การวิเคราะห์มาตรการป้องกันฟ้าผ่าสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย

การวิเคราะห์มาตรการป้องกันฟ้าผ่าสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย

เพื่อป้องกันการรุกล้ำของแรงดันไฟฟ้าจากฟ้าผ่าและรับประกันการทำงานอย่างปลอดภัยของหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย บทความนี้นำเสนอมาตรการป้องกันฟ้าผ่าที่สามารถใช้ได้ซึ่งสามารถเพิ่มความสามารถในการทนต่อฟ้าผ่าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

1. มาตรการป้องกันฟ้าผ่าสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย

1.1 ติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูง (HV) บนด้านแรงดันสูงของหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย
ตาม SDJ7–79 รหัสทางเทคนิคในการออกแบบการป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงของอุปกรณ์ไฟฟ้า: “ด้านแรงดันสูงของหม้อแปลงไฟฟ้ากระจายควรถูกปกป้องโดยอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูง การเชื่อมต่อสายดินของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูง จุดกลางของขดลวดแรงดันต่ำ (LV) และถังหม้อแปลงควรเชื่อมต่อและต่อลงดิน” การกำหนดค่านี้ยังได้รับคำแนะนำใน DL/T620–1997 การป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงและการประสานงานฉนวนสำหรับระบบไฟฟ้ากระแสสลับ ที่ออกโดยหน่วยงานไฟฟ้าของจีน

อย่างไรก็ตาม การวิจัยอย่างกว้างขวางและการทดสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่าแม้จะมีอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงบนด้านแรงดันสูงเพียงอย่างเดียว ความเสียหายของหม้อแปลงยังเกิดขึ้นภายใต้แรงดันไฟฟ้าจากการฟ้าผ่า ในพื้นที่ทั่วไป อัตราการเสียหายประจำปีอยู่ที่ประมาณ 1%; ในพื้นที่ที่มีฟ้าผ่าสูง อัตราการเสียหายอาจสูงถึงประมาณ 5%; และในเขตพายุฟ้าผ่าที่รุนแรงมาก (เช่น พื้นที่ที่มีวันฟ้าผ่ามากกว่า 100 วันต่อปี) อัตราการเสียหายประจำปีอาจพุ่งสูงถึงประมาณ 50% สาเหตุหลักคือแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะที่เกิดจากการรุกล้ำของแรงดันไฟฟ้าจากการฟ้าผ่าเข้าสู่ขดลวดแรงดันสูง

• แรงดันไฟฟ้าจากการแปลงกลับ:
  เมื่อแรงดันไฟฟ้าจากการฟ้าผ่า (3–10 kV) เข้าสู่ด้านแรงดันสูง อุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงจะปล่อยกระแสไฟฟ้าชั่วขณะขนาดใหญ่ผ่านความต้านทานการต่อลงดิน ทำให้เกิดแรงดันตก แรงดันนี้จะเพิ่มศักยภาพของจุดกลางของแรงดันต่ำ หากสายแรงดันต่ำยาว มันจะทำงานเหมือนอิมพิแดนซ์คลื่นต่อโลก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าชั่วขณะขนาดใหญ่ไหลผ่านขดลวดแรงดันต่ำ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าสามเฟสในขดลวดแรงดันต่ำมีขนาดและความทิศทางเท่ากัน ทำให้สร้างฟลักซ์แม่เหล็กลำดับศูนย์ที่แข็งแกร่ง ซึ่งผ่านอัตราส่วนรอบของหม้อแปลงจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะที่สูงมากในขดลวดแรงดันสูง เนื่องจากขดลวดแรงดันสูงเชื่อมต่อแบบดาวและจุดกลางไม่ต่อลงดิน ไม่มีกระแสไฟฟ้าชั่วขณะที่ไหลเวียนในด้านแรงดันสูงเพื่อสมดุลฟลักซ์ ดังนั้น กระแสไฟฟ้าชั่วขณะทั้งหมดในด้านแรงดันต่ำจะเป็นกระแสไฟฟ้าที่ทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็ก ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่สูงมากที่ปลายจุดกลางของแรงดันสูง—ที่ฉนวนมีความอ่อนแอที่สุด นอกจากนี้ ความลาดชันแรงดันระหว่างชั้นและระหว่างรอบยังเพิ่มขึ้นอย่างมาก ทำให้เกิดความเสี่ยงของการแตกฉนวนที่อื่นๆ ปรากฏการณ์นี้—เริ่มต้นจากแรงดันไฟฟ้าสูงแต่ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงผ่านการส่งผ่านแม่เหล็กไฟฟ้าของแรงดันต่ำ—เรียกว่าการแปลงกลับ
• แรงดันไฟฟ้าจากการแปลงไปข้างหน้า:
  เมื่อแรงดันไฟฟ้าจากการฟ้าผ่าเข้าสู่สายแรงดันต่ำ กระแสไฟฟ้าชั่วขณะจะไหลผ่านขดลวดแรงดันต่ำ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงในขดลวดแรงดันสูงผ่านอัตราส่วนรอบของหม้อแปลง ทำให้ศักยภาพของจุดกลางของแรงดันสูงเพิ่มขึ้นและเพิ่มความลาดชันแรงดันระหว่างชั้นและระหว่างรอบ กระบวนการนี้—ที่แรงดันไฟฟ้าจากการฟ้าผ่าในด้านแรงดันต่ำทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงในด้านแรงดันสูง—เรียกว่าการแปลงไปข้างหน้า การทดสอบแสดงให้เห็นว่าด้วยแรงดันไฟฟ้าแรงดันต่ำ 10 kV และความต้านทานการต่อลงดิน 5 Ω ความลาดชันแรงดันระหว่างชั้นในขดลวดแรงดันสูงสามารถเกินกำลังทนแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะเต็มวงของหม้อแปลงมากกว่า 100% ทำให้เกิดความเสียหายของฉนวนอย่างไม่避免继续输出中文，以下是完整的泰语翻译： ```html

  การวิเคราะห์มาตรการป้องกันฟ้าผ่าสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย

  เพื่อป้องกันการรุกล้ำของแรงดันไฟฟ้าจากฟ้าผ่าและรับประกันการทำงานอย่างปลอดภัยของหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย บทความนี้นำเสนอมาตรการป้องกันฟ้าผ่าที่สามารถใช้ได้ซึ่งสามารถเพิ่มความสามารถในการทนต่อฟ้าผ่าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

  1. มาตรการป้องกันฟ้าผ่าสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย

  1.1 ติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูง (HV) บนด้านแรงดันสูงของหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย
  ตาม SDJ7–79 รหัสทางเทคนิคในการออกแบบการป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงของอุปกรณ์ไฟฟ้า: “ด้านแรงดันสูงของหม้อแปลงไฟฟ้ากระจายควรถูกปกป้องโดยอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูง การเชื่อมต่อสายดินของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูง จุดกลางของขดลวดแรงดันต่ำ (LV) และถังหม้อแปลงควรเชื่อมต่อและต่อลงดิน” การกำหนดค่านี้ยังได้รับคำแนะนำใน DL/T620–1997 การป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงและการประสานงานฉนวนสำหรับระบบไฟฟ้ากระแสสลับ ที่ออกโดยหน่วยงานไฟฟ้าของจีน

  อย่างไรก็ตาม การวิจัยอย่างกว้างขวางและการทดสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่าแม้จะมีอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงบนด้านแรงดันสูงเพียงอย่างเดียว ความเสียหายของหม้อแปลงยังเกิดขึ้นภายใต้แรงดันไฟฟ้าจากการฟ้าผ่า ในพื้นที่ทั่วไป อัตราการเสียหายประจำปีอยู่ที่ประมาณ 1%; ในพื้นที่ที่มีฟ้าผ่าสูง อัตราการเสียหายอาจสูงถึงประมาณ 5%; และในเขตพายุฟ้าผ่าที่รุนแรงมาก (เช่น พื้นที่ที่มีวันฟ้าผ่ามากกว่า 100 วันต่อปี) อัตราการเสียหายประจำปีอาจพุ่งสูงถึงประมาณ 50% สาเหตุหลักคือแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะที่เกิดจากการรุกล้ำของแรงดันไฟฟ้าจากการฟ้าผ่าเข้าสู่ขดลวดแรงดันสูง

  • แรงดันไฟฟ้าจากการแปลงกลับ:
    เมื่อแรงดันไฟฟ้าจากการฟ้าผ่า (3–10 kV) เข้าสู่ด้านแรงดันสูง อุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงจะปล่อยกระแสไฟฟ้าชั่วขณะขนาดใหญ่ผ่านความต้านทานการต่อลงดิน ทำให้เกิดแรงดันตก แรงดันนี้จะเพิ่มศักยภาพของจุดกลางของแรงดันต่ำ หากสายแรงดันต่ำยาว มันจะทำงานเหมือนอิมพิแดนซ์คลื่นต่อโลก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าชั่วขณะขนาดใหญ่ไหลผ่านขดลวดแรงดันต่ำ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าสามเฟสในขดลวดแรงดันต่ำมีขนาดและความทิศทางเท่ากัน ทำให้สร้างฟลักซ์แม่เหล็กลำดับศูนย์ที่แข็งแกร่ง ซึ่งผ่านอัตราส่วนรอบของหม้อแปลงจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะที่สูงมากในขดลวดแรงดันสูง เนื่องจากขดลวดแรงดันสูงเชื่อมต่อแบบดาวและจุดกลางไม่ต่อลงดิน ไม่มีกระแสไฟฟ้าชั่วขณะที่ไหลเวียนในด้านแรงดันสูงเพื่อสมดุลฟลักซ์ ดังนั้น กระแสไฟฟ้าชั่วขณะทั้งหมดในด้านแรงดันต่ำจะเป็นกระแสไฟฟ้าที่ทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็ก ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่สูงมากที่ปลายจุดกลางของแรงดันสูง—ที่ฉนวนมีความอ่อนแอที่สุด นอกจากนี้ ความลาดชันแรงดันระหว่างชั้นและระหว่างรอบยังเพิ่มขึ้นอย่างมาก ทำให้เกิดความเสี่ยงของการแตกฉนวนที่อื่นๆ ปรากฏการณ์นี้—เริ่มต้นจากแรงดันไฟฟ้าสูงแต่ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงผ่านการส่งผ่านแม่เหล็กไฟฟ้าของแรงดันต่ำ—เรียกว่าการแปลงกลับ
  • แรงดันไฟฟ้าจากการแปลงไปข้างหน้า:
    เมื่อแรงดันไฟฟ้าจากการฟ้าผ่าเข้าสู่สายแรงดันต่ำ กระแสไฟฟ้าชั่วขณะจะไหลผ่านขดลวดแรงดันต่ำ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงในขดลวดแรงดันสูงผ่านอัตราส่วนรอบของหม้อแปลง ทำให้ศักยภาพของจุดกลางของแรงดันสูงเพิ่มขึ้นและเพิ่มความลาดชันแรงดันระหว่างชั้นและระหว่างรอบ กระบวนการนี้—ที่แรงดันไฟฟ้าจากการฟ้าผ่าในด้านแรงดันต่ำทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงในด้านแรงดันสูง—เรียกว่าการแปลงไปข้างหน้า การทดสอบแสดงให้เห็นว่าด้วยแรงดันไฟฟ้าแรงดันต่ำ 10 kV และความต้านทานการต่อลงดิน 5 Ω ความลาดชันแรงดันระหว่างชั้นในขดลวดแรงดันสูงสามารถเกินกำลังทนแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะเต็มวงของหม้อแปลงมากกว่า 100% ทำให้เกิดความเสียหายของฉนวนอย่างไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้

  

  1.2 ติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงชนิดวาล์วหรือชนิดออกไซด์โลหะบนด้านแรงดันต่ำ
  ในการกำหนดค่านี้ สายดินของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงทั้งด้านแรงดันสูงและแรงดันต่ำ จุดกลางของแรงดันต่ำ และถังหม้อแปลงควรเชื่อมต่อและต่อลงดิน (มักเรียกว่า "การเชื่อมต่อสี่จุด" หรือ "การต่อลงดินสามในหนึ่ง")

  ข้อมูลภาคสนามและการศึกษาทดลองยืนยันว่าแม้จะมีหม้อแปลงที่มีฉนวนที่ดี อุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงบนด้านแรงดันสูงเพียงอย่างเดียวไม่สามารถป้องกันความเสียหายจากการแปลงกลับหรือการแปลงไปข้างหน้าได้ อุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงบนด้านแรงดันสูงไม่สามารถป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะที่เกิดขึ้นภายในได้ ความลาดชันแรงดันระหว่างชั้นและระหว่างรอบจะเป็นสัดส่วนกับจำนวนรอบและขึ้นอยู่กับรูปทรงของขดลวด ความเสียหายสามารถเกิดขึ้นที่จุดเริ่มต้น กลาง หรือปลายของขดลวด โดยจุดปลายจะเป็นจุดที่อ่อนแอที่สุด การเพิ่มอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงบนด้านแรงดันต่ำสามารถจำกัดแรงดันไฟฟ้าจากการแปลงกลับและการแปลงไปข้างหน้าได้

  1.3 ต่อลงดินแยกกันสำหรับด้านแรงดันสูงและแรงดันต่ำ
  ในการกำหนดค่านี้ อุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงบนด้านแรงดันสูงจะต่อลงดินแยกกัน ในขณะที่จุดกลางของแรงดันต่ำและถังหม้อแปลงจะเชื่อมต่อและต่อลงดินแยกกัน (โดยไม่มีอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูงบนด้านแรงดันต่ำ)

  การวิจัยแสดงให้เห็นว่าวิธีนี้ใช้การลดแรงดันไฟฟ้าจากการแปลงกลับโดยใช้การลดแรงดันไฟฟ้าผ่านดิน สำหรับการแปลงไปข้างหน้า การคำนวณแสดงให้เห็นว่าการลดความต้านทานการต่อลงดินของแรงดันต่ำจาก 10 Ω เป็น 2.5 Ω สามารถลดแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะบนด้านแรงดันสูงได้ประมาณ 40% ด้วยการปรับปรุงระบบต่อลงดินของแรงดันต่ำ แรงดันไฟฟ้าจากการแปลงไปข้างหน้าสามารถลดลงได้ วิธีนี้เป็นวิธีที่ง่ายและประหยัดต้นทุน แม้ว่าจะต้องมีความต้านทานการต่อลงดินของแรงดันต่ำที่ต่ำ ทำให้มีคุณค่าทางปฏิบัติอย่างมาก

  นอกจากนี้ ยังมีมาตรการอื่นๆ เช่น การติดตั้งขดลวดบาลานซ์บนแกนหม้อแปลงเพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าจากการแปลง หรือฝังตัวต้านทานแรงดันไฟฟ้าสูง (MOVs) ภายในหม้อแปลง

  2. การใช้งานมาตรการป้องกันฟ้าผ่า

  การวิเคราะห์ข้างต้นแสดงให้เห็นว่าแต่ละวิธีป้องกันมีลักษณะเฉพาะ ภูมิภาคควรเลือกวิธีการที่เหมาะสมตามความรุนแรงของพายุฟ้าผ่า (วัดเป็นวันฟ้าผ่าต่อปี):

  ```
  • พื้นที่ที่มีฟ้าผ่าต่ำ (เช่น พื้นราบ): อาร์เรสเตอร์ด้าน HV เพียงอย่างเดียวก็เพียงพอเนื่องจากอัตราการเสียหายประจำปีต่ำ
  • พื้นที่ที่มีฟ้าผ่าปานกลาง: ติดตั้งอาร์เรสเตอร์ทั้งด้าน HV และ LV
  • พื้นที่ที่มีฟ้าผ่าสูง: มาตรการเดียวมักไม่เพียงพอ แนะนำให้ใช้วิธีการแบบครอบคลุม: อาร์เรสเตอร์ด้าน HV พร้อมการต่อกราวด์อิสระ บวกกับอาร์เรสเตอร์ด้าน LV ที่ต่อเข้าด้วยกัน จุดกลางของด้าน LV และถังต่อเข้ากับระบบกราวด์แยกต่างหาก
  • เขตที่มีฟ้าผ่ารุนแรง (โดยเฉพาะในพื้นที่ที่อัตราการเสียหายประจำปียังคงสูงแม้มีมาตรการแบบครอบคลุม): หลังจากการประเมินทางเทคนิคและเศรษฐศาสตร์ ควรพิจารณาใช้โซลูชันขั้นสูง เช่น วงจรบาลานซ์ที่ติดตั้งบนแกน (กล่าวคือ หม้อแปลงทนฟ้าผ่าประเภทใหม่) หรืออาร์เรสเตอร์แบบออกไซด์โลหะที่ติดตั้งภายใน

  3. สรุป

  วิธีการป้องกันฟ้าผ่าสำหรับหม้อแปลงจำหน่ายแตกต่างกันไป และสภาพพื้นที่แต่ละภูมิภาคแตกต่างกันอย่างมาก ด้วยการเลือกวิธีการป้องกันตามสภาพพื้นที่ท้องถิ่น และการเสริมสร้างการจัดการปฏิบัติการ บริษัทสาธารณูปโภคสามารถปรับปรุงความทนทานต่อฟ้าผ่าและความน่าเชื่อถือของหม้อแปลงจำหน่ายได้อย่างมาก