הגנה מפני הפרצות של טרנספורמטר: כיצד לבחור מוגני הפרצה להפרצות מהברק ומחיבורים

מפקח באגף החשמל בדרום לוזון שלח לנו בדוא'ל צילום באוגוסט האחרון של התקנה שנראתה תקינה לחלוטין ביום שאושרה: טרנספורמטר 13.8 kV מותקן על פלטפורמה, מוגן הפרצה פולימרי חדש על התרמיל שלו, צבע טרי. שני פרטים לא היו בתכנית המקורית. ארבע רגל של חוט עופרת מלופף בין המסוף של המוגן והטנק. וחוט הארקה שהופנה חזרה דרך התרמיל ההתקנה במקום ישר למטה ללוח הארקה. שלושה שבועות לאחר מכן הברק פגע בפידר. המוגן שרד ללא כל סימן עליו. הסליל הראשי לא שרד.

מה עושה מוגן הפרצה - ומה הוא לא יכול לעשות

מסך LED מודרני הגנה מפני הפרצות של טרנספורמטר הסכימה נבנית סביב וריסטור מתכת-חמצני ללא פער. מתחת למתח הייחוס שלו, הווריסטור מתנהג כמעגל פתוח וצורך מיקרואמפר. מעליו, ההתנגדות נופלת, המגין סורס את זרם גל הסערה לארקה, וחוזר למצב עכבה גבוהה הרבה לפני המחצית הבאה של המחזור. IEEE C62.11-2020 מגדיר את המכשיר עצמו, ומכסה מגיני מתכת-חמצני למעגלי 48 עד 62 הרץ מעל 1,000 וולט המגבילים גלי סער של ברק ומיתוג על ידי העברת זרם פריקה ואז הגבלה אוטומטית של זרימת זרם החשמל של המערכת. זהו תקן פעיל, שפורסם בספטמבר 2020.

המגין איננו בולע גל סער. הוא מגב אותו. מה שהסליל חווה למעשה הוא מתח הפריקה של המגין פלוס המתח שגל הסערה מייצר על חוט החיבור מהמסוף של המגין לנקודה שהוא מגן עליה. שני המונחים אמיתיים. רק את השני עדיין ניתן לשנות באמצעות מפתח ביום ההתקנה.

מגנה שנבחר במדויק יכול עדיין להיות מוגן בצורה לקויה. הבחירה וההתקנה הן שתי משימות שונות, וקונים בדרך כלל מוסרים רק אחת מהן.

 

 

הגנת טרנספורמטורים מפני עליות מתח מתחילה ב-MCOV, ולא ב-kV המדורגים

רוב הבקשות להצעת מחיר שמקבל צוות ההנדסה שלנו מציינות מגנה לפי מתח דירוג — "מגנה 10 kV", "מגנה 18 kV". המספר הזה הוא דירוג מחזור עבודה, ובשל עצמו הוא כמעט לא אומר כלום על כך שהיחידה מתאימה למערכת שלכם. המספר שמחליט את היישום הוא MCOV : מתח הפעולה המרבי הרציף (MCOV), כלומר המתח האפקטיבי הגבוה ביותר שאפשר להחזיק לאורך זמן על הדקיות המגנה ללא חימום יתר.

המתח המרבי לפעילות רציפה (MCOV) נקבע על ידי היצירת חיבור אדמה של המערכת, ולא על ידי הטרנספורמטור. במערכת עם חיבור אדמה יעיל, המניעת סופי (arrester) מתחברת למתח בין קווים לאדמה בתנאי פעילות רגילים, ולכן הדרישה היא למתח המרבי בין קווים לאדמה — כלומר 7.65 קילו-וואט במערכת מרובה חיבורי אדמה של 12.47 קילו-וואט. במערכת ללא חיבור אדמה או עם חיבור אדמה באימפדנס, תקלה בין פאזה לאדמה גורמת לפאזות שלא נפגעו להגיעה למתח המקסימלי בין פאזות, ולכן הכלל הוא ש-MCOV חייב להיות שווה או גבוה מ-90 אחוז מהמתח המקסימלי בין פאזות. אותו טרנספורמטור, אותה דרגת מתח — אך שני מניעי סופי שונים מאוד.

מתח המערכת בין קווים (קילו-וואט, נומינלי)	MCOV של מניעת סופי — מערכת עם חיבור אדמה יעיל (קילו-וואט)	MCOV של מניעת סופי — מערכת עם חיבור אדמה באימפדנס או ללא חיבור אדמה (קילו-וואט)
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	לא מומלץ

הערכים האלה נלקחו מנתוני יישום המניעות שפורסמו על ידי חברת Hubbell Power Systems, והם מתאימים למה שנצפה במערכות הפצה בצפון אמריקה ( קטלוג Hubbell מס' 70, מניעות סופי התוצאה המעשית שווה לתיאור ברור. אם במסמך הטכני כתוב "מערכת לא מארקת", אך בפועל המערכת היא מערכת ארבע-חוטים עם ארקות מרובות, תקנו בערך פי שניים את מתח ההפעלה המרבי (MCOV) הדרוש — ותשלמו על כך במתח פריצה גבוה יותר, אשר הוא בדיוק המספר שניסיתם לשמור נמוך.

קשר נוסף שמועיל בעת קריאת דף טכני: מתח הדרוג של מגן סופגנים הוא בדרך כלל כ-1.25 מה-MCOV שלו. לכן, מגן סופגנים לפליטה של 10 קילו-וולט בעל MCOV של כ-8.4 קילו-וולט, ולמה שני המספרים משתנים יחד כאשר משנים את הנחת הארקה על אותו トラנספורמר.

 

אורך החוט, ארקה והשוליים הגנתיים שחשובים באמת

הנה החלק שרוב הקונים מפספסים. כל רגל של כבל הובלה בין המניע לציוד אותו הוא מגן מוסיפה מתח על הבודד במהלך גל לחץ, מאחר שהזרם חייב לעבור את המרחק הזה ולחזור. הדרכה ליישום של IEEE למניעי חמצני מתכת משתמשת ב-1.6 קילו-וולט לרגל בזרם של 10 קילו-אמפר, ותקן האישור של FM DS 5-11 להגנה מפני ברקים והפרעות חשמליות על ציוד חשמלי משתמש באותו ערך.

אורך כבל ההובלה של המניע (רגל)	המתח המוסף בזרם של 10 קילו-אמפר (קילו-וולט)	החלק מתוך רמת הבידוד של סליל של 95 קילו-וולט
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

ה השוליים הגנים זה החישוב האריתמטי שמקשר את כל זה יחדיו. קחו את רמת הבידוד של הסליל (BIL), הפחיתו את מתח הפליטה של המניע ואת תרומת הכבל, ואז חלקו בתוצאה את רמת הבידוד. במשנת התפצה של 13.8 קילו-וולט, רמת הבידוד הסטנדרטית של הגליל הראשי היא 95 קילו-וולט BIL, והשוליים המינימליים המומלצים השוליים הגנים הם 20 אחוז. כבל באורך 10 רגל צורך 16 קילו-וולט מתוך אותם 95 קילו-וולט — כמעט את כל השוליים המומלצים, לפני שכולל אפילו קילו-וולט אחד ממתח הפליטה של המניע.

ההנחת אדמה נכשלת באותה דרך שקטה. כבל האדמה חייב להיות קצר, ישר ומנותק מהמסגרת המותקנת, ולנחות על פד מיוחד המחובר למיכל ולרשת האדמה של התחנה. עקיפת נתיב האדמה דרך חומר התקנה המוחזק בבורג יוצרת מפרק שמתעכל, משתחרר ומוסיף התנגדות בדיוק ברגע שהזרם העז מגיע. NFPA 780 , הסטנדרט להתקנת מערכות הגנה מפני ברקים, הוא מהדורת 2026 הנוכחית, והוא המסמך המוסמך שרוב המבקרים בצפון אמריקה משתמשים בו. קראו אותו לפני שאישרו תכנון, לא לאחר כשל.

 

בחירת מחלקת המגנה המתאימה(transformer) לטרנספורמטור שאתם רוכשים

המגנות מסווגות לפי אנרגיית הזרם העז והזרם הפגוע שהם צריכים לשאת, והמחלקה חייבת להתאים לחשיבות של מה שנמצא מאחוריה — ולא לגודל ההזמנה.

מחלקת מגנה	יישום טיפוסי	הערות לבחירת החומר
הפצה	טרנספורמטורים להפצה בטווח מתח של 12.47–34.5 קילו וולט, יחידות מותקנות על בסיס, עמודי עלייה	זרם פריקה נומינלי של 10 ק״א. משימה רגילה מתאימה למסועים כפריים עם עומס קל; משימה כבדה כאשר היחידה חשופה או כאשר המסוע ארוך.
בינוני	תחנות משנה קטנות, ציוד מפסקים במתח בינוני, טרנספורמטורים מעל 5 МВ״א	יכולת אנרגיה גבוהה יותר מאשר בדרגת הפצה. משמשת כאשר הציוד המוגן יקר וחשיפה לפגיעות גבוהה.
תחנה	טרנספורמטורים בדרגת העברה ותחנות משנה קריטיות	האנרגיה הגבוהה ביותר והסבילות הגבוהה ביותר לזרמי תקלה. התנהגות שחרור לחץ ודרישות סידור מפורשות בתקן IEEE C62.11.

בטרנספורמטורים מותקנים על פלטפורמה בצפון אמריקה, המניע נצמד בדרך כלל למיכל באמצעות מחבר מיוחד ומכסה, והחוט הארקה מחובר לפלטפורמה מלובדת לקיר המיכל. זהו לא רק קישוט. זהו הנתיב הקצר ביותר מעשי מהבסיס של המניע לפלדה מאורקת, והוא הנתיב היחיד שמונע את תוספת ההתנגדות של החוט מחוץ הטווח שחישבו מהנדסי החברה בשלב הצעת המחיר.

 

שלוש בעיות מניעים שאנו רואים שוב ושוב בשטח

אנו מבקשים תמונות של ההתקנה הקיימת לפני שמעלים הצעת מחיר להחלפת יחידה, ואותם שלושה תבניות חוזרים שוב ושוב.

• חוט נחושת מלופף או מעגלי. צוות שמחזיק 6 רגל של חוט נחושת וצריך רק 18 אינץ' ממנו ילפף את השאר בצורה מסודרת לאורך המיכל. כל סיבוב מוסיף השראות ומתח. קצרו את החוט; אל תסדרו אותו.
• נתיב הארקה דרך הברקט המחבר. זה מהיר, וזה שגוי. בולטים של הברקט אינם מוליך הארקה ביום ההתקנה, וגם לא יהפכו לכאלה לאחר שתי חורפים בחצר קיצונית לחוף.
• מגן עקיפת מתח שנבחר לפי הקילו-וולט-אמפר של הטרנספורמטור במקום לפי מערכת ההארקה של המערכת. דרוג הקילו-וולט-אמפר של היחידה אינו משפיע על מתח ההפעלה המרבי (MCOV). תצורת ההארקה כן משפיעה, והיא מתוארת בתשובה אחת-קוית בתרשים.

כישלון נוסף אחד מתחבא בתוך הראשון. מחסום הפצה עם מנותק חיצוני יפיל את המוליך שלו אם המחסום כשל בקצר — וזה בדיוק מה שרציתם; אבל למנותק יש צורך ברווח אוויר שחייב להישאר פתוח. פתחנו Armadiot שבהן חוט בודד או קן חרקים שנבנה במשך עונה שלמה חיברו את הרווח הזה. המחסום עדיין היה במקום, אך לא הגן על שום דבר.

 

איך אנו משלבים הגנת סופגניות בכל הזמנת טרנספורמטורים

ריינן אלקטריק מייצרת טרנספורמטורים מאז 2007, ומאז 2023 פועלת כשותפה במשותף של איטון. במפעל דניאנג — 120,000 מטרים רבועים, יותר מ-180 מערכות ציוד לייצור ולבדיקה, 37 פטנטים — האולם לבדיקות דיאלקטריות מבצע את הבדיקות הסטנדרטיות שדורש תיאור הפרויקט, יחד עם בדיקות ההלם על העיצובים שדורשים אותן, וה-BIL שמתועד על הלוחית הוא הרמה שבה אושר העיצוב.

כאשר הזמנה כוללת מחסומים, אנו מגדירים את ערך ה-MCOV על סמך סוג הניוטרליזציה של המערכת שסופק לנו, מציינים את המתחם להרכבה והכיסוי ברשימת החומרים, ומלחמים פד גראונד כך שהמתקין יקבל נקודת חיבור ישירה במקום בורג נוח.

 

מה לכלול בבקשת הצעת מחיר (RFQ) להגנה מפני סופות על טרנספורמטורים

ארבעה פריטים בבקשת הצעת המחיר יחסכו רענון מאוחר יותר, ואף אחד מהם לא דורש יותר מדקה אחת כדי לאתר אותם על השרטוטים.

• סוג ניוטרליזציה של המערכת: ניוטרליזציה יעילה, ניוטרליזציה באימפדנס, ללא ניוטרליזציה או חיבור דלתא — וכן מתח המערכת המרבי, ולא רק המתח הנקוב.
• ערך ה-MCOV הנדרש אם כבר קיים לכם ערך זה, וכן מחלקת המחסום שברצונכם לציין.
• שיטת הרכבה: על המיכל, על זרוע חוצה, בתוך armario, או בתא מתג.
• אורך המוליך האפשרי בפריסה האמיתית, וכן מיקום נקודת החיבור של פד הגראונד.

שלחו את תרשים הקו הבודד ותוכנית האתר עם ארבע התשובות האלה, ואנו נחזיר לכם את בחירת המניע, מתח הפליטה שלו, תרומת החוט והמתח המתקבל השוליים הגנים בציטוט — כך שהדיון יתקיים על הנייר, על שולחנך, במקום בתחנת המשנה לאחר סופה. פנו לצוות הנדסת היישומים בכתובת [email protected], או פתחו את דפי המוצרים עבור טרנספורמטורים טובל שמן ו- משתנים מונחים כדי לבקש תמיכה בגודל עבור פרויקט מסוים.

 

על הסופר

מאמר זה נערך על ידי צוות הנדסת היישומים של Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), יצרנית טרנספורמטורים העוסקת בפרויקטים בתחום הפצה, כוח ומקורות אנרגיה מתחדשת ללקוחות בתוכניות שירות, מרכזי נתונים, תעשייה ותשתיות ברחבי העולם. מהנדסי החברה מגדירים את בחירת המניע, קואורדינציה של בידוד ופרטי חיבור לאדמה בעיצובים שעוברים דרך אולם הבדיקות שלנו ב-Danyang. לשאלות בנוגע לבחירת MCOV או שולי הגנה בפרויקט מסוים, כתבו לכתובת [email protected].