Analys av skyddsmått för blixtskydd av distributionstransformatorer

Analys av åskskyddåtgärder för distributionsomvandlare

För att förhindra intrång av åskstöt och säkerställa den säkra drift av distributionsomvandlare presenterar denna artikel tillämpliga åskskyddåtgärder som effektivt kan öka deras motståndskraft mot åsken.

1. Åskskyddåtgärder för distributionsomvandlare

1.1 Installera överspänningsbegränsare på högspänningssidan (HV) av distributionsomvandlaren.
Enligt SDJ7–79 Teknisk kod för design av överspänningsskydd för elektrisk utrustning: “Högspänningssidan av en distributionsomvandlare bör i allmänhet skyddas med överspänningsbegränsare. Överspänningsbegränsarens jordningsledare, lågspänningsväxelns nollpunkt och omvandlarens tank ska kopplas samman och jordas.” Denna konfiguration rekommenderas också i DL/T620–1997 Överspänningsskydd och isoleringskoordinering för växelströmsinstallationer utfärdat av Kinas elmyndighet.

Dock visar omfattande forskning och fältupplevelser att även med endast högspänningssida överspänningsbegränsare fortfarande uppstår omvandlarfel under åskstötar. I typiska områden är det årliga felprocenten ungefär 1%; i områden med mycket åsken kan den nå upp till cirka 5%; och i extremt svåra åskstormszoner (t.ex. områden med över 100 åskstormsdagar per år) kan den årliga felprocenten stiga till runt 50%. Den primära orsaken är framåt- och bakåttransienta överspänningar som induceras när åskstötar invaderar högspänningsväxeln.

• Bakåttransformationsöverspänning:
  När en åskstöt (3–10 kV) invaderar högspänningssidan släpper överspänningsbegränsaren ifrån sig, vilket skapar ett stort impulsström genom jordningsmotståndet, vilket skapar en spänningsfall. Denna spänning höjer potentialen för lågspänningsneutralpunkten. Om lågspänningslinjen är lång beter den sig som en vågimpedans mot mark. Därför flödar en stor impulsström genom lågspänningsväxeln. Eftersom de trefasiga lågspänningsströmmarna är lika i magnitud och riktning genererar de en stark nollsekvensmagnetflöde, vilket via omvandlarens viktkvot inducerar extremt höga transienta spänningar i högspänningsväxeln. Eftersom högspänningsväxeln är stjärnkopplad med en ojordad neutral finns det ingen cirkulerande impulsström på högspänningssidan för att balansera magnetflödet. Så hela lågspänningsimpulsströmmen fungerar som magnetiseringsström, vilket producerar hög inducerad spänning vid högspänningsneutraländen—där isoleringen är mest sårbar. Dessutom ökar interturn- och interlag-spänningsgradienterna betydligt, vilket riskerar isoleringsgenombrott annorstädes. Detta fenomen—initierat av en högspännings-sida stöt men inducerar överspänning genom lågspännings-elektromagnetisk koppling—kallas bakåttransformation.
• Framåttransformationsöverspänning:
  När en åskstöt tränger in via lågspänningslinjen flödar impulsström genom lågspänningsväxeln, vilket inducerar en hög spänning i högspänningsväxeln genom viktkvoten. Detta höjer drastiskt högspänningsneutralpotentialen och ökar interlag- och interturn-spänningsgradienterna. Detta process—där en lågspännings-sida stöt inducerar överspänning på högspännings-sidan—kallas framåttransformation. Tester visar att med en 10 kV lågspänningsstöt och en 5 Ω jordningsmotstånd kan interlagsspänningsgradienten i högspänningsväxeln överskrida omvandlarens fullvågsimpulsmotståndskraft med mer än 100%, vilket oundvikligen leder till isoleringsfel.

1.2 Installera konventionella ventiltyp eller metalloxid överspänningsbegränsare på lågspänningssidan.
I denna konfiguration kopplas jordningsledarna för både hög- och lågspänningsbegränsare, lågspänningsneutralpunkten och omvandlarens tank tillsammans och jordas (ofta kallat “fyra punkter bindning” eller “tre-i-ett jordning”).

Fältdata och experimentella studier bekräftar att även för omvandlare med bra isolering kan inte endast högspänningsbegränsare förhindra skada från framåt- eller bakåttransformationsöverspänningar. Högspänningsbegränsare ger inget skydd mot dessa interna genererade transieneter. De resulterande spänningsgradienterna över lager och varv är proportionella till antalet varv och beroende av vindningens geometri—fel kan uppstå vid vindningens början, mitt eller slut, med terminalslutet som är mest sårbart. Att lägga till lågspänningsbegränsare begränsar effektivt både framåt- och bakåttransformationsöverspänningar.

1.3 Separat jordning för hög- och lågspänningssidor.
I denna metod jordnas högspänningsbegränsaren separat, medan lågspänningsneutralen och omvandlarens tank kopplas samman och jordas separat (utan lågspänningsbegränsare).

Forskning visar att denna metod utnyttjar jordens dämpning för att till stor del eliminera bakåttransformationsöverspänning. För framåttransformation indikerar beräkningar att att minska lågspänningsjordningsmotståndet från 10 Ω till 2.5 Ω kan sänka högspännings-sidan överspänningen med ungefär 40%. Med rätt behandling av lågspänningsjordningssystemet kan framåttransformationsöverspänning effektivt mildras. Denna lösning är enkel och kostnadseffektiv, även om den kräver låg lågspänningsjordningsmotstånd, vilket ger den betydande praktiskt värde.

Utöver ovan nämnda åtgärder inkluderar andra åtgärder installation av balanservindningar på omvandlarens kärna för att undertrycka transformationsöverspänningar eller inbyggda metalloxidvaristorer (MOVs) inuti omvandlaren.

2. Tillämpning av åskskyddåtgärder

Den ovanstående analysen visar att varje skyddsmetod har distinkta egenskaper. Regioner bör välja lämpliga strategier baserat på lokal åskintensitet (mätt i åskstormsdagar per år):

• Låg-ljusningsområden (t.ex. slätter):Endast arrester på HV-sidan är tillräckligt på grund av låga årliga felhastigheter.
• Moderata ljusningsområden:Installera arrester både på HV- och LV-sidan.
• Hög-ljusningsområden:Enkla åtgärder räcker ofta inte. Det rekommenderas en omfattande strategi: HV-arrester med oberoende jordning, plus kopplad LV-arrester, LV-neutral och tank ansluten till ett separat jordningssystem.
• Svåra ljusningszoner (särskilt där årliga felhastigheter fortfarande är höga trots omfattande åtgärder):Efter teknisk och ekonomisk utvärdering bör man överväga avancerade lösningar som kärnmonterade balansspolar (dvs. nya typen av blixtskyddade transformatorer) eller inbyggda metalloxidblixtskydd.

3. Slutsats

Blixtskyddsmetoder för distributionstransformatorer varierar kraftigt, och platsförhållanden skiljer sig betydligt mellan regioner. Genom att välja skyddsstrategier baserat på lokala förhållanden och genom att stärka driftsledningen kan elverk betydligt förbättra blixtresistensen och tillförlitligheten hos distributionstransformatorer.