Jaké opatření ochrany před bleskem jsou používány pro distribuční transformátory H61?

Jaké opatření ochrany před bleskem jsou používány pro distribuční transformátory H61?

Na vysokonapěťové straně distribučního transformátoru H61 by měl být nainstalován ochranný protiúder. Podle SDJ7–79 „Technický kód pro návrh ochrany elektrických zařízení před přetížením“ by vysokonapěťová strana distribučního transformátoru H61 obecně měla být chráněna ochranným protiúderem. Přivod ochranného protiúderu, neutrální bod na níkonapěťové straně transformátoru a kovová obálka transformátoru by měly být spojeny dohromady a zazemleny v jednom společném bodě. Tento postup je také doporučen v DL/T620–1997 „Ochrana před přetížením a koordinace izolace pro střídavé elektrické instalace“, vydaném bývalým Ministerstvem elektřiny.

Však rozsáhlé výzkumy a operační zkušenosti ukázaly, že i s ochrannými protiúdery nainstalovanými pouze na vysokonapěťové straně poškození transformátorů stále dochází za podmínek bleskového impulzu. V oblastech s průměrným rizikem je roční selhání přibližně 1 %; v oblastech s vysokým rizikem blesků to může dosáhnout asi 5 %; a v extrémně bleskově ohrožených oblastech s více než 100 dní hromu ročně může roční selhání dosáhnout až 50 %. Hlavní příčinou je tzv. „přední a zpětná transformační přetížení“ způsobené vniknutím bleskového impulzu do vysokonapěťového cívek distribučního transformátoru. Mechanismy těchto přetížení jsou následující:

1. Zpětná transformační přetížení
Když bleskový impulz pronikne z 3–10 kV vysokonapěťové strany a aktivuje ochranný protiúder, velký impulzní proud teče skrz odpor zemnice, což vytváří padění napětí. Toto padění napětí se objevuje na neutrálním bodu níkonapěťového cívek, což zvyšuje jeho potenciál. Pokud je níkonapěťová linka relativně dlouhá, chová se jako vlnový odpor k zemi. Pod vlivem tohoto zvýšeného potenciálu neutrálního bodu teče velký impulzní proud skrz níkonapěťový cívky. Třífázové impulzní proudy jsou stejné ve velikosti a směru, což generuje silný nulový magnetický tok.

 Tento tok indukuje velmi vysoké pulsní napětí v vysokonapěťovém cívek podle poměru otáček transformátoru. Tyto tři fáze indukovaného pulsního napětí jsou stejné ve velikosti a směru. Protože vysokonapěťový cívky jsou obvykle spojeny v hvězdicové konfiguraci s nezemnicovým neutrálním bodem, i když se objeví vysoké pulsní napětí, žádný odpovídající impulzní proud neproniká vysokonapěťovým cívkem, aby vyrovnal magnetizační efekt. Tedy celý impulzní proud v níkonapěťovém cívek působí jako magnetizační proud, produkuje intenzivní nulový magnetický tok a indukuje extrémně vysoké potenciály na vysokonapěťové straně. 

Protože potenciál vysokonapěťového terminálu je omezen reziduálním napětím ochranného protiúderu, tento indukovaný potenciál se distribuuje podél cívek, dosahujíc svého maxima na neutrálním konci. Následně je izolace neutrálního bodu náchylná k průrazu. Kromě toho se gradienty napětí mezi vrstvami a závitky značně zvýší, což může způsobit selhání izolace na jiných místech. Tento typ přetížení vzniká ze vstupu vysokonapěťového impulzu a je elektromagneticky propojen zpět do vysokonapěťového cívek prostřednictvím níkonapěťového cívek—což je známé jako „zpětná transformace.“

2. Přední transformační přetížení
Přední transformační přetížení nastává, když bleskový impulz vnikne přes níkonapěťovou linku. Impulzní proud pak teče skrz níkonapěťový cívky, indukuje napětí v vysokonapěťovém cívek podle poměru otáček, což značně zvyšuje potenciál na neutrálním bodu vysokonapěťové strany. To také zvyšuje gradienty napětí mezi vrstvami a závitky. Tento proces, kdy níkonapěťový impulz indukuje přetížení na vysokonapěťové straně, se nazývá „přední transformace.“ Testy ukazují, že když 10 kV impulz vnikne na níkonapěťovou stranu a odpor zemnice je 5 Ω, gradient napětí mezi vrstvami vysokonapěťového cívek může překročit sílu izolace proti plné vlně impulznímu napětí o více než 100 %, což nevyhnutelně způsobí průraz izolace.

Proto by měly být také nainstalovány běžné ventilové nebo kovové oxidové ochranné protiúdery na níkonapěťové straně distribučního transformátoru H61. V tomto schématu ochrany jsou přivody ochranných protiúderů na vysokonapěťové a níkonapěťové straně, neutrální bod níkonapěťové strany a kovová obálka transformátoru spojeny dohromady a zazemleny v jednom společném bodě (také označovaném jako „čtyřbodové spojení“ nebo „tři v jednom zemnění“).

Operační zkušenosti a experimentální studie ukazují, že i u distribučních transformátorů s dobrými izolačními vlastnostmi dochází k selháním způsobeným předním a zpětným transformačním přetížením, pokud jsou ochranné protiúdery nainstalovány pouze na vysokonapěťové straně. To proto, že ochranné protiúdery na vysokonapěťové straně nemohou potlačit přední nebo zpětné transformační přetížení. Gradient napětí mezi vrstvami při těchto přetíženích je úměrný počtu otáček a závisí na rozložení cívek; průraz izolace může nastat na začátku, uprostřed nebo na konci cívek, ale nejvíce zranitelný je konec. Instalace ochranných protiúderů na níkonapěťové straně může efektivně omezit jak přední, tak zpětné transformační přetížení na bezpečnou úroveň.

Další metodou ochrany je samostatné zemnění vysokonapěťové a níkonapěťové strany. V této konfiguraci je vysokonapěťový ochranný protiúder zazemlen samostatně, na níkonapěťové straně není nainstalován žádný ochranný protiúder a neutrální bod níkonapěťové strany a kovová obálka transformátoru jsou spojeny dohromady a zazemleny samostatně od vysokonapěťového zemnění.

Tato metoda využívá tlumení bleskových vln zemí k praktickému eliminaci zpětného transformačního přetížení. Co se týče předního transformačního přetížení, výpočty ukazují, že snížení odporu zemnice níkonapěťové strany z 10 Ω na 2,5 Ω může snížit přední transformační přetížení vysokého napětí přibližně o 40 %. S vhodnou úpravou zemního elektrodu níkonapěťové strany lze přední transformační přetížení úplně eliminovat.

Tento ochranný systém je jednoduchý a ekonomický, i když klade vyšší nároky na odpor zazemnění nižšího napětí, což mu dává určitou praktickou hodnotu pro širší použití.

Kromě výše uvedených metod zahrnují další opatření proti bleskovému průrazu pro distribuční transformátory instalaci vyvažovacího vinutí na jádro transformátoru pro potlačení předních a zadních přeměnových přepětí nebo vložení kovových oxidových hromosvodů přímo dovnitř transformátoru.