Analyse van bliksembeschermingsmaatregelen voor distributietransformatoren

Analyses van bliksembeschermingsmaatregelen voor distributietransformatoren

Om de intrusie van bliksemstoten te voorkomen en de veilige werking van distributietransformatoren te waarborgen, presenteert dit artikel toepasbare bliksembeschermingsmaatregelen die hun weerstand tegen bliksem effectief kunnen versterken.

1. Bliksembeschermingsmaatregelen voor distributietransformatoren

1.1 Installeer overvoltagebeveiligingen aan de hoogspanningskant (HV) van de distributietransformator.
Volgens SDJ7–79 Technische Code voor het Ontwerp van Overvoltagebescherming van Elektrische Apparatuur: “De HV-kant van een distributietransformator moet in het algemeen worden beschermd door overvoltagebeveiligingen. De aardingsleider van de beveiliging, het neutraal punt van de laagspanningswinding (LV), en de transformatorhuls moeten met elkaar verbonden zijn en aangesloten op aarde.” Deze configuratie wordt ook aanbevolen in DL/T620–1997 Overvoltagebescherming en Isolatiecoördinatie voor Wisselstroominstallaties uitgegeven door de elektriciteitsautoriteit van China.

Echter, uitgebreid onderzoek en praktijkervaring tonen aan dat zelfs met alleen HV-kant beveiligingen, transformatoren nog steeds kunnen mislukken onder bliksemstoten. In typische gebieden is het jaarlijkse faillietpercentage ongeveer 1%; in gebieden met veel bliksem kan het ongeveer 5% bereiken; en in extreem zware onweersgebieden (bijvoorbeeld gebieden met meer dan 100 onweerdagen per jaar) kan het jaarlijkse faillietpercentage tot ongeveer 50% stijgen. De primaire oorzaak is de voorwaartse en achterwaartse tijdelijke overvoltages veroorzaakt wanneer bliksemstoten de HV-wikkeling binnendringen.

• Achterwaartse Transformatieovervoltage:
  Wanneer een bliksemstoot (3–10 kV) de HV-kant binnendringt, ontlaadt de beveiliging, waardoor een grote impulsstroom door de aardingweerstand loopt, wat een spanningdaling veroorzaakt. Deze spanning verhoogt het potentieel van het neutraal punt van de LV. Als de LV-lijn lang is, gedraagt deze zich als een golfimpedantie naar de aarde. Daarom loopt er een grote impulsstroom door de LV-wikkeling. Omdat de driefase LV-stromen gelijk zijn in grootte en richting, genereren ze een sterke nulsequentie magnetische flux, die via de verhouding van de transformeringsverhouding extreem hoge tijdelijke spanningen in de HV-wikkeling induceert. Aangezien de HV-wikkeling in een sterconfiguratie is aangesloten met een niet-aangesloten neutraal, bestaat er geen circulerende impulsstroom aan de HV-kant om de flux te compenseren. Dus de volledige LV-impulsstroom fungeert als magnetiseringsstroom, waardoor hoge geïnduceerde spanningen optreden aan de HV-neutraaleinde—waar de isolatie het meest kwetsbaar is. Daarnaast nemen de tussen winding en tussen lagen spanninggradiënten significant toe, waardoor isolatie elders kan breken. Dit fenomeen—geïnitieerd door een HV-kant stoot maar overvoltage inducerend via LV-elektromagnetische koppeling—wordt bekend als achterwaartse transformatie.
• Voorwaartse Transformatieovervoltage:
  Wanneer een bliksemstoot via de LV-lijn binnendringt, loopt de impulsstroom door de LV-wikkeling, wat een hoge spanning in de HV-wikkeling induceert via de verhouding van de windingen. Dit verhoogt drastisch het potentieel van de HV-neutraal en verhoogt de spanninggradiënten tussen lagen en windingen. Dit proces—waarbij een LV-kant stoot overvoltage op de HV-kant induceert—wordt voorwaartse transformatie genoemd. Tests tonen aan dat bij een 10 kV LV-stoot en een 5 Ω aardingweerstand, de spanninggradiënt tussen lagen in de HV-wikkeling meer dan 100% boven de volledige golfimpulsbestendigheid van de transformator kan uitkomen, wat onvermijdelijk leidt tot isolatiefaal.

1.2 Installeer conventionele ventieltype of metaloxide overvoltagebeveiligingen aan de LV-kant.
In deze configuratie zijn de aardingleiders van zowel de HV- als de LV-beveiligingen, het neutraal punt van de LV, en de transformatorhuls allemaal met elkaar verbonden en aangesloten op aarde (vaak genoemd “vier-puntsbinding” of “drie-in-één aarding”).

Praktijkgegevens en experimentele studies bevestigen dat zelfs voor transformatoren met goede isolatie, alleen HV-kant beveiligingen niet voldoende zijn om schade te voorkomen door voorwaartse of achterwaartse transformatie-overvoltages. HV-beveiligingen bieden geen bescherming tegen deze intern gegenereerde tijdelijke overvoltages. De resulterende spanninggradiënten tussen lagen en windingen zijn evenredig met het aantal windingen en afhankelijk van de windinggeometrie—faalkansen kunnen optreden aan het begin, midden of einde van de winding, met het eindpunt het meest kwetsbaar. Het toevoegen van LV-kant beveiligingen beperkt effectief zowel voorwaartse als achterwaartse transformatie-overvoltages.

1.3 Aparte aarding voor de HV- en LV-zijden.
In deze benadering wordt de HV-beveiliging onafhankelijk aangesloten op aarde, terwijl de LV-neutraal en de transformatorhuls apart met elkaar verbonden en aangesloten op aarde (zonder LV-beveiliging).

Onderzoek toont aan dat deze methode gebruik maakt van aardverzwakking om grotendeels achterwaartse transformatie-overvoltage te elimineren. Voor voorwaartse transformatie wijzen berekeningen uit dat het verminderen van de LV-aardingweerstand van 10 Ω naar 2,5 Ω de HV-kant overvoltage ongeveer 40% kan verlagen. Met de juiste behandeling van het LV-aardingsysteem kan voorwaartse transformatie-overvoltage effectief worden gemitigeerd. Deze oplossing is eenvoudig en kosteneffectief, hoewel het een lage LV-aardingweerstand vereist, wat het aanzienlijke praktische waarde geeft.

Naast bovenstaande maatregelen zijn er andere maatregelen zoals het installeren van balanceringswindingen op de transformatorkern om transformatie-overvoltages te onderdrukken of het integreren van metaloxide varistors (MOVs) binnen de transformator.

2. Toepassing van bliksembeschermingsmaatregelen

De bovenstaande analyse laat zien dat elke beschermingsmethode unieke kenmerken heeft. Regio's moeten op basis van de lokale onweersintensiteit (gemeten in onweerdagen per jaar) passende strategieën selecteren:

• Laag-bliksempactgebieden (bijv. vlaktes): Een HV-zijde arrester is voldoende vanwege de lage jaarlijkse uitvalcijfers.
• Matig bliksempactgebieden: Installeer arresters aan zowel de HV- als de LV-zijde.
• Hogebliksempactgebieden: Enkele maatregelen zijn vaak ontoereikend. Een omvattende benadering wordt aanbevolen: HV-arrester met onafhankelijke aarding, plus gekoppelde LV-arrester, LV-neutraal en tank verbonden met een apart aardingsysteem.
• Zwaar bliksempactgebieden (vooral waar jaarlijkse uitvalcijfers hoog blijven ondanks omvattende maatregelen): Na technische en economische evaluatie kunnen geavanceerde oplossingen worden overwogen, zoals kerngeplaatste balanceringswikkelingen (d.w.z. nieuwe type bliksembestendige transformatoren) of intern geïnstalleerde metaloxideoverstroomarresters.

3. Conclusie

Bliksemschermingsmethoden voor distributietransformatoren variëren sterk, en de sitecondities verschillen aanzienlijk per regio. Door beschermingschema's te selecteren op basis van lokale omstandigheden, en door het operationeel beheer te versterken, kunnen nutsbedrijven de bliksemveerkracht en betrouwbaarheid van distributietransformatoren aanzienlijk verbeteren.