Пренапрежение на трансформатора и мерки за защита

С бързото развитие на технологии като UHV и новото свързване на енергийната мрежа, трансформаторите-основното оборудване за пренос на енергия и преобразуване на напрежение-са от решаващо значение за надеждността на електрическите мрежи и качеството на захранването. Въпреки това, трансформаторите често са изправени пред заплахата от пренапрежение по време на работа: когато работното напрежение надвиши максимално допустимото работно напрежение, възниква феномен на пренапрежение. Тази преходна аномалия на напрежението не само ускорява стареенето на изолацията на трансформатора, но може също така директно да причини разрушаване на изолацията, водещо до повреда на оборудването или дори аварии в мрежата. Задълбоченият анализ на механизмите за генериране на пренапрежения и прилагането на целенасочени защитни мерки са от съществено значение за осигуряване на безопасна работа на трансформаторите.

 

 

 

 

Свръхнапреженията в енергийните системи се категоризират в три основни типа въз основа на продължителността и причината:временно пренапрежение, комутационно пренапрежение, иатмосферно пренапрежение (пренапрежение от мълния), всеки с различни сценарии на задействане и характеристики на опасност.

 

 

 

 

 

 

(1) Пренапрежение при превключване: преходни колебания на електромагнитната енергия

Вземайки -превключването без товар на стъпков-надолу трансформатор-най-често срещаният сценарий в електрическите мрежи-като пример, капацитетът на вторичната-страна има минимално въздействие върху първичната страна, когато се преобразува, така че може да бъде пренебрегнат. Първичната намоткакапацитет линия-към-земя ()имеждувитков капацитет ()стават ключови параметри. Тъй катов силови трансформатори ефектът на междувитковия капацитет може да бъде допълнително опростен за качествен анализ.

Когато празен{0}}трансформатор е изключен, ако-токът на празен ход е различен от-нула, енергията на магнитното поле, съхранена в първичната индуктивност () и енергията на електрическото поле, съхранявана в () осцилират в паралелната верига, образувана оти. Това трептене, с честота от няколкостотин до няколко хиляди Hz и с продължителност само няколко цикъла на мощност-честота, преобразува енергията на магнитното поле изцяло в енергия на електрическото поле, когато токът достигне нула, повишавайки напрежението на кондензатора до максимум и предизвиквайки пренапрежение при превключване. По-високата индуктивност на намотката и по-малкият капацитет-към-земята увеличават амплитудата на пренапрежението, обяснявайки защо пренапреженията при превключване обикновено не надвишават 4,5 пъти номиналното напрежение.

 

(2) Атмосферно пренапрежение: Стръмно нашествие на светкавични вълни

Мълниеносните вълни имат стръмни вълнови фронтове (1–4 μs) и високи честоти (над 100 kHz), със стръмност на вълновия фронт до 500 kV/μs. Това бързо променящо се напрежение генерира значителен ток на изместване в намотките. Когато мълниеносните вълни се разпространяват към клемите на трансформатора, те действат като сигнали с висока-честота и високо-напрежение. При високи честоти индуктивно съпротивление на намоткатасе увеличава значително, докато капацитивното реактивно съпротивлениенамалява рязко, така че токът протича основно през междувиткови и междулинеен-ка-земен капацитет.

Тъй като намотката за ниско{0}}напрежение е близо до сърцевината, нейният голям капацитет-към-земя се доближава до късо съединение, което я прави ефективно заземена. Разпределението на напрежението на светкавичните вълни по намотката се определя от съотношението накъм: междувитковите капацитети близо до входящия терминал пренасят повече ток поради шунтиране, създавайки екстремни градиенти на напрежението, където първите няколко навивки могат да изпитват напрежение стотици пъти над номиналната стойност. Това неравномерно разпределение на напрежението е основната причина за разрушаване на изолацията между витките.

 

(3) Временно пренапрежение: Натрупване на енергия и трептене при смущения в стабилно-състояние

Временните пренапрежения възникват от смущения в мрежата в стабилно-състояние с три типични сценария:

• Пренапрежение на-честотата на мощността: Причинено от едно-фазно заземяване, отхвърляне на товара или зареждане на линията. В ефективно заземени системи, здравите фазови напрежения се повишават до нивата на мрежовото напрежение по време на едно-фазови повреди; внезапното отхвърляне на товара увеличава скоростта на генератора и нерегулирания ток на възбуждане, повишавайки напрежението на шината до 1,5–1,8 пъти над номиналната стойност за няколко секунди.
• Резонансно пренапрежение: Възниква, когато индуктивността и капацитетът образуват резонансни вериги поради неизправности или операции, задействайки преобразуване на електрическа-магнитна енергия. Феромагнитният резонанс, задвижван от нелинейна индуктивност на трансформатора, причинява дрейф на честотата и амплитуди на напрежението до 2–3 пъти над номиналната стойност.
• Дъгово заземително пренапрежение: Предизвикано от периодично изгасване/повторно запалване на дъгата по време на еднофазови-повреди в незаземени системи, причиняващи електромагнитни трептения. Изгасването на дъгата освобождава капацитивна енергия в индуктивност, докато повторното запалване усилва натрупването на енергия, което води до пренапрежения от 2,5–3 пъти номиналното напрежение.

 

 

 

 

 

Разработена е зряла система за защита, за да се справи с опасностите и механизмите от пренапрежение, комбинирайки външна директна мълниезащита, вътрешна защита на намотките и специализирани допълнителни мерки за гарантиране на безопасността на трансформатора.

 

(2) Защита на разрядника: Средства за защита на ядрото

Мрежовите отводители са предимноотводители от метален оксид без пролуки (MOA)ипредпазители от-тип клапан с празнина, със споделен принцип за избор: номиналното напрежение на разрядника не трябва да е по-ниско от временното пренапрежение на мястото на монтажа, а номиналното напрежение на разрядника в неутрална{0}}точка не трябва да е по-ниско от максималното фазово напрежение на трансформатора.

• Ако номиналното напрежение е твърде ниско: Отводителите с празнина може да не успеят да изгасят дъгите по време на еднофазни-повреди, причинявайки експлозии; MOA се разграждат от прекомерно усвояване на енергия.
• Ако номиналното напрежение е твърде високо: Импулсното разрядно напрежение и остатъчното напрежение се увеличават, намалявайки ефективността на защитата.

Отводителите от-тип клапан с празнина използват нелинейни вентилни дискове, които показват висока проводимост при големи токове на мълния (поддържане на ниско остатъчно напрежение) и ниска проводимост при нормални напрежения (ограничаване на мощността-честотен следващ ток). MOA без пролуки, използвайки вентилни дискове от цинков оксид, потискат последващия ток без пролуки, предлагайки бърза реакция, ниско остатъчно напрежение и висок токов капацитет-, което ги прави основния избор за защита на трансформатора.

Според GB311.1-1997Координиране на изолацията за-преносно и разпределително оборудване за високо напрежение, трансформаторите 6kV имат издържащо на мълния импулс напрежение 60kV, а трансформаторите 10kV 75kV. За 6kV системи, YH5WS-10/30 MOA има остатъчно напрежение, по-малко или равно на 30kV, което дава коефициент на координация на изолацията. За системи от 10kV, YH5WS-17/50 MOA отстъпва, отговарящи на изискванията за резервиране на безопасността.обикновено е по-голямо или равно на 1,4 за импулси на мълния и по-голямо или равно на 1,15 за превключващи импулси, като се има предвид типът на изолацията, разпределението на пренапрежението и стареенето на околната среда.

 

 

 

 

(3) Подобрена изолация: Допълнителна защита

За средни и малки трансформатори (По-малко или равно на 35 kV) подобрената изолация е ключова допълнителна мярка: удебеляване на изолацията на намотките за високо{1}}напрежение и подсилване на изолацията между витките на входящите/терминалните навивки, за да издържат на градиенти на напрежението. Въпреки това, по-дебелата изолация влошава разсейването на топлината и намалява капацитета между витките, потенциално увеличавайки градиентите на напрежението,-което прави това подходящо само за сценарии с ниско-напрежение,-разходи.

 

(4) Увеличен междувитков капацитет: Оптимизирано разпределение на напрежението

По-висок междувитков капацитетподобрява равномерността на разпределението на напрежението: по-голямспрямонамалява градиентите на напрежението и риска от пренапрежение. Използват се техники като преплетени намотки и кондензаторни екрани, особено в застрашени от мълнии-зони, като планински подстанции или стъпкови-станции за вятърни паркове.

 

(5) Защита от пренапрежение на неутралната -точка

За подстанции в застрашени от мълния-зони с единични източници на захранване, три-нахлуването на вълна от мълния е често срещано, което изисква защита на фокусирана неутрална-точка. Основното решение еMOA с неутрална{0}}точка, които предпазват както от мълния, така и от комутационни пренапрежения с бърза реакция, ниско остатъчно напрежение и висок токов капацитет. В застрашените от мълнии-провинции като Гуангдонг и Гуанси, процентът на инсталиране на MOA в неутрална-точка надхвърля 90%. Проектирани с високи номинални напрежения, те остават надеждни по време на незначителни смени на неутралната-точка и издържат 1x мощност-честота на фазово напрежение по време на еднофазови-повреди.

За екстремни измествания на неутралната{0}}точка (свръхнапрежение, по-голямо или равно на 2x мощност-честота на фазовото напрежение), се използва паралелна схема „разрядник + хоризонтална междина на пръта“: разрядниците се справят с мълния/превключващи пренапрежения, докато пролуките ограничават високо{4}}честотните мощност-честотни пренапрежения на разрядниците, създавайки взаимно защитен механизъм.

 

(6) Специализирана защита за много-намотъчни трансформатори

Три{0}}намотъчните трансформатори (високо, средно, ниско напрежение) са изправени пред рискове от пренапрежение от електростатична индукция, особено когато намотките за ниско{1}}напрежение са отворени. Мълниеносните вълни от страната на високо-напрежение се прехвърлят към намотки с ниско{4}}напрежение чрез електростатично свързване и електромагнитна индукция, а ниският капацитет към земята повишава електростатичното напрежение, заплашвайки изолацията. Разрядниците при ниско{6}}изходите на намотките директно потискат нахлуващи пренапрежения.

Освен това напрежението на нулева{0}}последователност от асиметрични повреди или неизправности на прекъсвача се прехвърля към намотки с ниско{1}}напрежение чрез капацитивно свързване. За смекчаване на това се използват високо-синхронни прекъсвачи и 3 Y-свързани кондензатора са инсталирани на ниско-напреженови шинни мостове за увеличаване на капацитета спрямо земята, абсорбиране на енергия от пренапрежение и намаляване на амплитудата/стръмнината.

 

(7) Координирана защита на системата за ниско{1}}напрежение

Дългите захранващи-проводи за ниско напрежение са уязвими на удари от мълния. При удар се предизвикват токове на мълнияпренапрежение на обратната трансформацияв намотки с високо{0}}напрежение (2–3 пъти номиналното напрежение) чрез електромагнитна индукция, застрашаваща изолацията. MOA от страна на ниско-напрежение потискат импулсния поток в намотките с ниско{5}}напрежение, блокирайки преноса на пренапрежение. Трансформаторите с групи за свързване Y/Zn11 по своята същност потискат пренапрежението на обратната трансформация, осигурявайки подобрена защита, когато са сдвоени с отводители за ниско-напрежение.

 

(8) Други специални мерки за защита

За конкретни сценарии на пренапрежение допълнителните мерки включват:

1. Намотки за потискане на дъгата: Потискане на пренапрежението при заземяване на дъгата

В незаземени или заземени дъгогасителни намотки-разпределителни системи, дъгогасителните бобини компенсират капацитивния ток по време на еднофазови-фазови повреди, минимизирайки тока на повреда и предотвратявайки прекъсващо повторно запалване на дъгата. Автоматично{3}}настройващите се намотки проследяват промените в-капацитивния ток в реално време, ограничавайки пренапрежението на заземяване на дъгата до По-малко или равно на 2x номинално напрежение.

2. Реактори: ограничаване на превключването на мощността и пренапрежението на-честотата на мощността

Серийни реактори: Ограничете пусковия ток на трансформатора и пренапрежението при превключване чрез увеличаване на индуктивността на веригата, за да намалите скоростта на промяна на тока. Например серийните реактори на страните с ниско-напрежение на големи трансформатори ограничават пусковия ток до 2–3 пъти номиналния ток.

Шунтиращи реактори: Поглъщайте капацитивна реактивна мощност в дълги високо{0}}преносни линии, намалявайки пренапрежението на мощност-честота от ефектите на зареждане на линията. В линии 500 kV шунтовите реактори ограничават пренапрежението до по-малко или равно на 1,3x номинално напрежение, косвено защитавайки трансформаторите.

3. Оптимизиране на системата за заземяване: Намаляване на повишаването на земния потенциал

Оптимизираните заземяващи решетки (напр. облечени с мед-стоманени електроди, допълнителни заземяващи стълбове) намаляват земното съпротивление на подстанцията до По-малко или равно на 0,5Ω, минимизирайки повишаването на земния потенциал по време на удари на мълния и предотвратявайки контраатаки. В застрашени от мълния-зони „независимото заземяване + еквипотенциално свързване“ допълнително намалява разликите в земния потенциал.

4. Варистори и устройства за защита от пренапрежение (SPD): Крайна защита при ниско-напрежение

Варисторите (MOV) или SPD в изходите на фидерите за ниско-напрежение потискат индуцираните мълнии и пренапреженията при превключване, като предотвратяват пренапрежението при обратна трансформация. Тези устройства предлагат наносекундна реакция и ниско остатъчно напрежение, идеални за-за защита на края на разпределителната система с ниско напрежение.

 

 

 

 

 

 

Този списък адресира нуждите от защита от пренапрежение при нива на напрежение и сценарии, следвайки основната логика надиректна мълниезащита + ограничаване на напрежението на ядрото + специализирано потискане + координация на системата. Той е в съответствие с характеристиките на дизайна на трансформатора на SCOTECH, съвпадащи мерки за защита и персонализирани решения за директна употреба при проектиране на проекти, техническо ангажиране на клиента и избор на продукт.

 

Сценарий за приложение	Основни работни условия	Основни мерки за защита	Персонализирана адаптация на SCOTECH
Външни подстанции/станции-нагоре за вятърна ферма (По-голямо или равно на 35 kV, склонни към мълнии-/планински райони)	Висок риск от пряка мълния; комбинирано пренапрежение при мълния/превключване; неутрална{0}}точка потенциален риск от смяна	1. Външна директна мълниезащита 2. MOA без пролуки от страна на високо{1}}напрежение 3. Неутрална -точка MOA + паралелна защита на междината на пръта 4. Оптимизирано разпределение на капацитета на намотката	1. По поръчкапреплетени намотки/екран на кондензаторана входните клеми на трансформатора за оптимизиране на разпределението на напрежението; 2. SCOTECH-персонализирани MOA на неутрална-точка, съответстващи на максималното фазово напрежение на трансформатора; 3. Интерфейси за инсталиране на отводител с нулево{1}}разстояние за намаляване на повишаването на остатъчното напрежение от електрическото разстояние; 4. Препоръки за оптимизиране на заземителната решетка, съчетани с гръмоотводи/проводници за пълно директно покритие от мълнии
Градски разпределителни подстанции (10/6kV, централни градски зони, често превключване на товара)	Чести превключвания; многократно комутационно пренапрежение; няма пряка мълния, но индуциран риск от мълния; нисък риск от резонанс	1. Високо{1}}отводители тип -вентил със странична междина/MOA 2. Серийни реактори за ограничаване на пусковия ток 3. Ниско{1}}напрежение предпазители от пренапрежение (SPD) 4. Подобрена изолация на входящата клема	1. Удебелена междунавивна/земна изолацияпри високо{0}}напрежение на входящите клеми за намотка, за да се устои на умора от пренапрежение при превключване; 2. Предварително интегрирани интерфейси за нисковолтови реактори/SPD, поддържащи персонализирани нисковолтови защитни компоненти; 3. Оптимизирана индуктивност на възбуждане на трансформатора за намаляване на вероятността от резонанс при често превключване
Селски разпределителни трансформатори (10/6kV, отдалечени зони,-застрашени от мълния, чести еднофазни-повреди)	Висок риск от пряка/индуцирана мълния; значително пренапрежение на заземяване на дъгата; дълги селски линии, висок риск от пренапрежение при обратна трансформация	1. Монтирани на стълб-отводители + MOA отстрани-ниско напрежение 2. Неутрална{1}}заземяване чрез дъгогасителни намотки 3. SPD защита от пренапрежение от страна на ниско{1}}напрежение 4. Потискане на пренапрежението на обратната трансформация	1. НасърчавайтеY/Zn11 свързваща група трансформаториза присъщо потискане на пренапрежението на обратната трансформация; 2. Стандартни MOA интерфейси за ниско-напрежение, директно съвместими с SPD за ниско-напрежение; 3. Оптимизирана изолация на неутралната-точка за поддържане на автоматично-настройване на намотките за потискане на дъгата; 4. Монтажни скоби на разрядник за нулево-разстояние за монтирани на стълб-трансформатори
Трансформатори, предназначени за промишлени предприятия (10/35kV, много-намотки, висока флуктуация на товара)	Електростатично индукционно пренапрежение с множество намотки; комутационно пренапрежение от превключване на товара; риск от свързване на напрежение с нулева-последователност; ниско{2}}напрежение на обратна трансформация на напрежение	1. Независими отводители за всяка намотка 2. Странични шунтови кондензатори с ниско-напрежение за поглъщане на пренапрежение 3. Серийни реактори за ограничаване на пусково/пренапрежение 4. Наслоена изолационна армировка	1. Самостоятелна подсилена изолацияза всяка намотка: оптимизирано разпределение на капацитета на страните с високо-напрежение, удебелена земна изолация на страните с-ниско напрежение; 2. Предварително-инсталирани интерфейси за 3 Y-свързани кондензатора на мостови шини с ниско-напрежение за поглъщане на пренапрежение от нулева-последователност; 3. Специални серии реактори, пригодени за флуктуация на натоварването-предизвикан пусков ток; 4. Таблици за съвпадение на избор на разрядник за нива на напрежение на много-намотки
Трансформатори-за предаване на дълги разстояния (По-голямо или равно на 110 kV, далекопроводи по-голямо или равно на 50 km)	Пренапрежение на-честотата на захранване от зареждане на линията; значително комутационно пренапрежение от комутация на линия; стръмно разпространение на светкавична вълна	1. MOA с голям-капацитет на страни с високо-напрежение 2. Линейни-шунтиращи реактори за капацитивно поглъщане на реактивна мощност 3. Потискане на стръмността на светкавица 4. Подобрен клас на изолация на трансформатора	1. По поръчкаТрансформатори с висока устойчивост на импулс на мълнияадаптиран към стръмността на мълниеносната вълна-на дълги разстояния; 2. Оптимизирани характеристики на възбуждане на трансформатора за намаляване на резонанса с линейни реактори; 3. MOA с висок-токов-капацитет на страни с високо-напрежение, насочени към мощност-честота/превключващо пренапрежение; 4. Компоненти на буфера за мълниеносни вълни на входящите терминали за намаляване на стръмността на вълната
Компактни подстанции/сглобяеми трафопостове (10/6kV, градски/паркови зони,-ограничено пространство)	Без независима директна мълниезащита; висока интеграция на оборудването, малки електрически разстояния; индуцирана мълния + вътрешно комутационно пренапрежение	1. Интегрирани MOA в шкафа 2. Варисторна (MOV) допълнителна защита 3. Потискане на пренапрежението на входящата линия 4. Защита от изравняване на потенциалите	1. Интегрирани позиции за монтаж на отводителза нулево{0}}разстояние трансформатор-интегриране на отводител; 2. Вградени-странични варистори с ниско{2}}напрежение за потискане на вътрешно пренапрежение при превключване; 3. Дизайн за изравняване на потенциалите вътре в шкафовете за намаляване на потенциалния риск от контраатака на земята; 4. Оптимизирана навиваща се изходна структура за компактни пространства, минимизираща неравномерността на градиента на напрежението

 

Допълнителни бележки

• Поддръжка на всички решенияинтегрирано съгласуване на трансформатори SCOTECH и защитни компоненти, намалявайки вторичния избор на клиента и разходите за инсталиране.
• За екстремни условия (напр. зони със силна гръмотевична буря, голяма надморска височина, силно замърсяване), подобрени опции катоизолационни покрития против-замърсяване, високо{1}}отводители за ток и независими заземителни клемиса налични.