Які заходи захисту від блискавок використовуються для трансформаторів розподілу H61

Які заходи з захисту від блискавки застосовуються для розподільчих трансформаторів H61?

На високовольтному боці розподільчого трансформатора H61 слід встановити обмежувач перенапруг. Згідно з документом SDJ7–79 "Технічний кодекс проектування захисту електроустаткування від перенапруг", високовольтний бік трансформатора H61, як правило, має бути захищений за допомогою обмежувача перенапруг. Заземлювальний провідник обмежувача, нейтральна точка на низьковольтному боці трансформатора та металевий корпус трансформатора повинні бути з’єднані разом і заземлені в одній спільній точці. Цей метод також рекомендовано у документі DL/T620–1997 "Захист від перенапруг та узгодження ізоляції для змінних електроустановок", виданому колишнім Міністерством електроенергетики.

Однак численні дослідження та експлуатаційний досвід показали, що навіть при встановленні обмежувачів перенапруг лише на високовольтному боці пошкодження трансформаторів все ж відбуваються під час ударів блискавки. У звичайних районах річна частота відмов становить близько 1%; у районах із високою грозовою активністю вона може досягати близько 5%; а у районах із надзвичайно суворою грозовою обстановкою, де кількість грозових днів на рік перевищує 100, річна частота відмов може сягати 50%. Основною причиною є так звані "пряма та зворотна трансформаційні перенапруги", індуковані хвилями від блискавки, що потрапляють у високовольтну обмотку розподільчого трансформатора. Механізми цих перенапруг такі:

1. Зворотна трансформаційна перенапруга
Коли хвиля від блискавки проникає з високовольтного боку 3–10 кВ і викликає спрацьовування обмежувача, великий імпульсний струм проходить через опір заземлення, створюючи спад напруги. Цей спад напруги виникає в нейтральній точці низьковольтної обмотки, підвищуючи її потенціал. Якщо низьковольтна лінія є відносно довгою, вона поводиться як хвильовий опір щодо землі. Під впливом цього підвищеного потенціалу нейтральної точки через низьковольтну обмотку проходить великий імпульсний струм. Трифазні імпульсні струми рівні за величиною та напрямком, створюючи сильний магнітний потік нульової послідовності.

Цей потік індукує дуже високу імпульсну напругу у високовольтній обмотці згідно з коефіцієнтом трансформації трансформатора. Ці трифазні індуковані імпульсні напруги рівні за величиною та напрямком. Оскільки високовольтна обмотка, як правило, з'єднана зіркою з ізолірованою нейтраллю, хоча й виникають високі імпульсні напруги, у високовольтній обмотці не проходить відповідний імпульсний струм для компенсації намагнічувального ефекту. Таким чином, весь імпульсний струм у низьковольтній обмотці діє як струм намагнічування, створюючи інтенсивний магнітний потік нульової послідовності та індукуючи надзвичайно високі потенціали на високовольтному боці.

Оскільки потенціал високовольтного виводу обмежується залишковою напругою обмежувача, цей індукований потенціал розподіляється вздовж обмотки, досягаючи максимуму в нейтральній точці. Внаслідок цього ізоляція нейтральної точки схильна до пробою. Крім того, значно зростають градієнти напруги між шарами та між витками, що може призвести до пробою ізоляції в інших місцях. Цей тип перенапруги виникає від хвилі, що надходить з високовольтного боку, і електромагнітно зв'язується назад у високовольтну обмотку через низьковольтну обмотку — загальноприйнятий термін "зворотна трансформація".

2. Пряма трансформаційна перенапруга
Пряма трансформаційна перенапруга виникає, коли хвиля від блискавки потрапляє через низьковольтну лінію. Тоді імпульсний струм проходить через низьковольтну обмотку, індукуючи напругу у високовольтній обмотці згідно з коефіцієнтом трансформації, що значно підвищує потенціал у нейтральній точці високовольтної сторони. Це також збільшує градієнти напруги між шарами та між витками. Цей процес, коли перенапруга на низьковольтному боці індукує перенапругу на високовольтному боці, називається "прямою трансформацією". Дослідження показують, що коли на низьковольтний бік потрапляє перенапруга 10 кВ і опір заземлення становить 5 Ом, градієнт напруги між шарами у високовольтній обмотці може перевищувати повнохвильову імпульсну витримувальну міцність міжшарової ізоляції більш ніж на 100%, що неминуче призводить до пробою ізоляції.

Отже, на низьковольтному боці розподільчого трансформатора H61 також слід встановити звичайні клапанні або оксидно-цинкові обмежувачі перенапруг. У цій схемі захисту заземлювальні провідники обмежувачів високовольтного та низьковольтного боків, нейтральна точка низьковольтного боку та металевий корпус трансформатора всі з'єднані разом і заземлені в одній точці (також відомо як "об'єднання чотирьох точок" або "три в одному заземленні").

Експлуатаційний досвід та експериментальні дослідження показують, що навіть для розподільчих трансформаторів із хорошою ізоляцією відмови, спричинені прямою та зворотною трансформаційними перенапругами, все ще відбуваються, коли обмежувачі встановлені лише на високовольтному боці. Це пов’язано з тим, що обмежувачі на високовольтному боці не можуть придушити пряму чи зворотну трансформаційну перенапругу. Градієнт напруги між шарами при цих перенапругах пропорційний кількості витків і залежить від розподілу обмотки; пробій ізоляції може відбутися на початку, у середині або в кінці обмотки — але кінець є найвразливішим. Встановлення обмежувачів на низьковольтному боці може ефективно обмежити як пряму, так і зворотну трансформаційну перенапругу до безпечного рівня.

Інший метод захисту — окреме заземлення для високовольтного та низьковольтного боків. У цій конфігурації високовольтний обмежувач заземлюється окремо, на низьковольтному боці обмежувач не встановлюється, а нейтральна точка низьковольтного боку та корпус трансформатора з’єднуються разом і заземлюються окремо від системи заземлення високовольтного боку.

Цей метод використовує згасальний ефект ґрунту на хвилі від блискавки, щоб практично повністю усунути зворотну трансформаційну перенапругу. Щодо прямої трансформаційної перенапруги, розрахунки показують, що зменшення опору заземлення низьковольтного боку з 10 Ом до 2,5 Ом може знизити високовольтну пряму трансформаційну перенапругу приблизно на 40%. За належної обробки електрода заземлення низьковольтного боку пряму трансформаційну перенапругу можна повністю усунути.

Ця система захисту проста та економічна, хоча вона ставить більш високі вимоги до опору заземлення при низькому напругі, що надає їй певну практичну цінність для ширшого застосування.

Окрім вищезазначених методів, інші заходи захисту від блискавок для розподільчих трансформаторів включають встановлення збалансованого витка на ядрі трансформатора для пригнічення наднапруг перетворення в прямому та оберненому напрямках, або вбудовування металооксидних грозозахисних пристроїв безпосередньо всередину трансформатора.