Analyse av lynbeskyttelsesforanstaltninger for distribusjonstransformatorer

Analyse av lynbeskyttelsesforanstaltninger for distribusjonstransformatorer

For å forebygge inntrønning av lynoverstryk og sikre sikker drift av distribusjonstransformatorer, presenterer denne artikkelen relevante lynbeskyttelsesforanstaltninger som kan effektivt øke deres evne til å tåle lyn.

1. Lynbeskyttelsesforanstaltninger for distribusjonstransformatorer

1.1 Installer overstryksikrere på høyspennings (HS) siden av distribusjonstransformator.
I henhold til SDJ7–79 Tekniske retningslinjer for design av overvoltagebeskyttelse for elektrisk utstyr: «Høyspenningsiden av en distribusjonstransformator bør generelt beskyttes med overstryksikrer. Sikrers jordfører, lavspenningens (LS) nøytralpunkt og transformatorbeholderen skal kobles sammen og jordas.» Denne konfigurasjonen anbefales også i DL/T620–1997 Overvoltagebeskyttelse og isolasjonssammenheng for vekselstrømsinstallasjoner utstedt av Kinas elektriske myndigheter.

Men omfattende forskning og felt erfaring viser at selv med kun HS-side sikrere, oppstår det fremdeles transformatorfeil under lynoverstryk. I typiske områder er årlig feilrate omtrent 1%; i områder med høy lynaktivitet kan den nå rundt 5%; og i ekstremt alvorlige tordenområder (f.eks. områder med over 100 tordendager per år), kan den årlige feilraten stige til rundt 50%. Hovedårsaken er de foreslåtte og baklengs transiente overvoltage som oppstår når lynoverstryk invaderer HS-vindingen.

• Baklengs transformasjons-overvoltage:
  Når et lynoverstryk (3–10 kV) invaderer HS-siden, slutter sikrer, noe som fører til at en stor impulsstrøm går gjennom jordmotstanden, som skaper en spenningsfall. Dette spenningen hever potensialet til LS-nøytralpunktet. Hvis LS-ledningen er lang, oppfører den seg som en bølgemotstand mot jord. Dermed strømmer en stor impulsstrøm gjennom LS-vindingen. Siden de trefas LS-strømmene er like i størrelse og retning, genererer de en sterk nullsekvens magnetisk fluksgjennom transformatorforholdet induceres ekstremt høye transiente spenninger i HS-vindingen. Ettersom HS-vindingen er sternkoblet med en ujordet nøytral, finnes det ingen sirkulerende impulsstrøm på HS-siden for å balansere flukten. Derfor fungerer hele LS-impulsstrømmen som magneteringsstrøm, som produserer høy induksjonsspennning ved HS-nøytralenden—hvor isolasjonen er mest sårbart. I tillegg økes interturn og mellomlag spenninggrunnleggende betydelig, som risikerer isolasjonbrudd andre steder. Dette fenomenet—initiert av et HS-side overstryk, men induksjon av overvoltage via LS-elektromagnetisk kobling—kalles baklengs transformasjon.
• Foreslått transformasjons-overvoltage:
  Når et lynoverstryk kommer inn via LS-ledningen, strømmer impulsstrøm gjennom LS-vindingen, hvilket inducerer en høy spenning i HS-vindingen gjennom vindingforholdet. Dette øker drastisk HS-nøytralpotensialet og øker interlag og interturn spenninggrunnleggende. Denne prosessen—hvor et LS-side overstryk inducerer overvoltage på HS-siden—kalles foreslått transformasjon. Tester viser at med en 10 kV LS-overstryk og en 5 Ω jordmotstand, kan interlag spenninggrunnleggende i HS-vindingen overstige transformatorens fullbølge impulsbestandighet med mer enn 100%, noe som uunngåelig fører til isolasjonbrudd.

1.2 Installer konvensjonelle ventiltype eller metalloksid overstryksikrere på LS-siden.
I denne konfigurasjonen er jordførerne for både HS- og LS-sikrer, LS-nøytralpunktet og transformatorbeholderen koblet sammen og jordet (ofte referert til som «fire-punkt binding» eller «tre-i-ett jording»).

Feltdata og eksperimentelle studier bekrefter at selv for transformatorer med god isolasjon, kan ikke bare HS-side sikrer forhindre skade fra foreslått eller baklengs transformasjons-overvoltage. HS-sikrer gir ingen beskyttelse mot disse intern genererte transiener. De resulterende spenninggrunnleggende mellom lag og vindinger er proporsjonale med antallet vindinger og avhenger av vindinggeometri—feil kan oppstå ved start, midten eller slutten av vindingen, med terminalenden som er mest sårbart. Legging av LS-side sikrer begrenser effektivt både foreslått og baklengs transformasjons-overvoltage.

1.3 Separat jording for HS- og LS-siden.
I denne metoden er HS-sikrer jordet separat, mens LS-nøytralen og transformatorbeholderen er koblet sammen og jordet separat (uten LS-sikrer).

Forskning viser at denne metoden utnytter jorddemping til å i stor grad eliminere baklengs transformasjons-overvoltage. For foreslått transformasjon indikerer beregninger at reduksjon av LS-jordmotstand fra 10 Ω til 2,5 Ω kan redusere HS-side overvoltage med omtrent 40%. Med riktig behandling av LS-jordsystemet, kan foreslått transformasjons-overvoltage effektivt dempes. Denne løsningen er enkel og kostnadseffektiv, selv om den krever lav LS-jordmotstand, noe som gir den betydelig praktisk verdi.

Ut over det ovennevnte, inkluderer andre foranstaltninger installering av balanservindinger på transformatorkjernen for å undertrykke transformasjons-overvoltage eller inbedring av metalloksid varistorer (MOVs) inne i transformator.

2. Anvendelse av lynbeskyttelsesforanstaltninger

Analysen over viser at hver beskyttelsesmetode har distinkte karakteristika. Områder bør velge passende strategier basert på lokal tordenintensitet (målt i tordendager per år):

• Områder med lite lynaktivitet (for eksempel sletteområder):En feltstyrke-side avleder er tilstrekkelig på grunn av lave årlige feilrater.
• Områder med moderat lynaktivitet:Installer avledere på både feltstyrke- og lavspenningsiden.
• Områder med høy lynaktivitet:Enkelttiltak er ofte utilstrekkelige. Det anbefales en helhetlig tilnærming: feltstyrke-avleder med uavhengig jordforbindelse, pluss koblet lavspenning-avleder, lavspenning neutral, og tank koblet til et separat jordsystem.
• Svært alvorlige lynsoner (spesielt der årlige feilrater forblir høye til tross for helhetlige tiltak):Etter teknisk og økonomisk vurdering, kan avanserte løsninger som kjernemonterte balansekredsløp (dvs. nytype lynbestandige transformatorer) eller intern installert metalloksid overbelastningsavledere vurderes.

3. Konklusjon

Lynbeskyttelsesmetoder for distribusjonstransformatorer varierer betydelig, og lokalitetsbetingelsene varierer sterkt mellom regioner. Ved å velge beskyttelsesskjema basert på lokale forhold, og ved å styrke driftsforvaltningen, kan nettselskapene forbedre lynbestandigheten og påliteligheten til distribusjonstransformatorer betydelig.