มาตรการป้องกันฟ้าผ่าที่ใช้สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย H61

มีมาตรการป้องกันฟ้าผ่าใดบ้างที่ใช้สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย H61?

ควรติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินบนด้านแรงดันสูงของหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย H61 ตาม SDJ7–79 "รหัสทางเทคนิคในการออกแบบการป้องกันแรงดันเกินของอุปกรณ์ไฟฟ้า" ควรป้องกันด้านแรงดันสูงของหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย H61 โดยทั่วไปด้วยอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน สายดินของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน จุดกลางของด้านแรงดันต่ำของหม้อแปลง และโครงเหล็กของหม้อแปลงควรถูกเชื่อมต่อและต่อลงดินที่จุดเดียวกัน วิธีนี้ยังได้รับคำแนะนำใน DL/T620–1997 "การป้องกันแรงดันเกินและการประสานความทนทานของฉนวนสำหรับระบบไฟฟ้ากระแสสลับ" ที่ออกโดยกระทรวงพลังงานไฟฟ้าในอดีต

อย่างไรก็ตาม การศึกษาอย่างกว้างขวางและการทดสอบปฏิบัติงานแสดงให้เห็นว่าแม้จะติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินเพียงบนด้านแรงดันสูงเท่านั้น ความเสียหายของหม้อแปลงยังคงเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขแรงดันกระชากจากฟ้าผ่า ในพื้นที่ทั่วไป อัตราการล้มเหลวประจำปีอยู่ที่ประมาณ 1%; ในพื้นที่ที่มีฟ้าผ่ามาก อัตราการล้มเหลวสามารถถึงประมาณ 5%; และในพื้นที่ที่มีฟ้าผ่ารุนแรงมากซึ่งมีวันฟ้าผ่ามากกว่า 100 วันต่อปี อัตราการล้มเหลวประจำปีสามารถสูงถึง 50% สาเหตุหลักคือ "แรงดันเกินจากการแปลงกลับและแปลงตรง" ที่เกิดจากแรงดันกระชากจากฟ้าผ่าเข้าสู่ขดลวดแรงดันสูงของหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย กลไกของการเกิดแรงดันเกินดังกล่าวเป็นดังนี้:

1. แรงดันเกินจากการแปลงกลับ
เมื่อแรงดันกระชากจากฟ้าผ่าเข้าสู่ด้านแรงดันสูง 3–10 kV และทำให้อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินทำงาน จะมีกระแสกระชากขนาดใหญ่ไหลผ่านตัวต้านทานดิน สร้างแรงดันตก แรงดันตกนี้ปรากฏที่จุดกลางของขดลวดแรงดันต่ำ ทำให้ศักยภาพเพิ่มขึ้น หากสายแรงดันต่ำยาวพอ มันจะแสดงพฤติกรรมเหมือนอิมพิแดนซ์คลื่นต่อพื้น เมื่อได้รับผลกระทบจากศักยภาพจุดกลางที่เพิ่มขึ้น กระแสกระชากขนาดใหญ่จะไหลผ่านขดลวดแรงดันต่ำ กระแสกระชากสามเฟสเท่ากันทั้งขนาดและทิศทาง สร้างฟลักซ์แม่เหล็กลำดับศูนย์ที่แข็งแกร่ง

 ฟลักซ์นี้จะเหนี่ยวนำแรงดันกระชากขนาดใหญ่ในขดลวดแรงดันสูงตามอัตราส่วนจำนวนรอบของหม้อแปลง แรงดันกระชากที่เหนี่ยวนำในสามเฟสมีขนาดและทิศทางเท่ากัน เนื่องจากขดลวดแรงดันสูงมักจะต่อแบบดาวและมีจุดกลางไม่ต่อลงดิน แม้ว่าจะมีแรงดันกระชากสูงปรากฏขึ้น แต่ไม่มีกระแสกระชากที่สอดคล้องไหลผ่านขดลวดแรงดันสูงเพื่อต้านทานผลของการเหนี่ยวนำ ดังนั้น กระแสกระชากทั้งหมดในขดลวดแรงดันต่ำจะทำหน้าที่เป็นกระแสเหนี่ยวนำ สร้างฟลักซ์ลำดับศูนย์ที่แข็งแกร่งและเหนี่ยวนำศักยภาพสูงบนด้านแรงดันสูง

เนื่องจากศักยภาพที่ปลายแรงดันสูงถูกจำกัดโดยแรงดันตกค้างของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน แรงดันที่เหนี่ยวนำนี้จะกระจายตลอดขดลวด ถึงจุดสูงสุดที่ปลายจุดกลาง ทำให้ฉนวนที่จุดกลางมีแนวโน้มแตกหัก นอกจากนี้ ความลาดชันแรงดันระหว่างชั้นและระหว่างรอบเพิ่มขึ้นอย่างมาก อาจทำให้ฉนวนแตกหักที่ตำแหน่งอื่นๆ แรงดันเกินประเภทนี้มาจากแรงดันกระชากที่เข้าสู่ด้านแรงดันสูงและถูกเหนี่ยวนำกลับมาที่ขดลวดแรงดันสูงผ่านขดลวดแรงดันต่ำ ซึ่งเรียกว่า "การแปลงกลับ"

2. แรงดันเกินจากการแปลงตรง
แรงดันเกินจากการแปลงตรงเกิดขึ้นเมื่อแรงดันกระชากจากฟ้าผ่าเข้าสู่สายแรงดันต่ำ กระแสกระชากจะไหลผ่านขดลวดแรงดันต่ำ เหนี่ยวนำแรงดันในขดลวดแรงดันสูงตามอัตราส่วนจำนวนรอบ ทำให้ศักยภาพที่จุดกลางของขดลวดแรงดันสูงเพิ่มขึ้น ทำให้ความลาดชันแรงดันระหว่างชั้นและระหว่างรอบเพิ่มขึ้น กระบวนการนี้—ที่แรงดันกระชากจากด้านแรงดันต่ำเหนี่ยวนำแรงดันเกินบนด้านแรงดันสูง—เรียกว่า "การแปลงตรง" การทดสอบแสดงให้เห็นว่าเมื่อแรงดันกระชาก 10 kV เข้าสู่ด้านแรงดันต่ำและตัวต้านทานดินมีค่า 5 Ω ความลาดชันแรงดันระหว่างชั้นในขดลวดแรงดันสูงสามารถเกินกำลังทนทานแรงดันกระชากเต็มคลื่นของฉนวนระหว่างชั้นได้มากกว่า 100% ทำให้ฉนวนแตกหักอย่างไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้

ดังนั้น อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินชนิดวาล์วปกติหรือชนิดออกไซด์โลหะควรถูกติดตั้งบนด้านแรงดันต่ำของหม้อแปลงไฟฟ้ากระจาย H61 ในการป้องกันนี้ สายดินของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินทั้งสองด้าน จุดกลางของด้านแรงดันต่ำ และโครงเหล็กของหม้อแปลงควรถูกเชื่อมต่อและต่อลงดินที่จุดเดียว (เรียกว่า "การต่อสี่จุด" หรือ "การต่อสามในหนึ่ง")

ประสบการณ์การทำงานและการศึกษาทดลองระบุว่า แม้กระทั่งหม้อแปลงไฟฟ้ากระจายที่มีฉนวนที่ดี ความล้มเหลวจากแรงดันเกินจากการแปลงตรงและกลับยังเกิดขึ้นเมื่อติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินเพียงบนด้านแรงดันสูง เพราะอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินบนด้านแรงดันสูงไม่สามารถควบคุมแรงดันเกินจากการแปลงตรงและกลับได้ ความลาดชันแรงดันภายใต้แรงดันเกินเหล่านี้เป็นสัดส่วนกับจำนวนรอบและขึ้นอยู่กับการกระจายของขดลวด ฉนวนสามารถแตกหักที่จุดเริ่มต้น กลาง หรือปลายของขดลวด แต่ปลายขดลวดเป็นจุดที่อ่อนแอที่สุด การติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินบนด้านแรงดันต่ำสามารถจำกัดแรงดันเกินจากการแปลงตรงและกลับให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัยได้

วิธีการป้องกันอีกวิธีหนึ่งคือการต่อลงดินแยกกันสำหรับด้านแรงดันสูงและต่ำ ในการตั้งค่านี้ อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินด้านแรงดันสูงถูกต่อลงดินแยกต่างหาก ไม่มีอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินติดตั้งบนด้านแรงดันต่ำ และจุดกลางของด้านแรงดันต่ำและโครงเหล็กของหม้อแปลงถูกเชื่อมต่อและต่อลงดินแยกต่างหากจากระบบต่อลงดินด้านแรงดันสูง

วิธีการนี้ใช้ประโยชน์จากผลการลดทอนของฟ้าผ่าโดยพื้นโลกเพื่อแทบจะกำจัดแรงดันเกินจากการแปลงกลับ สำหรับแรงดันเกินจากการแปลงตรง การคำนวณแสดงให้เห็นว่าการลดตัวต้านทานดินด้านแรงดันต่ำจาก 10 Ω เป็น 2.5 Ω สามารถลดแรงดันเกินจากการแปลงตรงของด้านแรงดันสูงลงประมาณ 40% ด้วยการปรับปรุงอิเล็กโทรดต่อลงดินด้านแรงดันต่ำอย่างเหมาะสม แรงดันเกินจากการแปลงตรงสามารถถูกกำจัดได้ทั้งหมด

แผนการป้องกันนี้ง่ายและประหยัด แม้ว่าจะมีข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับความต้านทานต่อพื้นดินแรงดันต่ำ ทำให้มีคุณค่าในการใช้งานอย่างกว้างขวาง

นอกจากวิธีการดังกล่าวแล้ว มาตรการป้องกันฟ้าผ่าอื่นๆ สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าการกระจายยังรวมถึงการติดตั้งวงจรสมดุลบนแกนหม้อแปลงเพื่อยับยั้งแรงดันเกินจากการแปลงไป-กลับ หรือฝังตัวป้องกันแรงดันเกินแบบออกไซด์โลหะโดยตรงภายในหม้อแปลง