Dağıtım Dönüştürücüleri için Yıldırım Koruma Önlemleri Analizi

Dağıtım Transformatörleri için Yıldırımdan Koruma Önlemlerinin Analizi

Yıldırım darbe gerilimlerinin sızmasını önlemek ve dağıtım transformatörlerinin güvenli çalışmasını sağlamak amacıyla bu makale, yıldırıma karşı dayanıklılıklarını etkili bir şekilde artırmaya yönelik uygulanabilir yıldırımdan koruma önlemlerini sunmaktadır.

1. Dağıtım Transformatörleri için Yıldırımdan Koruma Önlemleri

1.1 Dağıtım transformatörünün yüksek gerilim (HV) tarafına aşırı gerilim sınırlayıcılar (surge arrester) yerleştirin.
SDJ7–79 Elektrik Ekipmanlarının Aşırı Gerilim Koruması Tasarım Teknik Kodu'na göre: "Bir dağıtım transformatörünün HV tarafı genellikle aşırı gerilim sınırlayıcılarla korunmalıdır. Sınırlayıcının topraklama iletkeni, alçak gerilim (LV) sargısının nötr noktası ve transformatör tankı birbirine bağlanmalı ve ortak olarak topraklanmalıdır." Bu yapılandırma, Çin elektrik güç yetkilisi tarafından yayımlanan DL/T620–1997 Alternatif Akım Elektrik Tesisleri için Aşırı Gerilim Koruması ve İzolasyon Koordinasyonu standardında da önerilmektedir.

Ancak kapsamlı araştırmalar ve saha deneyimleri, yalnızca HV tarafına sınırlayıcı takılması durumunda bile yıldırım darbeleri altında transformatör arızalarının hâlâ meydana geldiğini göstermektedir. Tipik bölgelerde yıllık arıza oranı yaklaşık %1'dir; yüksek yıldırım riskli bölgelerde bu oran yaklaşık %5'e ulaşabilir; çok şiddetli gökgürültülü bölgelerde (örneğin yılda 100'den fazla gökgürültülü gün olan bölgelerde), yıllık arıza oranı yaklaşık %50'ye kadar çıkabilir. Ana neden, yıldırım darbelerinin HV sargısına girmesiyle oluşan ileri ve geri yönlü geçici aşırı gerilimlerdir.

• Geri Dönüşüm Aşırı Gerilimi:
  Bir yıldırım darbesi (3–10 kV) HV tarafına girdiğinde sınırlayıcı boşalır ve büyük bir darbe akımı toprak direnci üzerinden geçerek bir gerilim düşümü oluşturur. Bu gerilim, LV nötr noktasının potansiyelini yükseltir. Eğer LV hattı uzunsa, bu hat toprağa karşı bir dalga empedansı gibi davranır. Sonuç olarak büyük bir darbe akımı LV sargısı üzerinden geçer. Üç fazlı LV akımları büyüklükçe eşit ve aynı yönde olduklarından güçlü bir sıfır dizisi manyetik akısı oluştururlar. Bu akı, transformatör sarım oranıyla birlikte HV sargısında oldukça yüksek geçici gerilimler endükler. HV sargısı yıldız bağlantıda ve nötrü topraklanmamış olduğundan, HV tarafta bu akıyı dengelenecek dolaşan bir darbe akımı oluşmaz. Böylece tüm LV darbe akımı mıknatıslama akımı görevi görür ve HV nötr ucunda yüksek indüklenmiş gerilim üretir—bu nokta izolasyon açısından en hassas bölgedir. Ayrıca sarımlar arası ve katlar arası gerilim gradyanları önemli ölçüde artar ve başka yerlerde izolasyon bozulması riski doğar. Bu olay, HV taraftan gelen bir darbe ile başlamasına rağmen aşırı gerilimin LV elektromanyetik bağlantısıyla oluşması nedeniyle geri dönüşüm olarak adlandırılır.
• İleri Dönüşüm Aşırı Gerilimi:
  Bir yıldırım darbesi LV hattından girdiğinde, darbe akımı LV sargısı üzerinden geçerek sarım oranıyla HV sargısında yüksek bir gerilim endükler. Bu durum HV nötr potansiyelini büyük oranda artırır ve katlar arası ile sarımlar arası gerilim gradyanlarını artırır. Bu süreçte, LV taraftaki darbe, HV tarafta aşırı gerilim oluşturduğundan dolayı ileri dönüşüm olarak adlandırılır. Testler, 10 kV'luk bir LV darbesi ve 5 Ω toprak direnci ile HV sargısındaki katlar arası gerilim gradyanının transformatörün tam dalga darbe dayanım gücünü %100'ün üzerinde aştığını ve kaçınılmaz olarak izolasyon başarısızlığına yol açtığını göstermiştir.

1.2 LV tarafına geleneksel valf tipi veya metal oksit aşırı gerilim sınırlayıcılar (MOA) yerleştirin.
Bu yapılandırmada, hem HV hem de LV sınırlayıcılarının topraklama iletkenleri, LV nötr noktası ve transformatör tankı birbirine bağlanarak ortak topraklanır (genellikle "dört nokta bağlantısı" veya "üçlü birleşik topraklama" olarak adlandırılır).

Saha verileri ve deneysel çalışmalar, iyi izolasyona sahip transformatörlerde bile yalnızca HV tarafına sınırlayıcı takmanın ileri veya geri dönüşüm aşırı gerilimlerinden kaynaklanan hasarlara karşı koruma sağlamadığını doğrulamaktadır. HV sınırlayıcıları, bu içten üretilen geçici olaylara karşı hiçbir koruma sağlamaz. Katlar ve sarımlar arasında oluşan gerilim gradyanları sarım sayısına orantılıdır ve sargı geometrisine bağlıdır—arıza sargının başlangıcında, ortasında veya sonunda meydana gelebilir ve uç nokta en savunmasız kısımdır. LV tarafına sınırlayıcı eklemek, ileri ve geri dönüşüm aşırı gerilimlerini etkili bir şekilde sınırlandırır.

1.3 HV ve LV tarafları için ayrı topraklama uygulayın.
Bu yaklaşımda, HV sınırlayıcısı bağımsız olarak topraklanırken, LV nötr noktası ve transformatör tankı birbirine bağlanarak ayrı bir şekilde topraklanır (LV sınırlayıcı kullanılmadan).

Araştırmalar, bu yöntemin toprak zayıflamasından yararlanarak geri dönüşüm aşırı gerilimini büyük ölçüde ortadan kaldırdığını göstermektedir. İleri dönüşüm için yapılan hesaplamalar, LV toprak direncinin 10 Ω'dan 2.5 Ω'ya düşürülmesinin HV taraftaki aşırı gerilimi yaklaşık %40 azaltabileceğini göstermektedir. LV topraklama sistemi uygun şekilde düzenlenirse, ileri dönüşüm aşırı gerilimi etkili bir şekilde azaltılabilir. Bu çözüm basit ve maliyet açısından verimlidir, ancak düşük LV toprak direnci gerektirir ve bu nedenle büyük pratik değer taşır.

Yukarıdakilerin ötesinde diğer önlemler arasında dönüşüm aşırı gerilimlerini bastırmak için transformatör göbeğine dengelendirme sargıları yerleştirmek ya da transformatörün içine metal oksit varistörler (MOVs) yerleştirmek bulunur.

2. Yıldırımdan Koruma Önlemlerinin Uygulanması

Yukarıdaki analiz, her bir koruma yönteminin farklı karakteristiklere sahip olduğunu göstermektedir. Bölgeler, bölgesel gökgürültülü gün yoğunluğuna (yılda gökgürültülü gün sayısı ile ölçülür) göre uygun stratejileri seçmelidir:

• Düşük fırtına bölgesi (örneğin, ovalar):Yıllık arızalama oranlarının düşük olması nedeniyle yüksek gerilim (HV) tarafında yekuni yeterlidir.
• Orta düzeyde fırtına bölgesi:Hem yüksek gerilim (HV) hem de düşük gerilim (LV) taraflarına yekuni kurulmalıdır.
• Yüksek fırtına bölgesi:Tek başına önlemler genellikle yeterli değildir. Kapsamlı bir yaklaşım önerilir: Bağımsız yerleştirmeye sahip HV yekuni, plus bağlanmış LV yekuni, LV nötr ve ayrı bir yerleştirme sistemine bağlı tank.
• Aşırı fırtına bölgeleri (yıllık arızalama oranları kapsamlı önlemlere rağmen yüksek olan bölgeler):Teknik ve ekonomik değerlendirmenin ardından çekirdek montajlı dengeleyici bobinlere (yani yeni tip fırtına dayanıklı transformatörlere) veya içe monte metal oksit dolgusuz yekunilere gibi ileri çözümler düşünülmelidir.

3. Sonuç

Dağıtım transformatörleri için fırtına koruma yöntemleri büyük ölçüde değişebilir ve bölge koşulları farklılık gösterir. Yerel koşullara dayalı koruma şemaları seçilerek ve operasyonel yönetim güçlendirilerek, dağıtım transformatörlerinin fırtına direncini ve güvenilirliğini önemli ölçüde artırabilirsiniz.