Muuntajan ylijännitesuojaus: Kuinka valita salama- ja kytkentäylijännitteiden varalta tarkoitetut ylijännitesuojauslaitteet

Hyötyverkon työnjohtaja eteläisestä Luzonista lähetti meille viime elokuussa valokuvan asennuksesta, joka näytti täysin normaalilta päivänä, jona se hyväksyttiin: 13,8 kV:n maassa asennettu muuntaja, uusi polymeerinen suojauslaite sen pitikkeessä ja tuore maali. Kaksi yksityiskohtaa ei ollut alkuperäisessä eritelmässä. Neljä jalkaa (noin 1,2 metriä) kelattua johtimenpätkää suojauslaitteen liittimen ja muuntajan säiliön välillä. Ja maadoitusjohtimen kulku takaisin kiinnityspitikän läpi suoraan maapadalle sen sijaan, että se olisi kulkenut suoraan alaspäin. Kolmen viikon kuluttua sähköisku iski syöttölinjaan. Suojauslaite selvisi ilman yhtään merkkiä vauriosta. Ensisijainen käämi ei selvinnyt.

Mitä ylijännitesuojauslaite tekee – ja mitä se ei voi tehdä

Moderni muuntajan ylijännitesuojaus kytkentä perustuu aukoton metallioksidivaristoriin. Varistorin viitejännitteen alapuolella se toimii kuin avoin piiri ja kuluttaa mikroampeerejä. Viitejännitteen yläpuolella sen vastus romahtaa, varistori ohjaa ylijännitevirran maahan ja palautuu korkean impedanssin tilaan hyvin ennen seuraavaa puolijaksoa. IEEE C62.11-2020 määrittelee laitteen itse, kattaa metallioksidivaristorit 48–62 Hz:n piireihin yli 1 000 V:n jännitteellä, jotka rajoittavat salaman ja kytkentäylijännitteitä siirtämällä purkauksen virran ja sitten automaattisesti rajoittamalla järjestelmän tehovirran virtausta. Se on voimassa oleva standardi, joka julkaistiin syyskuussa 2020.

Varistori ei absorboi ylijännitettä. Se rajoittaa sitä. Käämin todellinen kokemus on varistorin purkajännite. lisää jännite, jonka ylijännite kehittää varistorin liitäntäpisteestä suojeltavaan kohteeseen kulkevassa johtimessa. Molemmat termit ovat todellisia. Vain jälkimmäistä voidaan vielä muuttaa asennuspäivänä ruuvimeisselillä.

Täysin oikein valittu varhaissuojaaja voi silti olla huonosti asennettu. Valinta ja kytkentä ovat kaksi eri tehtävää, ja ostajat yleensä antavat vain toisen niistä ulkopuoliselle suoritettavaksi.

 

 

Muuntajan ylijännitesuojaus alkaa MCOV:llä, ei nimellisellä kV:llä

Useimmat tarjouspyynnöt, jotka saapuvat meidän insinööritoimistolle, määrittelevät varhaissuojaajan nimellisjännitteen perusteella – esimerkiksi "10 kV:n varhaissuojaaja" tai "18 kV:n varhaissuojaaja". Tämä luku on käyttöjakson luokitus, eikä se yksinään kerro lähes mitään siitä, kuuluuko laite järjestelmääne. Luku, joka määrittää sovelluksen, on MCOV : suurin jatkuvasti sallittu käyttöjännite, eli korkein tehollinen jännite, jonka varhaissuojaaja kestää pysyvästi sen napojen välillä ilman ylikuumenemista.

MCOV-määritys perustuu järjestelmän maadoitukseen, ei muuntajaan. Tehokkaasti maadoitetussa järjestelmässä varoaika näkee normaalissa toiminnassa vaiheen ja maan välistä jännitettä, joten vaatimus on suurin vaiheen ja maan välinen jännite itse — 7,65 kV 12,47 kV:n useita kertoja maadoitetussa järjestelmässä. Maadoittamattomassa tai impedanssimaadoitetussa järjestelmässä vaiheen ja maan välinen vika saa vialliset vaiheet lähestymään täyttä vaiheen välistä jännitettä, joten sääntö muuttuu siten, että MCOV:n tulee olla vähintään 90 prosenttia suurimmasta vaiheen välisestä jännitteestä. Sama muuntaja, sama jänniteluokka, kaksi erilaista varoajaa.

Järjestelmän vaiheen välinen jännite (kV, nimellisarvo)	Varoajan MCOV — tehokkaasti maadoitettu (kV)	Varoajan MCOV — impedanssimaadoitettu tai maadoittamaton (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	Ei suositella

Nämä luvut ovat Hubbell Power Systemsin julkaisemista varoajien sovellustiedoista, ja ne vastaavat sitä, mitä havaitsemme pohjoisamerikkalaisissa jakelujärjestelmissä ( Hubbell Catalog 70, Surge Arresters ) Käytännön seuraus on syytä esittää suoraan. Jos eritelmässä mainitaan ’maaton järjestelmä’, mutta järjestelmä on itse asiassa nelijohdinmonimaastettu, ostatte noin kaksinkertaisen MCOV:n verran kuin tarvitsette – ja maksatte siitä korkeamman purkauksen jännitteen, mikä on juuri se arvo, jonka yrititte pitää mahdollisimman alhaisena.

Yksi lisäsuhteellisuus on hyödyllinen, kun luette teknistä tietolehteä: varauslaitteen nimellisjännite on yleensä noin 1,25-kertainen sen MCOV-arvoon nähden. Siksi 10 kV:n nimellisjännitteellä varustetun jakeluvaramuksen MCOV on noin 8,4 kV, ja siksi molemmat arvot muuttuvat yhdessä, kun vaihtaatte maadoitusoletusta samassa muuntajassa.

 

Johtimen pituus, maadoitus ja todellinen suojausvaraa

Tässä on osa, joka useimmiten jää ostajien huomiotta. Jokainen johdinjalan pituus (jalkaa) varmistimen ja sen suojaaman laitteiston välillä lisää eristeen jännitettä ylijännitetyyppisessä tilanteessa, koska virran on kuljettava kyseinen matka ja palattava takaisin. IEEE:n metallioksidi-varmistimia käsittelevä sovellusopas käyttää arvoa 1,6 kV/jalka 10 kA:n virralla, ja FM:n hyväksyntästandardi DS 5-11 sähkövarusteiden salama- ja ylijännitesuojaukseen käyttää samaa lukua.

Varmistimen johtimen pituus (jalkaa)	Lisätty jännite 10 kA:n virralla (kV)	95 kV:n BIL-käämityksen osuus
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

Markkina suojaväli on laskutoimitus, joka yhdistää kaiken tämän yhteen. Ota käämityksen BIL-arvo, vähennä siitä varmistimen purkujännite ja johtimen vaikutus, ja jaa tulos BIL-arvolla. 13,8 kV:n jakelumuuntimessa standardin mukainen ensisijainen eristystaso on 95 kV:n BIL, ja suositeltava vähimmäisarvo suojaväli on 20 prosenttia. 10 jalan pituinen johto kuluttaa 16 kV:tä tuosta 95 kV:sta — lähes koko suositellun suojavälin, ennen kuin varmistimen purkujännitteen vaikutusta edes otetaan huomioon.

Maadoitus epäonnistuu samalla hiljaisella tavalla. Maajohtimen tulisi olla lyhyt, suora ja erillinen kiinnityslevystä, ja sen tulisi päättyä erityiseen liitokseen, joka on kytketty säiliöön ja aseman maadoitusverkkoon. Maajohtimen ohjaaminen ruuvattujen kiinnitysosien kautta lisää liitoksen, joka syöpyy, löystyy ja lisää impedanssia juuri silloin, kun ylijännite saapuu. NFPA 780 , sähköiskun suojausjärjestelmien asennusstandardi, on nykyinen vuoden 2026 painos ja se on viite, jota useimmat pohjoisamerikkalaiset tarkastajat käyttävät. Lue se ennen kuin hyväksyt suunnitelman, ei vian jälkeen.

 

Oikean suojariston luokan valinta ostamallasi muuntajalla

Suojaristot luokitellaan niiden kestämän ylijänniteenergian ja vikavirran perusteella, ja luokan tulisi vastata sen takana olevan laitteen kriittisyyttä — ei ostotilauksen kokoa.

Suojariston luokka	Tavalliset käyttötapa	Valintahuomautukset
Jako	12,47–34,5 kV jakelumuuntajat, maassa asennetut yksiköt, nousupylväät	10 kA:n nimellisvirta purkautumisessa. Normaalikäyttö soveltuu kevyesti kuormitettuihin maaseutuverkkoihin; raskas käyttö silloin, kun laite on alttiina ulkoisille vaikutuksille tai kun verkkolinja on pitkä.
Väliaste	Pienet sähköasemat, keskijännitteinen kytkentälaite, muuntajat yli 5 MVA:n teholle	Korkeampi energiakapasiteetti kuin jakelu- ja jännitetasoluokassa. Käytetään, kun suojattava laite on kallis ja alttius vaurioille korkea.
Asento	Siirtoverkkoluokan muuntajat ja kriittiset sähköasemat	Korkein energiakapasiteetti ja oikosulkuvirtaan kestävyys. Paineenpurkautumiskäyttäytyminen ja jännitteenjakoa koskevat vaatimukset on määritelty tarkasti IEEE C62.11 -standardissa.

Pohjalle asennettujen muuntajien yhteydessä Pohjois-Amerikassa varhaissuoja on yleensä kiinnitetty säiliöön erityisellä kiinnikkeellä ja kannella, ja maadoitustie päättyy säiliön seinään hitsattuun pohjaan. Tämä ei ole vain koriste. Se on lyhin mahdollinen reitti varhaissuojan pohjasta maadoitettuun teräkseen, ja se on ainoa reitti, joka pitää johtimen vaikutuksen sisällä siitä alueesta, jonka insinöörimme laskevat tarjousvaiheessa.

 

Kolme varhaissuojaprobleemaa, joita havaitsemme toistuvasti kentällä

Pyydämme olemassa olevan asennuksen valokuvia ennen uuden yksikön tarjouksen laatimista, ja samat kolme mallia tulevat jatkuvasti takaisin.

• Kierretyt tai silmukoidut johtimen päät. Työryhmä, joka pitää 6 jalkaa (1,83 m) johtimen päätä käsissään ja tarvitsee siitä 18 tuumaa (45,7 cm), kierretään loput siististi säiliön ympärille. Jokainen kierros lisää induktanssia ja jännitettä. Lyhennä johtimen pituutta; älä vain järjestele sitä siististi.
• Maadoitustie kiinnityskannatin kautta. Se on nopeaa, mutta väärin. Kannattimen ruuvit eivät toimi maadoituskonduktorina asennuspäivänä, eivätkä ne muutu sellaiksi kahden talven jälkeen rannikolla sijaitsevassa pihassa.
• Purkausvarjelma mitoitettu muuntajan kVA-arvon perusteella eikä järjestelmän maadoituksen perusteella. Yksikön kVA-arvolla ei ole vaikutusta MCOV-arvoon. Maadoituskonfiguraatiolla on, ja se ilmoitetaan piirroksessa yhdellä rivillä.

Yksi lisävika piilee ensimmäisessä. Jakeluvarmistin ulkoisella erottimella pudottaa johtimensa, jos varmistin epäonnistuu oikosulussa – tämä on juuri sitä, mitä halutaan, mutta erottimen ilmaväly on pidettävä avoinna. Olemme avanneet kaappeleita, joissa yksittäinen johdin tai yhden kauden aikana rakennettu hyönteispesä oli sulkenut kyseisen ilmavälyn. Varmistin oli edelleen paikoillaan, mutta se ei suojannut mitään.

 

Kuinka integroimme jokaiseen muuntaja-tilaukseen sähköpiikin suojausjärjestelmän

Ryan Electric on valmistanut muuntajia vuodesta 2007 lähtien, ja vuodesta 2023 lähtien se toimii Eatonin yhteisyrityskumppanina. Danyangin tehtaassa – 120 000 neliömetriä suuressa tilassa, yli 180 tuotanto- ja testilaitetta, 37 patenttia – dielektrinen testihalli suorittaa sekä projektin vaatimat perustestit että niille suunnitelmille vaadittavat impulssitestit, ja nimikilvessä mainittu BIL-arvo on taso, jolla suunnittelu on hyväksytty.

Kun tilaukseen kuuluu varkaansuojauslaitteita, mitataan MCOV-arvo järjestelmän maadoituksen perusteella, jonka te ilmoitatte meille, luetellaan kiinnityslevy ja suojakansi materiaaliluettelossa ja hitsataan maadoituspiste, jotta asentaja saa suoran kiinnityskohdan eikä vain kätevän ruuvin. UL- ja CSA-ohjelmissa kiinnityslevy, maadoituspiste ja säiliön maadoitus tarkastetaan osana kokoonpanoa, eikä niitä käsitetä kenttälisävarusteiksi.

 

Mitä sisällyttää pyynnössä tarjousta (RFQ) muuntajan ylijännitesuojaukseen

Neljä riviä pyynnössä tarjousta (RFQ) säästää tarkistuksen myöhemmin, eikä yksikään niistä vie enempää kuin minuutti löytää piirustuksista.

• Järjestelmän maadoitus: tehokkaasti maadoitettu, impedanssimaadoitettu, maadoittamaton tai delta — sekä enimmäisjärjestelmäjännite, ei pelkästään nimellisjännite.
• Vaadittu MCOV-arvo jos se on jo tiedossa, sekä varkaansuojauslaitteen luokka, jonka aiotte määritellä.
• Asennustapa: säiliön kiinnityslevy, poikkipalkki, kaappi sisällä tai kytkinlaitteiston solukko.
• Saavutettava johtimen pituus todellisessa asennussuunnittelussa ja siitä, minne maadoituspiste sijoitetaan.

Lähetä yksirivinen kaavio ja sijaintisuunnitelma näillä neljällä vastauksella, ja toimitamme sinulle varaosan valinnan, sen purkaukajännitteen, johtimen vaikutuksen ja lopputuloksen suojaväli tarjouksessa – joten keskustelu tapahtuu paperilla, työpöydälläsi, eikä sähköasemalla myrskyn jälkeen. Ota yhteyttä sovellusinsinööritekniikkatiimiimme osoitteeseen [email protected] tai avaa tuotesivut öljyimmersioon perustuvat muuntajat ja pad-kiinnitettyjä muuntokoneita pyytääksesi koonmäärittämistukea tiettyyn projektiin.

 

Kirjoittajasta

Tämän artikkelin laativat sovellusinsinöörit Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), muuntajavalmistaja, joka työskentelee jakelu-, voima- ja uusiutuvan energian projekteissa hyödyntäen sähköverkkoyhtiöitä, tietokeskuksia, teollisuutta ja infrastruktuuria maailmanlaajuisesti. Insinöörimme määrittelevät varaosien valinnan, eristyskoordinoinnin ja maadoitustiedot samoihin suunnitelmiin, jotka testataan Danyangin testihallissa. Jos sinulla on kysyttävää MCOV-valinnasta tai suojavarauksesta tietyssä projektissa, lähetä sähköpostia osoitteeseen [email protected].