Анализ мер защиты от молний для распределительных трансформаторов

Анализ мер защиты от молний для распределительных трансформаторов

Для предотвращения проникновения молниевых скачков и обеспечения безопасной работы распределительных трансформаторов в данной статье представлены применимые меры защиты от молний, которые могут эффективно повысить их способность выдерживать молнии.

1. Меры защиты от молний для распределительных трансформаторов

1.1 Установка ограничителей перенапряжений на высоковольтной (ВВ) стороне распределительного трансформатора.
Согласно SDJ7–79 Техническому кодексу по проектированию защиты электротехнического оборудования от перенапряжений: “Высоковольтная сторона распределительного трансформатора должна, как правило, защищаться ограничителями перенапряжений. Заземляющий проводник ограничителя, нейтральная точка низковольтной (НВ) обмотки и бак трансформатора должны быть соединены вместе и заземлены.” Эта конфигурация также рекомендуется в DL/T620–1997 Защита от перенапряжений и координация изоляции для электроустановок переменного тока, изданных китайскими энергетическими органами.

Однако, несмотря на наличие ограничителей перенапряжений только на ВВ стороне, отказы трансформаторов продолжают происходить при молниевых скачках. В типичных районах годовая частота отказов составляет около 1%; в районах с высокой активностью молний она может достигать примерно 5%; а в районах с крайне сильными грозами (например, где количество дней с грозами превышает 100 в год), годовая частота отказов может достигать около 50%. Основная причина — это прямые и обратные переходные перенапряжения, возникающие при проникновении молниевых скачков в высоковольтную обмотку.

• Обратное преобразование перенапряжений:
  Когда молниевой скачок (3–10 кВ) проникает на ВВ сторону, ограничитель перенапряжений разряжается, создавая большой импульсный ток, который проходит через заземляющее сопротивление, создавая падение напряжения. Это напряжение повышает потенциал нейтральной точки НВ. Если НВ линия длинная, она ведет себя как волновое сопротивление к земле. В результате, через НВ обмотку проходит большой импульсный ток. Поскольку трехфазные токи НВ одинаковы по величине и направлению, они создают сильный нулевой последовательный магнитный поток, который, через коэффициент трансформации, индуцирует чрезвычайно высокие переходные напряжения в ВВ обмотке. Поскольку ВВ обмотка соединена звездой с незаземленной нейтралью, нет циркулирующего импульсного тока на ВВ стороне, чтобы компенсировать поток. Таким образом, весь импульсный ток НВ действует как намагничивающий ток, создавая высокое индуцированное напряжение на нейтральном конце ВВ, где изоляция наиболее уязвима. Кроме того, увеличиваются значительные градиенты напряжения между витками и слоями, что увеличивает риск пробоя изоляции в других местах. Этот феномен, вызванный скачком на ВВ стороне, но индуцирующий перенапряжение через электромагнитное связывание НВ, называется обратным преобразованием.
• Прямое преобразование перенапряжений:
  Когда молниевой скачок проникает через НВ линию, импульсный ток проходит через НВ обмотку, индуцируя высокое напряжение в ВВ обмотке через коэффициент трансформации. Это резко повышает потенциал нейтрали ВВ и увеличивает градиенты напряжения между слоями и витками. Этот процесс, когда скачок на НВ стороне индуцирует перенапряжение на ВВ стороне, называется прямым преобразованием. Тесты показывают, что при 10-киловольтовом скачке на НВ и 5-омном заземляющем сопротивлении, градиент напряжения между слоями в ВВ обмотке может превышать полноволновую импульсную прочность изоляции трансформатора более чем на 100%, неизбежно вызывая отказ изоляции.

1.2 Установка обычных клапанных или металлооксидных ограничителей перенапряжений на НВ стороне.
В этом случае заземляющие проводники ограничителей перенапряжений на ВВ и НВ сторонах, нейтральная точка НВ и бак трансформатора соединяются вместе и заземляются (часто называемые “четырехточечным соединением” или “трехточечным заземлением”).

Полевые данные и экспериментальные исследования подтверждают, что даже для трансформаторов с хорошей изоляцией, ограничители перенапряжений только на ВВ стороне не могут предотвратить повреждения от прямых или обратных переходных перенапряжений. Ограничители перенапряжений на ВВ стороне не защищают от этих внутренних переходных явлений. Результирующие градиенты напряжения между слоями и витками пропорциональны числу витков и зависят от геометрии обмотки — отказы могут происходить в начале, середине или конце обмотки, с наибольшей уязвимостью в терминальной части. Добавление ограничителей перенапряжений на НВ стороне эффективно ограничивает как прямые, так и обратные переходные перенапряжения.

1.3 Раздельное заземление ВВ и НВ сторон.
В этом подходе ограничитель перенапряжений на ВВ стороне заземляется отдельно, в то время как нейтральная точка НВ и бак трансформатора соединяются и заземляются отдельно (без ограничителя перенапряжений на НВ стороне).

Исследования показывают, что этот метод использует затухание в земле для существенного устранения обратных переходных перенапряжений. Для прямых переходных перенапряжений расчеты показывают, что снижение сопротивления заземления НВ стороны с 10 Ом до 2,5 Ом может снизить перенапряжение на ВВ стороне примерно на 40%. С правильным подходом к системе заземления НВ стороны, прямые переходные перенапряжения можно эффективно снизить. Этот метод прост и экономически эффективен, хотя требует низкого сопротивления заземления НВ стороны, что делает его весьма практичным.

Помимо вышеупомянутого, другие меры включают установку балансировочных обмоток на сердечнике трансформатора для подавления переходных перенапряжений или встраивание металлооксидных варисторов (МОВ) внутри трансформатора.

2. Применение мер защиты от молний

Анализ выше показывает, что каждый метод защиты имеет свои уникальные характеристики. Регионы должны выбирать соответствующие стратегии на основе местной интенсивности гроз (измеряемой количеством дней с грозами в году):

• Малоосвещенные зоны (например, равнины):Достаточно только грозозащитного устройства на стороне ВН из-за низких годовых показателей отказов.
• Зоны со средней активностью молний:Установите грозозащитные устройства на сторонах ВН и НН.
• Зоны с высокой активностью молний:Одиночные меры часто недостаточны. Рекомендуется комплексный подход: грозозащитное устройство на стороне ВН с независимым заземлением, а также связанное грозозащитное устройство на стороне НН, нейтраль НН и бак, подключенные к отдельной системе заземления.
• Зоны с крайне высокой активностью молний (особенно там, где годовые показатели отказов остаются высокими несмотря на комплексные меры):После технико-экономической оценки следует рассмотреть передовые решения, такие как встроенные уравновешивающие обмотки (т.е. новые типы грозостойких трансформаторов) или внутренние металлооксидные ограничители перенапряжений.

3. Заключение

Методы защиты распределительных трансформаторов от молний сильно различаются, и условия на местах значительно отличаются в разных регионах. Выбор схем защиты с учетом местных условий, а также укрепление операционного управления позволяют существенно повысить стойкость и надежность распределительных трансформаторов к воздействию молний.