Analiza varnostnih ukrepov za zaščito distribucijskih transformatorjev proti Blitzu

Analiza ukrepov za zaščito pred negativnimi posledicami mojstrov v distribucijskih transformatorjih

Za preprečevanje vnosa impulznih pretokov zaradi mojstrov in zagotavljanje varne delovanja distribucijskih transformatorjev ta članek predstavlja uporabne ukrepe za zaščito pred mojstri, ki učinkovito povečajo njihovo odpornost na mojstre.

1. Ukrepi za zaščito pred mojstri v distribucijskih transformatorjih

1.1 Namestite zaščitne naprave proti previsokim napetostim (surge arresters) na visokonaponski (VN) strani distribucijskega transformatorja.
V skladu s standardom SDJ7–79 Tehnični kodeks za oblikovanje zaščite električnih naprav pred previsokimi napetostmi: “Običajno naj bo VN stran distribucijskega transformatorja zaščitena s surge arresters. Povezava za zemljenje zaščitne naprave, neutralna točka nizkonaponskega (NZ) navojnice in rezervoar transformatorja naj bodo združeni in zemljeni.” Ta konfiguracija je tudi priporočena v DL/T620–1997 Zaščita pred previsokimi napetostmi in koordinacija izolacije za napetostne instalacije pridobivanja, ki jo je izdala kitajska elektrika.

Vendar raziskave in praktični izkušnje kažejo, da se tudi z uporabo le VN strani surge arresterjev še vedno pojavljajo okvarne situacije v transformatorjih zaradi mojstrov. V tipičnih območjih je letna stopnja okvar približno 1%; v območjih z visokim mojstrovim aktivnostjo lahko doseže približno 5%; v ekstremno težkih mojstrovih območjih (npr. območja z več kot 100 dnevi mojstrov na leto) pa letna stopnja okvar lahko naraste do približno 50%. Glavni vzrok so napeti prestopni previsoki napetosti, ki jih povzročijo mojstrovski pretoki, ki vpadajo v VN navoj.

• Obratna transformacijska prekomerna napetost:
  Ko mojstrova pretok (3–10 kV) vstopi v VN stran, se zaščitna naprava odpove, kar povzroči velik impulzni tok skozi upornost zemljenja, kar ustvari padec napetosti. Ta napetost poviša potencial NZ nevtralne točke. Če je NZ vrh dolg, se obnaša kot valova upornost do zemlje. Tako velik impulzni tok teče skozi NZ navoj. Ker so tri faze NZ tokov enake glede na velikost in smer, generirajo močno nizek-sekvencijski magnetni tok, ki - preko omara transformatorja - inducira zelo visoke prestopne napetosti v VN navoji. Ker je VN navoj povezan v zvezdo z nezemljenim neutralom, ne obstaja cirkulirajoči impulzni tok na VN strani, ki bi bil v stanju izravnati tok. Zato celoten NZ impulzni tok deluje kot magnetizacijski tok, kar povzroča visoko inducirano napetost na VN nevtralnem koncu - kjer je izolacija najbolj ranljiva. Poleg tega se znatno povečajo napetostni gradienti med vrsticami in plasti, kar pomeni tveganje za propad izolacije drugje. Ta pojav - ki se začne z VN stranskim pretokom, toda inducira prekomerno napetost preko NZ elektromagnetskega kopliranja - se imenuje obratna transformacija.
• Napredujoča transformacijska prekomerna napetost:
  Ko mojstrova pretok vstopi preko NZ vrha, impulzni tok teče skozi NZ navoj, kar inducira visoko napetost v VN navoji preko omara. To drastično poviša potencial VN nevtralne točke in poveča napetostne gradiente med plasti in vrsticami. Ta proces - kjer NZ stranski pretok inducira prekomerno napetost na VN strani - se imenuje napredujoča transformacija. Testi kažejo, da pri 10 kV NZ pretoku in 5 Ω upornosti zemljenja, napetostni gradient med plasti v VN navoji lahko preseže polnvalovni impulzni odpor transformatorja za več kot 100%, kar neizbežno povzroči propad izolacije.

1.2 Namestite konvencionalne ventilske ali metalne oksidne zaščitne naprave proti previsokim napetostim na NZ strani.
V tej konfiguraciji so povezave za zemljenje zaščitnih naprav na VN in NZ strani, NZ nevtralna točka in rezervoar transformatorja združeni in zemljeni (tako imenovana “štiri-točkovna vez” ali “tri-v-eno zemljenje”).

Podatki iz prakse in eksperimentalne raziskave potrjujejo, da tudi za transformatorje z dobro izolacijo VN stranske zaščitne naprave same ne morejo preprečiti škode zaradi napredujočih ali obratnih transformacijskih prekomernih napetosti. VN zaščitne naprave ne zagotavljajo zaščite pred temi notranjimi transitori. Rezultirajoči napetostni gradienti med plasti in vrsticami so sorazmerni s številom zavojnic in odvisni od geometrije navoja - propadi se lahko pojavijo na začetku, sredini ali koncu navoja, z lastnim koncem, ki je najbolj ranljiv. Dodatek NZ stranskih zaščitnih naprav učinkovito omejuje tako napredujoče kot obratne transformacijske prekomerne napetosti.

1.3 Ločeno zemljenje VN in NZ strani.
Pri tem pristopu je VN zaščitna naprava zemljena ločeno, medtem ko je NZ nevtralna točka in rezervoar transformatorja združena in zemljena ločeno (brez NZ zaščitne naprave).

Raziskave kažejo, da ta metoda izkorišča zmanjšanje preko zemlje, da veliko zmanjša obratno transformacijsko prekomerno napetost. Za napredujočo transformacijo kažejo računi, da zmanjšanje NZ upornosti zemljenja s 10 Ω na 2,5 Ω lahko zmanjša VN stransko prekomerno napetost približno za 40%. S pravilno obravnavo NZ sistema zemljenja se lahko napredujoča transformacijska prekomerna napetost učinkovito zmanjša. Ta rešitev je preprosta in ekonomična, čeprav zahteva nizko NZ upornost zemljenja, kar ji pripisuje veliko praktično vrednost.

Nadalje pa so drugi ukrepi, ki vključujejo namestitev uravnovesnih navojnic na jedru transformatorja za zadrževanje transformacijskih prekomernih napetosti ali vgraditev metalnih oksidnih varistorjev (MOVs) znotraj transformatorja.

2. Uporaba ukrepov za zaščito pred mojstri

Gornja analiza kaže, da ima vsak zaščitni pristop svoje posebne značilnosti. Regije bi morale izbrati primere strategije glede na lokalno mojstrovsko intenzivnost (merjeno v dnevih mojstrov na leto):

• Območja z nizkimi svetlobnimi razmerami (na primer, ravnine):Za HV stran je dovolj samo zaščitni napravi zaradi nizke letne stopnje odpadajočih naprav.
• Območja s povprečnimi svetlobnimi razmerami:Namestite zaščitne naprave na obeh straneh, HV in LV.
• Območja z visokimi svetlobnimi razmerami:Enostavne mere so pogosto nedostopne. Priporočljivo je celosten pristop: HV zaščitna naprava z neodvisnim zazemljenjem, plus povezana LV zaščitna naprava, LV neutral in rezervoar, povezan z ločenim zazemljenjskim sistemom.
• Območja z izredno močnimi svetlobnimi razmeri (še posebej tam, kjer ostanejo letne stopnje odpadajočih naprav visoke, tudi ob uporabi celostnega pristopa):Po tehnično-ekonomskem vrednotenju razmislite o naprednih rešitvah, kot so ravnotežne viti na jedru (tj. novi tipi transformatorjev, odporne na svetlobe) ali notranje nameščene metalne oksidne zaščitne naprave.

3. Zaključek

Metode zaščite pred svetlobami za distribucijske transformatorje se zelo razlikujejo, lokalne razmere pa se znatno spreminjajo glede na kraje. Z izbiro shem zaščite na podlagi lokalnih razmer in z okrepitvijo operativnega upravljanja lahko električne družbe bistveno izboljšajo odpor distribucijskih transformatorjev na svetlobe in njihova zaupnost.