Analiza środków ochrony przed piorunami dla transformatorów dystrybucyjnych

Analiza środków ochrony przed piorunami dla transformatorów dystrybucyjnych

Aby zapobiec najeźdzaniu fal piorunowych i zapewnić bezpieczne działanie transformatorów dystrybucyjnych, niniejszy artykuł przedstawia stosowne środki ochronne, które mogą skutecznie zwiększyć ich odporność na pioruny.

1. Środki ochrony przed piorunami dla transformatorów dystrybucyjnych

1.1 Zainstaluj ograniczniki napięcia na stronie wysokiego napięcia (Wn) transformatora dystrybucyjnego.
Zgodnie z SDJ7–79 Techniczny kodeks projektowania ochrony przed nadnapięciami w urządzeniach elektroenergetycznych: “Strona Wn transformatora dystrybucyjnego powinna być ogólnie chroniona przez ograniczniki napięcia. Przewód uziemienia ogranicznika, punkt neutralny zwinięcia niskiego napięcia (Nn), oraz kadłub transformatora powinny być połączone razem i uziemione.” Ta konfiguracja jest również zalecana w DL/T620–1997 Ochrona przed nadnapięciami i koordynacja izolacji w instalacjach elektrycznych prądu przemiennego wydanej przez chińskie władze energetyczne.

Jednak szeroko zakrojone badania i doświadczenia terenowe pokazują, że nawet przy samych ogranicznikach strony Wn, awarie transformatorów wciąż występują pod wpływem fal piorunowych. W typowych obszarach roczna częstość awarii wynosi około 1%; w regionach o dużej liczbie piorunów może osiągnąć około 5%; a w ekstremalnie silnych strefach burzowych (np. obszary z ponad 100 dni burzowych rocznie), roczna częstość awarii może wzrosnąć do około 50%. Główną przyczyną są przejściowe nadnapięcia w kierunku przód i tył, indukowane podczas inwazji fal piorunowych na zwinięcie Wn.

• Nadnapięcie odwrotnej transformacji:
  Gdy fala piorunowa (3–10 kV) najeżdża stronę Wn, ogranicznik uwalnia się, powodując przepływ dużego impulsowego prądu przez opór uziemienia, tworząc spadek napięcia. To napięcie podnosi potencjał punktu neutralnego Nn. Jeśli linia Nn jest długa, zachowuje się jak impedancja falowa względem ziemi. W rezultacie, duży impulsowy prąd przepływa przez zwinięcie Nn. Ponieważ trójfazowe prądy Nn są równe co do wielkości i kierunku, generują silny zerowy przepływ magnetyczny, który poprzez stosunek zwinięć transformatora indukuje ekstremalnie wysokie przejściowe napięcia w zwinięciu Wn. Ponieważ zwinięcie Wn jest połączone w gwiazdę z nieuziemionym punktem neutralnym, nie ma krążącego impulsowego prądu na stronie Wn, który mógłby zrównoważyć przepływ. W związku z tym cały impulsowy prąd Nn działa jako prąd namagnesowujący, produkując wysokie indukowane napięcia na końcu neutralnym Wn, gdzie izolacja jest najbardziej podatna. Dodatkowo, gradienty napięcia między cewkami i warstwami znacznie zwiększają się, ryzykując przebicie izolacji w innych miejscach. Ten fenomen, zainicjowany przez falę strony Wn, ale indukujący nadnapięcie poprzez elektromagnetyczną sprzężenie Nn, nazywany jest odwrotnej transformacji.
• Nadnapięcie przódowej transformacji:
  Gdy fala piorunowa wprowadza się poprzez linię Nn, impulsowy prąd przepływa przez zwinięcie Nn, indukując wysokie napięcie w zwinięciu Wn poprzez stosunek zwinięć. To drastycznie podnosi potencjał neutralnego punktu Wn i zwiększa gradienty napięcia między warstwami i cewkami. Ten proces, gdzie fala strony Nn indukuje nadnapięcie na stronie Wn, nazywany jest przódową transformacją. Testy pokazują, że przy 10 kV fali Nn i 5 Ω oporu uziemienia, gradient napięcia między warstwami w zwinięciu Wn może przekroczyć pełnowartościową wytrzymałość impulsową transformatora o ponad 100%, nieuniknione prowadząc do awarii izolacji.

1.2 Zainstaluj standardowe ograniczniki zaworowe lub metalo-oxidowe ograniczniki napięcia na stronie Nn.
W tej konfiguracji, przewody uziemienia ograniczników strony Wn i Nn, punkt neutralny Nn, oraz kadłub transformatora są wszystkie połączone razem i uziemione (często nazywane “połączenie czteropunktowe” lub “trzy w jednym uziemieniu”).

Dane terenowe i badania eksperymentalne potwierdzają, że nawet dla transformatorów z dobrą izolacją, ograniczniki strony Wn same w sobie nie mogą zapobiec uszkodzeniom spowodowanym nadnapięciami przódowej lub odwrotnej transformacji. Ograniczniki strony Wn nie zapewniają ochrony przed tymi wewnętrznymi przejściowymi napięciami. Powstające gradienty napięć między warstwami i cewkami są proporcjonalne do liczby zwinięć i zależą od geometrii zwinięcia — awarie mogą wystąpić na początku, środku lub końcu zwinięcia, z końcem terminalnym będąc najbardziej podatnym. Dodanie ograniczników strony Nn efektywnie ogranicza zarówno nadnapięcia przódowej, jak i odwrotnej transformacji.

1.3 Oddzielne uziemienie stron Wn i Nn.
W tym podejściu, ogranicznik strony Wn jest uziemiony niezależnie, podczas gdy punkt neutralny Nn i kadłub transformatora są połączone i uziemione oddzielnie (bez ogranicznika strony Nn).

Badania pokazują, że ta metoda wykorzystuje tłumienie ziemi do largely eliminacji nadnapięcia odwrotnej transformacji. Dla nadnapięcia przódowej transformacji obliczenia wskazują, że zmniejszenie oporu uziemienia strony Nn z 10 Ω do 2.5 Ω może obniżyć nadnapięcie strony Wn o około 40%. Poprzez odpowiednie postępowanie z systemem uziemienia strony Nn, nadnapięcie przódowej transformacji można efektywnie złagodzić. To rozwiązanie jest proste i kosztoszczędne, choć wymaga niskiego oporu uziemienia strony Nn, co daje mu znaczną wartość praktyczną.

Oprócz powyższego, inne środki obejmują montaż zrównoważonych zwinięć na rdzeniu transformatora, aby supresować nadnapięcia transformacji, lub wbudowanie metalo-oxidowych varistorów (MOV) wewnątrz transformatora.

2. Zastosowanie środków ochrony przed piorunami

Analiza powyżej pokazuje, że każda metoda ochrony ma swoje unikalne cechy. Regiony powinny wybierać odpowiednie strategie w oparciu o lokalną intensywność burz (mierzoną w dniach burzowych rocznie):

• Obszary o niskiej częstotliwości uderzeń piorunów (np. równiny):Zawleczka po stronie wysokiego napięcia jest wystarczająca ze względu na niską roczną częstość awarii.
• Obszary o umiarkowanej częstotliwości uderzeń piorunów:Zainstaluj zawleczki zarówno po stronie wysokiego, jak i niskiego napięcia.
• Obszary o wysokiej częstotliwości uderzeń piorunów:Pojedyncze środki zazwyczaj są niewystarczające. Zalecana jest kompleksowa metoda: zawleczka po stronie wysokiego napięcia z niezależnym uziemieniem, plus połączona zawleczka po stronie niskiego napięcia, neutralna strona niskiego napięcia i zbiornik podłączony do osobnego systemu uziemienia.
• Strefy o bardzo wysokiej częstotliwości uderzeń piorunów (zwłaszcza tam, gdzie mimo kompleksowych środków roczna częstość awarii pozostaje wysoka):Po technicznej i ekonomicznej ocenie rozważ zaawansowane rozwiązania, takie jak wiatrówki balansujące zamontowane w rdzeniu (tzn. nowoczesne transformatory odporne na pioruny) lub wewnętrznie zamontowane metalowo-tlenkowe zawleczki przeciwprzeciążeniowe.

3. Wnioski

Metody ochrony przed piorunami dla transformatorów dystrybucyjnych różnią się znacznie, a warunki lokalne znacząco się różnią w zależności od regionu. Wybierając schematy ochronne na podstawie lokalnych warunków oraz wzmocniając zarządzanie operacyjne, przedsiębiorstwa energetyczne mogą znacząco poprawić odporność na pioruny i niezawodność transformatorów dystrybucyjnych.