Защита на трансформаторите срещу вълни на пренапрежение: Как да изберете предпазители за гръмотевични и комутационни вълни

Ръководител на електроцентър от южната част на Лусон ни изпрати фотография миналата август на инсталация, която изглеждала напълно нормална в деня на приемането ѝ: трансформатор с напрежение 13,8 kV, монтиран на земята, нов полимерен предпазител на скобата му, пресни боя.

Какво прави един предпазител срещу вълни на пренапрежение — и какво не може да направи

Съвременен защита на трансформаторите срещу вълни на пренапрежение схемата е изградена около непрекъснат варистор от метален оксид. При напрежение под референтното си ниво варисторът се държи като отворена верига и консумира микроампери. При по-високо напрежение съпротивлението му рязко спада, предпазителят отвежда тока на импулса към земята и се връща в състояние с високо съпротивление още преди следващия полупериод. IEEE C62.11-2020 определя самото устройство и обхваща предпазители от метален оксид за вериги с честота 48–62 Hz и напрежение над 1000 V, които ограничават гръмотевични и комутационни импулси чрез пропускане на разряден ток, а след това автоматично ограничават протичането на работния ток на системата. Това е действащ стандарт, публикуван през септември 2020 г.

Предпазителят не абсорбира импулса — той го ограничава. Напрежението, на което всъщност е изложена намотката, е разрядното напрежение на предпазителя. плюс напрежението, което импулсът развива върху водещия проводник от терминала на предпазителя до точката, която се защитава. И двете понятия са реални. Само второто може да се промени дори в деня на инсталирането чрез ключ.

Арестирачът, който е избран идеално, все пак може да бъде неправилно приложен. Изборът и връзката са две различни задачи, а купувачите обикновено делегират само едната от тях.

 

 

Защитата на трансформаторите срещу пренапрежения започва с MCOV, а не с номиналното kV

Повечето заявките за оферти, които достигат до нашето инженерно бюро, посочват арестирач по номинално напрежение — „арестирач 10 kV“, „арестирач 18 kV“. Това число е класификация по режим на работа и само по себе си почти нищо не казва за това дали устройството е подходящо за вашата система. Числото, което определя приложението, е MCOV : максималното постоянно работно напрежение (MCOV), т.е. най-високото средноквадратично (RMS) напрежение, което арестирачът може да поддържа постоянно между своите терминали, без да прегрява.

MCOV се определя от заземяването на системата, а не от трансформатора. При ефективно заземена система предпазителят е подложен на напрежение между фаза и земя при нормална работа, затова изискването е максималното напрежение между фаза и земя — 7,65 kV в 12,47 kV система с множество заземявания. При неутрално незаземена или импедансно заземена система при повреда между фаза и земя неповредените фази могат да достигнат почти пълното напрежение между фази, затова правилото става: MCOV трябва да е равен или по-висок от 90 % от максималното напрежение между фази. Същият трансформатор, същият клас напрежение, но два много различни предпазителя.

Номинално междупроводно напрежение на системата (kV)	MCOV на предпазителя — ефективно заземена система (kV)	MCOV на предпазителя — импедансно заземена или неутрално незаземена система (kV)
4.16	2.55	5.10
12.47	7.65	15.30
13.80	8.40	15.30
24.94	15.30	29.00
34.50	22.00	Не се препоръчва

Тези стойности са взети от данните за приложение на предпазители, публикувани от Hubbell Power Systems, и съответстват на това, което наблюдаваме в северноамериканските разпределителни системи ( Каталог 70 на Hubbell, Предпазители срещу пренапрежения ) Практическото последствие заслужава да се формулира ясно. Ако в спецификацията е посочено „незаземена система“, а системата всъщност е четирижична с многократно заземяване, вие придобивате приблизително два пъти по-високо MCOV, отколкото е необходимо — и това се отразява в по-високо напрежение на разряд, което е точно тази стойност, която сте се опитвали да поддържате на ниско ниво.

Още една полезна връзка при четене на технически данни: номиналното напрежение на предпазител обикновено е около 1,25 пъти по-голямо от неговото MCOV. Затова предпазител за разпределителна мрежа с номинално напрежение 10 kV има MCOV около 8,4 kV и затова и двете стойности се променят едновременно, когато промените допускането за заземяване на един и същи трансформатор.

 

Дължина на проводниците, заземяване и защитният запас, който действително има значение

Това е частта, която повечето покупатели пропускат. Всеки фут водещ проводник между предпазителя и оборудването, което той защитава, добавя напрежение към изолацията по време на вълна на пренапрежение, защото токът трябва да измине това разстояние и да се върне обратно. Ръководството за приложение на IEEE за металоксидни предпазители използва стойност от 1,6 kV на фут при ток от 10 kA, а стандартът за одобрение на FM DS 5-11 за мълниезащита и защита от вълни на пренапрежение на електрическото оборудване използва същата стойност.

Дължина на водещия проводник на предпазителя (фут)	Добавено напрежение при 10 kA (kV)	Част от увивката с BIL 95 kV
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

Пазарът защитна граница е аритметичната операция, която свързва всичко това. Извадете напрежението на разряд на увивката BIL, извадете напрежението на разряд на предпазителя и приноса от водещия проводник, след това разделете резултата на BIL. При разпределителен трансформатор 13,8 kV стандартният първичен ниво на изолация е 95 kV BIL, а препоръчителният минимум защитна граница е 20 процента. Десетфутовият водещ проводник консумира 16 kV от тези 95 kV — почти цялата препоръчителна граница, преди дори един kV от напрежението на разряд на предпазителя да бъде отчетен срещу нея.

Заземяването се проваля по същия тих начин. Заземяващият кабел трябва да е къс, прав и отделен от монтажния скоб, като завършва в специално заземено окачване, свързано както с резервоара, така и с общата заземителна мрежа на станцията. Прокарването на заземителния път през болтови скоби внася съединение, което корозира, разхлабва се и увеличава импеданса точно в момента, когато настъпи вълната на пренапрежение. NFPA 780 , Стандарт за инсталиране на молниезащитни системи, е текущото издание от 2026 г. и представлява основния документ, от който повечето инспектори в Северна Америка извличат насоки. Прочетете го преди одобрение на проекта, а не след авария.

 

Избор на подходящ клас на ограничител за трансформатора, който придобивате

Ограничители се класифицират според енергията на вълната на пренапрежение и тока на късо съединение, които могат да издържат, а класът трябва да отговаря на критичността на оборудването, разположено зад тях — а не на размера на поръчката.

Клас на ограничител	Типични приложения	Бележки за избор
Разпространение	12,47–34,5 kV разпределителни трансформатори, наземни блокове, стълбове за вертикално вдигане	номинален ток на разряд 10 kA. Нормалният клас е подходящ за слабо натоварени селски фидери; тежък клас – когато уредът е изложен на външни влияния или фидерът е дълъг.
Средно	Малки подстанции, среднонапреженни комутационни устройства, трансформатори над 5 MVA	По-висока енергийна способност от разпределителния клас. Използва се, когато защитеното оборудване е скъпо и експозицията е висока.
Станция	Трансформатори за пренос и критични подстанции	Най-висока енергийна способност и устойчивост към повредни токове. Поведението при релефно налягане и изискванията за стъпенуване са изрично посочени в IEEE C62.11.

При наземно монтирани трансформатори в Северна Америка предпазителят обикновено се закрепва с болтове към резервоара чрез специален крепеж и капак, а заземяващият проводник се свързва с площадка, заварена към стената на резервоара. Това не е декорация. Това е най-късият практически път от основата на предпазителя до заземената стомана и единственият път, който осигурява, че допринесеният от проводника ефект остава в рамките, изчислени от нашите инженери на етапа на цитиране.

 

Три проблема с предпазители, които постоянно се наблюдават на терен

Искаме снимки на съществуващата инсталация, преди да предложим оферта за замяна на уреда, и едни и същи три модела постоянно се появяват.

• Навит или образуван в петли кабел за връзка. Екип, който държи 6 фута (1,83 м) кабел за връзка и има нужда от 18 инча (45,7 см) от него, ще навие останалата част по тези резервоари по чист начин. Всеки завой добавя индуктивност и напрежение. Скъсете кабела за връзка; не го подреждайте.
• Заземяване чрез монтажния скоб. Това е бързо, но погрешно. Болтовете на скобата не служат като заземяващ проводник в деня на инсталирането и няма да станат такива след две зимни сезона в крайбрежен двор.
• Предпазител, избран според kVA на трансформатора, а не според заземяването на системата. KVA-рейтингът на уреда няма никакво отношение към MCOV. Конфигурацията на заземяването има такова отношение, а тя се посочва с един ред в чертежа.

Още един дефект се крие в първия. Разпределителният предпазител с външен прекъсвач ще изхвърли своята жица при късо съединение на предпазителя, което е точно това, което искате — но прекъсвачът изисква въздушна междина, която трябва да остава непрекъсната. Отворили сме шкафове, в които единствена жичка или гнездо на насекоми, построено през цяла година, бяха премахнали тази междина. Предпазителят все още се намираше там. Просто не защитаваше нищо.

 

Как интегрираме защита от пренапрежения във всяка поръчка за трансформатори

Ryan Electric произвежда трансформатори от 2007 г., а от 2023 г. действа като партньор в съвместно предприятие с Eaton. В завода в Данян — 120 000 квадратни метра площ, повече от 180 комплекта производствено и изпитателно оборудване, 37 патента — залата за диелектрични изпитания извършва рутинните изпитания, предвидени от проектната спецификация, както и импулсните изпитания за онези конструкции, които ги изискват, а стойността на BIL, отпечатана на табелката, е нивото, при което конструкцията е била сертифицирана.

Когато поръчката включва предпазители от пренапрежения, ние определяме стойността на MCOV въз основа на системното заземяване, което ни предоставяте, посочваме монтиращия скоб и капака в спецификацията на материалите и заваряваме заземителна площадка, за да има монтажникът директна точка за свързване, а не просто удобен болт. В програмите UL и CSA скобата, заземителната площадка и свързването на резервоара се проверяват като част от сборката, а не се третират като аксесоари за монтаж на място.

 

Какво да включите в заявката си за цитиране (RFQ) за защита от пренапрежения за трансформатори

Четири реда в заявката ви за цитиране (RFQ) ще спестят последваща ревизия, а никой от тях не отнема повече от минута, за да бъде намерен в чертежите.

• Системно заземяване: ефективно заземено, заземено чрез импеданс, незаземено или делта — плюс максималното системно напрежение, а не само номиналното.
• Изисквана стойност на MCOV ако вече я притежавате, както и класа на предпазителя от пренапрежения, който възнамерявате да посочите.
• Метод на монтиране: монтиране на резервоара, на напречната греда, вътре в шкафа или в кубик за разпределително устройство.
• Допустима дължина на изводите в действителната компоновка и къде ще бъде разположена заземителната площадка.

Изпратете еднолинейната схема и плана на обекта заедно с тези четири отговора и ние ще ви върнем избора на предпазител, напрежението му при разряд, приноса на проводника и крайния резултат защитна граница в оферта — така дискусията протича на хартия, на вашето бюро, а не в подстанция след буря. Свържете се с екипа по приложна инженерна поддръжка на адрес [email protected] или отворете страниците на продуктите за трансформатори с нефтово охлаждане и трансформатори с монтиране на пода за да поискате поддръжка за размерите за конкретен проект.

 

За автора

Тази статия е подготвена от екипа по приложна инженерна поддръжка в Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), производител на трансформатори, който работи по проекти за разпределение, енергийни и възобновяеми енергийни системи за клиенти от електроенергийния сектор, центрове за обработка на данни, промишлеността и инфраструктурата по целия свят. Инженерите ни определят избора на предпазители, координацията на изолацията и подробностите за заземяването в рамките на същите проекти, които минават през нашата изпитателна зала в Даниян. За въпроси относно избора на MCOV или защитния запас за конкретен проект пишете на [email protected].