Analiza mera za zaštitu raspodelnih transformatora od munja

Анализа мера заштите од грома за дистрибутивне трансформаторе

Како би се спречило продирање удара грома и обезбедио безбедан рад дистрибутивних трансформатора, у овом раду су презентоване примењиве мере заштите од грома које могу ефикасно побољшати отпорност трансформатора на ударе грома.

1. Мере заштите од грома за дистрибутивне трансформаторе

1.1 Инсталирање прекомерних ограничавача на високонапонској (ВН) страни дистрибутивног трансформатора.
Према SDJ7–79 Технички кодекс за пројектовање заштите опреме електроенергетског система од прекомерних напона: „ВН страна дистрибутивног трансформатора треба генерално бити заштићена прекомерним ограничавачима. Заземљивач проводника ограничавача, неутрална тачка нисконапонске (НН) намотаје и кућиште трансформатора морају бити повезани заједно и заземљени.“ Ова конфигурација је такође препоручена у DL/T620–1997 Заштита од прекомерних напона и координacija изолације за АЦ електроинсталације, који је објавила кинеска електроенергетска агенција.

Међутим, обимна истраживања и искуства из праксе показују да чак и при присуству само ВН ограничавача, до отказа трансформатора долази под дејством импулса грома. У типичним областима, годишња стопа отказа је око 1%; у подручјима са великим бројем градњи, може достићи приближно 5%; а у изузетно тешким подручјима са грмљавинама (нпр. подручја са више од 100 дана са грмљавинама годишње), годишња стопа отказа може пасти до око 50%. Главни разлог су транзијентни прекомерни напони директног и реверзног дела индуковани када импулси грома продру у ВН намотај.

• Реверзни трансформациони прекомерни напон:
  Када импулс грома (3–10 kV) продре на ВН страни, ограничавач испушта струју, што изазива велику импулсну струју кроз отпор заземљења, стварајући пад напона. Овај напон повећава потенцијал НН неутралне тачке. Ако је НН линија дугачка, понаша се као таласни импеданс према земљи. Као последица тога, велика импулсна струја протиче кроз НН намотај. Пошто су трофазне НН струје једнаке по величини и правцу, генеришу јак флукс нулте секвенце, који – преко односа броја завојака трансформатора – индукује изузетно високе транзијентне напоне у ВН намотају. Пошто је ВН намотај звезда повезан са неутралом који није уземљен, на ВН страни не постоји циркуларна импулсна струја која би уравнотежила флукс. Стога, цела импулсна струја НН делује као струја магнетизације, производећи висок индуковани напон на ВН неутралном крају – где је изолација најосетљивија. Додатно, међуслојни и међузавојни напонски градијенти значајно се повећавају, ризикујући пробијање изолације на другим местима. Овај феномен – започет импулсом на ВН страни, али индукован прекомерним напоном путем електромагнетне спреге НН – назива се реверзна трансформација.
• Директни трансформациони прекомерни напон:
  Када импулс грома уђе преко НН линије, импулсна струја протиче кроз НН намотај, индукујући висок напон у ВН намотају кроз однос броја завојака. Ово драстично повећава потенцијал ВН неутрала и повећава међуслојне и међузавојне напонске градијенте. Овај процес – где импулс са НН стране индукује прекомерни напон на ВН страни – назива се директна трансформација. Тестови показују да са 10 kV импулсом на НН страни и отпором заземљења од 5 Ω, међуслојни напонски градијент у ВН намотају може премашити пуну импулсну отпорност трансформатора за више од 100%, неизбежно изазивајући квар изолације.

1.2 Инсталирање конвенционалних вентилских или прекомерних ограничавача од оксида метала на НН страни.
У овој конфигурацији, заземљивачи како ВН тако и НН ограничавача, неутрална тачка НН и кућиште трансформатора повезани су заједно и заземљени (често се назива „повезивање четири тачке“ или „тројно уједињено заземљење“).

Подаци са терена и експериментална истраживања потврђују да чак и за трансформаторе са добром изолацијом, ограничавачи само на ВН страни не могу спречити оштећења услед директних или реверзних трансформационих прекомерних напона. ВН ограничавачи не пружају заштиту против ових интерно генерисаних транзијентних напона. Резултујући напонски градијенти између слојева и завојака пропорционални су броју завојака и зависе од геометрије намотаја – кварови могу настати на почетку, средини или крају намотаја, при чему је крај најосетљивији. Додавање ограничавача на НН страни ефикасно ограничава и директне и реверзне трансформационе прекомерне напоне.

1.3 Одвојено заземљење ВН и НН стране.
У овом приступу, ВН ограничавач је независно заземљен, док су НН неутрал и кућиште трансформатора повезани и одвојено заземљени (без НН ограничавача).

Истраживања показују да ова метода коришћењем атенуације земље у великој мери елиминише реверзни трансформациони прекомерни напон. За директну трансформацију, прорачуни указују да смањење отпора заземљења НН са 10 Ω на 2,5 Ω може смањити прекомерни напон на ВН страни за приближно 40%. Са одговарајућом обрадом система заземљења НН, директни трансформациони прекомерни напон може ефикасно бити ублажен. Ово решење је једноставно и економично, иако захтева низак отпор заземљења НН, што му даје значајну практичну вредност.

Поред наведеног, друге мере укључују инсталирање балансних намотаја на језгро трансформатора ради сузбијања трансформационих прекомерних напона или уграђивање варијабилних отпорника од оксида метала (MOV-ова) унутар трансформатора.

2. Примена мера заштите од грома

Горња анализа показује да свака метода заштите има своје карактеристике. Региони треба да одаберу одговарајуће стратегије на основу локалне интензитета грмљавина (мерено бројем дана са грмљавинама годишње):

• Подручја са ниским нивоом пражњења (нпр. равнице): Само отпремник на ВН страни је довољан због низак годишњих стопа отказа.
• Подручја умереног пражњења: Поставити отпремнике и на ВН и на НН страни.
• Подручја интензивног пражњења: Појединачне мере често нису довољне. Препоручује се комплетан приступ: отпремник на ВН страни са независним заземљењем, уз повезан отпремник на НН страни, НН неутралу и резервоар који су прикључени на посебан систем заземљења.
• Подручја са изузетно интензивним пражњењем (посебно тамо где годишње стопе отказа остају високе упркос комплексним мерама): Након техничке и економске процене, размотрити напредне решења као што су балансне намотаје на језгру (тј. трансформатори нове генерације отпорни на гром) или унутрашње уграђени отпремници од метал-оксида.

3. Закључак

Методе заштите дистрибутивних трансформатора од грома значајно се разликују, а услови на терену се доста разликују између региона. Одабиром шема заштите у складу са локалним условима и побољшањем оперативног управљања, дистрибутивни системи могу значајно побољшати отпорност и поузданост дистрибутивних трансформатора на удара грома.