Quali misure di protezione contro i fulmini sono utilizzate per i trasformatori di distribuzione H61?
Quali misure di protezione contro i fulmini sono utilizzate per i trasformatori di distribuzione H61?
Un parafulmine dovrebbe essere installato sul lato ad alta tensione del trasformatore di distribuzione H61. Secondo il Codice Tecnico SDJ7–79 "Protezione Contro le Sovratensioni per l'Equipaggiamento Elettrico," il lato ad alta tensione di un trasformatore di distribuzione H61 dovrebbe in genere essere protetto da un parafulmine. Il conduttore di terra del parafulmine, il punto neutro sul lato a bassa tensione del trasformatore e la carcassa metallica del trasformatore dovrebbero essere collegati insieme e messi a terra in un punto comune. Questo metodo è anche raccomandato nella norma DL/T620–1997 "Protezione Contro le Sovratensioni e Coordinazione Isolante per Installazioni Elettriche in Corrente Alternata," emanata dal precedente Ministero dell'Energia Elettrica.
Tuttavia, ricerche estese ed esperienze operative hanno dimostrato che, anche con parafulmini installati solo sul lato ad alta tensione, si verificano ancora danni al trasformatore in condizioni di impulso di fulmine. In aree generali, il tasso di guasto annuale è circa del 1%; in aree ad alto rischio di fulmini, può raggiungere circa il 5%; e in regioni estremamente soggette ai fulmini, con più di 100 giorni di temporali all'anno, il tasso di guasto annuale può arrivare fino al 50%. La causa principale è la cosiddetta "sovratensione di trasformazione diretta e inversa" indotta dall'ingresso degli impulsi di fulmine nell'avvolgimento ad alta tensione del trasformatore di distribuzione. I meccanismi di queste sovratensioni sono i seguenti:
1. Sovratensione di Trasformazione Inversa
Quando un impulso di fulmine intrude dal lato ad alta tensione di 3–10 kV e provoca l'operazione del parafulmine, una corrente impulsiva elevata fluisce attraverso la resistenza di terra, creando una caduta di tensione. Questa caduta di tensione appare al punto neutro dell'avvolgimento a bassa tensione, innalzandone il potenziale. Se la linea a bassa tensione è relativamente lunga, si comporta come un'impedenza d'onda verso terra. Sotto l'influenza di questo potenziale neutrale elevato, una corrente impulsiva elevata fluisce attraverso l'avvolgimento a bassa tensione. Le correnti impulsive trifase sono uguali in ampiezza e direzione, generando un forte flusso zero-sequence.
Questo flusso induce una tensione impulsiva molto elevata nell'avvolgimento ad alta tensione secondo il rapporto di avvolgimento del trasformatore. Queste tre fasi di tensioni impulsive indotte sono uguali in ampiezza e direzione. Poiché l'avvolgimento ad alta tensione è tipicamente connesso in configurazione stella con un punto neutro non a terra, sebbene appaiano alte tensioni impulsive, non fluisce una corrente impulsiva corrispondente nell'avvolgimento ad alta tensione per bilanciare l'effetto di magnetizzazione. Quindi, l'intera corrente impulsiva nell'avvolgimento a bassa tensione agisce come corrente di magnetizzazione, producendo un flusso zero-sequence intenso e inducendo potenziali estremamente elevati sul lato ad alta tensione.
Poiché il potenziale del terminale ad alta tensione è bloccato dalla tensione residua del parafulmine, questo potenziale indotto si distribuisce lungo l'avvolgimento, raggiungendo il massimo all'estremità neutrale. Di conseguenza, l'isolamento del punto neutro è suscettibile a rottura. Inoltre, i gradienti di tensione interstrato e interbobina aumentano significativamente, potenzialmente causando fallimenti dell'isolamento in altre posizioni. Questo tipo di sovratensione origina da un impulso entrante sul lato ad alta tensione e viene accoppiato elettromagneticamente indietro all'avvolgimento ad alta tensione attraverso l'avvolgimento a bassa tensione—conosciuto comunemente come "trasformazione inversa."
2. Sovratensione di Trasformazione Diretta
La sovratensione di trasformazione diretta si verifica quando un impulso di fulmine entra attraverso la linea a bassa tensione. Una corrente impulsiva fluisce quindi attraverso l'avvolgimento a bassa tensione, inducendo una tensione nell'avvolgimento ad alta tensione secondo il rapporto di avvolgimento, che aumenta notevolmente il potenziale al punto neutro ad alta tensione. Questo aumenta anche i gradienti di tensione interstrato e interbobina. Questo processo—dove un impulso sul lato a bassa tensione induce una sovratensione sul lato ad alta tensione—è chiamato "trasformazione diretta." I test mostrano che quando un impulso di 10 kV entra sul lato a bassa tensione e la resistenza di terra è di 5 Ω, il gradiente di tensione interstrato nell'avvolgimento ad alta tensione può superare la resistenza all'impulso completo dell'isolamento interstrato di oltre il 100%, causando inevitabilmente un cedimento dell'isolamento.
Pertanto, parafulmini ordinari a valvola o a ossido metallico dovrebbero essere installati anche sul lato a bassa tensione del trasformatore di distribuzione H61. In questo schema di protezione, i conduttori di terra sia dei parafulmini ad alta tensione che a bassa tensione, il punto neutro a bassa tensione e la carcassa metallica del trasformatore sono tutti collegati insieme e messi a terra in un unico punto (anche noto come "connessione a quattro punti" o "messaggio a terra in tre").
Le esperienze operative e gli studi sperimentali indicano che, anche per i trasformatori di distribuzione con isolamento buono, i guasti causati da sovratensioni di trasformazione diretta e inversa indotte dai fulmini si verificano ancora quando i parafulmini sono installati solo sul lato ad alta tensione. Ciò perché i parafulmini sul lato ad alta tensione non possono sopprimere le sovratensioni di trasformazione diretta o inversa. Il gradiente di tensione interstrato sotto queste sovratensioni è proporzionale al numero di spire e dipende dalla distribuzione dell'avvolgimento; il cedimento dell'isolamento può verificarsi all'inizio, nel mezzo o alla fine dell'avvolgimento—ma la fine è la più vulnerabile. L'installazione di parafulmini sul lato a bassa tensione può limitare efficacemente entrambe le sovratensioni di trasformazione diretta e inversa a un intervallo sicuro.
Un altro metodo di protezione è la messa a terra separata per i lati ad alta e bassa tensione. In questa configurazione, il parafulmine ad alta tensione è messo a terra indipendentemente, non viene installato alcun parafulmine sul lato a bassa tensione, e il punto neutro a bassa tensione e la carcassa del trasformatore sono collegati insieme e messi a terra separatamente dal sistema di messa a terra ad alta tensione.
Questo metodo sfrutta l'effetto attenuante della terra sugli impulsi di fulmine per eliminare sostanzialmente la sovratensione di trasformazione inversa. Riguardo alla sovratensione di trasformazione diretta, i calcoli mostrano che ridurre la resistenza di terra a bassa tensione da 10 Ω a 2.5 Ω può abbassare la sovratensione di trasformazione diretta ad alta tensione di circa il 40%. Con un trattamento appropriato dell'elettrodo di terra a bassa tensione, la sovratensione di trasformazione diretta può essere eliminata completamente.
Questo schema di protezione è semplice ed economico, anche se impone requisiti più elevati sulla resistenza di messa a terra a bassa tensione, conferendogli un certo valore pratico per applicazioni più ampie.
Oltre ai metodi sopra indicati, altre misure di protezione contro i fulmini per trasformatori di distribuzione includono l'installazione di un avvolgimento di bilanciamento sul nucleo del trasformatore per sopprimere le sovratensioni da trasformazione diretta e inversa, oppure l'inserimento di scaricatori a ossido metallico direttamente all'interno del trasformatore.
