Какие меры защиты от молнии используются для трансформаторов распределения H61

Какие меры защиты от молнии используются для трансформаторов распределения H61?

На высоковольтной стороне трансформатора распределения H61 должен быть установлен разрядник. Согласно SDJ7–79 "Техническому кодексу по проектированию защиты электрооборудования от перенапряжений", высоковольтная сторона трансформатора распределения H61 обычно должна защищаться разрядником. Заземляющий проводник разрядника, нейтральная точка на низковольтной стороне трансформатора и металлический корпус трансформатора должны быть соединены вместе и заземлены в одной точке. Этот метод также рекомендован в DL/T620–1997 "Защита от перенапряжений и координация изоляции для установок переменного тока", выпущенном бывшим Министерством электротехники.

Однако обширные исследования и опыт эксплуатации показали, что даже при установке разрядников только на высоковольтной стороне, повреждения трансформаторов все еще происходят при воздействии молнии. В обычных районах годовая частота отказов составляет около 1%; в районах с высокой активностью молний она может достигать около 5%; а в крайне тяжелых районах с более чем 100 грозовых дней в году годовая частота отказов может достигать 50%. Основной причиной являются так называемые "переходные и обратные преобразовательные перенапряжения", вызванные проникновением импульсов молнии в высоковольтную обмотку трансформатора распределения. Механизмы этих перенапряжений следующие:

1. Обратное преобразовательное перенапряжение
Когда импульс молнии проникает с высоковольтной стороны 3–10 кВ и вызывает срабатывание разрядника, через заземляющее сопротивление протекает большой импульсный ток, создавая падение напряжения. Это падение напряжения появляется в нейтральной точке низковольтной обмотки, повышая ее потенциал. Если низковольтная линия относительно длинная, она ведет себя как волновое сопротивление к земле. Под влиянием повышенного потенциала нейтральной точки, через низковольтную обмотку протекает большой импульсный ток. Трехфазные импульсные токи равны по величине и направлению, создавая сильный нулевой последовательный магнитный поток.

Этот поток индуцирует очень высокое импульсное напряжение в высоковольтной обмотке в соответствии с коэффициентом трансформации трансформатора. Эти трехфазные индуцированные импульсные напряжения равны по величине и направлению. Поскольку высоковольтная обмотка обычно подключена в звезду с незаземленной нейтральной точкой, хотя и появляются высокие импульсные напряжения, соответствующий импульсный ток не протекает в высоковольтной обмотке, чтобы компенсировать магнитизирующий эффект. Таким образом, весь импульсный ток в низковольтной обмотке действует как магнитизирующий ток, создавая интенсивный нулевой последовательный поток и индуцируя чрезвычайно высокие потенциалы на высоковольтной стороне. 

Поскольку потенциал высоковольтного вывода фиксируется остаточным напряжением разрядника, это индуцированное напряжение распределяется вдоль обмотки, достигая максимума на нейтральном конце. В результате изоляция нейтральной точки склонна к пробою. Кроме того, значительно увеличиваются градиенты напряжения между слоями и витками, что может привести к повреждению изоляции в других местах. Такой тип перенапряжения возникает из-за входящего импульса на высоковольтной стороне и электромагнитно связывается обратно с высоковольтной обмоткой через низковольтную обмотку — этот процесс обычно называют "обратным преобразованием."

2. Прямое преобразовательное перенапряжение
Прямое преобразовательное перенапряжение происходит, когда импульс молнии проникает через низковольтную линию. Импульсный ток затем протекает через низковольтную обмотку, индуцируя напряжение в высоковольтной обмотке в соответствии с коэффициентом трансформации, что значительно повышает потенциал в нейтральной точке высоковольтной обмотки. Это также увеличивает градиенты напряжения между слоями и витками. Этот процесс, при котором импульс на низковольтной стороне индуцирует перенапряжение на высоковольтной стороне, называется "прямым преобразованием." Испытания показали, что при проникновении импульса 10 кВ на низковольтную сторону и заземляющем сопротивлении 5 Ом, градиент напряжения между слоями в высоковольтной обмотке может превышать полноволновую импульсную прочность изоляции между слоями более чем на 100%, что неизбежно приводит к пробою изоляции.

Следовательно, на низковольтной стороне трансформатора распределения H61 также должны быть установлены обычные клапанные или оксидные металлические разрядники. В этой схеме защиты заземляющие проводники разрядников на высоковольтной и низковольтной сторонах, нейтральная точка низковольтной стороны и металлический корпус трансформатора соединяются вместе и заземляются в одной точке (также называемой "четырехточечным соединением" или "трехточечным заземлением").

Опыт эксплуатации и экспериментальные исследования показывают, что даже для трансформаторов распределения с хорошей изоляцией, повреждения, вызванные прямым и обратным преобразовательными перенапряжениями, все еще происходят, когда разрядники установлены только на высоковольтной стороне. Это связано с тем, что разрядники на высоковольтной стороне не могут подавлять прямые или обратные преобразовательные перенапряжения. Градиент напряжения между слоями при этих перенапряжениях пропорционален числу витков и зависит от распределения обмоток; изоляционный пробой может произойти в начале, середине или конце обмотки, но наиболее уязвим конец. Установка разрядников на низковольтной стороне может эффективно ограничивать как прямые, так и обратные преобразовательные перенапряжения до безопасного уровня.

Другой метод защиты — отдельное заземление высоковольтной и низковольтной сторон. В этом конфигурации разрядник на высоковольтной стороне заземляется отдельно, разрядник на низковольтной стороне не устанавливается, а нейтральная точка низковольтной стороны и корпус трансформатора соединяются вместе и заземляются отдельно от системы заземления высоковольтной стороны.

Этот метод использует затухающий эффект земли на волны молнии, чтобы практически устранить обратное преобразовательное перенапряжение. Что касается прямого преобразовательного перенапряжения, расчеты показывают, что снижение сопротивления заземления низковольтной стороны с 10 Ом до 2.5 Ом может уменьшить прямое преобразовательное перенапряжение на высоковольтной стороне примерно на 40%. При правильной обработке заземляющего электрода низковольтной стороны, прямое преобразовательное перенапряжение можно полностью устранить.

Эта схема защиты проста и экономична, хотя она предъявляет более высокие требования к сопротивлению заземления при низком напряжении, что придает ей определенную практическую ценность для более широкого применения.

Помимо указанных методов, другие меры защиты от молнии для распределительных трансформаторов включают установку балансирующей обмотки на сердечнике трансформатора для подавления перенапряжений прямого и обратного преобразования, или встраивание металлооксидных ограничителей перенапряжения непосредственно внутрь трансформатора.