Явища перенапруги трансформатора та заходи захисту

Зі швидким розвитком таких технологій, як UHV і нове підключення до енергетичної мережі, трансформатори-основне обладнання для передачі електроенергії та перетворення напруги-є критично важливим для надійності електромереж і якості електропостачання. Однак трансформатори часто стикаються з загрозою перенапруги під час роботи: коли робоча напруга перевищує максимально допустиму робочу напругу, виникає явище перенапруги. Ця перехідна аномалія напруги не тільки прискорює старіння ізоляції трансформатора, але також може безпосередньо спричинити її пошкодження, що призводить до поломки обладнання або навіть аварій в мережі. Ретельний аналіз механізмів генерації перенапруги та впровадження цілеспрямованих заходів захисту є важливими для забезпечення безпечної експлуатації трансформаторів.

 

 

 

 

Перенапруги в системах живлення поділяються на три основні типи залежно від тривалості та причини:тимчасова перенапруга, комутаційна перенапруга, іатмосферна перенапруга (блискавкова перенапруга), кожен з яких має різні сценарії запуску та характеристики небезпеки.

 

 

 

 

 

 

(1) Комутаційна перенапруга: перехідні коливання електромагнітної енергії

Беручи-перемикання без навантаження понижувального-трансформатора-найпоширенішого сценарію в електромережах-як приклад, ємність вторинної-боки має мінімальний вплив на первинну сторону під час перетворення, тому нею можна знехтувати. Первинна обмоткаємність лінії-до-землі ()іміжвиткова ємність ()стають ключовими параметрами. Оскількиу силових трансформаторах вплив міжвиткової ємності можна додатково спростити для якісного аналізу.

Коли-трансформатор без навантаження вимкнено, якщо-струм холостого ходу не-нульовий, енергія магнітного поля, збережена в первинній індуктивності () та енергія електричного поля, що зберігається в () коливаються в паралельному контурі, утвореномуі. Це коливання з частотою від кількох сотень до кількох тисяч Гц і тривалістю лише кілька циклів потужності-частоти повністю перетворює енергію магнітного поля на енергію електричного поля, коли струм досягає нуля, підвищуючи напругу конденсатора до максимуму та викликаючи перенапругу перемикання. Вища індуктивність обмотки та нижча ємність лінії-до-землі збільшують амплітуду перенапруги, пояснюючи, чому перенапруги перемикання зазвичай не перевищують у 4,5 рази номінальну напругу.

 

(2) Атмосферна перенапруга: різке вторгнення хвиль блискавки

Хвилі блискавки мають круті хвильові фронти (1–4 мкс) і високі частоти (вище 100 кГц), з крутизною хвильового фронту до 500 кВ/мкс. Ця швидка зміна напруги створює значний струм зміщення в обмотках. Коли хвилі блискавки поширюються до клем трансформатора, вони діють як сигнали високої-частоти та високої{7}}напруги. На високих частотах реактивний опір обмоткизначно зростає, при цьому ємнісний реактивний опіррізко зменшується, тому струм протікає в основному через міжвиткові ємності та ємності лінія-–-земля.

Оскільки обмотка-низької напруги розташована близько до сердечника, її велика ємність-до-землі наближається до короткого замикання, що робить її ефективним заземленням. Розподіл напруги хвилі блискавки вздовж обмотки визначається співвідношеннямдо: міжвиткові ємності поблизу вхідної клеми несуть більший струм через шунтування, створюючи екстремальні градієнти напруги, де на перших кількох витках може виникати напруга, яка в сотні разів перевищує номінальне значення. Цей нерівномірний розподіл напруги є основною причиною пробою міжвиткової ізоляції.

 

(3) Тимчасова перенапруга: накопичення енергії та коливання під час збурень-стаціонарного стану

Тимчасові перенапруги виникають через стабільний-збурення мережі з трьома типовими сценаріями:

• Перенапруга-частоти живлення: викликано однофазним-замиканням на землю, відхиленням навантаження або заряджанням лінії. У ефективно заземлених системах напруга нормальної фази підвищується до рівнів напруги мережі під час одно-фазних замикань; раптова відмова від навантаження збільшує швидкість генератора та невідрегульований струм збудження, підвищуючи напругу на шині до 1,5–1,8 номінального значення протягом кількох секунд.
• Резонансна перенапруга: виникає, коли індуктивність і ємність утворюють резонансні контури через несправності або операції, викликаючи перетворення електричної -магнітної енергії. Феромагнітний резонанс, викликаний нелінійною індуктивністю трансформатора, викликає дрейф частоти та амплітуди напруги, що в 2-3 рази перевищують номінальне значення.
• Перенапруга дугового заземлення: викликане періодичним згасанням/повторним запалюванням дуги під час однофазних-змиків у незаземлених системах, що спричиняє електромагнітні коливання. Згасання дуги перетворює ємнісну енергію в індуктивність, тоді як повторне запалювання посилює накопичення енергії, що призводить до перенапруги, яка в 2,5–3 рази перевищує номінальну напругу.

 

 

 

 

 

Розроблена система захисту від небезпеки перенапруги та механізмів, яка поєднує зовнішній прямий захист від блискавки, внутрішній захист обмотки та спеціальні додаткові заходи для забезпечення безпеки трансформатора.

 

(2) Захист розрядника: засоби захисту сердечника

Сітчасті розрядники - це перш за всебеззазорні металооксидні розрядники (MOA)ірозрядники клапанного-типу із зазором, із спільним принципом вибору: номінальна напруга розрядника не має бути нижчою за тимчасову перенапругу на місці встановлення, а номінальна напруга розрядника в нейтральній{0}}точці не має бути нижчою за максимальну фазну напругу трансформатора.

• Якщо номінальна напруга надто низька: розрядники із зазором можуть не загасити дуги під час однофазних-замикань, що спричиняє вибухи; МОА деградують через надмірне поглинання енергії.
• Якщо номінальна напруга занадто висока: напруга імпульсного розряду та залишкова напруга збільшуються, знижуючи ефективність захисту.

У розрядниках-клапанного типу із зазором використовуються нелінійні клапанні диски, які демонструють високу провідність за великих струмів блискавки (зберігаючи низьку залишкову напругу) і низьку провідність за нормальних напруг (обмежувальна потужність-частотний струм). MOA без зазорів, які використовують диски клапана з оксиду цинку, пригнічують слідуючий струм без зазорів, пропонуючи швидку реакцію, низьку залишкову напругу та високу потужність струму-, що робить їх основним вибором для захисту трансформатора.

Відповідно до GB311.1-1997Координація ізоляції для-обладнання для передачі та розподілу високої напруги, трансформатори 6кВ мають напругу грозового імпульсу 60кВ, а трансформатори 10кВ 75кВ. Для систем 6 кВ YH5WS-10/30 MOA має залишкову напругу менше або дорівнює 30 кВ, що дає коефіцієнт координації ізоляції. Для систем 10 кВ YH5WS-17/50 MOA поступається, що відповідає вимогам резервування безпеки.зазвичай більше або дорівнює 1,4 для імпульсів блискавки та більше або дорівнює 1,15 для імпульсів перемикання, враховуючи тип ізоляції, розподіл перенапруги та старіння навколишнього середовища.

 

 

 

 

(3) Покращена ізоляція: додатковий захист

Для середніх і малих трансформаторів (менше або дорівнює 35 кВ) покращена ізоляція є ключовим додатковим заходом: потовщення-ізоляції обмотки високої напруги та посилення міжвиткової ізоляції на вхідних/термінальних витках, щоб витримувати градієнти напруги. Однак товща ізоляція погіршує розсіювання тепла та зменшує міжвиткову ємність, потенційно збільшуючи градієнти напруги,-що робить це придатним лише для низьких-напруг,-вартісних сценаріїв.

 

(4) Збільшена міжвиткова ємність: оптимізований розподіл напруги

Вища міжвиткова ємністьпокращує рівномірність розподілу напруги: більшавідноснозменшує градієнти напруги та ризик перенапруги. Використовуються такі методи, як переплетені обмотки та екрани конденсаторів, особливо в місцях,-уразливих блискавками, таких як гірські підстанції чи станції-підвищувального рівня вітрових електростанцій.

 

(5) Захист-нейтралі від перенапруги

Для підстанцій у -небезпечних для блискавок зонах з одним джерелом живлення три-фазна хвиля блискавки є звичайним явищем, що вимагає зосередженого захисту нейтральної-точки. Основним рішенням єнейтральна-точка MOA, які захищають як від блискавки, так і від комутаційних перенапруг із швидкою реакцією, низькою залишковою напругою та високою потужністю струму. У провінціях,-уразливих блискавками, як-от Гуандун і Гуансі, частота встановлення MOA на нейтральній-точці перевищує 90%. Розроблені з високою номінальною напругою, вони залишаються надійними під час незначних зсувів нейтральної-точки та витримують 1-кратну фазну напругу-частоти під час однофазних-замикань.

Для екстремальних зсувів нейтральної{0}}точки (перенапруга, що перевищує або дорівнює 2-кратній потужності-частотній напрузі фази), використовується паралельна схема «розрядник + горизонтальний проміжок між стрижнями»: розрядники справляються з перенапругами блискавки/перемикання, тоді як проміжки обмежують високо{4}}частотні перенапруги-частоти на розрядниках, створюючи взаємний захисний механізм.

 

(6) Спеціальний захист багато-обмоткових трансформаторів

Три{0}}обмоткові трансформатори (висока, середня, низька напруга) зазнають ризику електростатичної індукції перенапруги, особливо коли обмотки низької-напруги розімкнені. Хвилі блискавки на стороні високої-напруги переходять на обмотки низької{4}}напруги через електростатичний зв’язок і електромагнітну індукцію, а низька ємність до землі підвищує електростатичну напругу, загрожуючи ізоляції. Розрядники на розетках обмотки-низької напруги безпосередньо пригнічують проникаючі перенапруги.

Крім того, напруга нульової-послідовності від асиметричних несправностей або несправностей вимикача передається на обмотки низької-напруги через ємнісний зв’язок. Щоб пом’якшити це, використовуються високо-вимикачі синхронізму, а 3 Y-з’єднані конденсатори встановлюються на низько-напругних шинних мостах для збільшення ємності на землю, поглинання енергії перенапруги та зменшення амплітуди/крутості.

 

(7) Скоординований захист-системи від низької напруги

Довгі лінії живлення низької-напруги вразливі до ударів блискавки. При ударі виникають струми блискавкиперенапруга зворотного перетворенняв обмотках високої-напруги (напруга, що в 2–3 рази перевищує номінальну) через електромагнітну індукцію, що загрожує ізоляції. MOA на стороні низької-напруги пригнічують імпульсний потік в обмотках низької{5}}напруги, блокуючи передачу перенапруги. Трансформатори з групами підключення Y/Zn11 за своєю суттю пригнічують перенапругу зворотного перетворення, забезпечуючи покращений захист у парі з розрядниками низької-напруги.

 

(8) Інші спеціальні заходи захисту

Для конкретних сценаріїв перенапруги додаткові заходи включають:

1. Дугогасильні котушки: придушення дугогасильної перенапруги заземлення

У незаземлених або із заземленими дугогасильними котушками-системах розподілу дугогасильні котушки компенсують ємнісний струм під час однофазних-замикань, мінімізуючи струм замикання та запобігаючи періодичному повторному запалюванню дуги. Котушки з автоматичним-настроюванням відстежують-зміни ємнісного струму в реальному часі, обмежуючи перенапругу заземлення дуги менше ніж або дорівнює 2-кратній номінальній напрузі.

2. Реактори: обмеження перемикання та-частотної перенапруги

Серійні реактори: Обмежте пусковий струм трансформатора та перенапругу перемикання шляхом збільшення індуктивності ланцюга, щоб зменшити швидкість зміни струму. Наприклад, послідовні реактори на сторонах низької-напруги великих трансформаторів обмежують пусковий струм до 2–3-кратного значення номінального струму.

Шунтуючі реактори: поглинає ємнісну реактивну потужність у довгих лініях електропередачі-високої напруги, зменшуючи перенапругу-частоти в мережі від ефектів зарядки лінії. У лініях 500 кВ шунтуючі реактори обмежують перенапругу до значення, що не перевищує 1,3 номінальної напруги, опосередковано захищаючи трансформатори.

3. Оптимізація системи заземлення: Зменшення підвищення потенціалу землі

Оптимізовані сітки заземлення (наприклад, обміднені -сталеві електроди, додаткові стовпи заземлення) зменшують опір заземлення підстанції до менше ніж або дорівнює 0,5 Ом, мінімізуючи зростання потенціалу заземлення під час ударів блискавки та запобігаючи контратакам. У зонах, схильних до блискавки, «незалежне заземлення + зрівняння потенціалів» додатково зменшує різницю потенціалів землі.

4. Варистори та пристрої захисту від перенапруги (SPD): захист кінців-низької напруги

Варистори (MOV) або SPD на розетках фідерів низької-напруги пригнічують індуковану блискавку та комутаційні перенапруги, запобігаючи перенапрузі зворотного перетворення. Ці пристрої забезпечують наносекундний відгук і низьку залишкову напругу, що ідеально підходить для-захисту кінців системи розподілу низької напруги.

 

 

 

 

 

 

Цей список стосується потреб захисту від перенапруги на різних рівнях напруги та сценаріях, дотримуючись основної логікипрямий блискавкозахист + обмеження напруги в сердечнику + спеціальне придушення + координація системи. Він узгоджується з конструктивними особливостями трансформатора SCOTECH, відповідними заходами захисту та індивідуальними рішеннями для безпосереднього використання в проектуванні, технічному залученні клієнтів і виборі продукту.

 

Сценарій застосування	Основні умови експлуатації	Основні заходи захисту	Індивідуальна адаптація SCOTECH
Зовнішні підстанції/станції-ВЕС (Більше або дорівнює 35 кВ, -уразливі/гірські райони)	Високий ризик прямої блискавки; комбінована перенапруга блискавки/комутації; нейтральна{0}}точка потенційного ризику зміни	1. Зовнішній прямий блискавкозахист 2. Беззазорні MOA на боці високої{1}}напруги 3. Нейтральна -точка MOA + паралельний захист зазору стрижня 4. Оптимізований розподіл ємності обмоток	1. Замовнийчергування обмоток/екранів конденсаторівна вхідних клемах трансформатора для оптимізації розподілу напруги; 2. SCOTECH-налаштована нейтральна-точка MOA, що відповідає максимальній фазній напрузі трансформатора; 3. Інтерфейси встановлення розрядників із нульовою відстанню для зменшення залишкової напруги від електричної відстані; 4. Рекомендації щодо оптимізації сітки заземлення в поєднанні з блискавковідводами/дротами для повного прямого покриття блискавки
Міські розподільні підстанції (10/6 кВ, центральні міські райони, часті перемикання навантаження)	Часті операції перемикання; повторне перенапруга комутації; відсутність прямої блискавки, але індукований ризик блискавки; низький ризик резонансу	1. Високовольтний-клапан із зазором-типу/розрядники MOA 2. Послідовні реактори для обмеження пускового струму 3. Низько{1}}напругні пристрої захисту від перенапруг (SPD) 4. Покращена ізоляція вхідних клем	1. Потовщена міжвиткова/ґрунтова ізоляціяна вхідних клемах-обмотки високої напруги, щоб протистояти втомі перемикання від перенапруги; 2. Попередньо-інтегровані інтерфейси для-низьковольтних реакторів/SPD, що підтримують налаштовані низько-компоненти захисту від напруги; 3. Оптимізована індуктивність збудження трансформатора для зменшення ймовірності резонансу при частому перемиканні
Сільські розподільні трансформатори (10/6 кВ, віддалені зони-під угрозою блискавки, часті однофазні-замикання)	Високий ризик прямої/індукованої блискавки; значне дугове перенапруга заземлення; довгі сільські лінії, високий ризик перенапруги зворотного перетворення	1. Розрядники-встановлені на стовпі + MOA-низької{3}}напруги 2. Заземлення-нейтралі за допомогою котушок для гасіння дуги 3. Захист від перенапруги SPD на боці низької{1}}напруги 4. Придушення перенапруги зворотного перетворення	1. ПросуватиТрансформатори групи з'єднання Y/Zn11властиво пригнічувати перенапругу зворотного перетворення; 2. Стандартні низьковольтні MOA-інтерфейси, сумісні з низьковольтними SPD;- 3. Оптимізована ізоляція нейтральної-точки для підтримки автоматичних{2}}налаштувань котушок придушення дуги; 4. Монтажні кронштейни розрядника нульової-відстані для трансформаторів-на опорі
Спеціальні трансформатори для промислових заводів (10/35 кВ, багато-обмотка, високі коливання навантаження)	Перенапруга електростатичної індукції-обмоток; комутаційна перенапруга від комутації навантаження; ризик зв’язку напруги нульової{1}}послідовності; низька-перенапруга зворотного перетворення напруги	1. Незалежні розрядники для кожної обмотки 2. Низько{1}}напругні шунтуючі конденсатори для поглинання перенапруги 3. Послідовні реактори для обмеження пускової/перенапруги 4. Пошарове армування ізоляції	1. Незалежне посилене утепленнядля кожної обмотки: оптимізований розподіл ємності на сторонах високої-напруги, потовщена ізоляція землі на сторонах-низької напруги; 2. Попередньо{1}}встановлені інтерфейси для 3 Y-з’єднаних конденсаторів на низько-мостах шини напруги для поглинання перенапруги нульової-послідовності; 3. Реактори спеціальної серії, адаптовані до пускового струму, викликаного коливаннями навантаження-; 4. Таблиці відповідності вибору розрядника для рівнів напруги багатообмоток
Трансформатори-передачі на великі відстані (Більше або дорівнює 110 кВ, лінії електропередачі більше або дорівнює 50 км)	Перевищення-частотної напруги від лінії заряджання; значна комутаційна перенапруга від комутації лінії; круте поширення хвилі блискавки	1. MOA високої-ємності на сторонах високої{2}}напруги 2. Лінійні-шунтуючі реактори для ємнісного поглинання реактивної потужності 3. Придушення крутизни хвилі блискавки 4. Підвищений клас ізоляції трансформатора	1. Замовнийтрансформатори з високою стійкістю до грозового імпульсуадаптований до крутизни-блискавкової хвилі; 2. Оптимізовані характеристики збудження трансформатора для зменшення резонансу з мережевими реакторами; 3. MOA високої-струмової-ємності на сторонах високої-напруги, що стосуються-частоти живлення/перенапруги комутації; 4. Компоненти буфера хвилі блискавки на вхідних терміналах для зменшення крутизни хвилі
Компактні підстанції/збірні трансформаторні станції (10/6 кВ, міські/паркові зони,-обмежений простір)	Відсутність незалежного прямого блискавкозахисту; висока інтеграція обладнання, малі електричні відстані; індукована блискавка + внутрішня комутаційна перенапруга	1. Інтегровані MOA всередині шафи 2. Варисторний (MOV) додатковий захист 3. Придушення стрибків напруги на вхідній лінії 4. Захист зрівнювання потенціалів	1. Інтегровані монтажні позиції розрядникадля нульового{0}}трансформатора-інтеграції розрядника; 2. Вбудовані-варістор-низької напруги для придушення внутрішньої перенапруги перемикання; 3. Конструкція зрівнювання потенціалів всередині шаф для зменшення потенційного ризику контратаки на землю; 4. Оптимізована структура розетки обмотки для компактних приміщень, мінімізуючи нерівномірність градієнта напруги

 

Додаткові примітки

• Підтримка всіх рішенькомплексне узгодження трансформаторів SCOTECH і компонентів захисту, зменшуючи витрати на вторинний відбір клієнта та встановлення.
• Для екстремальних умов (наприклад, сильні грозові зони, велика висота, сильне забруднення) розширені параметри, якізоляційні покриття проти-забруднення, розрядники-великого струму та незалежні клеми заземленнядоступні.