Προστασία μετασχηματιστή από υπερτάσεις: Πώς να επιλέξετε αντικεραυνικά για υπερτάσεις από κεραυνούς και διακοπτικές λειτουργίες

Ένας επιστάτης χρησιμότητας στη νότια Λουζόν μας απέστειλε τον περασμένο Αύγουστο μια φωτογραφία μιας εγκατάστασης που φαινόταν εντελώς φυσιολογική την ημέρα που εγκρίθηκε: ένας μετασχηματιστής 13,8 kV επί του εδάφους, ένα νέο αντικεραυνικό από πολυμερές στη βάση του, φρέσκο βερνίκι. Δύο λεπτομέρειες δεν περιλαμβάνονταν στην αρχική προδιαγραφή: τέσσερα πόδια (1,22 m) συνεστραμμένου καλωδίου μεταξύ της ακροδέκτη του αντικεραυνικού και του δοχείου του μετασχηματιστή, και ένας αγωγός γείωσης που διέρχεται πίσω από τη βάση στήριξης αντί να κατευθύνεται απευθείας προς την επιφάνεια γείωσης. Τρεις εβδομάδες αργότερα, ο κεραυνός χτύπησε τη γραμμή. Το αντικεραυνικό επέζησε χωρίς κανένα σημάδι. Η πρωτεύουσα περιέλιξη όμως όχι.

Τι κάνει ένα αντικεραυνικό — και τι δεν μπορεί να κάνει

Ένα σύγχρονο προστασία μετασχηματιστή από υπερτάσεις το σχήμα βασίζεται σε ένα μεταλλοξειδικό προστατευτικό ρεύματος (varistor) χωρίς διακένημα. Κάτω από την αναφοράς τάσης, το varistor συμπεριφέρεται σαν ανοικτό κύκλωμα και καταναλώνει μικρορεύματα. Πάνω από αυτήν, η αντίστασή του καταρρέει, ο προστατευτικός διακόπτης αποκλείει το ρεύμα κορυφής προς τη γη, και επιστρέφει σε κατάσταση υψηλής αντίστασης πολύ πριν από τον επόμενο ημικύκλο. IEEE C62.11-2020 ορίζει τη συσκευή ίδια, καλύπτοντας μεταλλοξειδικούς προστατευτικούς διακόπτες για κυκλώματα 48 έως 62 Hz με τάση άνω των 1.000 V, οι οποίοι περιορίζουν τις κορυφές από κεραυνούς και διακοπές με τη διέλευση ρεύματος εκκένωσης και στη συνέχεια αυτόματα περιορίζουν τη ροή του ρεύματος λειτουργίας του συστήματος. Είναι ένα ενεργό πρότυπο, που δημοσιεύθηκε τον Σεπτέμβριο του 2020.

Ο προστατευτικός διακόπτης δεν απορροφά την κορύφη· την περιορίζει. Αυτό που πραγματικά υφίσταται η περιέλιξη είναι η τάση εκκένωσης του προστατευτικού διακόπτη. πλεονέκτημα η τάση που αναπτύσσει η κορύφη στον αγωγό σύνδεσης που εκτείνεται από τον ακροδέκτη του προστατευτικού διακόπτη μέχρι το σημείο που προστατεύει. Και οι δύο όροι είναι πραγματικοί. Μόνο ο δεύτερος μπορεί ακόμη να τροποποιηθεί με ένα κλειδί την ημέρα της εγκατάστασης.

Ένα αντικεραυνικό που επιλέχθηκε τέλεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί κακώς. Η επιλογή και η σύνδεση είναι δύο διαφορετικές εργασίες, και οι αγοραστές συνήθως αναθέτουν μόνο μία από αυτές.

 

 

Η προστασία των μετασχηματιστών από υπερτάσεις ξεκινά με την MCOV, όχι με την ονομαστική kV.

Τα περισσότερα RFQ που φτάνουν στο γραφείο μηχανικών μας καθορίζουν ένα αντικεραυνικό με βάση την ονομαστική τάση — «ένα αντικεραυνικό 10 kV», «ένα αντικεραυνικό 18 kV». Αυτός ο αριθμός είναι μια κατάταξη κύκλου λειτουργίας και, από μόνος του, σχεδόν δεν λέει τίποτα για το κατά πόσο η συσκευή είναι κατάλληλη για το δίκτυό σας. Ο αριθμός που καθορίζει την εφαρμογή είναι MCOV : η μέγιστη συνεχής λειτουργική τάση (MCOV), δηλαδή η υψηλότερη RMS τάση που μπορεί να αντέξει το αντικεραυνικό στα άκρα του επ’ αόριστον χωρίς υπερθέρμανση.

Η τιμή MCOV καθορίζεται από τη γείωση του συστήματος, όχι από τον μετασχηματιστή. Σε ένα αποτελεσματικά γειωμένο σύστημα, ο αντικεραυνικός διακόπτης εκτίθεται στην τάση φάσης-προς-γη σε κανονική λειτουργία, οπότε το απαιτούμενο μέγεθος είναι η μέγιστη τάση φάσης-προς-γη — δηλαδή 7,65 kV σε ένα πολυγειωμένο σύστημα 12,47 kV. Σε ένα μη γειωμένο ή γειωμένο μέσω αντίστασης σύστημα, μια βραχυκύκλωση φάσης-προς-γη επιτρέπει στις μη βραχυκυκλωμένες φάσεις να πλησιάσουν την πλήρη τάση φάσης-προς-φάση, οπότε η απαίτηση γίνεται MCOV ίσο ή μεγαλύτερο του 90 % της μέγιστης τάσης φάσης-προς-φάση. Ο ίδιος μετασχηματιστής, η ίδια τάξη τάσης, αλλά δύο πολύ διαφορετικοί αντικεραυνικοί διακόπτες.

Τάση γραμμής-προς-γραμμή του συστήματος (kV, ονομαστική)	MCOV αντικεραυνικού διακόπτη — αποτελεσματικά γειωμένο (kV)	MCOV αντικεραυνικού διακόπτη — γειωμένο μέσω αντίστασης ή μη γειωμένο (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	Δεν συνιστάται

Αυτοί οι αριθμοί προέρχονται από τα δεδομένα εφαρμογής αντικεραυνικών διακοπτών που δημοσιεύει η Hubbell Power Systems, και συμφωνούν με τα δεδομένα που παρατηρούμε στα βορειοαμερικανικά δίκτυα διανομής ( Κατάλογος Hubbell 70, Αντικεραυνικοί Διακόπτες . Η πρακτική συνέπεια αξίζει να δηλωθεί ρητά. Εάν μία προδιαγραφή αναφέρει «μη γειωμένο σύστημα», ενώ το σύστημα είναι πραγματικά τετρασύρματο με πολλαπλή γείωση, αγοράζετε περίπου διπλάσια τιμή MCOV από αυτή που χρειάζεστε — και πληρώνετε γι’ αυτό με υψηλότερη τάση εκκένωσης, η οποία είναι ακριβώς η τιμή που προσπαθούσατε να διατηρήσετε χαμηλή.

Υπάρχει ένα ακόμη χρήσιμο σχέση όταν διαβάζετε φύλλο προδιαγραφών: η ονομαστική τάση ενός αντικεραυνικού είναι συνήθως περίπου 1,25 φορές η MCOV του. Γι’ αυτό ένα αντικεραυνικό διανομής με ονομαστική τάση 10 kV έχει MCOV περίπου 8,4 kV, και γι’ αυτό και οι δύο τιμές μεταβάλλονται συγχρόνως όταν αλλάζετε την υπόθεση γείωσης για τον ίδιο μετασχηματιστή.

 

Μήκος Αγωγού, Γείωση και Προστατευτικό Περιθώριο που Μετράει Πραγματικά

Αυτό είναι το σημείο που παραβλέπουν οι περισσότεροι αγοραστές. Κάθε πόδι (foot) καλωδίου σύνδεσης μεταξύ του αντικεραυνικού και του εξοπλισμού που προστατεύει προσθέτει τάση στη μόνωση κατά τη διάρκεια μιας υπερτάσεως, επειδή το ρεύμα πρέπει να διανύσει αυτή την απόσταση και να επιστρέψει.

Μήκος καλωδίου σύνδεσης αντικεραυνικού (ft)	Προστιθέμενη τάση στα 10 kA (kV)	Ποσοστό ενός τυλίγματος BIL 95 kV
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

Τη προστατευτικό περιθώριο είναι οι αριθμητικές πράξεις που συνδέουν όλα αυτά. Αφαιρέστε την τιμή BIL του τυλίγματος, την τάση εκκένωσης του αντικεραυνικού και τη συνεισφορά του καλωδίου σύνδεσης, και διαιρέστε το αποτέλεσμα με την τιμή BIL. Σε μετασχηματιστή διανομής 13,8 kV, το τυπικό επίπεδο πρωτεύουσας μόνωσης είναι 95 kV BIL, και το συνιστώμενο ελάχιστο προστατευτικό περιθώριο είναι 20 τοις εκατό. Ένα καλώδιο σύνδεσης μήκους 10 ft καταναλώνει 16 kV από αυτά τα 95 kV — δηλαδή σχεδόν όλο το συνιστώμενο περιθώριο, προτού ακόμη και ένα kV της τάσης εκκένωσης του αντικεραυνικού ληφθεί υπόψη.

Η γείωση αποτυγχάνει με τον ίδιο ήσυχο τρόπο. Το γειωτικό καλώδιο πρέπει να είναι σύντομο, ευθύγραμμο και να διατηρείται χωριστό από την βάση στήριξης, καταλήγοντας σε αφιερωμένη πλάκα που είναι συνδεδεμένη με τη δεξαμενή και με το γειωτικό πλέγμα του σταθμού. Η διέλευση της γειωτικής διαδρομής μέσω των βιδωτών εξαρτημάτων της βάσης εισάγει μια σύνδεση που διαβρώνεται, χαλαρώνει και αυξάνει την αντίσταση ακριβώς τη στιγμή που εμφανίζεται η υπερτάση. NFPA 780 , το Πρότυπο για την Εγκατάσταση Συστημάτων Προστασίας από Κεραυνούς, είναι η τρέχουσα έκδοση του 2026 και αποτελεί το κύριο αναφορικό έγγραφο για τους περισσότερους επιθεωρητές Βορείου Αμερικής. Διαβάστε το πριν εγκρίνετε μια διάταξη, όχι μετά από μια αποτυχία.

 

Επιλογή της Κατάλληλης Κλάσης Προστασίας για τον Μετασχηματιστή που Αγοράζετε

Οι προστατευτικές συσκευές ταξινομούνται βάσει της ενέργειας υπερτάσεων και του ρεύματος βραχυκυκλώματος που μπορούν να αντέξουν, και η κλάση τους πρέπει να αντιστοιχεί στην κρισιμότητα του εξοπλισμού που προστατεύουν — όχι στο μέγεθος της παραγγελίας.

Κλάση προστατευτικής συσκευής	Τυπική εφαρμογή	Σημειώσεις επιλογής
Διανομή	μετασχηματιστές διανομής 12,47–34,5 kV, μονάδες επί του εδάφους, στύλοι ανόδου	ονομαστικό ρεύμα εκκένωσης 10 kA. Η κανονική έκδοση κατάλληλη για αγωγούς αγροτικών περιοχών με ελαφριά φόρτιση· η ενισχυμένη έκδοση όπου η συσκευή εκτίθεται στο περιβάλλον ή ο αγωγός είναι μακρύς.
Μεσαίος	Μικροί υποσταθμοί, μεσαίας τάσης πίνακες διακοπτών, μετασχηματιστές πάνω από 5 MVA	Υψηλότερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας από την κατηγορία διανομής. Χρησιμοποιείται όπου ο εξοπλισμός που προστατεύεται είναι ακριβός και η έκθεση σε κινδύνους είναι υψηλή.
Σταθμός	Μετασχηματιστές κατηγορίας μεταφοράς και κρίσιμοι υποσταθμοί	Υψηλότερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας και ανοχής βραχυκυκλωμάτων. Το συμπεριφορά απελευθέρωσης πίεσης και οι απαιτήσεις βαθμονόμησης καθορίζονται ρητώς στο πρότυπο IEEE C62.11.

Σε μετασχηματιστές επί πλάκας (pad-mounted) στη Βόρεια Αμερική, ο αποσπαστήρας συνήθως προσδένεται με βίδες στο δοχείο με ειδική βάση και κάλυμμα, ενώ ο αγωγός γείωσης συνδέεται σε πλάκα που είναι συγκολλημένη στο τοίχωμα του δοχείου. Αυτό δεν είναι διακοσμητικό. Είναι η συντομότερη πρακτική διαδρομή από τη βάση του αποσπαστήρα στο γειωμένο χάλυβα, και είναι η μοναδική διαδρομή που διατηρεί τη συνεισφορά του αγωγού εντός του εύρους που οι μηχανικοί μας υπολογίζουν κατά το στάδιο της προσφοράς.

 

Τρεις επαναλαμβανόμενες προβληματικές καταστάσεις με αποσπαστήρες που παρατηρούμε συχνά στο πεδίο

Ζητάμε φωτογραφίες της υφιστάμενης εγκατάστασης προτού προσφέρουμε μια αντικαταστατική μονάδα, και οι ίδιες τρεις προτύπα επανεμφανίζονται συνεχώς.

• Περιελιγμένο ή δακτυλιοειδές καλώδιο ηγέτη. Μια ομάδα που κρατά 6 ft καλωδίου ηγέτη και χρειάζεται 18 in. από αυτό θα περιελίξει το υπόλοιπο καθαρά κατά μήκος της δεξαμενής. Κάθε στροφή προσθέτει επαγωγή και τάση. Συντομεύστε το καλώδιο ηγέτη· μην το «καθαρίζετε».
• Διαδρομή γείωσης μέσω του στηρίγματος τοποθέτησης. Είναι γρήγορο, αλλά είναι λάθος. Οι βίδες του στηρίγματος δεν αποτελούν αγωγό γείωσης την ημέρα της εγκατάστασης, ούτε θα γίνουν κάποτε, ακόμα και μετά από δύο χειμώνες σε μια παραθαλάσσια περιοχή.
• Προστατευτικό συσκευής διαλεγμένη βάσει της ισχύος kVA του μετασχηματιστή αντί της γείωσης του συστήματος. Η ισχύς kVA της μονάδας δεν επηρεάζει την τιμή MCOV. Η διαμόρφωση της γείωσης το επηρεάζει, και αυτή είναι μια απάντηση με μία γραμμή στο σχέδιο.

Ένα ακόμη σφάλμα κρύβεται μέσα στο πρώτο. Ένας αντικεραυνικός διακόπτης με εξωτερικό διακόπτη θα χάσει τον αγωγό του εάν ο αντικεραυνικός βραχυκυκλωθεί, κάτι που είναι ακριβώς αυτό που επιθυμούμε — όμως ο διακόπτης χρειάζεται ένα κενό αέρα που πρέπει να παραμένει ανοιχτό. Έχουμε ανοίξει πίνακες όπου ένα μόνο νήμα καλωδίου ή ένα κουνούπινο φωλιά που σχηματίστηκε εντός μιας εποχής είχε γεφυρώσει αυτό το κενό. Ο αντικεραυνικός ήταν ακόμη εκεί. Απλώς δεν προσέφερε προστασία σε τίποτα.

 

Πώς ενσωματώνουμε προστασία από υπερτάσεις σε κάθε παραγγελία μετασχηματιστή

Η Ryan Electric κατασκευάζει μετασχηματιστές από το 2007, και από το 2023 λειτουργεί ως εταίρος κοινής επιχείρησης της Eaton. Στο εργοστάσιο Danyang — 120.000 τετραγωνικά μέτρα, περισσότερα από 180 σύνολα εξοπλισμού παραγωγής και δοκιμών, 37 διπλώματα ευρεσιτεχνίας — η αίθουσα διηλεκτρικών δοκιμών εκτελεί τις συνηθισμένες δοκιμές που απαιτεί η προδιαγραφή ενός έργου, καθώς και τις δοκιμές κρούσης στα σχέδια που τις απαιτούν, και η τιμή BIL που εμφανίζεται στην πινακίδα είναι το επίπεδο στο οποίο επικυρώθηκε το σχέδιο.

Όταν μια παραγγελία περιλαμβάνει αντικεραυνικά, καθορίζουμε την τιμή MCOV βάσει της γείωσης του συστήματος που μας δίνετε, αναφέρουμε την υποστήριξη στήριξης και το κάλυμμα στη λίστα υλικών και προσαρμόζουμε μια πλάκα γείωσης ώστε ο εγκαταστάτης να έχει άμεσο σημείο σύνδεσης αντί για ένα βολικό μπουλόνι. Στα προγράμματα UL και CSA, η υποστήριξη, η πλάκα γείωσης και η γείωση του δοχείου εξετάζονται ως μέρος της συναρμολόγησης, όχι ως πρόσθετα εξαρτήματα για εγκατάσταση επιτόπου.

 

Τι να συμπεριλάβετε στο αιτηματοδότημα (RFQ) σας για προστασία μετασχηματιστών από υπερτάσεις

Τέσσερις γραμμές στο αιτηματοδότημα (RFQ) σας θα αποφύγουν μια επανασχεδίαση αργότερα, και καμία από αυτές δεν απαιτεί περισσότερο από ένα λεπτό για να βρεθεί στα σχέδια.

• Γείωση του συστήματος: αποτελεσματικά γειωμένο, γειωμένο μέσω αντίστασης, αγείωτο ή delta — συν τη μέγιστη τάση του συστήματος, όχι μόνο την ονομαστική.
• Απαιτούμενη τιμή MCOV εάν την έχετε ήδη, καθώς και την κατηγορία αντικεραυνικού που προτίθεστε να καθορίσετε.
• Μέθοδος Τοποθέτησης: υποστήριξη δοχείου, διαμπέρεια δοκού, εσωτερικά του πίνακα ή σε θαλάμισμα πίνακα διανομής.
• Μήκος καλωδίου που μπορεί να επιτευχθεί στην πραγματική διάταξη και σε ποιο σημείο θα τοποθετηθεί η πλάκα γείωσης.

Στείλτε το μονογραμμικό διάγραμμα και το σχέδιο της τοποθεσίας με αυτές τις τέσσερις απαντήσεις, και εμείς θα σας επιστρέψουμε την επιλογή του αντικεραυνικού, την τάση εκκένωσής του, τη συνεισφορά των αγωγών και την τελική προστατευτικό περιθώριο στην προσφορά — ώστε η συζήτηση να γίνεται σε χαρτί, στο γραφείο σας, αντί για μέσα σε μια υποσταθμό μετά από καταιγίδα. Επικοινωνήστε με την ομάδα μηχανικών εφαρμογών στο [email protected], ή ανοίξτε τις σελίδες προϊόντων για μετατροπείς με λύπα και μετατροπείς εγκατεστημένοι σε πλάκα για να ζητήσετε υποστήριξη στη διάσταση για ένα συγκεκριμένο έργο.

 

Για τον συγγραφέα

Το παρόν άρθρο ετοιμάστηκε από την ομάδα μηχανικών εφαρμογών της Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), ενός κατασκευαστή μετασχηματιστών που εργάζεται σε έργα διανομής, ισχύος και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για πελάτες χρήστες, κέντρων δεδομένων, βιομηχανικών εγκαταστάσεων και υποδομών σε όλο τον κόσμο. Οι μηχανικοί μας καθορίζουν την επιλογή των αντικεραυνικών, τη συντονισμένη μόνωση και τις λεπτομέρειες γείωσης στα ίδια σχέδια που διέρχονται από το δοκιμαστικό κέντρο Danyang. Για ερωτήσεις σχετικά με την επιλογή της MCOV ή το προστατευτικό περιθώριο σε ένα συγκεκριμένο έργο, στείλτε email στο [email protected].