A transzformátor túlfeszültség jelenségei és védelmi intézkedések

Az olyan technológiák gyors fejlődésével, mint az UHV és az új energiahálózati csatlakozás, a transzformátorok-magberendezései az energiaátvitelhez és a feszültség átalakításához-kritikusak az elektromos hálózatok megbízhatósága és az áramellátás minősége szempontjából. A transzformátorok működése során azonban gyakran szembesülnek a túlfeszültség veszélyével: amikor az üzemi feszültség meghaladja a megengedett legnagyobb üzemi feszültséget, túlfeszültségi jelenség lép fel. Ez a tranziens feszültség-anomália nemcsak felgyorsítja a transzformátor szigetelésének öregedését, hanem közvetlenül is szigetelési károsodást okozhat, ami berendezés meghibásodásához vagy akár hálózati balesetekhez is vezethet. A transzformátorok biztonságos működésének biztosításához elengedhetetlen a túlfeszültség-generáló mechanizmusok alapos elemzése és a célzott védelmi intézkedések végrehajtása.

 

 

 

 

Az energiaellátó rendszerekben előforduló túlfeszültségek három fő típusba sorolhatók az időtartam és az ok alapján:átmeneti túlfeszültség, kapcsolási túlfeszültség, éslégköri túlfeszültség (villám túlfeszültség), amelyek mindegyike eltérő kiváltó forgatókönyvekkel és veszélyjellemzőkkel rendelkezik.

 

 

 

 

 

 

(1) Kapcsolási túlfeszültség: Az elektromágneses energia tranziens oszcillációja

Példaként tekintve egy lépcsős-lefelé transzformátor-terhelés nélküli kapcsolását, amely a legáltalánosabb forgatókönyv az elektromos hálózatokban-, a másodlagos-oldali kapacitás átalakításkor minimális hatással van az elsődleges oldalra, ezért elhanyagolható. Az elsődleges tekercsvonal---föld kapacitás ()ésinterturn kapacitás ()kulcsparaméterekké válnak. Mivela teljesítménytranszformátorokban az interturn kapacitás hatása minőségi elemzés céljából tovább egyszerűsíthető.

Ha a terhelés nélküli-transzformátor ki van kapcsolva, ha a terhelés nélküli () és a benne tárolt elektromos térenergia (által alkotott párhuzamos áramkörben ) oszcillálnakés. Ez az oszcilláció, amelynek frekvenciája több száz és több ezer Hz között van, és csak néhány teljesítmény-frekvencia-ciklusig tart, a mágneses mező energiáját teljesen elektromos térenergiává alakítja, amikor az áram eléri a nullát, ami a kondenzátorfeszültséget a maximumra emeli, és kapcsolási túlfeszültséget vált ki. A magasabb tekercselési induktivitás és az alacsonyabb vezeték--vezeték-kapacitás növeli a túlfeszültség amplitúdóját, ami megmagyarázza, hogy a kapcsolási túlfeszültségek általában miért nem haladják meg a névleges feszültség 4,5-szeresét.

 

(2) Atmoszférikus túlfeszültség: A villámhullámok meredek inváziója

A villámhullámok meredek hullámfronttal (1–4 μs) és magas frekvenciájúak (100 kHz felett), a hullámfront meredeksége pedig akár 500 kV/μs is lehet. Ez a gyorsan változó feszültség jelentős elmozdulási áramot generál a tekercsekben. Amikor a villámhullámok a transzformátor kapcsaira terjednek, nagy-frekvenciás,{7}}nagyfeszültségű jelekként működnek. Magas frekvenciákon tekercselés induktív reaktanciájajelentősen megnő, miközben a kapacitív reaktanciameredeken csökken, így az áram elsősorban az interturn és a vonal{0}}földelés{1}}kapacitásokon keresztül folyik.

Mivel a kisfeszültségű tekercs-közel van a maghoz, nagy vonal---földelési kapacitása megközelíti a rövidzárlatot, így hatékonyan földelt. A villámhullámok feszültségeloszlását a tekercs mentén az arány határozza meghogy: a bejövő terminál közelében lévő interturn kapacitások nagyobb áramot vezetnek a söntelés miatt, extrém feszültséggradienseket hozva létre, ahol az első néhány fordulatnál a névleges érték több százszoros feszültsége lehet. Ez az egyenetlen feszültségeloszlás az elsődleges oka a köztes szigetelés meghibásodásának.

 

(3) Ideiglenes túlfeszültség: energiafelhalmozódás és rezgés állandó-állapotú zavarok mellett

Átmeneti túlfeszültségek az állandó-hálózati zavarokból erednek, három tipikus forgatókönyv szerint:

• Teljesítmény-frekvenciás túlfeszültség: Egyfázisú-földzárlat, terheléselutasítás vagy vonali töltés okozza. A hatékonyan földelt rendszerekben az egészséges fázisfeszültségek a vonali feszültségszintekre emelkednek egy-fázisú hibák esetén; a terhelés hirtelen elutasítása megnöveli a generátor fordulatszámát és a be nem állított gerjesztőáramot, és a buszfeszültséget néhány másodpercre a névleges érték 1,5-1,8-szorosára emeli.
• Rezonancia túlfeszültség: Akkor fordul elő, amikor az induktivitás és a kapacitás rezonanciaáramköröket hoz létre hibák vagy műveletek következtében, és elektromos -mágneses energiaátalakítást vált ki. A nemlineáris transzformátor induktivitása által vezérelt ferromágneses rezonancia frekvenciaeltolódást és a névleges érték 2-3-szorosára terjedő feszültségamplitúdókat okoz.
• Ívföldelési túlfeszültség: Földeletlen rendszerek egy-fázisú hibái során szaggatott ívkialulás/újragyújtás okozza, ami elektromágneses oszcillációt okoz. Az ívkioltás kapacitív energiát szabadít fel induktivitásra, míg az újragyújtás felerősíti az energiafelhalmozódást, ami a névleges feszültség 2,5-3-szorosának megfelelő túlfeszültséghez vezet.

 

 

 

 

 

Egy kiforrott védelmi rendszert fejlesztettek ki a túlfeszültség veszélyeinek és mechanizmusainak kezelésére, amely kombinálja a külső közvetlen villámvédelmet, a belső tekercsvédelmet és a speciális kiegészítő intézkedéseket a transzformátor biztonsága érdekében.

 

(2) Levezető védelem: magvédelmi eszközök

A rácslevezetők elsősorbanrés nélküli fémoxid-levezetők (MOA)ésréses szelep{0}}típusú levezetők, közös kiválasztási elvvel: a levezető névleges feszültsége nem lehet alacsonyabb, mint az ideiglenes túlfeszültség a telepítés helyén, és a nullaponti{0}}levezető névleges feszültsége nem lehet alacsonyabb, mint a transzformátor maximális fázisfeszültsége.

• Ha a névleges feszültség túl alacsony: Előfordulhat, hogy a résezett levezetők nem oltják el az íveket egy-fázisú hibák esetén, ami robbanást okozhat; A MOA-k lebomlanak a túlzott energiaelnyelés miatt.
• Ha a névleges feszültség túl magas: Az impulzuskisülési feszültség és a maradékfeszültség növekszik, csökkentve a védelem hatékonyságát.

A réses szelep-típusú levezetők nemlineáris szeleptárcsákat használnak, amelyek nagy villámáram mellett nagy vezetőképességet mutatnak (alacsony maradékfeszültség mellett), normál feszültség mellett pedig alacsony vezetőképességet (korlátozó teljesítmény-frekvenciakövető áram). A cink-oxid szeleptárcsákat kihasználó hézagmentes MOA-k hézagok nélkül elnyomják a követési áramot, gyors reakciót, alacsony maradékfeszültséget és nagy áramkapacitást kínálva, -így a transzformátorvédelem főbb választása.

A GB311.1-1997 szerintSzigetelési koordináció a nagyfeszültségű átviteli és elosztó berendezésekhez{0}}, A 6kV-os transzformátorok villámimpulzusálló feszültsége 60kV, a 10kV-os transzformátorok pedig 75kV-os. 6 kV-os rendszerek esetén az YH5WS-10/30 MOA maradékfeszültsége kisebb vagy egyenlő, mint 30 kV, ami szigetelési koordinációs tényezőt ad.. 10 kV-os rendszerek esetén az YH5WS-17/50 MOA hozamot ad, megfelel a biztonsági redundancia követelményeinek.jellemzően nagyobb vagy egyenlő, mint 1,4 a villámimpulzusok esetében, és nagyobb vagy egyenlő, mint 1,15 a kapcsolóimpulzusok esetében, figyelembe véve a szigetelés típusát, a túlfeszültség eloszlását és a környezeti öregedést.

 

 

 

 

(3) Fokozott szigetelés: Kiegészítő védelem

Közepes és kis (35 kV-nál kisebb vagy egyenlő) transzformátorok esetében a fokozott szigetelés kulcsfontosságú kiegészítő intézkedés: a nagyfeszültségű tekercsek szigetelésének vastagítása- és a bemeneti/kapocsfordulatok közötti szigetelés megerősítése, hogy ellenálljon a feszültséggradienseknek. A vastagabb szigetelés azonban rontja a hőelvezetést és csökkenti az interturn-kapacitást, ami potenciálisan növeli a feszültséggradienseket,-így ez csak alacsony-feszültség- és költségérzékeny forgatókönyvekhez{5}} alkalmas.

 

(4) Megnövelt interturn kapacitás: Optimalizált feszültségelosztás

Magasabb interturn kapacitásjavítja a feszültségelosztás egyenletességét: egy nagyobbképestcsökkenti a feszültséggradienseket és a túlfeszültség kockázatát. Olyan technikákat alkalmaznak, mint az átlapolt tekercsek és a kondenzátorernyők, különösen a villámcsapásnak kitett területeken, például hegyi alállomásokon vagy szélerőmű-{2}}fellépő állomásokon.

 

(5) Semleges-pont túlfeszültség elleni védelem

Az egyetlen áramforrással{0}}villámcsapásnak kitett területeken található alállomások esetében gyakori a három-fázisú villámhullám behatolása, amely fókuszált semleges-pontvédelmet igényel. Az elsődleges megoldás azsemleges-pont MOA-k, amelyek gyors reagálással, alacsony maradékfeszültséggel és nagy áramkapacitással védenek mind a villámlás, mind a kapcsolási túlfeszültség ellen. Villámcsapásnak kitett tartományokban, mint például Guangdong és Guangxi, a semleges-pont MOA telepítési aránya meghaladja a 90%-ot. Nagy névleges feszültséggel tervezték, megbízhatóak maradnak kisebb nullapont--ponteltolások esetén is, és ellenállnak az 1x teljesítmény-frekvenciás fázisfeszültségnek egy-fázisú hibák esetén.

Extrém nulla-ponteltolódásokhoz (túlfeszültség, nagyobb vagy egyenlő, mint 2x teljesítmény-frekvenciás fázisfeszültség) párhuzamos "levezető + vízszintes rúdköz" sémát alkalmaznak: a levezetők kezelik a villámlási/kapcsolási túlfeszültségeket, míg a hézagok korlátozzák a nagy-frekvenciás teljesítményt, a védőmechanizmust pedig a túlfeszültség feletti frekvencián.

 

(6) Speciális védelem több-tekercselő transzformátorokhoz

Három-tekercstranszformátor (nagy-, közép-, alacsony feszültségű) elektrosztatikus indukciós túlfeszültség kockázatával szembesül, különösen akkor, ha az alacsony feszültségű tekercsek nyitottak. A nagyfeszültségű oldalon lévő villámhullámok elektrosztatikus csatoláson és elektromágneses indukción keresztül kis-feszültségű tekercsekre adódnak át, a kis kapacitás pedig a föld felé emeli az elektrosztatikus feszültséget, ami a szigetelést veszélyezteti. Az alacsony-feszültségű tekercskimeneteknél lévő levezetők közvetlenül elnyomják a behatoló túlfeszültségeket.

Ezenkívül az aszimmetrikus hibákból vagy a megszakító meghibásodásából származó nulla{0}}szekvenciális feszültség kapacitív csatoláson keresztül kis-feszültségű tekercsekre kerül át. Ennek enyhítésére nagy-szinkronmegszakítókat használnak, és 3 Y-kapcsolt kondenzátort szerelnek fel az alacsony-feszültségű buszhidakba, hogy növeljék a föld kapacitását, elnyeljék a túlfeszültségi energiát és csökkentsék az amplitúdót/meredekséget.

 

(7) Alacsony-feszültségű rendszer koordinált védelem

A hosszú alacsony feszültségű{0}}vezetékek ki vannak téve a villámcsapásoknak. Becsapáskor villámáramok indukáljákinverz transzformációs túlfeszültségnagyfeszültségű tekercsekben (a névleges feszültség 2-3-szorosa) elektromágneses indukción keresztül, ami veszélyezteti a szigetelést. Az alacsony-feszültségű oldali MOA-k elnyomják az impulzusáramot az alacsony-feszültségű tekercsekben, blokkolva a túlfeszültség átvitelét. Az Y/Zn11 csatlakozási csoportokkal rendelkező transzformátorok eredendően elnyomják az inverz transzformációs túlfeszültséget, így fokozott védelmet biztosítanak, ha alacsony feszültségű levezetőkkel párosítják.

 

(8) Egyéb speciális védelmi intézkedések

Különleges túlfeszültségi forgatókönyvek esetén a kiegészítő intézkedések a következők:

1. ívelnyomó tekercsek: ívföldelési túlfeszültség elnyomása

A földeletlen vagy ívelnyomó tekercs{0}}földelt elosztórendszerekben az ívelnyomó tekercsek kompenzálják a kapacitív áramot egy-fázisú hibák esetén, minimalizálva a hibaáramot és megakadályozva az ív szakaszos újragyulladását. Az automatikus-hangoló tekercsek követik a valós-idejű kapacitív áramváltozásokat, így az ívföldelési túlfeszültséget a névleges feszültség 2-szeresére vagy azzal egyenlőre korlátozzák.

2. Reaktorok: kapcsolási és teljesítménykorlátozás-frekvenciás túlfeszültség

Sorozatos reaktorok: Fékezze a transzformátor bekapcsolási áramát és a kapcsolási túlfeszültséget az áramköri induktivitás növelésével az áramváltozási sebesség csökkentése érdekében. Például a nagy transzformátorok alacsony-feszültségű oldalán lévő soros reaktorok 2–3-szoros névleges áramra korlátozzák a bekapcsolási áramot.

Shunt reaktorok: A kapacitív meddőteljesítmény elnyelése a hosszú, nagyfeszültségű{0}}átviteli vezetékekben, csökkentve a hálózati töltési hatások miatti teljesítmény-frekvenciás túlfeszültséget. Az 500 kV-os vonalakban a söntreaktorok a névleges feszültség 1,3-szorosánál kisebbre vagy azzal egyenlőre korlátozzák a túlfeszültséget, közvetetten védve a transzformátorokat.

3. Földelési rendszer optimalizálása: A talajpotenciál növekedésének csökkentése

Az optimalizált földelő rácsok (pl. réz-bevonatú acél elektródák, további földelő pólusok) 0,5 Ω-nál kisebbre vagy azzal egyenlőre csökkentik az alállomás földelési ellenállását, minimalizálva a földpotenciál növekedését villámcsapások során, és megakadályozva az ellentámadásokat. Villámcsapásnak kitett területeken a „független földelés + potenciálkiegyenlítés” tovább csökkenti a földpotenciál különbségeket.

4. Varisztorok és túlfeszültségvédők (SPD): Alacsony-feszültségvégvédelem

Az alacsony feszültségű betápláló kimeneteken lévő varisztorok (MOV) vagy SPD-k elnyomják a villámcsapást és a kapcsolási túlfeszültségeket, megakadályozva az inverz transzformációs túlfeszültséget. Ezek az eszközök nanoszekundumos választ és alacsony maradékfeszültséget kínálnak, ideálisak az alacsony feszültségű elosztórendszer végvédelméhez.

 

 

 

 

 

 

Ez a lista a feszültségszintek és forgatókönyvek közötti túlfeszültség-védelmi igényeket tárgyalja, az alapvető logikát követveközvetlen villámvédelem + magfeszültség korlátozás + speciális elnyomás + rendszerkoordináció. Összhangban van a SCOTECH transzformátor tervezési jellemzőivel, a megfelelő védelmi intézkedésekkel és testreszabott megoldásokkal a projekttervezésben, az ügyfelek műszaki bevonásával és a termékválasztásban való közvetlen felhasználásra.

 

Alkalmazási forgatókönyv	Alapvető működési feltételek	Alapvető védelmi intézkedések	SCOTECH testreszabott adaptáció
Kültéri alállomások/szélerőműpark{0}}felfelé állomások (Nagyobb vagy egyenlő, mint 35 kV, villámveszélyes/{1}}hegyi területek)	Magas közvetlen villámveszély; kombinált villám/kapcsolási túlfeszültség; semleges-pont lehetséges eltolódási kockázat	1. Külső közvetlen villámvédelem 2. Nagy-oldali rés nélküli MOA-k 3. Semleges-pont MOA + rúdközi párhuzamos védelem 4. Optimalizált tekercselési kapacitáseloszlás	1. Egyediátlapolt tekercsek/kondenzátor képernyőka transzformátor bemeneti kapcsainál a feszültségelosztás optimalizálása érdekében; 2. SCOTECH-testreszabott nulla-pont MOA-k, amelyek megfelelnek a transzformátor maximális fázisfeszültségének; 3. Nulla-távolságú levezető telepítési interfészek az elektromos távolságból származó maradékfeszültség-emelkedés csökkentésére; 4. Földelési rács optimalizálási javaslatok, villámhárítókkal/huzalokkal párosítva a teljes közvetlen villámlefedettség érdekében
Városi elosztó alállomások (10/6kV, városi magterületek, gyakori terhelésváltás)	Gyakori kapcsolási műveletek; ismételt kapcsolási túlfeszültség; nincs közvetlen villámcsapás, de indukált villámveszély; alacsony rezonancia kockázat	1. Magas-oldali réses szelep-típusú/MOA levezetők 2. Soros reaktorok a bekapcsolási áram korlátozásához 3. Alacsony-feszültségű oldaltúlfeszültség-védők (SPD) 4. Fokozott bejövő kapocs szigetelés	1. Megvastagított köztes/föld szigetelésmagas{0}}feszültségű tekercs bejövő kapcsainál, hogy ellenálljon a kapcsolási túlfeszültség kimerülésének; 2. Előre-integrált interfészek kisfeszültségű reaktorokhoz/SPD-khez, amelyek támogatják a testreszabott kisfeszültségű-védelmi alkatrészeket; 3. Optimalizált transzformátor gerjesztési induktivitása a rezonancia valószínűségének csökkentése érdekében gyakori kapcsolás esetén
Vidéki elosztó transzformátorok (10/6 kV, távoli villám-veszélyes területek, gyakori egyfázisú-hiba)	Magas közvetlen/indukált villámcsapás kockázata; jelentős ívföldelési túlfeszültség; hosszú vidéki vezetékek, magas inverz transzformációs túlfeszültség kockázata	1. Pólusra szerelt-levezetők + alacsony-feszültségű oldali MOA 2. Semleges-pontos földelés ívelnyomó tekercseken keresztül 3. Alacsony-feszültségű oldali SPD túlfeszültség-védelem 4. Inverz transzformációs túlfeszültség-elnyomás	1. ElőléptetésY/Zn11 csatlakozócsoport transzformátorokeredendően elnyomja az inverz transzformációs túlfeszültséget; 2. Szabványos kis-feszültségű MOA interfészek, amelyek közvetlenül kompatibilisek a kis-feszültségű SPD-kkel; 3. Optimalizált semleges-pont szigetelés az automatikus-hangoló ívelnyomó tekercsek támogatásához; 4. Nulla-távolságú levezető tartókonzolok pólusra szerelt-transzformátorokhoz
Ipari üzem számára dedikált transzformátorok (10/35 kV, több-tekercselés, nagy terhelésingadozás)	Több-tekercs elektrosztatikus indukciós túlfeszültség; kapcsolási túlfeszültség a terhelés kapcsolásából; nulla-szekvenciális feszültségcsatolás kockázata; alacsony-feszültség inverz transzformációs túlfeszültség	1. Független levezetők minden tekercshez 2. Alacsony feszültségű oldalsó sönt kondenzátorok a túlfeszültség elnyelésére 3. Soros reaktorok bekapcsolási/túlfeszültség-korlátozáshoz 4. Réteges szigetelés megerősítése	1. Független megerősített szigetelésminden tekercshez: optimalizált kapacitáseloszlás a nagy-feszültségű oldalakon, vastagított földszigetelés a kisfeszültségű oldalakon; 2. Előre telepített interfészek 3 Y-csatlakozott kondenzátorhoz alacsony-feszültségű buszhidakon a nulla-szekvenciális túlfeszültség elnyelésére; 3. Egyedi sorozatú reaktorok a terhelésingadozások -indukálta bekapcsolási áramra szabva; 4. Levezető-kiválasztási táblázatok több-tekercselési feszültségszintekhez
Távolsági{0}}transzformátorok (Nagyobb vagy egyenlő 110 kV-nál, távvezetékek 50 km-nél nagyobb vagy annál nagyobb)	Tápfeszültség-frekvenciás túlfeszültség a vonali töltésből; jelentős kapcsolási túlfeszültség a vonali kapcsolásból; meredek villámhullám terjedése	1. Nagy-kapacitású MOA-k a nagy-feszültségű oldalon 2. Vonal-oldalsó söntreaktorok kapacitív meddőteljesítmény-elnyeléshez 3. Villámhullám meredekség elnyomása 4. Továbbfejlesztett transzformátor szigetelési osztály	1. Egyedinagy villámimpulzusálló transzformátorokalkalmazkodik a távolsági -villámhullám meredekségéhez; 2. Optimalizált transzformátor gerjesztési karakterisztikája a vezetékes reaktorokkal való rezonancia csökkentése érdekében; 3. Nagy-áramú-kapacitású MOA-k a nagy-feszültségű oldalon, a teljesítmény-frekvencia/kapcsolási túlfeszültség címezésére; 4. Villámhullám-puffer komponensek a bejövő kapcsokon a hullám meredekségének csökkentése érdekében
Kompakt alállomások/előregyártott transzformátorállomások (10/6 kV, városi/parki területek, helykorlátos)	Nincs független közvetlen villámvédelem; magas berendezés-integráció, kis elektromos távolságok; indukált villámlás + belső kapcsolási túlfeszültség	1. Integrált MOA-k a szekrényben 2. Varisztor (MOV) kiegészítő védelem 3. Bejövő vonal túlfeszültség-elnyomása 4. Potenciálkiegyenlítő védelem	1. Integrált levezető szerelési pozícióknulla-távolságú transzformátor-levezető integrációhoz; 2. Beépített-alacsony feszültségű-oldali varisztorok a belső kapcsolási túlfeszültség elnyomására; 3. Potenciálkiegyenlítés a szekrényeken belül a földi potenciális ellentámadás kockázatának csökkentése érdekében; 4. Optimalizált tekercs kimeneti szerkezet kompakt terekhez, minimálisra csökkentve a feszültség gradiens egyenetlenségét

 

Kiegészítő megjegyzések

• Minden megoldást támogatSCOTECH transzformátorok és védelmi alkatrészek integrált illesztése, csökkentve az ügyfelek másodlagos kiválasztási és telepítési költségeit.
• Extrém körülmények (pl. heves zivatarzónák, nagy tengerszint feletti magasság, erős szennyezés) esetén a továbbfejlesztett lehetőségek, mint pl.szennyezésgátló szigetelő bevonatok,-erősáram-levezetők és független földelési kapcsokállnak rendelkezésre.