Analisi delle misure di protezione contro i fulmini per trasformatori di distribuzione

Analisi delle misure di protezione contro i fulmini per i trasformatori di distribuzione

Per prevenire l'intrusione di impulsi dovuti ai fulmini e garantire il funzionamento sicuro dei trasformatori di distribuzione, questo articolo presenta misure di protezione contro i fulmini applicabili che possono migliorare efficacemente la loro capacità di resistenza ai fulmini.

1. Misure di protezione contro i fulmini per i trasformatori di distribuzione

1.1 Installare parafulmine sul lato ad alta tensione (AT) del trasformatore di distribuzione.
Secondo SDJ7–79 Norma tecnica per la progettazione della protezione contro le sovratensioni degli impianti elettrici: “Il lato AT di un trasformatore di distribuzione dovrebbe in genere essere protetto da parafulmine. Il conduttore di terra del parafulmine, il punto neutro dell'avvolgimento a bassa tensione (BT), e il serbatoio del trasformatore devono essere collegati insieme e messi a terra.” Questa configurazione è anche raccomandata nella DL/T620–1997 Protezione contro le sovratensioni e coordinazione isolante per installazioni elettriche a corrente alternata emessa dall'autorità elettrica cinese.

Tuttavia, ricerche estese ed esperienze sul campo dimostrano che anche con solo i parafulmine sul lato AT, si verificano ancora guasti nei trasformatori sotto impulsi dovuti ai fulmini. In aree tipiche, il tasso di guasti annuale è circa del 1%; in regioni ad alta attività temporalesca, può raggiungere circa il 5%; e in zone di tempesta molto severe (ad esempio, aree con oltre 100 giorni di tempesta all'anno), il tasso di guasti annuale può salire intorno al 50%. La causa principale sono le sovratensioni transitorie dirette e inverse indotte quando gli impulsi dovuti ai fulmini invadono l'avvolgimento AT.

• Sovratensione inversa di trasformazione:
  Quando un impulso dovuto a un fulmine (3–10 kV) invade il lato AT, il parafulmine scarica, causando un flusso di corrente d'impulso elevato attraverso la resistenza di terra, creando una caduta di tensione. Questa tensione eleva il potenziale del punto neutro BT. Se la linea BT è lunga, si comporta come un'impedenza d'onda verso terra. Di conseguenza, un grande impulso di corrente fluisce attraverso l'avvolgimento BT. Poiché le correnti BT trifase hanno la stessa ampiezza e direzione, generano un forte flusso magnetico zero sequenza, che, attraverso il rapporto di trasformazione, induce tensioni transitorie estremamente elevate nell'avvolgimento AT. Poiché l'avvolgimento AT è connesso in stella con un neutro non collegato a terra, non esiste una corrente d'impulso circolante sul lato AT per bilanciare il flusso. Pertanto, l'intera corrente d'impulso BT agisce come corrente di magnetizzazione, producendo una tensione indotta elevata all'estremità neutra AT, dove l'isolamento è più vulnerabile. Inoltre, i gradienti di tensione tra spire e tra strati aumentano significativamente, rischiando il collasso dell'isolamento in altre parti. Questo fenomeno, iniziato da un impulso sul lato AT ma inducente sovratensione tramite accoppiamento elettromagnetico BT, è noto come trasformazione inversa.
• Sovratensione diretta di trasformazione:
  Quando un impulso dovuto a un fulmine entra attraverso la linea BT, la corrente d'impulso fluisce attraverso l'avvolgimento BT, inducendo una tensione elevata nell'avvolgimento AT attraverso il rapporto di trasformazione. Questo aumenta drasticamente il potenziale neutrale AT e aumenta i gradienti di tensione tra strati e spire. Questo processo, in cui un impulso sul lato BT induce sovratensione sul lato AT, è chiamato trasformazione diretta. I test mostrano che con un impulso BT di 10 kV e una resistenza di terra di 5 Ω, il gradiente di tensione tra strati nell'avvolgimento AT può superare la resistenza all'impulso completo del trasformatore di oltre il 100%, causando inevitabilmente il fallimento dell'isolamento.

1.2 Installare parafulmine a valvola convenzionale o parafulmine a ossido metallico sul lato BT.
In questa configurazione, i conduttori di terra sia dei parafulmine AT che BT, il punto neutro BT e il serbatoio del trasformatore sono tutti collegati insieme e messi a terra (spesso chiamato “quattro punti di connessione” o “tre in uno a terra”).

I dati sul campo e gli studi sperimentali confermano che anche per i trasformatori con un buon isolamento, i parafulmine sul lato AT da soli non possono prevenire danni da sovratensioni di trasformazione diretta o inversa. I parafulmine AT non offrono protezione contro questi transitori generati internamente. I gradienti di tensione tra strati e spire sono proporzionali al numero di spire e dipendono dalla geometria dell'avvolgimento—i guasti possono verificarsi all'inizio, nel mezzo o alla fine dell'avvolgimento, con l'estremità terminale più vulnerabile. L'aggiunta di parafulmine sul lato BT limita efficacemente sia le sovratensioni di trasformazione diretta che quelle inverse.

1.3 Terra separata per i lati AT e BT.
In questo approccio, il parafulmine AT è messo a terra indipendentemente, mentre il neutro BT e il serbatoio del trasformatore sono collegati e messi a terra separatamente (senza un parafulmine BT).

Le ricerche mostrano che questo metodo utilizza l'attenuazione del terreno per eliminare in gran parte la sovratensione di trasformazione inversa. Per la trasformazione diretta, i calcoli indicano che ridurre la resistenza di terra BT da 10 Ω a 2,5 Ω può abbassare la sovratensione sul lato AT di circa il 40%. Con un trattamento appropriato del sistema di terra BT, la sovratensione di trasformazione diretta può essere mitigata efficacemente. Questa soluzione è semplice e conveniente dal punto di vista economico, sebbene richieda una resistenza di terra BT bassa, conferendole un valore pratico considerevole.

Oltre alle suddette, altre misure includono l'installazione di avvolgimenti bilanciati sul nucleo del trasformatore per sopprimere le sovratensioni di trasformazione o l'incorporamento di varistori a ossido metallico (MOV) all'interno del trasformatore.

2. Applicazione delle misure di protezione contro i fulmini

L'analisi sopra mostra che ogni metodo di protezione ha caratteristiche distinte. Le regioni dovrebbero selezionare strategie appropriate in base all'intensità locale dei temporali (misurata in giorni di temporale all'anno):

• Aree con bassa frequenza di fulmini (ad esempio, pianure):L'isolatore lato HV da solo è sufficiente a causa dei bassi tassi di guasto annui.
• Aree con moderata frequenza di fulmini:Installare isolatori su entrambi i lati HV e LV.
• Aree con alta frequenza di fulmini:Misure singole sono spesso inadeguate. Si raccomanda un approccio complessivo: isolatore lato HV con terra indipendente, più isolatore lato LV collegato, neutro lato LV e serbatoio collegati a un sistema di terra separato.
• Zone con elevata frequenza di fulmini (specialmente dove i tassi di guasto annui rimangono alti nonostante le misure complessive):Dopo una valutazione tecnica ed economica, considerare soluzioni avanzate come avvolgimenti di bilanciamento montati sul nucleo (cioè, trasformatori resistenti ai fulmini di nuova generazione) o arrestori di surriscaldamento a ossido metallico installati internamente.

3. Conclusione

I metodi di protezione contro i fulmini per i trasformatori di distribuzione variano ampiamente e le condizioni del sito differiscono significativamente tra le regioni. Selezionando schemi di protezione basati sulle condizioni locali e rafforzando la gestione operativa, le utility possono migliorare sostanzialmente la resilienza e l'affidabilità dei trasformatori di distribuzione nei confronti dei fulmini.