Явления перенапряжения трансформатора и меры защиты

В условиях быстрого развития таких технологий, как сверхвысокое напряжение и подключение к новым энергосетям, трансформаторы-основное оборудование для передачи электроэнергии и преобразования напряжения-имеют решающее значение для надежности электросетей и качества электроснабжения. Однако трансформаторы часто сталкиваются с угрозой перенапряжения в процессе эксплуатации: когда рабочее напряжение превышает максимально допустимое рабочее напряжение, возникает явление перенапряжения. Эта аномалия переходного напряжения не только ускоряет старение изоляции трансформатора, но также может непосредственно вызвать пробой изоляции, что приведет к выходу из строя оборудования или даже к авариям в сети. Тщательный анализ механизмов формирования перенапряжения и реализация целенаправленных мер защиты необходимы для обеспечения безопасной эксплуатации трансформаторов.

 

 

 

 

Перенапряжения в энергосистемах подразделяются на три основных типа в зависимости от продолжительности и причины:временное перенапряжение, коммутационное перенапряжение, иатмосферное перенапряжение (грозовое перенапряжение), каждый из которых имеет отдельные сценарии срабатывания и характеристики опасности.

 

 

 

 

 

 

(1) Перенапряжение при переключении: переходные колебания электромагнитной энергии.

Если взять в качестве примера переключение-без нагрузки-понижающего трансформатора-наиболее распространенного сценария в электросетях-, то емкость вторичной- стороны оказывает минимальное влияние на первичную сторону при преобразовании, поэтому ею можно пренебречь. Первичная обмоткаемкость линии-к-земли ()имежвитковая емкость ()станут ключевыми параметрами. Св силовых трансформаторах влияние межвитковой емкости можно дополнительно упростить для качественного анализа.

Когда трансформатор холостого хода выключен, если ток холостого хода-не-отличен от нуля, энергия магнитного поля, запасенная в первичной индуктивности () и энергии электрического поля, запасенной в () колеблются в параллельном контуре, образованноми. Эти колебания с частотой от нескольких сотен до нескольких тысяч Гц и длительностью всего несколько циклов мощности-частоты полностью преобразуют энергию магнитного поля в энергию электрического поля, когда ток достигает нуля, повышая напряжение конденсатора до максимума и вызывая коммутационное перенапряжение. Более высокая индуктивность обмотки и более низкая емкость линии---земли увеличивают амплитуду перенапряжения, что объясняет, почему коммутационные перенапряжения обычно не превышают в 4,5 раза номинальное напряжение.

 

(2) Атмосферное перенапряжение: резкое вторжение волн молний

Волны молнии имеют крутой волновой фронт (1–4 мкс) и высокие частоты (выше 100 кГц) с крутизной волнового фронта до 500 кВ/мкс. Это быстро меняющееся напряжение генерирует значительный ток смещения в обмотках. Когда волны молнии распространяются на клеммы трансформатора, они действуют как сигналы высокой-частоты и высокого-напряжения. На высоких частотах индуктивное сопротивление обмоткизначительно возрастает, а емкостное реактивное сопротивлениерезко уменьшается, поэтому ток течет в основном через межвитковые и фазные емкости-к-земле.

Поскольку обмотка низкого-напряжения расположена близко к сердечнику, ее большая емкость между линией-и-землей напоминает короткое замыкание, что делает ее эффективно заземленной. Распределение напряжения грозовых волн вдоль обмотки определяется соотношениемк: межвитковые емкости вблизи входной клеммы пропускают больший ток из-за шунтирования, создавая экстремальные градиенты напряжения, при которых первые несколько витков могут испытывать напряжения, в сотни раз превышающие номинальное значение. Неравномерное распределение напряжения является основной причиной пробоя межвитковой изоляции.

 

(3) Временное перенапряжение: накопление энергии и колебания при установившихся-возмущениях состояния

Временные перенапряжения возникают из-за установившихся-нарушений в сети. Возможны три типичных сценария:

• Перенапряжение-частоты сети: вызвано однофазным замыканием на землю, отклонением нагрузки или зарядкой линии. В эффективно заземленных системах напряжение здоровой фазы возрастает до уровня линейного напряжения во время однофазных замыканий; внезапный сброс нагрузки увеличивает скорость генератора и нерегулируемый ток возбуждения, повышая напряжение на шине в 1,5–1,8 раза от номинального значения на несколько секунд.
• Резонансное перенапряжение: возникает, когда индуктивность и емкость образуют резонансные цепи из-за неисправностей или операций, вызывая преобразование электрической-магнитной энергии. Ферромагнитный резонанс, вызванный нелинейной индуктивностью трансформатора, вызывает дрейф частоты и амплитуду напряжения, в 2–3 раза превышающую номинальное значение.
• Перенапряжение на заземление дуги: Вызвано периодическим гашением/возобновлением дуги во время однофазных замыканий в незаземленных системах, вызывая электромагнитные колебания. Гашение дуги выделяет емкостную энергию в индуктивность, а повторное зажигание усиливает накопление энергии, что приводит к перенапряжению, в 2,5–3 раза превышающему номинальное напряжение.

 

 

 

 

 

Для устранения опасностей и механизмов перенапряжения была разработана зрелая система защиты, сочетающая внешнюю защиту от прямой молнии, внутреннюю защиту обмоток и специальные дополнительные меры для обеспечения безопасности трансформатора.

 

(2) Защита разрядника: средства защиты активной зоны

Сетевые разрядники в первую очередьбеззазорные металлооксидные разрядники (МОА)иразрядники клапанного-типа с зазоромс общим принципом выбора: номинальное напряжение разрядника не должно быть ниже временного перенапряжения в месте установки, а номинальное напряжение разрядника в нейтральной-точке не должно быть ниже максимального фазного напряжения трансформатора.

• Если номинальное напряжение слишком низкое: разрядники с зазором могут не гасить дуги при однофазных замыканиях-, что может привести к взрывам; МОА деградируют из-за чрезмерного поглощения энергии.
• Если номинальное напряжение слишком велико: напряжение импульсного разряда и остаточное напряжение увеличиваются, что снижает эффективность защиты.

В разрядниках с зазором-клапанного типа используются нелинейные клапанные диски, которые демонстрируют высокую проводимость при больших токах молнии (поддерживая низкое остаточное напряжение) и низкую проводимость при нормальном напряжении (ограничение тока мощности-частоты). МОА без зазоров, использующие клапанные диски из оксида цинка, подавляют сопровождающий ток без зазоров, обеспечивая быстрый отклик, низкое остаточное напряжение и высокую допустимую силу тока-, что делает их основным выбором для защиты трансформаторов.

Согласно GB311.1-1997Согласование изоляции оборудования передачи и распределения высокого-напряженияТрансформаторы 6кВ имеют выдерживаемое напряжение грозового импульса 60кВ, а трансформаторы 10кВ - 75кВ. Для систем 6 кВ YH5WS-10/30 MOA имеет остаточное напряжение менее или равное 30 кВ, что дает коэффициент координации изоляции.. Для систем 10 кВ YH5WS-17/50 MOA обеспечивает, отвечающий требованиям безопасности по резервированию.обычно больше или равно 1,4 для грозовых импульсов и больше или равно 1,15 для коммутационных импульсов с учетом типа изоляции, распределения перенапряжения и старения окружающей среды.

 

 

 

 

(3) Улучшенная изоляция: дополнительная защита.

Для средних и малых трансформаторов (меньше или равно 35 кВ) ключевой дополнительной мерой является усиленная изоляция: утолщение изоляции обмоток высокого-напряжения и усиление межвитковой изоляции на входящих/выводных витках, чтобы выдерживать градиенты напряжения. Однако более толстая изоляция ухудшает рассеивание тепла и уменьшает межвитковую емкость, потенциально увеличивая градиенты напряжения,-что делает этот вариант пригодным только для сценариев с низким-напряжением и ценой-зависимости.

 

(4) Увеличенная межвитковая емкость: оптимизированное распределение напряжения.

Более высокая межвитковая емкостьулучшает равномерность распределения напряжения: большийотносительноснижает градиенты напряжения и риск перенапряжения. Такие методы, как чередующиеся обмотки и конденсаторные экраны, используются, особенно в зонах,-подвергаемых молниям, таких как горные подстанции или повышающие-станции ветряных электростанций.

 

(5) Защита от перенапряжения нейтральной-точки

Для подстанций в зонах,-подверженных грозам, с одним источником питания, обычное-проникновение трехфазной грозовой волны требует целенаправленной защиты нейтральной-точки. Основное решениенейтральная-точка МОА, которые защищают как от грозовых, так и от коммутационных перенапряжений с быстрым реагированием, низким остаточным напряжением и высокой допустимой токовой нагрузкой. В провинциях,-подверженных грозам, таких как Гуандун и Гуанси, уровень установки MOA в нейтральных-точках превышает 90 %. Разработанные для высоких номинальных напряжений, они остаются надежными даже при незначительных смещениях нейтральной-точки и выдерживают 1-кратное фазное напряжение силовой-частоты во время одно-фазовых замыканий.

Для экстремальных смещений нейтральной-точки (перенапряжение, превышающее или равное 2-кратному фазному напряжению мощности-частоты), используется параллельная схема "разрядник + горизонтальный зазор стержня": разрядники выдерживают грозовые/коммутационные перенапряжения, а промежутки ограничивают высокочастотные-мощные-частотные перенапряжения на разрядниках, создавая механизм взаимной защиты.

 

(6) Специализированная защита многообмоточных трансформаторов

Трансформаторы с тремя-обмотками (высокого, среднего и низкого напряжения) подвергаются риску электростатического индукционного перенапряжения, особенно когда обмотки низкого-напряжения разомкнуты. Волны молнии на стороне высокого-напряжения передаются на обмотки низкого-напряжения посредством электростатической связи и электромагнитной индукции, а низкая емкость относительно земли повышает электростатическое напряжение, угрожая изоляции. Разрядники на выводах обмоток низкого-напряжения непосредственно подавляют проникающие перенапряжения.

Кроме того, напряжение нулевой-последовательности от асимметричных замыканий или неисправностей выключателя передается на обмотки низкого-напряжения через емкостную связь. Чтобы смягчить это явление, используются прерыватели с высоким-синхронизмом, а на шинных мостах низкого- напряжения устанавливаются 3 конденсатора с Y-соединением, чтобы увеличить емкость относительно земли, поглощая энергию перенапряжения и уменьшая амплитуду/крутизну.

 

(7) Координированная защита системы низкого-напряжения

Длинные фидерные линии низкого-напряжения уязвимы для ударов молнии. При ударе молнии индуцируютобратное преобразование перенапряженияв обмотках высокого-напряжения (напряжение, превышающее номинальное в 2–3 раза) из-за электромагнитной индукции, угрожающей изоляции. МОА на стороне низкого-напряжения подавляют импульсный поток в обмотках низкого-напряжения, блокируя передачу перенапряжения. Трансформаторы с группами соединений Y/Zn11 по своей сути подавляют перенапряжение обратного преобразования, обеспечивая улучшенную защиту в сочетании с разрядниками низкого-напряжения.

 

(8) Другие специализированные меры защиты

Для конкретных сценариев перенапряжения дополнительные меры включают:

1. Катушки подавления дуги: подавление перенапряжения дугового заземления.

В незаземленных или дугогасящих катушках-заземленных распределительных системах катушки дугогасления компенсируют емкостной ток во время однофазных замыканий, сводя к минимуму ток короткого замыкания и предотвращая повторное возгорание дуги. Катушки автоматической-настройки отслеживают-изменения емкостного тока в реальном времени, ограничивая перенапряжение дугового заземления до значений, не превышающих 2-кратного номинального напряжения.

2. Реакторы: ограничение коммутации и силового-перенапряжения частоты

Серийные реакторы: Ограничьте пусковой ток трансформатора и коммутационное перенапряжение за счет увеличения индуктивности цепи, чтобы снизить скорость изменения тока. Например, последовательные реакторы на сторонах низкого-напряжения больших трансформаторов ограничивают пусковой ток в 2–3 раза больше номинального тока.

Шунтирующие реакторы: поглощает емкостную реактивную мощность в длинных-линиях передачи высокого напряжения, снижая перенапряжение-частоты мощности, вызванное эффектами зарядки линии. В линиях 500 кВ шунтирующие реакторы ограничивают перенапряжение до уровня, не превышающего номинальное напряжение в 1,3 раза, косвенно защищая трансформаторы.

3. Оптимизация системы заземления: снижение повышения потенциала заземления

Оптимизированные заземляющие сетки (например, стальные электроды, покрытые медью-, дополнительные заземляющие столбы) снижают сопротивление заземления подстанции до значения менее или равного 0,5 Ом, сводя к минимуму повышение потенциала земли во время ударов молнии и предотвращая контратаки. В зонах,-подверженных воздействию молний, ​​«независимое заземление + уравнивание потенциалов» еще больше снижает разность потенциалов земли.

4. Варисторы и устройства защиты от перенапряжения (SPD): защита концов низкого- напряжения.

Варисторы (MOV) или УЗИП в фидерных розетках низкого-напряжения подавляют наведенные грозовые и коммутационные перенапряжения, предотвращая перенапряжение обратного преобразования. Эти устройства обеспечивают наносекундный отклик и низкое остаточное напряжение, что идеально подходит для защиты концов системы распределения низкого-напряжения.

 

 

 

 

 

 

В этом списке рассматриваются потребности в защите от перенапряжения для разных уровней напряжения и сценариев, следуя основной логикепрямая молниезащита + ограничение напряжения ядра + специализированное подавление + координация системы. Он соответствует конструктивным особенностям трансформаторов SCOTECH, соответствующим мерам защиты и индивидуальным решениям для непосредственного использования при проектировании, техническом взаимодействии с клиентами и выборе продукции.

 

Сценарий применения	Основные условия эксплуатации	Основные меры защиты	Индивидуальная адаптация SCOTECH
Наружные подстанции/Ветряные электростанции Шаговые-Верхние станции (Напряжение выше или равно 35 кВ, районы,-подверженные молниям/горные районы)	Высокий риск прямой молнии; комбинированное грозовое/коммутационное перенапряжение; нейтральная-точка, потенциальный риск смещения	1. Внешняя молниезащита. 2. Бесщелевые МОА на стороне высокого-напряжения 3. Нейтральная-точка MOA + параллельная защита от зазора стержня 4. Оптимизированное распределение емкости обмотки.	1. Пользовательскийчередующиеся обмотки/экраны конденсаторовна вводных зажимах трансформатора для оптимизации распределения напряжения; 2. МОА нейтральной-точки SCOTECH, подобранные по индивидуальному заказу-, соответствующие максимальному фазному напряжению трансформатора; 3. Интерфейсы установки разрядников на нулевом расстоянии для уменьшения повышения остаточного напряжения на электрическом расстоянии; 4. Рекомендации по оптимизации сети заземления в сочетании с громоотводами/проводами для полного покрытия прямой молнией.
Городские распределительные подстанции (10/6 кВ, городские районы, частое переключение нагрузки)	Частые переключения; повторное коммутационное перенапряжение; отсутствие прямой молнии, но риск наведенной молнии; низкий резонансный риск	1. Разрядники клапанного типа с высоким-зазором на стороне высокого напряжения-/МОА 2. Последовательные реакторы для ограничения пускового тока. 3. Устройства защиты от перенапряжения со стороны низкого-напряжения (SPD). 4. Улучшенная изоляция входных клемм.	1. Утолщенная межвитковая/заземляющая изоляцияна входных клеммах обмотки высокого-напряжения для защиты от перенапряжения при переключении; 2. Предварительно-интегрированные интерфейсы для низковольтных реакторов/УЗП, поддерживающие индивидуальные компоненты защиты от низкого-низкого напряжения; 3. Оптимизированная индуктивность возбуждения трансформатора для снижения вероятности резонанса при частом переключении.
Сельские распределительные трансформаторы (10/6 кВ, удаленные зоны,-подверженные грозам, частые одно-фазовые замыкания)	Высокий риск прямой/индуцированной молнии; значительные дуговые перенапряжения на заземление; длинные сельские линии, высокий риск перенапряжения обратного преобразования	1. Разрядники-, монтируемые на столбе + МОА на стороне низкого- напряжения. 2. Заземление нейтральной- точки через дугогасительные катушки. 3. Защита УЗИП на стороне низкого-напряжения. 4. Подавление перенапряжения обратного преобразования.	1. ПродвигайтеТрансформаторы группы подключения Y/Zn11для подавления перенапряжения обратного преобразования; 2. Стандартные интерфейсы MOA низкого-низкого напряжения, напрямую совместимые с УЗИП низкого-напряжения; 3. Оптимизированная изоляция нейтральной-точки для поддержки автоматической-настройки катушек дугогашения; 4. Монтажные кронштейны разрядника нулевого-расстояния для трансформаторов, монтируемых на столбе-
Специализированные трансформаторы для промышленных предприятий (10/35 кВ, много-обмотка, большие колебания нагрузки)	Многообмоточное электростатическое индукционное перенапряжение; коммутационное перенапряжение от переключения нагрузки; риск связи напряжения нулевой-последовательности; низкое-перенапряжение обратного преобразования напряжения	1. Независимые разрядники для каждой обмотки. 2. Шунтирующие конденсаторы на стороне низкого-напряжения для поглощения перенапряжения. 3. Последовательные реакторы для ограничения пускового напряжения/перенапряжения. 4. Армирование многослойной изоляции.	1. Независимая усиленная изоляциядля каждой обмотки: оптимизированное распределение емкости на сторонах высокого-напряжения, утолщенная изоляция заземления на сторонах низкого-напряжения; 2. Предварительно-установленные интерфейсы для 3 Y-подключаемых конденсаторов на низковольтных шинных мостах для поглощения перенапряжений нулевой-последовательности; 3. Реакторы специальной серии, адаптированные к колебаниям нагрузки,-наведенным пусковым током; 4. Таблицы соответствия выбора разрядников для уровней напряжения нескольких-обмоток
Трансформаторы-передачи на большие расстояния (Напряжение больше или равно 110 кВ, линии электропередачи больше или равны 50 км)	Перенапряжение-частоты сети из-за зарядки от сети; значительные коммутационные перенапряжения от коммутации линии; крутое распространение волны молнии	1. МОА высокой-мощности на сторонах высокого-напряжения. 2. Шунтирующие реакторы на стороне сети- для емкостного поглощения реактивной мощности. 3. Подавление крутизны грозовой волны. 4. Повышенный класс изоляции трансформатора.	1. ПользовательскийТрансформаторы с высокой устойчивостью к грозовым импульсамадаптирован к-крутизне грозовых волн на больших расстояниях; 2. Оптимизированные характеристики возбуждения трансформатора для уменьшения резонанса с сетевыми реакторами; 3. МОА с большой-токовой-емкостью на сторонах высокого-напряжения, позволяющие устранить силовое-частотное/коммутационное перенапряжение; 4. Компоненты буфера грозовых волн на входящих терминалах для уменьшения крутизны волны.
Компактные подстанции/Сборные трансформаторные подстанции (10/6 кВ, городские/парковые зоны, пространство-ограничено)	Нет независимой защиты от прямой молнии; высокая интеграция оборудования, малые электрические расстояния; наведенная молния + внутреннее коммутационное перенапряжение	1. Интегрированные MOA внутри шкафа. 2. Дополнительная защита варистора (MOV). 3. Подавление перенапряжений на входящей линии. 4. Защита эквипотенциального соединения	1. Монтажные позиции встроенного разрядникадля интеграции-трансформатора-разрядника нулевого расстояния; 2. Встроенные-варисторы на стороне низкого-напряжения для подавления внутреннего коммутационного перенапряжения; 3. Конструкция эквипотенциального соединения внутри шкафов для снижения риска потенциальной контратаки на землю; 4. Оптимизированная конструкция выхода обмотки для компактного пространства, сводящая к минимуму неравномерность градиента напряжения.

 

Дополнительные примечания

• Все решения поддерживаюткомплексное согласование трансформаторов SCOTECH и компонентов защиты, что снижает затраты на вторичный выбор клиента и установку.
• Для экстремальных условий (например, зоны сильных гроз, большая высота, сильное загрязнение) используются расширенные возможности, такие какизоляционные покрытия, защищающие от-загрязнений, разрядники для больших-токов и независимые клеммы заземления.доступны.