Transzformátorok túlfeszültség-védelme: Hogyan válasszunk túlfeszültség-levezetőket villám- és kapcsolási túlfeszültségek ellen

Egy dél-luzoni közmű-előadó múlt augusztusában e-mailben küldött nekünk egy fényképet egy olyan berendezésről, amely a leadáskor teljesen normálisnak tűnt: egy 13,8 kV-os talapzatos transzformátor, egy új polimer túlfeszültség-levezető a tartóján, friss festés. Két részlet nem szerepelt az eredeti specifikációban: négy láb hosszú, tekercselt vezeték a levezető csatlakozója és a transzformátor háza között, valamint egy földelő vezeték, amely visszavezetve haladt át a rögzítőtartón, ahelyett, hogy egyenesen lefelé ment volna a földelőlapra. Három héttel később villám csapott a tápláló vonalba. A levezető sértetlen maradt, rajta semmi nyom nem látszott. A primer tekercs azonban nem.

Mit tesz egy túlfeszültség-levezető – és mit nem tud megtenni

Egy modern transzformátor túlfeszültség-védelem a sémát egy hézagmentes fém-oxid varisztor alkotja. A referenciafeszültség alatt a varisztor nyitott áramkörként viselkedik, és mikroamperes áramot vesz fel. A referenciafeszültség felett az ellenállása összeomlik, a levezető a túlfeszültséget földelésre vezeti, majd a következő félperiódus beállta előtt visszatér magas impedanciájú állapotba. IEEE C62.11-2020 a készüléket magát határozza meg, és a 48–62 Hz-es, 1000 V-nál nagyobb feszültségű hálózatokhoz szolgáló fém-oxid levezetőket írja le, amelyek a villám- és kapcsolási túlfeszültségeket úgy korlátozzák, hogy levezetési áramot engednek át, majd automatikusan korlátozzák a rendszer teljesítményáramának átfolyását. Ez egy érvényes szabvány, 2020. szeptemberben jelent meg.

A levezető nem nyeli el a túlfeszültséget. Lezárja azt. Ami a tekercs ténylegesen érzékel, az a levezető levezetési feszültsége. plusz az a feszültség, amely a levezető csatlakozópontjától a védendő pontig futó vezetékben keletkezik a túlfeszültség hatására. Mindkét fogalom valós. Csak a második módosítható még a telepítés napján egy kulccsal.

Egy tökéletesen kiválasztott túlfeszültség-védő még mindig rosszul alkalmazott túlfeszültség-védő lehet. A kiválasztás és a csatlakoztatás két külön feladat, és a vásárlók általában csak az egyiket bízzák meg másokra.

 

 

A transzformátorok túlfeszültség-elleni védelme az MCOV értékkel kezdődik, nem a névleges kV értékkel

A mérnöki osztályunkhoz érkező legtöbb RFQ a névleges feszültség alapján határozza meg a túlfeszültség-védőt – például „egy 10 kV-os túlfeszültség-védő”, „egy 18 kV-os túlfeszültség-védő”. Ez a szám egy üzemi ciklus-jellemző, és önmagában majdnem semmit sem mond arról, hogy az egység alkalmas-e a rendszerükre. Az alkalmazást meghatározó szám MCOV : a legnagyobb folyamatos üzemelési feszültség (MCOV), azaz a legmagasabb effektív (RMS) feszültség, amelyet a túlfeszültség-védő hosszú távon, túlmelegedés nélkül képes elviselni a kapcsain.

Az MCOV értéket a rendszer földelése határozza meg, nem a transzformátor. Egy hatékonyan földelt rendszerben a túlfeszültség-védő normál üzem során a vonal–föld feszültséget látja, így az előírás maga a maximális vonal–föld feszültség – például 7,65 kV egy 12,47 kV-os többponton földelt rendszeren. Egy földelés nélküli vagy impedanciával földelt rendszerben egy fázis–föld rövidzárlat esetén a hibamentes fázisok feszültsége közelítheti a teljes fázis–fázis feszültséget, ezért az előírás az MCOV értékére az, hogy legalább a maximális fázis–fázis feszültség 90 százaléka legyen. Ugyanaz a transzformátor, ugyanaz a feszültségosztály, de két nagyon különböző túlfeszültség-védő.

A rendszer vonal–vonal feszültsége (kV, névleges)	Túlfeszültség-védő MCOV értéke – hatékonyan földelt rendszerhez (kV)	Túlfeszültség-védő MCOV értéke – impedanciával földelt vagy földelés nélküli rendszerhez (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	Nem ajánlott

Ezeket az értékeket a Hubbell Power Systems túlfeszültség-védő alkalmazási adatai alapján állították fel, és megegyeznek azzal, amit Észak-amerikai elosztórendszerekben tapasztalunk ( Hubbell Katalógus 70, Túlfeszültség-védők ) A gyakorlati következményt egyértelműen meg kell említeni. Ha egy műszaki leírás „földelés nélküli rendszert” ír elő, de a rendszer valójában négyvezetékes, többponton földelt, akkor körülbelül kétszer annyi MCOV-ot vesz meg, amennyire szüksége van – és ezt a magasabb levezetési feszültséggel fizeti meg, amely éppen az a szám, amit alacsonyan akart tartani.

Egy további hasznos összefüggés adatlapok olvasásakor: egy túlfeszültség-védő névleges feszültsége általában körülbelül 1,25-szöröse az MCOV-jának. Ezért egy 10 kV névleges feszültségű elosztóhálózati túlfeszültség-védő MCOV-ja körülbelül 8,4 kV, és ezért mindkét érték együtt változik, ha ugyanazon transzformátor földelési feltételezését módosítja.

 

Kábelhossz, földelés és a ténylegesen számító védőtartalék

Ez a rész, amit a vásárlók legtöbbször figyelmen kívül hagynak. Az levezető vezeték minden lábja – amely az áramvédő és a védelmezett berendezés között helyezkedik el – feszültséget ad hozzá a szigeteléshez túlfeszültség esetén, mert az áramnak ezt a távolságot kell megtennie, majd visszatérnie. A metalloxid-áramvédők IEEE alkalmazási útmutatója 1,6 kV/láb értéket használ 10 kA-nál, és az FM jóváhagyási szabvány DS 5-11 (villám- és túlfeszültségvédelem elektromos berendezésekhez) ugyanezt az értéket alkalmazza.

Áramvédő levezető vezeték hossza (láb)	Hozzáadott feszültség 10 kA-nál (kV)	95 kV BIL tekercelés részaránya
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

Avédelmi tartalék az aritmetikai művelet, amely mindezt összekapcsolja. Vegye a tekercelés BIL értékét, vonja le belőle az áramvédő levezetési feszültségét és a levezető vezeték hozzájárulását, majd ossza el az eredményt a BIL értékkel. Egy 13,8 kV-os elosztótranszformátor esetében a szokásos primer szigetelési szint 95 kV BIL, és a javasolt minimális védelmi tartalék 20 százalék. Egy 10 láb hosszú levezető vezeték 16 kV-ot használ fel ebből a 95 kV-ból – ez majdnem az egész javasolt tartalék, még mielőtt egyetlen kV levezetési feszültség is számítana ellene.

A földelés ugyanolyan csendes módon meghiúsul. A földelővezetéknek rövidnek, egyenesnek és elkülönítettnek kell lennie a rögzítő konzoltól, és egy külön, a tartályhoz és az állomás földelőhálózatához csatlakoztatott padra kell csatlakoznia. Ha a földelő útvonalat a csavaros konzol alkatrészein keresztül vezetik, akkor egy olyan kapcsolódási pont keletkezik, amely korrodálódik, lazzul és éppen a túlfeszültség érkezésekor növeli az impedanciát. NFPA 780 , a Villámvédelmi Rendszerek Telepítésének Szabványa, a jelenleg érvényes 2026-os kiadás, és ez az a szabvány, amelyet a legtöbb észak-amerikai felügyelő alkalmaz. Olvassa el, mielőtt jóváhagy egy elrendezést, ne pedig egy hiba után.

 

A megfelelő levezetőosztály kiválasztása a vásárolni kívánt transzformátorhoz

A levezetők osztályozása a rájuk várható túlfeszültség-energiára és hibáramra épül, és az osztálynak a mögöttük lévő berendezés kritikusságát kell követnie – nem a megrendelés méretét.

Levezetőosztály	Tipikus alkalmazás	A kiválasztott jegyzékek
Elosztás	12,47–34,5 kV-os elosztótranszformátorok, talapzatra szerelt egységek, emelőoszlopok	10 kA névleges levezetési áram. A normál üzemmód könnyen terhelt vidéki ellátóvezetékekhez alkalmas; a nehéz üzemmód akkor szükséges, ha az egység kitett helyen van vagy a vezeték hosszú.
Középhaladó	Kis alállomások, közepes feszültségű kapcsolóberendezések, 5 MVA feletti transzformátorok	Magasabb energiaképesség, mint a elosztási osztályé. Akkor használatos, ha a védett berendezés drága és a kitettség magas.
Állomás	Távvezetéki osztályú transzformátorok és kritikus alállomások	Legmagasabb energia- és rövidzárási áram-ellenállás. A nyomáskiegyenlítő viselkedés és a koordinációs követelmények kifejezetten szerepelnek az IEEE C62.11 szabványban.

Észak-Amerikában a pad-mouned transzformátorokon a túlfeszültség-védőt általában egy speciális tartó- és takaróelemmel rögzítik a tartályhoz, és a földelővezeték a tartály falára hegesztett talapzatra csatlakozik. Ez nem díszítés. Ez a legrövidebb gyakorlatilag megvalósítható útvonal a túlfeszültség-védő aljától a földelt acél szerkezethez, és ez az egyetlen útvonal, amely biztosítja, hogy a vezeték hozzájárulása a számításba vett tartományon belül maradjon – ezt mérnökeink a megajánlás fázisában határozzák meg.

 

Három túlfeszültség-védő-probléma, amelyet a gyakorlatban ismétlődően észlelünk

Kérem, küldjön fényképeket a meglévő berendezésről, mielőtt árajánlatot adnánk egy új egységre, és ugyanazok a három minta folyamatosan visszatérnek.

• Tekercselt vagy hurkolt vezeték. Egy munkacsoport, amely 6 láb hosszú vezetéket tart kezében, és 18 hüvelyknyire van szüksége belőle, a maradékot rendesen tekercseli a tartály mentén. Minden kör további induktivitást és feszültséget ad hozzá. Rövidítse a vezetéket; ne rendezze el.
• Földelési útvonal a rögzítő konzolon keresztül. Gyors, de helytelen. A konzol csavarjai nem földelővezetők az üzembe helyezés napján, és két tél után sem lesznek azok egy part menti telepen.
• A túlfeszültség-védő méretezése a transzformátor kVA-értéke alapján történik, nem a rendszer földelése alapján. Az egység kVA-jelölése nem befolyásolja az MCOV értékét. A földelési konfiguráció befolyásolja, és ez egy soros válasz a rajzon.

Egy további hiba rejtőzik az elsőben. Egy külső megszakítóval ellátott elosztóföldelő leejti vezetékét, ha a földelő rövidre zár, és éppen ezt várjuk el tőle – de a megszakítónak olyan levegőrést kell biztosítania, amelyen keresztül a szigetelés megmarad. Olyan szekrényeket nyitottunk fel, ahol egyetlen vezetékszál vagy egy egész évszak alatt épített rovarfészek áthidalta ezt a rést. A földelő továbbra is ott volt. Csak semmit sem védett.

 

Hogyan építjük be a túlfeszültség-védelmet minden transzformátorrendelésbe

A Ryan Electric 2007 óta gyárt transzformátorokat, és 2023 óta az Eaton közös vállalati partnere. A danyangi gyárban – 120 000 négyzetméteres terület, 180-nál több gyártási és vizsgáló berendezés, 37 szabadalom – a dielektromos vizsgálócsarnok a projekt specifikációja által előírt rutinvizsgálatokat és azoknak a terveknek az impulzusvizsgálatait is elvégzi, amelyekhez ez szükséges, és a névleges táblacskán feltüntetett BIL-érték az a szint, amelynél a tervezés jóváhagyásra került.

Amikor egy rendelésben túlfeszültség-védelem található, az MCOV értéket a megadott rendszerföldelés alapján határozzuk meg, a szerelői tartozékok között felsoroljuk a rögzítő konzolt és a burkolatot a anyaglista (BOM) részeként, valamint hegesztünk egy földelő lemezt, hogy a szerelőnek közvetlen rögzítési lehetősége legyen, ne pedig csak egy kényelmes csavar helye.

 

Mit kell feltüntetni az árajánlat-kérésben (RFQ) a transzformátorok túlfeszültség-védelméhez

Négy sor az árajánlat-kérésben (RFQ) megakadályozza a későbbi módosítást, és egyik sem tart tovább egy percnél a rajzokon való megtalálásához.

• Rendszerföldelés: hatékonyan földelt, impedanciával földelt, földelés nélküli vagy delta kapcsolású — valamint a maximális rendszerszintű feszültség, nem csupán a névleges érték.
• Szükséges MCOV ha már rendelkezésre áll, valamint a megkívánt túlfeszültség-védelmi osztály.
• Szerelési módszer: transzformátorpalack konzolja, kereszttartó, szekrény belseje vagy kapcsolóberendezési kabinett.
• Elérhető vezeték-hossz a tényleges elrendezésben, valamint ahol a földelő lemez rögzítésre kerül.

Küldje el az egyvonalas diagramot és a telephelytervet ezzel a négy válasszal, és mi visszaküldjük az túlfeszültség-védelem kiválasztását, a levezetési feszültségét, a vezetékhozzájárulást és az eredményezett védelmi tartalék a megajánlásban – így a megbeszélés papíron zajlik, az Ön íróasztalánál, nem pedig egy alállomáson vihar után. Érje el az alkalmazástechnikai csapatot a [email protected] címen, vagy nyissa meg a termékoldalakat a(z) olajban táplált transzformátorok és pad-elhelyezett transzformátorok kéréséhez egy adott projekt méretének meghatározásához szükséges támogatásra.

 

A szerzőről

Ezt a cikket a Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) alkalmazástechnikai csapata készítette, egy olyan transzformátor-gyártó vállalat, amely elosztási, teljesítmény- és megújuló energia-projekteken dolgozik világszerte közmű-, adatközpont-, ipari és infrastruktúra-ügyfelek számára. Mérnökeink ugyanazon a terveken határozzák meg a túlfeszültség-védelem kiválasztását, az izolációs koordinációt és a földelés részleteit, amelyek a danyangi teszthallban futnak le. Ha kérdése van az MCOV kiválasztásával vagy egy adott projekt védelmi tartalékával kapcsolatban, írjon a [email protected] címre.