Transformatorski prenapetostni pojavi in ​​zaščitni ukrepi

S hitrim razvojem tehnologij, kot sta UHV in nove povezave z energetskim omrežjem, so transformatorji-jedrna oprema za prenos električne energije in pretvorbo napetosti-ključnega pomena za zanesljivost električnih omrežij in kakovost oskrbe z električno energijo. Vendar se transformatorji med obratovanjem pogosto soočajo z nevarnostjo prenapetosti: ko delovna napetost preseže največjo dovoljeno delovno napetost, pride do pojava prenapetosti. Ta prehodna napetostna anomalija ne le pospeši staranje izolacije transformatorja, ampak lahko tudi neposredno povzroči razpad izolacije, kar povzroči okvaro opreme ali celo nesreče v omrežju. Za zagotavljanje varnega obratovanja transformatorjev je bistvenega pomena temeljita analiza mehanizmov generiranja prenapetosti in izvedba usmerjenih zaščitnih ukrepov.

 

 

 

 

Prenapetosti v elektroenergetskih sistemih so glede na trajanje in vzrok razvrščene v tri glavne vrste:začasna prenapetost, stikalna prenapetost, inatmosferska prenapetost (prenapetost strele), vsak z različnimi sprožilnimi scenariji in značilnostmi nevarnosti.

 

 

 

 

 

 

(1) Preklopna prenapetost: prehodno nihanje elektromagnetne energije

Če za primer vzamemo -preklop brez obremenitve stopenjskega-transformatorja-najpogostejši scenarij v električnih omrežjih-, kapacitivnost sekundarne-strani pri pretvorbi minimalno vpliva na primarno stran, zato jo je mogoče zanemariti. Primarno navitjekapacitivnost linije-do-ozemljitve ()inmedobratna kapacitivnost ()postanejo ključni parametri. Kerpri močnostnih transformatorjih je mogoče učinek medobratne kapacitivnosti dodatno poenostaviti za kvalitativno analizo.

Ko je transformator brez{0}}obremenitve izklopljen, če tok-prostega teka ni-nič, je energija magnetnega polja, shranjena v primarni induktivnosti () in energija električnega polja, shranjena v () nihajo v vzporednem krogu, ki ga sestavljajoin. To nihanje s frekvenco od nekaj sto do nekaj tisoč Hz in traja le nekaj močnostnih-frekvenčnih ciklov, v celoti pretvori energijo magnetnega polja v energijo električnega polja, ko tok doseže nič, dvigne napetost kondenzatorja na maksimum in sproži preklopno prenapetost. Večja induktivnost navitja in manjša kapacitivnost voda-to-zemljitev povečata amplitudo prenapetosti, kar pojasnjuje, zakaj preklopne prenapetosti običajno ne presežejo 4,5-kratne nazivne napetosti.

 

(2) Atmosferska prenapetost: strma invazija valov strele

Valovi strele imajo strme valovne fronte (1–4 μs) in visoke frekvence (nad 100 kHz), s strmino valovne fronte do 500 kV/μs. Ta hitro spreminjajoča se napetost ustvarja znaten tok odmika v navitjih. Ko se valovi strele širijo do terminalov transformatorja, delujejo kot visoko-frekvenčni, visoko{7}}napetostni signali. Pri visokih frekvencah navijalna induktivna reaktancaznatno poveča, medtem ko kapacitivna reaktancamočno zmanjša, tako da tok teče predvsem skozi medobratne kapacitivnosti in kapacitivnosti-na-ozemljitev.

Ker je nizko{0}}napetostno navitje blizu jedra, je njegova velika kapacitivnost-do-ozemljitve približna kratkemu stiku, zaradi česar je učinkovito ozemljen. Porazdelitev napetosti valov strele vzdolž navitja je določena z razmerjemdo: medobratne kapacitivnosti v bližini dohodnega terminala prenašajo več toka zaradi ranžiranja, kar ustvarja ekstremne napetostne gradiente, kjer lahko prvih nekaj ovojev doživi napetosti, ki so stokrat višje od nazivne vrednosti. Ta neenakomerna porazdelitev napetosti je glavni vzrok za razpad izolacije med zavoji.

 

(3) Začasna prenapetost: kopičenje energije in nihanje pod motnjami v enakomernem-stanju

Začasne prenapetosti nastanejo zaradi motenj v-omrežju stabilnega stanja s tremi tipičnimi scenariji:

• Prenapetost-omrežne frekvence: Vzrok za-fazne ozemljitvene napake, zavrnitev obremenitve ali polnjenje na liniji. V učinkovito ozemljenih sistemih zdrave fazne napetosti med eno-faznimi okvarami narastejo na ravni napetosti; nenadna zavrnitev obremenitve poveča hitrost generatorja in neprilagojen vzbujalni tok, s čimer se za nekaj sekund dvigne napetost vodila na 1,5–1,8-kratno nazivno vrednost.
• Resonančna prenapetost: Pojavi se, ko induktivnost in kapacitivnost tvorita resonančna vezja zaradi napak ali delovanja, kar sproži pretvorbo električne-magnetne energije. Feromagnetna resonanca, ki jo poganja nelinearna induktivnost transformatorja, povzroči odmik frekvence in amplitude napetosti do 2–3-kratne nazivne vrednosti.
• Prenapetost ozemljitve obloka: Povzročeno s prekinjenim ugašanjem/ponovnim vžigom obloka med eno-faznimi napakami v neozemljenih sistemih, kar povzroča elektromagnetna nihanja. Ugasnitev obloka sprosti kapacitivno energijo v induktivnost, medtem ko ponovni vžig poveča akumulacijo energije, kar vodi do prenapetosti 2,5–3-kratne nazivne napetosti.

 

 

 

 

 

Razvit je bil dovršen zaščitni sistem za obravnavo nevarnosti in mehanizmov prenapetosti, ki združuje zunanjo neposredno zaščito pred strelo, notranjo zaščito navitij in specializirane dodatne ukrepe za zagotavljanje varnosti transformatorja.

 

(2) Zaščita odvodnika: sredstva za zaščito jedra

Mrežni odvodniki so predvsemkovinsko-oksidni odvodniki brez rež (MOA)inodvodniki-tipa ventila z vrzeljo, s skupnim načelom izbire: nazivna napetost odvodnika ne sme biti nižja od začasne prenapetosti na mestu namestitve, nazivna napetost odvodnika nevtralne-točke pa ne sme biti nižja od največje fazne napetosti transformatorja.

• Če je nazivna napetost prenizka: odvodniki z vrzeljo morda ne bodo uspeli ugasniti oblokov med eno-faznimi napakami, kar povzroči eksplozije; MOA se razgradijo zaradi prekomerne absorpcije energije.
• Če je nazivna napetost previsoka: napetost impulzne razelektritve in preostala napetost se povečata, kar zmanjša učinkovitost zaščite.

Odvodniki-tipa z vrzeli uporabljajo nelinearne ventilske diske, ki kažejo visoko prevodnost pri velikih tokovih strele (ohranjanje nizke preostale napetosti) in nizko prevodnost pri normalnih napetostih (omejitev moči-frekvenčnega toka). MOA brez rež, ki uporabljajo ventilske diske iz cinkovega oksida, zavirajo sledilni tok brez rež, ponujajo hiter odziv, nizko preostalo napetost in visoko tokovno zmogljivost-, zaradi česar so glavna izbira za zaščito transformatorja.

V skladu z GB311.1-1997Usklajevanje izolacije za-visokonapetostno opremo za prenos in distribucijo, 6kV transformatorji imajo vzdržljivo impulzno napetost 60kV, 10kV transformatorji pa 75kV. Za 6kV sisteme ima YH5WS-10/30 MOA preostalo napetost manjšo ali enako 30kV, kar daje izolacijski koordinacijski faktor. Za 10kV sisteme YH5WS-17/50 MOA daje prednost, ki izpolnjuje zahteve glede varnosti redundance.je običajno večji ali enak 1,4 za impulze strele in večji ali enak 1,15 za preklopne impulze, ob upoštevanju vrste izolacije, porazdelitve prenapetosti in staranja okolja.

 

 

 

 

(3) Izboljšana izolacija: dodatna zaščita

Pri srednjih in majhnih transformatorjih (manj kot ali enako 35 kV) je izboljšana izolacija ključni dodatni ukrep: odebelitev visoko{1}}napetostne izolacije navitja in okrepitev izolacije med zavoji na vhodnih/končnih zavojih, da prenese napetostne gradiente. Vendar pa debelejša izolacija poslabša odvajanje toplote in zmanjša medobratno kapacitivnost, kar lahko poveča napetostne gradiente,-zaradi česar je to primerno le za nizko-napetostne in stroškovno-občutljive scenarije.

 

(4) Povečana medobratna kapacitivnost: optimizirana porazdelitev napetosti

Večja medobratna kapacitivnostizboljša enakomernost porazdelitve napetosti: večjiglede nazmanjša napetostne gradiente in tveganje prenapetosti. Uporabljajo se tehnike, kot so prepletena navitja in zasloni kondenzatorjev, zlasti na območjih-nevarnosti strele, kot so gorske transformatorske postaje ali stopnje-postaje vetrnih elektrarn.

 

(5) Nevtralna{1}}točkovna prenapetostna zaščita

Za transformatorske postaje na območjih,-ogroženih s strelo, z enim virom energije je pogost vdor tri{1}}faznega vala strele, ki zahteva usmerjeno zaščito nevtralne-točke. Primarna rešitev jeMOA nevtralne-točke, ki ščitijo tako pred strelo kot pred preklopnimi prenapetostmi s hitrim odzivom, nizko preostalo napetostjo in visoko tokovno zmogljivostjo. V provincah,-ogroženih s strelo, kot sta Guangdong in Guangxi, stopnje namestitve MOA-nevtralne točke presegajo 90 %. Zasnovani z visokimi nazivnimi napetostmi, ostanejo zanesljivi med manjšimi premiki nevtralne-točke in prenesejo 1x močnostno-frekvenčno fazno napetost med eno-faznimi napakami.

Za ekstremne nevtralne{0}}premike točk (prenapetost, večja od ali enaka 2-kratni moči-frekvenčne fazne napetosti), se uporablja vzporedna shema "odvodnik + vodoravna reža palice": odvodniki obvladajo strele/preklopne prenapetosti, medtem ko vrzeli omejujejo visoko{4}}frekvenčne-frekvenčne prenapetosti na odvodnikih, kar ustvarja medsebojni zaščitni mehanizem.

 

(6) Posebna zaščita za več-navitne transformatorje

Transformatorji s tremi navitji (visoka, srednja, nizka napetost) se soočajo s tveganjem prenapetosti zaradi elektrostatične indukcije, zlasti ko so navitja nizke{1}}napetosti odprta. Valovi strele na visoko{3}}napetostni strani se prenašajo na nizko{4}}napetostna navitja prek elektrostatične sklopitve in elektromagnetne indukcije, nizka kapacitivnost do tal pa dvigne elektrostatično napetost, kar ogroža izolacijo. Odvodniki na nizko{6}}napetostnih izhodih navitij neposredno dušijo vdorne prenapetosti.

Poleg tega se napetost ničelnega-zaporedja iz asimetričnih napak ali okvar odklopnika prenese na nizko{1}}napetostna navitja prek kapacitivnega sklopa. Da bi to ublažili, se uporabljajo visoko-odklopniki sinhronizma in 3 Y-povezani kondenzatorji so nameščeni na nizko-napetostnih vodilnih mostovih, da se poveča kapacitivnost glede na tla, absorbira prenapetostna energija in zmanjša amplituda/strmost.

 

(7) Usklajena zaščita-nizkonapetostnega sistema

Dolgi nizkonapetostni{0}}napajalni vodi so občutljivi na udare strele. Ob udarcu nastanejo tokovi streleprenapetost inverzne transformacijev visoko{0}}napetostnih navitjih (2–3-kratna nazivna napetost) zaradi elektromagnetne indukcije, ki ogroža izolacijo. MOA na nizko-napetostni strani dušijo impulzni tok v nizko-napetostnih navitjih in blokirajo prenos prenapetosti. Transformatorji s povezovalnimi skupinami Y/Zn11 sami po sebi zavirajo prenapetost inverzne transformacije in zagotavljajo izboljšano zaščito, ko so povezani z nizko-napetostnimi odvodniki.

 

(8) Drugi posebni zaščitni ukrepi

Za posebne scenarije prenapetosti dodatni ukrepi vključujejo:

1. Tuljave za dušenje obloka: dušenje prenapetosti ozemljitve obloka

V distribucijskih sistemih z neozemljeno ali ozemljeno tuljavo-za dušenje obloka tuljave za dušenje obloka kompenzirajo kapacitivni tok med enofaznimi-faznimi napakami, s čimer zmanjšajo tok napake in preprečijo občasno ponovno vžiganje obloka. Samo{3}}naravnalne tuljave sledijo spremembam kapacitivnega toka v realnem{4}}času in omejujejo prenapetost ozemljitve obloka na manj kot ali enako 2-kratni nazivni napetosti.

2. Reaktorji: Omejitev preklapljanja in moč-frekvenčne prenapetosti

Serijski reaktorji: Omejite zagonski tok transformatorja in preklopno prenapetost s povečanjem induktivnosti vezja, da zmanjšate stopnje spreminjanja toka. Na primer, serijski reaktorji na nizko{1}}napetostnih straneh velikih transformatorjev omejujejo udarni tok na 2–3x nazivni tok.

Shunt reaktorji: Absorbirajte kapacitivno jalovo moč v dolgih visoko{0}}napetostnih daljnovodih, s čimer zmanjšate-prenapetost frekvence moči zaradi učinkov polnjenja voda. V vodih 500 kV reaktorji omejujejo prenapetost na manj kot ali enako 1,3-kratni nazivni napetosti, s čimer posredno ščitijo transformatorje.

3. Optimizacija ozemljitvenega sistema: Zmanjšanje dviga potenciala tal

Optimizirane ozemljitvene mreže (npr. jeklene elektrode, prevlečene z bakrom-, dodatni ozemljitveni drogovi) zmanjšajo ozemljitveni upor transformatorske postaje na manj kot ali enako 0,5 Ω, kar zmanjša dvig potenciala tal med udari strele in prepreči protinapade. Na območjih,-ogroženih s strelo, »neodvisna ozemljitev + izenačitev potencialov« dodatno zmanjša potencialne razlike v tleh.

4. Varistorji in prenapetostne zaščite (SPD): nizko{1}}zaščita konca

Varistorji (MOV) ali SPD na nizko-napetostnih napajalnih vtičnicah dušijo inducirano strelo in preklopne prenapetosti ter preprečujejo prenapetost inverzne transformacije. Te naprave ponujajo nanosekundni odziv in nizko preostalo napetost, kar je idealno za-nizkonapetostno končno zaščito distribucijskega sistema.

 

 

 

 

 

 

Ta seznam obravnava potrebe po prenapetostni zaščiti v različnih napetostnih nivojih in scenarijih, pri čemer sledi osnovni logikineposredna zaščita pred strelo + omejevanje jedrne napetosti + specializirano dušenje + koordinacija sistema. Usklajen je s konstrukcijskimi značilnostmi transformatorja SCOTECH, ustreznimi zaščitnimi ukrepi in prilagojenimi rešitvami za neposredno uporabo pri načrtovanju projektov, tehničnem sodelovanju strank in izbiri izdelkov.

 

Scenarij uporabe	Osnovni pogoji delovanja	Ukrepi za zaščito jedra	SCOTECH prilagojena prilagoditev
Zunanje podpostaje/vetrne{0}}postaje (Večja ali enaka 35 kV,-ogrožena streli/gorata območja)	Visoko tveganje neposrednega udara strele; kombinirana strela/stikalna prenapetost; nevtralna-točka potencialnega tveganja premika	1. Zunanja direktna zaščita pred strelo 2. Visoko{1}}napetostni MOA brez rež 3. Nevtralna-točka MOA + vzporedna zaščita med vrzeljo 4. Optimizirana porazdelitev kapacitivnosti navitja	1. Po meriprepletena navitja/kondenzatorski zaslonina vhodnih sponkah transformatorja za optimizacijo distribucije napetosti; 2. SCOTECH{1}}prilagojene MOA nevtralne{2}}točke, ki se ujemajo z največjo fazno napetostjo transformatorja; 3. Vmesniki za namestitev odvodnika nič{1}}razdalje za zmanjšanje dviga preostale napetosti zaradi električne razdalje; 4. Priporočila za optimizacijo ozemljitvene mreže, skupaj s strelovodi/žicami za popolno neposredno pokritost s strelo
Mestne razdelilne postaje (10/6kV, urbana središča, pogosto preklapljanje bremena)	Pogoste preklopne operacije; ponavljajoča se stikalna prenapetost; ni neposrednega udara strele, ampak inducirano tveganje strele; nizko tveganje resonance	1. Visoko{1}}napetostni ventil z vrzeljo-tipa/MOA odvodniki 2. Serijski reaktorji za omejitev zagonskega toka 3. Nizko{1}}napetostne stranske prenapetostne zaščite (SPD) 4. Izboljšana izolacija dohodnih terminalov	1. Zadebeljena izolacija med zavoji/talpri visoko{0}}napetostnih vhodnih sponkah navitij za odpornost na prenapetostno utrujenost preklapljanja; 2. Pred-integrirani vmesniki za nizko{2}}napetostne reaktorje/SPD, ki podpirajo prilagojene nizko{3}}napetostne zaščitne komponente; 3. Optimizirana induktivnost vzbujanja transformatorja za zmanjšanje verjetnosti resonance pri pogostem preklapljanju
Podeželski razdelilni transformatorji (10/6kV, oddaljena območja,-ogrožena zaradi strele, pogoste enofazne-fazne napake)	Visoko neposredno/inducirano tveganje strele; znatna prenapetost ozemljitvenega obloka; dolgi podeželski vodi, visoko tveganje prenapetosti inverzne transformacije	1. Na steber-vgrajeni odvodniki + nizko{3}}napetostni stranski MOA 2. Ozemljitev-nevtralne točke prek tuljav za dušenje obloka 3. Nizko{1}}napetostna stran SPD prenapetostne zaščite 4. Zatiranje prenapetosti inverzne transformacije	1. SpodbujajteTransformatorji priključne skupine Y/Zn11za inherentno zatiranje prenapetosti inverzne transformacije; 2. Standardni nizko{1}}napetostni MOA vmesniki, neposredno združljivi z nizko-napetostnimi SPD-ji; 3. Optimizirana izolacija-nevtralne točke za podporo samodejnim{2}}uravnavanjem tuljav za dušenje obloka; 4. Namestitveni nosilci od-odvodnika ničelne razdalje za transformatorje,-vgrajene na drog
Namenski transformatorji za industrijske obrate (10/35 kV, več-navitje, visoka nihanja obremenitve)	Več{0}}napetost elektrostatične indukcije; preklopna prenapetost zaradi preklopa bremena; tveganje sklopitve napetosti nič{1}}zaporedja; nizko{2}}napetostna inverzna transformacijska prenapetost	1. Neodvisni odvodniki za vsako navitje 2. Nizko{1}}napetostni stranski kondenzatorji za absorpcijo prenapetosti 3. Serijski reaktorji za omejitev vklopa/prenapetosti 4. Večplastna ojačitev izolacije	1. Samostojna ojačana izolacijaza vsako navitje: optimizirana porazdelitev kapacitivnosti na visoko-napetostnih straneh, odebeljena ozemljitvena izolacija na nizko-napetostnih straneh; 2. Vnaprej-nameščeni vmesniki za 3 Y-povezane kondenzatorje na nizko-napetostnih vodilnih mostovih za absorpcijo prenapetosti ničelnega-zaporedja; 3. Serijski reaktorji po meri, prilagojeni nihanju obremenitve-induciranega zagonskega toka; 4. Tabele ujemanja izbire odvodnika za nivoje napetosti več-navitij
Transformatorji-za prenos na dolge razdalje (Večja ali enaka 110 kV, daljnovodi Večja ali enaka 50 km)	Prenapetost-omrežne frekvence zaradi polnjenja; znatna preklopna prenapetost zaradi preklapljanja linij; strmo širjenje valov strele	1. Visoko{1}}zmogljivi MOA na-napetostnih straneh 2. Shunt reaktorji-na strani za kapacitivno absorpcijo jalove moči 3. Zatiranje strmine valov strele 4. Izboljšan izolacijski razred transformatorja	1. Po meritransformatorji z visoko odpornostjo na impulze streleprilagojeno-strmini valov strele na velike razdalje; 2. Optimizirane karakteristike vzbujanja transformatorja za zmanjšanje resonance z omrežnimi reaktorji; 3. MOA z visoko-tokovno-zmogljivostjo na visoko{3}}napetostnih straneh, ki obravnavajo moč-frekvenco/preklopno prenapetost; 4. Komponente medpomnilnika valov strele na dohodnih terminalih za zmanjšanje strmine valov
Kompaktne transformatorske postaje/montažne transformatorske postaje (10/6kV, urbana/parkovna območja, prostor-omejen)	Brez neodvisne neposredne zaščite pred strelo; visoka integracija opreme, majhne električne razdalje; inducirana strela + notranja stikalna prenapetost	1. Integrirani MOA-ji v notranjosti omare 2. Varistor (MOV) dodatna zaščita 3. Zatiranje prenapetosti v dohodni liniji 4. Zaščita pred izenačitvijo potencialov	1. Integrirani položaji za montažo odvodnikaza nič{0}}transformator-odvodnika integracija; 2. Vgrajeni-nizko{2}}napetostni stranski varistorji za zatiranje notranje preklopne prenapetosti; 3. Zasnova izenačitve potencialov znotraj omaric za zmanjšanje potencialnega tveganja protinapada na tla; 4. Optimizirana izhodna struktura navitja za kompaktne prostore, kar zmanjšuje neenakomernost gradienta napetosti

 

Dodatne opombe

• Podpora za vse rešitveintegrirano ujemanje transformatorjev SCOTECH in zaščitnih komponent, zmanjšanje sekundarne izbire strank in stroškov namestitve.
• Za ekstremne razmere (npr. območja z močnimi nevihtami, velika nadmorska višina, močno onesnaženje) so na voljo izboljšane možnosti, kot jeizolacijski premazi za-proti onesnaževanju,-odvodniki visokega toka in neodvisne ozemljitvene sponkeso na voljo.