حفاظت از ترانسفورماتور در برابر نوسانات ناگهانی: چگونه شکننده‌های نوسان ناگهانی را برای صاعقه و نوسانات ناشی از قطع و وصل انتخاب کنیم

یک سرپرست برق‌رسانی در جنوب لوئون در آگوست گذشته عکسی از یک نصب‌شده را برای ما ایمیل کرد که در روز تحویل به‌ظاهر کاملاً عادی به‌نظر می‌رسید: یک ترانسفورماتور قرارگرفته روی زمین با ولتاژ ۱۳٫۸ کیلوولت، یک محافظ ضربه‌ای جدید از جنس پلیمر روی نگهدارنده‌اش، و رنگ تازه. دو جزئیات در مشخصات اولیه وجود نداشتند: چهار فوت سیم سربی پیچ‌خورده بین ترمینال محافظ ضربه‌ای و مخزن ترانسفورماتور، و یک هادی زمین‌کننده که به‌جای اینکه مستقیماً به سمت پد زمین‌کننده برسد، از مسیر نگهدارنده عبور کرده بود. سه هفته بعد صاعقه به خط تغذیه اصابت کرد. محافظ ضربه‌ای بدون هیچ خراشی باقی ماند. اما سیم‌پیچ اولیه نتوانست مقاومت کند.

کاری که یک محافظ ضربه‌ای انجام می‌دهد — و کاری که نمی‌تواند انجام دهد

مدرن محافظت از ترانسفورماتور در برابر ضربه‌های الکتریکی طرح حول یک واریستور اکسید فلزی بدون فاصله ساخته شده است. در ولتاژ مرجع آن، واریستور مانند یک مدار باز رفتار کرده و میکروآمپر می‌کشد. در ولتاژهای بالاتر، مقاومت سقوط کرده، صاعقه‌گیر جریان ناگهانی را به زمین هدایت می‌کند و خیلی قبل از نیم‌چرخهٔ بعدی به حالت امپدانس بالا بازمی‌گردد. IEEE C62.11-2020 دستگاه را تعریف می‌کند و شامل صاعقه‌گیرهای اکسید فلزی برای مدارهای ۴۸ تا ۶۲ هرتز بالای ۱٬۰۰۰ ولت می‌شود که ولتاژهای ناشی از صاعقه و سوئیچینگ را با عبور جریان تخلیه و سپس محدود کردن خودکار جریان برق سیستم محدود می‌کنند. این یک استاندارد فعال است که در سپتامبر ۲۰۲۰ منتشر شده است.

صاعقه‌گیر ناگهانی را جذب نمی‌کند. آن را مهار می‌کند. آنچه سیم‌پیچ واقعاً تجربه می‌کند، ولتاژ تخلیهٔ صاعقه‌گیر است. علاوه بر ولتاژی که ناگهانی در سیم رابط ایجاد می‌کند که از ترمینال صاعقه‌گیر تا نقطه‌ای که محافظت می‌کند امتداد دارد. هر دو اصطلاح واقعی هستند. فقط مورد دوم را می‌توان در روز نصب با آچار تغییر داد.

یک بازداشتن‌کنندهٔ که به‌طور کامل انتخاب شده باشد، همچنان ممکن است به‌صورت نامناسبی در سیستم نصب شده باشد. انتخاب و اتصال دو کار متفاوت هستند و معمولاً خریداران تنها یکی از این دو را به‌عهدهٔ دیگران می‌گذارند.

 

 

حفاظت از ترانسفورماتور در برابر نوسانات ولتاژ با MCOV آغاز می‌شود، نه با ولتاژ نامی (Rated kV)

بیشتر درخواست‌های پیشنهاد قیمت (RFQ) که به میز مهندسی ما می‌رسند، بازداشتن‌کننده را بر اساس ولتاژ نامی مشخص می‌کنند — مثلاً «یک بازداشتن‌کنندهٔ ۱۰ کیلوولتی» یا «یک بازداشتن‌کنندهٔ ۱۸ کیلوولتی». این عدد یک رتبه‌بندی چرخهٔ کاری (duty-cycle rating) است و به‌تنهایی تقریباً هیچ اطلاعاتی دربارهٔ مناسبت این واحد برای سیستم شما ارائه نمی‌دهد. عددی که تعیین‌کنندهٔ کاربرد است MCOV : ولتاژ حداکثر عملیاتی پیوسته (MCOV)، یعنی بالاترین ولتاژ مؤثر (RMS) که بازداشتن‌کننده می‌تواند به‌طور نامحدود در دو سر خود تحمل کند بدون اینکه داغ شود.

مقدار ولتاژ کاری ماکزیمم عایق‌گیر (MCOV) توسط سیستم زمین‌شده تعیین می‌شود، نه ترانسفورماتور. در یک سیستم به‌طور مؤثر زمین‌شده، عایق‌گیر در حالت عادی کارکرد، ولتاژ خط به زمین را تحمل می‌کند؛ بنابراین شرط لازم، خود بیشترین ولتاژ خط به زمین است — یعنی ۷٫۶۵ کیلوولت در یک سیستم چندزمین‌شده با ولتاژ اسمی ۱۲٫۴۷ کیلوولت. در سیستم‌های بدون زمین یا زمین‌شده از طریق امپدانس، در صورت وقوع خطا بین فاز و زمین، ولتاژ فازهای بدون خطا به ولتاژ فاز به فاز کامل نزدیک می‌شود؛ بنابراین قاعده این است که MCOV عایق‌گیر باید حداقل ۹۰ درصد از بیشترین ولتاژ فاز به فاز باشد. ترانسفورماتور یکسان، رده ولتاژ یکسان، اما دو عایق‌گیر کاملاً متفاوت.

ولتاژ اسمی خط به خط سیستم (کیلوولت)	MCOV عایق‌گیر — سیستم به‌طور مؤثر زمین‌شده (کیلوولت)	MCOV عایق‌گیر — سیستم زمین‌شده از طریق امپدانس یا بدون زمین (کیلوولت)
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	توصیه نمی‌شود

این اعداد از داده‌های کاربردی عایق‌گیر انتشار‌یافته توسط شرکت هابل پاور سیستمز گرفته شده‌اند و با مشاهدات ما از سیستم‌های توزیع آمریکای شمالی همخوانی دارند ( کاتالوگ شماره ۷۰ هابل، عایق‌گیرهای ضربه‌ای پیامد عملی این موضوع را باید به‌صورت صریح بیان کرد. اگر در یک مشخصات فنی عبارت «سیستم بدون اتصال به زمین» آمده باشد، اما سیستم در واقع یک سیستم چهارسیمه با اتصال چندگانه به زمین باشد، شما تقریباً دو برابر ولتاژ MCOV مورد نیاز خود را خریداری می‌کنید — و برای این امر با افزایش ولتاژ تخلیه هزینه می‌پردازید، که دقیقاً همان عددی است که سعی داشتید آن را پایین نگه دارید.

یک رابطهٔ دیگر نیز هنگام مطالعهٔ برگهٔ مشخصات فنی مفید است: ولتاژ نامی یک سیستم حفاظتی معمولاً حدود ۱٫۲۵ برابر MCOV آن است. به همین دلیل است که یک سیستم حفاظتی توزیعی با ولتاژ نامی ۱۰ کیلوولت، MCOVی حدود ۸٫۴ کیلوولت دارد و همچنین دلیل این است که هر دو این اعداد هنگام تغییر فرضیهٔ اتصال به زمین برای ترانسفورماتوری یکسان، همراه با یکدیگر تغییر می‌کنند.

 

طول سیم‌های رابط، اتصال به زمین و حاشیهٔ حفاظتی واقعی که اهمیت دارد

این بخشی است که بیشتر خریداران از آن غافل می‌مانند. هر فوت از سیم رابط بین محافظ و تجهیزاتی که آن را حفاظت می‌کند، در طول یک نوسان ولتاژی، به عایق‌بندی اضافه می‌شود، زیرا جریان باید این فاصله را طی کند و سپس بازگردد. راهنمای کاربردی انجمن مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) برای محافظ‌های اکسید فلزی، مقدار ۱٫۶ کیلوولت به ازای هر فوت را در جریان ۱۰ کیلوآمپر تعیین کرده است و استاندارد تأییدی اف‌ام (FM) شماره DS 5-11 برای حفاظت از تجهیزات الکتریکی در برابر صاعقه و نوسان‌های ولتاژی نیز از همین مقدار استفاده می‌کند.

طول سیم رابط محافظ (فوت)	افزایش ولتاژ در جریان ۱۰ کیلوآمپر (کیلوولت)	سهم از سطح عایق‌بندی نامی ۹۵ کیلوولتی پیچش
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

این حاشیه حفاظتی محاسبات ساده‌ای است که تمام این موارد را به هم پیوند می‌دهد. سطح عایق‌بندی نامی (BIL) پیچش را در نظر بگیرید، ولتاژ تخلیه محافظ و اثر طول سیم رابط را از آن کم کنید، سپس نتیجه را بر BIL تقسیم کنید. در ترانسفورماتور توزیع ۱۳٫۸ کیلوولتی، سطح عایق‌بندی اولیه استاندارد ۹۵ کیلوولت BIL است و حداقل توصیه‌شدهٔ حاشیه حفاظتی ۲۰ درصد است. طول ۱۰ فوتی سیم رابط ۱۶ کیلوولت از آن ۹۵ کیلوولت را مصرف می‌کند — یعنی تقریباً تمام حاشیهٔ توصیه‌شده، حتی پیش از اینکه هر کیلوولتی از ولتاژ تخلیه محافظ در محاسبه لحاظ شود.

اتصال به زمین به‌همان شیوه بی‌صدا شکست می‌خورد. سیم اتصال به زمین باید کوتاه، مستقیم و جدا از برکت نصب باشد و به یک پد اختصاصی متصل شود که به مخزن و شبکه اتصال به زمین ایستگاه متصل است. عبور دادن مسیر اتصال به زمین از طریق قطعات فلزی بسته‌شده با پیچ، اتصالی ایجاد می‌کند که در لحظه ورود اُورولت دقیقاً دچار خوردگی، شل‌شدن و افزایش امپدانس می‌شود. NFPA 780 ، استاندارد نصب سیستم‌های محافظت در برابر صاعقه، نسخه فعلی سال ۲۰۲۶ است و مرجع اصلی برای بیشتر بازرسان شمال آمریکا محسوب می‌شود. پیش از تأیید یک طرح، آن را مطالعه کنید — نه پس از وقوع خرابی.

 

انتخاب کلاس مناسب سرعت‌گیر برای ترانسفورماتوری که قصد خرید آن را دارید

سرعت‌گیرها بر اساس انرژی ناگهانی و جریان اتصال کوتاهی که می‌توانند تحمل کنند، طبقه‌بندی می‌شوند؛ و کلاس آن‌ها باید بر اساس حساسیت تجهیزاتی که در پشت آن‌ها قرار دارند تعیین شود — نه بر اساس حجم سفارش خرید.

کلاس سرعت‌گیر	کاربرد معمول	یادداشت‌های انتخاب
توزیع	ترانسفورماتورهای توزیع ۱۲٫۴۷ تا ۳۴٫۵ کیلوولت، واحدهای نصب‌شده روی پایه، ستون‌های بالابر	جریان تخلیه اسمی ۱۰ کیلوآمپر. نوع معمولی برای فیدرهای روستایی با بار سبک مناسب است؛ نوع سنگین‌کاربرد در مواردی که دستگاه در معرض عوامل محیطی قرار دارد یا فیدر طولانی است.
متوسط	زیرایستگاه‌های کوچک، تجهیزات قطع و وصل ولتاژ متوسط، ترانسفورماتورهای بالای ۵ مگاولت‌آمپر	ظرفیت انرژی بالاتر از رده توزیع. در مواردی که تجهیزات محافظت‌شده گران‌قیمت هستند و میزان مواجهه با خطر بالاست، استفاده می‌شود.
ایستگاه	ترانسفورماتورهای رده انتقال و زیرایستگاه‌های حیاتی	بالاترین ظرفیت انرژی و تحمل جریان اتصال کوتاه. رفتار شیر اطمینان فشاری و الزامات هماهنگی در استاندارد آی‌ای‌ای‌ئی سی۶۲.۱۱ به‌صورت صریح ذکر شده‌اند.

در ترانسفورماتورهای نصب‌شده روی پایه در آمریکای شمالی، معمولاً سرکوب‌کننده با یک براکت و پوشش اختصاصی به مخزن بسته می‌شود و سیم اتصال به زمین در یک صفحه‌ی جوش‌خورده به دیواره‌ی مخزن فرود می‌آید. این صرفاً تزئینی نیست. بلکه کوتاه‌ترین مسیر عملی از پایه‌ی سرکوب‌کننده به فولاد زمین‌شده است و تنها مسیری است که مقدار اثر سیم اتصال را در محدوده‌ای نگه می‌دارد که مهندسان ما در مرحله‌ی پیشنهاد قیمت محاسبه می‌کنند.

 

سه مشکل رایج سرکوب‌کننده که به‌طور مکرر در محل نصب مشاهده می‌شوند

ما از عکس‌های نصب موجود قبل از ارائه پیش‌فاکتور برای واحد جایگزین درخواست می‌کنیم و همین سه الگوی تکراری به‌طور مداوم بازمی‌گردند.

• سیم رابط پیچیده یا حلقه‌ای. تیمی که ۶ فوت سیم رابط در دست دارد و تنها ۱۸ اینچ از آن را نیاز دارد، بقیه را به‌صورت منظم در امتداد مخزن پیچ می‌کند. هر دور افزودنی به القایی و ولتاژ می‌افزاید. سیم رابط را کوتاه کنید؛ آن را مرتب نکنید.
• مسیر زمین‌شدن از طریق براکت نصب. این روش سریع است، اما اشتباه است. پیچ‌های براکت در روز نصب هیچ‌گونه هادی زمین‌شدنی نیستند و پس از دو زمستان در یک محیط ساحلی نیز چنین نخواهند شد.
• انتخاب اندازه بازداشته‌کننده بر اساس kVA ترانسفورماتور به‌جای زمین‌شدن سیستم. رتبه kVA دستگاه هیچ‌گونه ارتباطی با MCOV ندارد. بلکه پیکربندی زمین‌شدن این ارتباط را برقرار می‌کند و پاسخ آن در نقشه به‌صورت یک خط مشخص شده است.

یک شکست دیگر درون شکست اول پنهان است. یک قطع‌کننده توزیع با قطع‌کننده خارجی، در صورت اتصال کوتاه شدن قطع‌کننده، سیم رهبر آن را قطع می‌کند — که دقیقاً همان چیزی است که می‌خواهید؛ اما قطع‌کننده نیازمند یک شکاف هوایی است که باید همواره تمیز باقی بماند. ما کابینت‌هایی را باز کرده‌ایم که در آن‌ها تنها یک رشته سیم یا لانه حشره‌ای که در طول یک فصل ساخته شده بود، آن شکاف را پر کرده بود. قطع‌کننده هنوز در جای خود بود، اما هیچ چیز را محافظت نمی‌کرد.

 

چگونه محافظت در برابر نوسانات ولتاژ را در هر سفارش ترانسفورماتور جاسازی می‌کنیم

رایان الکتریک از سال ۲۰۰۷ ترانسفورماتور تولید می‌کند و از سال ۲۰۲۳ به‌عنوان شریک مشترک اتون فعالیت می‌کند. در کارخانه دانیانگ — با مساحت ۱۲۰۰۰۰ مترمربع، بیش از ۱۸۰ دستگاه تجهیزات تولیدی و آزمایشی، و ۳۷ اختراع ثبت‌شده — سالن آزمایش عایقی، آزمایش‌های معمولی را که در مشخصات پروژه درج شده‌اند و همچنین آزمایش‌های ضربه‌ای را برای طرح‌هایی که نیازمند آن‌ها هستند، انجام می‌دهد؛ و مقدار BIL که روی پلاک نامی حک شده است، همان سطحی است که طرح در آن سطح تأیید صلاحیت شده است.

هنگامی که سفارش شامل مهارکننده‌ها باشد، ما ولتاژ مؤثر حداکثری عایق (MCOV) را بر اساس سیستم زمین‌شناسی که شما در اختیار ما قرار می‌دهید تعیین می‌کنیم، پایهٔ نصب و درپوش را در فهرست مواد ذکر می‌کنیم و یک صفحهٔ زمین‌زنی را جوش می‌دهیم تا نصاب نقطهٔ فرود مستقیمی داشته باشد نه فقط یک پیچ مناسب.

 

چه چیزهایی را باید در درخواست پیشنهاد قیمت (RFQ) خود برای محافظت از ترانسفورماتور در برابر ضربه‌های ناشی از صاعقه ذکر کنید

ذکر چهار خط در درخواست پیشنهاد قیمت (RFQ)، در آینده از انجام اصلاحات جلوگیری می‌کند و هیچ‌کدام از این خطوط بیش از یک دقیقه زمان نمی‌برد تا روی نقشه‌ها پیدا شوند.

• زمین‌شناسی سیستم: زمین‌شدهٔ مؤثر، زمین‌شدهٔ امپدانسی، بدون زمین یا دلتا — به علاوهٔ حداکثر ولتاژ سیستم، نه فقط ولتاژ اسمی.
• ولتاژ مؤثر حداکثری مورد نیاز (MCOV) در صورتی که قبلاً آن را دارید و ردهٔ مهارکننده‌ای که قصد مشخص‌کردن آن را دارید.
• روش نصب: پایهٔ مخزن، بازوی عرضی، داخل کابینت یا کوپهٔ تجهیزات قطع و وصل.
• طول قابل‌دستیابی سیم رابط در چیدمان واقعی و محلی که صفحهٔ زمین‌زنی نصب خواهد شد.

نمودار تک‌خطی و نقشه سایت را همراه با آن چهار پاسخ ارسال کنید تا ما انتخاب مهارکننده، ولتاژ تخلیه آن، اثر طول سیم‌کشی و نتیجه نهایی را به شما ارائه دهیم. حاشیه حفاظتی در پیش‌فاکتور — بنابراین بحث‌ها روی کاغذ و روی میز شما انجام می‌شود، نه در یک ایستگاه فرعی پس از طوفان. برای تماس با تیم مهندسی کاربردی، به آدرس [email protected] ایمیل بفرستید یا صفحات محصولات ترانسفورماتورهای غوطه‌گیر و تранسفورماتورهای مونتاژ شده بر روی پاد را باز کنید تا حمایت از اندازه‌گیری برای یک پروژه خاص درخواست دهید.

 

درباره نویسنده

این مقاله توسط تیم مهندسی کاربردی شرکت Ryan Electric (شرکت برق جیانگسو رایان، محدوده) تهیه شده است؛ سازنده‌ای از ترانسفورماتورها که در پروژه‌های توزیع، توان و انرژی‌های تجدیدپذیر برای مشتریان برق‌رسانی، مراکز داده، صنعتی و زیرساختی در سراسر جهان فعالیت می‌کند. مهندسان ما انتخاب مهارکننده، هماهنگی عایقی و جزئیات اتصال به زمین را در همان طرح‌هایی مشخص می‌کنند که از آزمایشگاه آزمون دانیانگ ما عبور می‌کنند. برای پرسش‌هایی درباره انتخاب MCOV یا حاشیه محافظتی در یک پروژه خاص، به آدرس [email protected] ایمیل بفرستید.