Jakie zasoby ochrony przed piorunami są wykorzystywane dla transformatorów dystrybucyjnych H61

Jakie środki ochrony przed piorunami są stosowane dla transformatorów rozdzielczych H61?

Na stronie wysokiego napięcia transformatora rozdzielczego H61 powinien być zainstalowany ogranicznik napięcia. Zgodnie z SDJ7–79 „Techniczny kodeks projektowania ochrony sprzętu elektrycznego przed przepięciami”, strona wysokiego napięcia transformatora rozdzielczego H61 powinna być ogólnie chroniona przez ogranicznik napięcia. Przewód uziemienia ogranicznika, punkt neutralny na stronie niskiego napięcia transformatora oraz metalowa obudowa transformatora powinny być połączone razem i uziemione w jednym wspólnym punkcie. Ta metoda jest również zalecana w DL/T620–1997 „Ochrona przed przepięciami i koordynacja izolacji dla instalacji elektrycznych prądu przemiennego”, wydanej przez byłe Ministerstwo Energetyki.

Niemniej jednak szeroko zakrojone badania i doświadczenia operacyjne wykazały, że nawet przy montażu ograniczników napięcia tylko na stronie wysokiego napięcia, uszkodzenia transformatorów nadal występują w warunkach impulsu piorunowego. W ogólnej strefie roczna częstotliwość awarii wynosi około 1%; w strefach o wysokim nasileniu piorunów może sięgnąć około 5%; a w ekstremalnie uciążliwych obszarach podatnych na pioruny, gdzie liczba dni burzowych przekracza 100 rocznie, roczna częstotliwość awarii może osiągać 50%. Główną przyczyną jest tzw. „przepięcia transformacji w przód i w tył” indukowane przez impulsy piorunowe wchodzące do cewki wysokiego napięcia transformatora rozdzielczego. Mechanizmy tych przepięć są następujące:

1. Przepięcie transformacji w tył
Gdy impuls piorunowy wprowadza się ze strony wysokiego napięcia 3–10 kV i powoduje działanie ogranicznika, duży impuls prądu przepływa przez opór uziemienia, tworząc spadek napięcia. Ten spadek napięcia pojawia się w punkcie neutralnym cewki niskiego napięcia, podnosząc jego potencjał. Jeśli linia niskiego napięcia jest względnie długa, zachowuje się ona jak impedancja falowa do ziemi. Pod wpływem tego podniesionego potencjału punktu neutralnego, duży impuls prądu przepływa przez cewkę niskiego napięcia. Trójfazowe impulsy prądów mają taką samą wielkość i kierunek, generując silną zerową przepustowość magnetyczną.

Ta przepustowość indukuje bardzo wysokie pulsujące napięcie w cewce wysokiego napięcia zgodnie z proporcją zwinięć transformatora. Te trójfazowe indukowane pulsujące napięcia mają taką samą wielkość i kierunek. Ponieważ cewka wysokiego napięcia jest zwykle połączona w konfiguracji gwiazdowej z nieuziemionym punktem neutralnym, choć pojawiają się wysokie pulsujące napięcia, nie ma odpowiadającego im impulsu prądu w cewce wysokiego napięcia, który mógłby zrównoważyć efekt namagnesowania. Stąd cały impuls prądu w cewce niskiego napięcia działa jako prąd namagnesujący, produkując intensywną zerową przepustowość i indukując ekstremalnie wysokie potencjały ze strony wysokiego napięcia. 

Ponieważ potencjał w terminalu wysokiego napięcia jest zablokowany przez pozostałe napięcie ogranicznika, to indukowane napięcie rozprowadza się wzdłuż cewki, osiągając maksimum na końcu neutralnym. W konsekwencji, izolacja punktu neutralnego jest podatna na przebicie. Dodatkowo, gradienty napięcia między warstwami i wirowymi zwiększa się znacznie, co może prowadzić do awarii izolacji w innych miejscach. Ten typ przepięcia pochodzi od napływu ze strony wysokiego napięcia i jest elektromagnetycznie sprzężony z powrotem do cewki wysokiego napięcia przez cewkę niskiego napięcia—znanego jako „transformacja w tył”.

2. Przepięcie transformacji w przód
Przepięcie transformacji w przód występuje, gdy impuls piorunowy wprowadza się przez linię niskiego napięcia. Impuls prądu przepływa następnie przez cewkę niskiego napięcia, indukując napięcie w cewce wysokiego napięcia zgodnie z proporcją zwinięć, co znacznie podnosi potencjał w punkcie neutralnym wysokiego napięcia. To również zwiększa gradienty napięcia między warstwami i wirowymi. Ten proces, gdzie impuls ze strony niskiego napięcia indukuje przepięcie na stronie wysokiego napięcia, nazywany jest „transformacją w przód”. Badania pokazują, że gdy impuls 10 kV wprowadza się ze strony niskiego napięcia, a opór uziemienia wynosi 5 Ω, gradient napięcia między warstwami w cewce wysokiego napięcia może przekroczyć pełnowalną wytrzymałość impulsową izolacji międzywarstwowej o ponad 100%, nieuchronnie prowadząc do przebicia izolacji.

Dlatego też zwykłe ograniczniki typu zaworowego lub metalo-tlenkowe powinny być również zainstalowane na stronie niskiego napięcia transformatora rozdzielczego H61. W tej metodzie ochrony, przewody uziemienia zarówno ograniczników wysokiego, jak i niskiego napięcia, punkt neutralny niskiego napięcia oraz metalowa obudowa transformatora są wszystkie połączone razem i uziemione w jednym punkcie (znane również jako „połączenie czteropunktowe” lub „trzy-jedno uziemienie”).

Doświadczenia operacyjne i badania eksperymentalne wykazały, że nawet dla transformatorów rozdzielczych z dobrą izolacją, awarie spowodowane przepięciami transformacji w przód i w tył nadal występują, gdy ograniczniki są zainstalowane tylko na stronie wysokiego napięcia. Dzieje się tak, ponieważ ograniczniki ze strony wysokiego napięcia nie mogą tłumić przepięć transformacji w przód ani w tył. Gradient napięcia między warstwami podczas tych przepięć jest proporcjonalny do liczby zwinięć i zależy od rozkładu cewek; przebicie izolacji może wystąpić na początku, środku lub końcu cewki—ale najbardziej podatny jest jej koniec. Instalacja ograniczników na stronie niskiego napięcia może skutecznie ograniczyć przepięcia transformacji w przód i w tył do bezpiecznego zakresu.

Inna metoda ochrony polega na osobnym uziemieniu stron wysokiego i niskiego napięcia. W tej konfiguracji ogranicznik wysokiego napięcia jest uziemiony niezależnie, brak ogranicznika na stronie niskiego napięcia, a punkt neutralny niskiego napięcia i obudowa transformatora są połączone razem i uziemione oddzielnie od systemu uziemienia wysokiego napięcia.

Ta metoda wykorzystuje efekt tłumienia fali piorunowej przez ziemię, aby praktycznie eliminować przepięcie transformacji w tył. W przypadku przepięcia transformacji w przód obliczenia pokazują, że zmniejszenie oporu uziemienia niskiego napięcia z 10 Ω do 2.5 Ω może obniżyć przepięcie transformacji w przód o około 40%. Dzięki właściwemu traktowaniu elektrody uziemienia niskiego napięcia, przepięcie transformacji w przód może być całkowicie wyeliminowane.

Ten system ochrony jest prosty i ekonomiczny, choć stawia wyższe wymagania dla napięcia ziemnego niskiego napięcia, co nadaje mu pewną praktyczną wartość do szerszego zastosowania.

Oprócz powyższych metod, inne środki ochrony przed piorunami dla transformatorów dystrybucyjnych obejmują montaż cewki balansowej na rdzeniu transformatora w celu tłumienia przepięć przekształcających się w przód i wstecz, lub wbudowanie metalowo-tlenkowych ograniczników przebiegów bezpośrednio wewnątrz transformatora.