértékben megszünteti a hátraforduló átalakítási túlfeszültséget. Az előreforduló átalakítás esetén a számítások szerint az AF földelő ellenállás csökkentése 10 Ω-ról 2,5 Ω-ra körülbelül 40%-kal csökkenti a MF-oldali túlfeszültséget. A megfelelő kezelés mellett az AF földelő rendszerrel az előreforduló átalakítási túlfeszültséget hatékonyan le lehet győzni. Ez a megoldás egyszerű és költséghatékony, bár alacsony AF földelő ellenállást igényel, ami jelentős gyakorlati értéket ad.

Ezen felül más intézkedések is lehetnek, mint például egyensúlyozó tekercsek telepítése a transzformátor magjára az átalakítási túlfeszültségek elnyomására, vagy fémmioxid varisztorok (MOVs) beágyazása a transzformátorba.

2. A villámútony-védelmi intézkedések alkalmazása

A fenti elemzés azt mutatja, hogy minden védelmi módszernél sajátos jellemzői vannak. A régiók a helyi villámzóna intenzitásának (évbeni villámnapok száma) alapján választhatnak megfelelő stratégiákat:

• Alacsony villámlású területek (pl. puszták):A magas feszültségű oldalon lévő védőelegendő, mivel az éves hibaráta alacsony.
• Mérsékelt villámlású területek:Védő telepítése mind a magas, mind az alacsony feszültségű oldalon.
• Magas villámlású területek:Az egyedi intézkedések gyakran elegendőek nem. Javasolt egy kiterjedt megközelítés: magas feszültségű védő önálló földeléssel, valamint összekötött alacsony feszültségű védő, alacsony feszültségű semleges és tartály különálló földelési rendszerhez kapcsolva.
• Súlyos villámlású zónák (különösen ott, ahol a szenvedélyes intézkedések ellenére is magasak az éves hibaráta):Techinikai és gazdasági értékelés után fontolóra vehető fejlett megoldások, mint például a tömörben található egyensúlyozó tekercsek (azaz új típusú villámellenálló transzformátorok) vagy belsőleg telepített fémmioxidos üzemanyag-védők.

3. Következtetés

A terjesztési transzformátorok villámellenes védelmének módjai nagyon sokrétűek, és a helyszíni feltételek jelentősen eltérőek régióról régióra. A helyi feltételek alapján történő védelmi eljárások kiválasztása és a működési felügyelet megerősítése segíthet jelentősen javítani a terjesztési transzformátorok villámellenességén és megbízhatóságán.