Аналіз заходів захисту від блискавок для розподільчих трансформаторів

Аналіз заходів захисту від грозових перенапруг для розподільчих трансформаторів

Для запобігання вторгненню грозових перенапруг і забезпечення безпечного функціонування розподільчих трансформаторів, у цій статті представлені застосовні заходи захисту, які можуть ефективно підвищити їхню стійкість до грозових перенапруг.

1. Захист від грозових перенапруг для розподільчих трансформаторів

1.1 Встановлення загасників перенапруг на високовольтному (ВВ) боці розподільчого трансформатора.
Згідно з SDJ7–79 Технічний кодекс проектування захисту електрообладнання від перевищень напруги: “ВВ бік розподільчого трансформатора, як правило, повинен бути захищений загасниками перенапруг. Заземлювальний провід загасника, нейтральна точка низьковольтної (НВ) обмотки та корпус трансформатора повинні бути з'єднані разом і заземлені.” Ця конфігурація також рекомендована в DL/T620–1997 Захист від перевищень напруги та координація ізоляції для установок змінного струму, виданих китайською енергетичною владою.

Однак широкі дослідження та практичний досвід показують, що навіть при наявності лише ВВ-загасників, аварії трансформаторів все ще відбуваються при грозових перенапругах. У типових районах річна частота відмов становить приблизно 1%; у регіонах з високою активністю гроз - приблизно 5%; а у надзвичайно сильних грозових зонах (наприклад, з більш ніж 100 грозових днів на рік) річна частота відмов може досягати приблизно 50%. Основною причиною є передні та зворотні переходні перенапруги, спричинені вторгненням грозових перенапруг у ВВ-обмотку.

• Зворотня перетворювальна перенапруга:
  Коли грозова перенапруга (3–10 кВ) вторгається у ВВ-бік, загасник розряджається, що призводить до потоку великої імпульсної струми через опір заземлення, створюючи падіння напруги. Ця напруга підвищує потенціал НВ-нейтральної точки. Якщо НВ-лінія довга, вона поводиться як хвильова імпеданс до землі. В результаті велика імпульсна струма протікає через НВ-обмотку. Оскільки трьохфазні НВ-струми однакові за величиною і напрямком, вони створюють сильний нульовий магнітний потік, який, через коефіцієнт перетворення трансформатора, викликає надзвичайно високі переходні напруги у ВВ-обмотці. Оскільки ВВ-обмотка підключена зі зіркою з невзведеною нейтраллю, немає циркулюючої імпульсної струми на ВВ-боку, яка могла б компенсувати потік. Тому весь НВ-імпульсний струм діє як намагнічуючий струм, створюючи високу викликану напругу на ВВ-нейтральному кінці, де ізоляція найбільш вразлива. Додатково, градієнти напруги між витками та шарами значно зростають, ризикуючи ізоляційними пробоями в інших місцях. Цей феномен, ініційований ВВ-перенапругою, але викликаючи перенапругу через НВ-електромагнітну взаємодію, називається зворотньою перетворювальною перенапругою.
• Прямая перетворювальна перенапруга:
  Коли грозова перенапруга входить через НВ-лінію, імпульсна струма протікає через НВ-обмотку, викликаючи високу напругу у ВВ-обмотці через коефіцієнт перетворення. Це сильно підвищує потенціал ВВ-нейтральної точки та збільшує градієнти напруги між шарами та витками. Цей процес, коли НВ-перенапруга викликає перенапругу на ВВ-боку, називається прямою перетворювальною перенапругою. Тести показують, що при 10 кВ НВ-перенапрузі та 5 Ом опорі заземлення, градієнт напруги між шарами у ВВ-обмотці може перевищити повну хвильову імпульсну стійкість трансформатора більше ніж на 100%, неупередимо призводячи до ізоляційного збою.

1.2 Встановлення традиційних клапанних або оксидних металевих загасників перенапруг на НВ-боку.
У цій конфігурації, заземлювальні провідники обох ВВ та НВ загасників, НВ-нейтральна точка та корпус трансформатора всі з'єднуються разом і заземлюються (часто називається “чотири-точковим з'єднанням” або “три-в-одному заземленням”).

Полеві дані та експериментальні дослідження підтверджують, що навіть для трансформаторів з хорошою ізоляцією, лише ВВ-загасники не можуть запобігти пошкодженню від прямих або зворотніх перетворювальних перенапруг. ВВ-загасники не надають захисту від цих внутрішніх перенапруг. Результативні градієнти напруги між шарами та витками пропорційні числу витків і залежать від геометрії обмотки - відмови можуть відбуватися на початку, середині або кінці обмотки, з кінцевим кінцем, який є найбільш вразливим. Додавання НВ-загасників ефективно обмежує прямі та зворотні перетворювальні перенапруги.

1.3 Роздільне заземлення для ВВ та НВ-боків.
У цьому підході, ВВ-загасник заземлюється окремо, а НВ-нейтраль та корпус трансформатора з'єднуються і заземлюються окремо (без НВ-загасника).

Дослідження показують, що цей метод використовує згасання землею для значного усунення зворотньої перетворювальної перенапруги. Для прямої перетворювальної перенапруги, розрахунки показують, що зменшення опору заземлення НВ з 10 Ом до 2,5 Ом може знизити ВВ-перенапругу приблизно на 40%. З правильним підходом до системи заземлення НВ, пряма перетворювальна перенапруга може бути ефективно знижена. Це просте та економічне рішення, хоча вимагає низького опору заземлення НВ, що надає йому значну практичну цінність.

Крім вищенаведеного, інші заходи включають встановлення балансувальних обмоток на ядрі трансформатора для пригнічення перетворювальних перенапруг або вбудовування металевих оксидних варисторів (МОВ) всередині трансформатора.

2. Застосування заходів захисту від грозових перенапруг

Аналіз вище показує, що кожен метод захисту має відмінні характеристики. Регіони повинні вибирати відповідні стратегії залежно від локальної інтенсивності гроз (вимірюваної в грозових днях на рік):

• Місця з низькою активністю бурі (наприклад, степи):Для захисту достатньо встановити грозозахисний пристрій на стороні ВВ через низьку щорічну частоту відмов.
• Місця з середньою активністю бурі:Необхідно встановити грозозахисні пристрої як на стороні ВВ, так і на стороні НН.
• Місця з високою активністю бурі:Однієї міри часто недостатньо. Рекомендується комплексний підхід: грозозахисний пристрій на стороні ВВ з окремим заземленням, а також з'єднаний грозозахисний пристрій на стороні НН, нейтральна точка НН та корпус, з'єднані з окремою системою заземлення.
• Райони з надзвичайно високою активністю бурі (особливо де щорічна частота відмов залишається високою, несмотря на комплексні заходи):Після технічного та економічного оцінювання слід розглянути передові рішення, такі як трансформатори з монтованими усередині обмотками для збалансування (тобто новий тип грозостійких трансформаторів) або внутрішньо встановлені металоксидні грозозахисні пристрої.

3. Висновок

Методи захисту розподільчих трансформаторів від бурі значно відрізняються, і умови на місцях суттєво відрізняються від регіону до регіону. Шляхом вибору методів захисту залежно від місцевих умов та посилення операційного управління, енергетичні компанії можуть суттєво підвищити стійкість та надійність розподільчих трансформаторів до бурі.