Welche Blitzschutzmaßnahmen werden für H61-Verteilungstransformatoren verwendet

Welche Blitzschutzmaßnahmen werden für H61-Verteilungstransformatoren verwendet?

An der Hochspannungsseite des H61-Verteilungstransformators sollte ein Überspannungsschutz installiert sein. Gemäß SDJ7–79 „Technischer Code für den Entwurf von Überspannungsschutzes elektrischer Ausrüstungen“ sollte die Hochspannungsseite eines H61-Verteilungstransformators im Allgemeinen durch einen Überspannungsschutz geschützt werden. Der Erdleiter des Überspannungsschutzes, der neutrale Punkt auf der Niederspannungsseite des Transformators und die Metallgehäuse des Transformators sollten alle an einem gemeinsamen Punkt verbunden und geerdet werden. Diese Methode wird auch in DL/T620–1997 „Überspannungsschutz und Isolierkoordination für Wechselstrominstallationen“, herausgegeben vom ehemaligen Ministerium für Elektrizität, empfohlen.

Forschungen und Betriebserfahrungen haben jedoch gezeigt, dass selbst bei der Installation von Überspannungsschutz nur an der Hochspannungsseite Schäden am Transformator unter Blitzimpulsbedingungen weiterhin auftreten. In allgemeinen Gebieten beträgt die jährliche Ausfallrate etwa 1%; in stark blitzeffektiven Gebieten kann sie um 5% liegen; und in extrem stark blitzeffektiven Regionen mit über 100 Gewittertagen pro Jahr kann die jährliche Ausfallrate bis zu 50% erreichen. Die Hauptursache sind sogenannte „vorwärts- und rückwärtsgerichtete Transformationsüberspannungen“, die durch Blitzimpulse, die in die Hochspannungswicklung des Verteilungstransformators eindringen, induziert werden. Die Mechanismen dieser Überspannungen sind wie folgt:

1. Rückwärtsgerichtete Transformationsüberspannung
Wenn ein Blitzimpuls von der 3–10 kV-Hochspannungsseite eindringt und den Überspannungsschutz aktiviert, fließt ein großer Impulsstrom durch den Erdwiderstand und erzeugt einen Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall erscheint am neutralen Punkt der Niederspannungswicklung und hebt dessen Potential an. Wenn die Niederspannungsleitung relativ lang ist, verhält sie sich wie eine Wellenimpedanz zur Erde. Unter dem Einfluss dieses erhöhten neutralen Punktpotentials fließt ein großer Impulsstrom durch die Niederspannungswicklung. Die dreiphasigen Impulsströme sind in Größe und Richtung gleich und erzeugen einen starken Nullfolgenmagnetfluss.

Dieser Fluss induziert gemäß dem Wicklungsverhältnis des Transformators eine sehr hohe Impulsspannung in der Hochspannungswicklung. Diese dreiphasigen induzierten Impulsspannungen sind in Größe und Richtung gleich. Da die Hochspannungswicklung in der Regel in Sternschaltung mit einem ungeerdeten neutralen Punkt betrieben wird, tritt obwohl hohe Impulsspannungen auftreten, kein entsprechender Impulsstrom in der Hochspannungswicklung auf, um den Magnetisierungseffekt auszugleichen. Daher wirkt der gesamte Impulsstrom in der Niederspannungswicklung als Magnetisierungsstrom, produziert intensiven Nullfolgenmagnetfluss und induziert extrem hohe Potentiale auf der Hochspannungsseite. 

Da das Potential am Hochspannungsterminal durch den Restspannung des Überspannungsschutzes begrenzt wird, verteilt sich dieses induzierte Potential entlang der Wicklung und erreicht sein Maximum am neutralen Ende. Folglich ist die Isolation am neutralen Punkt anfällig für Durchschläge. Darüber hinaus steigen die Spannungssteigungen zwischen Lagen und Windungen signifikant, was zu Isolierdefekten an anderen Stellen führen kann. Dieser Typ von Überspannung entsteht aus einem Eingangsimpuls an der Hochspannungsseite und wird elektromagnetisch zurück in die Hochspannungswicklung über die Niederspannungswicklung gekoppelt—was als „rückwärtsgerichtete Transformation“ bekannt ist.

2. Vorwärtsgerichtete Transformationsüberspannung
Vorwärtsgerichtete Transformationsüberspannung tritt auf, wenn ein Blitzimpuls über die Niederspannungsleitung eindringt. Ein Impulsstrom fließt dann durch die Niederspannungswicklung und induziert gemäß dem Wicklungsverhältnis eine Spannung in der Hochspannungswicklung, was das Potential am neutralen Punkt der Hochspannungswicklung stark anhebt. Dies erhöht auch die Spannungssteigungen zwischen Lagen und Windungen. Dieser Prozess, bei dem ein Niederspannungsseitenimpuls eine Überspannung auf der Hochspannungsseite induziert, wird als „vorwärtsgerichtete Transformation“ bezeichnet. Tests zeigen, dass wenn ein 10 kV-Impuls in die Niederspannungsseite eindringt und der Erdwiderstand 5 Ω beträgt, die Spannungssteigung zwischen Lagen in der Hochspannungswicklung mehr als 100% der volllastigen Impulsbelastbarkeit der Lagenisolation überschreitet, was unweigerlich zu Isolierdurchschlägen führt.

Daher sollten auch auf der Niederspannungsseite des H61-Verteilungstransformators gewöhnliche Ventil- oder Metalloxid-Überspannungsschutz installiert werden. In diesem Schutzschema werden die Erdleiter beider Überspannungsschütze, der neutrale Punkt der Niederspannung und das Metallgehäuse des Transformators an einem einzigen Punkt (auch als „vierpunktige Verbindung“ oder „dreifach-Erden“ bezeichnet) verbunden und geerdet.

Betriebserfahrungen und experimentelle Studien zeigen, dass selbst bei Verteilungstransformatoren mit guter Isolation, durch vorwärts- und rückwärtsgerichtete Transformationsüberspannungen, Blitzschäden weiterhin auftreten, wenn Überspannungsschutz nur an der Hochspannungsseite installiert ist. Das liegt daran, dass Hochspannungsschutz nicht in der Lage ist, vorwärts- oder rückwärtsgerichtete Transformationsüberspannungen zu unterdrücken. Die Spannungssteigung zwischen Lagen unter diesen Überspannungen ist proportional zur Anzahl der Windungen und hängt von der Wicklungsaufteilung ab; Isolierdurchschläge können am Anfang, in der Mitte oder am Ende der Wicklung auftreten, wobei das Ende am anfälligsten ist. Die Installation von Überspannungsschutz auf der Niederspannungsseite kann vorwärts- und rückwärtsgerichtete Transformationsüberspannungen effektiv auf ein sicheres Maß beschränken.

Eine weitere Schutzmethode ist die getrennte Erdung der Hoch- und Niederspannungsseiten. In dieser Konfiguration wird der Hochspannungsschutz unabhängig geerdet, kein Schutz auf der Niederspannungsseite installiert und der neutrale Punkt der Niederspannung sowie das Transformatorgehäuse miteinander verbunden und separat von dem Hochspannungserdesystem geerdet.

Diese Methode nutzt die Dämpfungswirkung der Erde auf Blitzwellen, um die rückwärtsgerichtete Transformationsüberspannung praktisch zu eliminieren. Was die vorwärtsgerichtete Transformationsüberspannung angeht, zeigen Berechnungen, dass die Reduzierung des Niederspannungserdwiderstands von 10 Ω auf 2,5 Ω die vorwärtsgerichtete Transformationsüberspannung an der Hochspannungsseite um etwa 40% senken kann. Mit angemessener Behandlung des Niederspannungserdelektrodes kann die vorwärtsgerichtete Transformationsüberspannung vollständig eliminiert werden.

Dieses Schutzkonzept ist einfach und wirtschaftlich, erfordert jedoch höhere Anforderungen an den Niederdruck-Erde-Widerstand, was ihm einen gewissen praktischen Wert für eine breitere Anwendung verleiht.

Neben den oben genannten Methoden umfassen weitere Blitzschutzmaßnahmen für Verteilungstransformatoren die Montage einer Ausgleichswicklung auf dem Transformatorkern zur Unterdrückung von Vorwärts- und Rückwärts-Transformationsüberspannungen oder das Einbetten von Metalloxid-Stromableitern direkt in den Transformator.