Ochrona transformatorów przed przepięciami: jak wybrać ograniczniki przepięć do ochrony przed wyładowaniami atmosferycznymi i przepięciami łączeniowymi

Przedstawiciel firmy energetycznej z południowej części wyspy Luzon przesłał nam w sierpniu zdjęcie instalacji, która wyglądała zupełnie normalnie w dniu jej odbioru: transformator na słupie 13,8 kV, nowy ogranicznik przepięć z polimeru zamontowany na wsporniku, świeża farba. Dwa szczegóły nie były zawarte w pierwotnej specyfikacji: cztery stopy (około 1,2 m) skręconego przewodu doprowadzającego między końcówką ogranicznika a obudową transformatora oraz przewód uziemiający prowadzony z powrotem przez wspornik montażowy zamiast bezpośrednio w dół, do płyty uziemiającej. Trzy tygodnie później w linię doprowadzającą uderzyła burza. Ogranicznik przepięć przetrwał bez żadnych uszkodzeń. Uzwojenie pierwotne nie przetrwało.

Co robi ogranicznik przepięć — i czego nie potrafi zrobić

Nowoczesna ochrona transformatorów przed przepięciami schemat opiera się na bezszczelinowym wariostorze tlenkowym metalu. Poniżej napięcia odniesienia wariostor zachowuje się jak obwód otwarty i pobiera prąd w skali mikroamperów. Powyżej tego napięcia jego opór gwałtownie spada, a ogranicznik odprowadza prąd przepięciowy do ziemi, po czym wraca do stanu wysokiego oporu znacznie przed kolejnym półcyklem. IEEE C62.11-2020 definiuje samo urządzenie, obejmując ograniczniki tlenkowe dla obwodów o częstotliwości 48–62 Hz i napięciu powyżej 1000 V, które ograniczają przepięcia wywołane uderzeniami piorunów oraz przełączeniami poprzez przepuszczanie prądu rozładowania, a następnie automatyczne ograniczanie przepływu prądu roboczego sieci. Jest to obowiązująca norma, opublikowana w września 2020 r.

Ogranicznik nie pochłania przepięcia — ogranicza je. To napięcie rozładowania ogranicznika jest tym, co faktycznie doświadcza uzwojenie. plus to napięcie, jakie przepięcie wywołuje na przewodzie doprowadzającym od zacisku ogranicznika do punktu, który chroni. Obie te wielkości są rzeczywiste. Jedynie drugą z nich można jeszcze zmienić kluczem w dniu montażu.

Doskonały ogranicznik przepięć, dobrze dobrany, może być źle zastosowany. Dobór i podłączenie to dwie różne czynności, a zakupujący zwykle powierzają wykonanie tylko jednej z nich.

 

 

Ochrona transformatorów przed przepięciami zaczyna się od napięcia MCOV, a nie od napięcia znamionowego wyrażonego w kV

Większość zapytań ofertowych (RFQ), które trafiają na biurko naszych inżynierów, określa ogranicznik przepięć wyłącznie poprzez napięcie znamionowe — «ogranicznik 10 kV», «ogranicznik 18 kV». Ta wartość to ocena cyklu roboczego, a sama w sobie niemal nic nie mówi o tym, czy dany ogranicznik nadaje się do zastosowania w Państwa sieci. Liczba decydująca o zastosowaniu to Mcov : maksymalne ciągłe napięcie robocze (MCOV) — najwyższe napięcie skuteczne (RMS), jakie ogranicznik może utrzymywać na swoich zaciskach w sposób ciągły, bez przegrzewania.

MCOV jest ustalane przez uziemienie systemu, a nie przez transformator. W systemie skutecznie uziemionym ogranicznik podczas normalnej pracy jest narażony na napięcie fazowo-uziemienne, dlatego wymagane jest maksymalne napięcie fazowo-uziemienne — 7,65 kV w systemie wielokrotnie uziemionym o napięciu znamionowym 12,47 kV. W systemie nieuziemionym lub uziemionym przez impedancję awaria fazowo-uziemieniowa powoduje, że napięcia faz nieuszkodzonych mogą osiągnąć pełne napięcie fazowo-fazowe, dlatego reguła brzmi: MCOV ogranicznika musi wynosić co najmniej 90 procent maksymalnego napięcia fazowo-fazowego. Ten sam transformator, ta sama klasa napięcia — dwa zupełnie różne ograniczniki.

Napięcie znamionowe systemu fazowo-fazowe (kV)	MCOV ogranicznika — system skutecznie uziemiony (kV)	MCOV ogranicznika — system uziemiony przez impedancję lub nieuziemiony (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	Nie zaleca się

Te wartości pochodzą z danych aplikacyjnych ograniczników opublikowanych przez Hubbell Power Systems i są zgodne z obserwacjami na amerykańskich systemach dystrybucyjnych ( Katalog Hubbell nr 70, ograniczniki przepięć ) Praktyczna konsekwencja wymaga wyrażenia jasno. Jeśli w specyfikacji podano „system nieuziemiony”, a system jest w rzeczywistości czteroprzewodowy z wielokrotnym uziemieniem, zakupisz ogranicznik przepięć o napięciu MCOV mniej więcej dwukrotnie wyższym niż potrzebne — i zapłacisz za to wyższym napięciem odprowadzania, które właśnie próbujesz utrzymać na możliwie niskim poziomie.

Istnieje jeszcze jedna przydatna zależność przy czytaniu karty katalogowej: napięcie znamionowe ogranicznika przepięć wynosi zazwyczaj około 1,25 jego napięcia MCOV. Dlatego ogranicznik rozdzielczy o napięciu znamionowym 10 kV ma napięcie MCOV około 8,4 kV, a obie te wartości zmieniają się równolegle przy zmianie założenia dotyczących uziemienia tego samego transformatora.

 

Długość przewodów doprowadzających, uziemienie oraz rzeczywista margines ochrony

Oto część, którą większość kupujących pomija. Każda stopa przewodu łączącego ogranicznik z chronionym urządzeniem zwiększa napięcie na izolacji podczas przepięcia, ponieważ prąd musi pokonać tę odległość i wrócić. Przewodnik zastosowań IEEE dla ograniczników tlenkowych metalu przyjmuje wartość 1,6 kV na stopę przy prądzie 10 kA, a standard zatwierdzenia FM DS 5-11 dotyczący ochrony przed piorunem i przepięciami urządzeń elektrycznych używa tej samej wartości.

Długość przewodu ogranicznika (stopy)	Napięcie dodatkowe przy prądzie 10 kA (kV)	Udział uzwojenia o poziomie wytrzymałości izolacji BIL wynoszącym 95 kV
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

The margines ochronny to obliczenie łączące wszystkie te elementy. Od poziomu wytrzymałości izolacji uzwojenia (BIL) odejmujemy napięcie odprowadzania ogranicznika oraz wkład długości przewodu, a następnie dzielimy wynik przez wartość BIL. W przypadku transformatora rozdzielczego 13,8 kV standardowy poziom wytrzymałości izolacji uzwojenia pierwotnego wynosi 95 kV BIL, a zalecany minimalny margines ochronny wynosi 20 procent. Przewód o długości 10 stóp zużywa 16 kV z tych 95 kV — czyli prawie cały zalecany margines, jeszcze zanim uwzględni się choćby jeden kV napięcia odprowadzania ogranicznika.

Uziemienie zawodzi w ten sam cichy sposób. Przewód uziemiający powinien być krótki, prosty i oddzielony od wspornika montażowego, kończąc się na dedykowanej płycie połączonej z zbiornikiem oraz z siecią uziemiającą stacji. Przeprowadzenie ścieżki uziemienia przez elementy mocujące wspornika wprowadza połączenie, które podlega korozji, poluzowaniu się oraz zwiększa impedancję dokładnie w chwili przybycia przepięcia. NFPA 780 , Standard instalacji systemów ochrony przed piorunem, to obecna edycja z 2026 roku i jest najważniejszym odniesieniem dla większości inspektorów w Ameryce Północnej. Przeczytaj go przed zatwierdzeniem układu, a nie po wystąpieniu awarii.

 

Wybór odpowiedniej klasy ogranicznika przepięć dla zakupionego transformatora

Ograniczniki przepięć są klasyfikowane według energii przepięć i prądu zwarciowego, jakie są w stanie wytrzymać; klasa ogranicznika powinna odpowiadać stopniu krytyczności urządzenia znajdującego się za nim — a nie wielkości zamówienia zakupowego.

Klasa ogranicznika przepięć	Typowe zastosowanie	Uwagi dotyczące doboru
Dystrybucja	transformator rozdzielczy o napięciach 12,47–34,5 kV, jednostki umieszczane na podstawie, słupy wyprowadzeniowe	prąd wyzwalania nominalny 10 kA. Wersja standardowa przeznaczona do łagodnie obciążonych linii wiejskich; wersja ciężka – tam, gdzie urządzenie jest narażone na działanie czynników zewnętrznych lub linia jest długa.
Średni	Małe stacje transformatorowe, rozdzielnie średniego napięcia, transformatory o mocy powyżej 5 MVA	Wyższa zdolność pochłaniania energii niż klasy rozdzielczej. Stosowana tam, gdzie chronione wyposażenie jest drogie i ryzyko narażenia wysokie.
Stacja	Transformatory klasy przesyłowej oraz kluczowe stacje transformatorowe	Najwyższa zdolność pochłaniania energii i odporność na prąd zwarciowy. Zachowanie przy zwolnieniu ciśnienia oraz wymagania dotyczące dopasowania są wyraźnie określone w normie IEEE C62.11.

W przypadku transformatorów umieszczanych na betonowych fundamentach w Ameryce Północnej ogranicznik jest zwykle przykręcany do zbiornika za pomocą dedykowanego uchwytu i pokrywy, a przewód uziemiający kończy się na płycie spawanej do ściany zbiornika. To nie jest element dekoracyjny. Jest to najkrótsza praktycznie możliwa ścieżka od podstawy ogranicznika do uziemionej konstrukcji stalowej i jedyna ścieżka, która zapewnia, że wpływ przewodu pozostaje w zakresie obliczonym przez naszych inżynierów na etapie przygotowania oferty.

 

Trzy problemy z ogranicznikami, które wielokrotnie obserwujemy w praktyce

Prosimy o zdjęcia istniejącej instalacji przed przygotowaniem oferty na jednostkę zamienną, a te same trzy wzorce pojawiają się ponownie i ponownie.

• Przewód doprowadzający nawinięty lub ułożony w pętlę. Zespół obsługujący 6 stóp przewodu doprowadzającego i potrzebujący 18 cali tego przewodu nawinie pozostałą część porządnie wzdłuż zbiornika. Każde nawinięcie zwiększa indukcyjność i napięcie. Skróć przewód doprowadzający; nie układaj go estetycznie.
• Ścieżka uziemienia przez wspornik montażowy. To jest szybkie, ale błędne rozwiązanie. Śruby wspornika nie stanowią przewodnika uziemiającego w dniu instalacji, a po dwóch zimach na terenie przybrzeżnym również nie stanie się nim.
• Ogranicznik doboru na podstawie mocy transformatora w kVA zamiast konfiguracji uziemienia systemu. Moc znamionowa jednostki w kVA nie ma wpływu na wartość MCOV. Wpływ ma konfiguracja uziemienia, a jej określenie to jednoznaczna odpowiedź zawarta na schemacie.

Jedno dodatkowe uszkodzenie ukrywa się w pierwszym. Ogranicznik przepięć z zewnętrznym odłącznikiem przerwie swoje połączenie, jeśli ogranicznik ulegnie zwarciu — i to właśnie tego oczekujemy; jednak odłącznik wymaga szczeliny powietrznej, która musi pozostawać wolna. Otwieraliśmy szafy, w których pojedynczy przewód lub gniazdo owadów wybudowane w ciągu sezonu zamknęły tę szczelinę. Ogranicznik nadal był na miejscu — ale nie zapewniał żadnej ochrony.

 

Jak wbudowujemy ochronę przed przepięciami w każde zamówienie transformatorów

Ryan Electric produkuje transformatory od 2007 roku, a od 2023 roku działa jako partner przedsiębiorstwa joint-venture z Eatonem. W zakładzie w Danyang — o powierzchni 120 000 metrów kwadratowych, wyposażonym w ponad 180 zestawów sprzętu produkcyjnego i badawczego oraz posiadającym 37 patentów — hala badań dielektrycznych przeprowadza standardowe testy wymagane przez specyfikację projektu oraz testy impulsowe dla konstrukcji, które ich wymagają; wartość BIL podana na tabliczce znamionowej to poziom, przy którym dana konstrukcja została zakwalifikowana.

Gdy zamówienie obejmuje ograniczniki przepięć, dobieramy napięcie MCOV na podstawie sposobu uziemienia systemu podanego przez Państwa, wymieniamy w specyfikacji materiałowej uchwyt montażowy i pokrywę oraz spawamy płytkę uziemiającą, aby instalator miał bezpośredni punkt przyłączenia zamiast wygodnego śruby.

 

Co umieścić w zapytaniu ofertowym dotyczącym ochrony transformatorów przed przepięciami

Cztery pozycje w zapytaniu ofertowym pozwolą uniknąć późniejszej korekty, a żadna z nich nie zajmie więcej niż minutę wyszukania na rysunkach.

• Uziemienie systemu: skutecznie uziemiony, uziemiony przez impedancję, nieuziemiony lub trójkątny — wraz z maksymalnym napięciem systemu, a nie tylko z napięciem znamionowym.
• Wymagane napięcie MCOV jeśli już je Państwo posiadają, oraz klasa ogranicznika przepięć, którą zamierzacie określić.
• Metoda montażu: uchwyt na zbiornik, poprzeczka nośna, wnętrze szafy sterowniczej lub komórka rozdzielnicza.
• Możliwa długość przewodu doprowadzającego w rzeczywistym układzie oraz miejsce, w którym znajdzie się płytkę uziemiającą.

Wyślij jednoliniowy schemat i plan miejsca montażu wraz z tymi czterema odpowiedziami, a przekażemy wybór ogranicznika, jego napięcie odprowadzania, wkład przewodów łączących oraz wynikowe margines ochronny w ofercie — dzięki temu dyskusja odbywa się na papierze, przy Twoim biurku, a nie w stacji transformatorowej po burzy. Skontaktuj się z zespołem inżynierów aplikacyjnych pod adresem [email protected] lub otwórz strony produktowe dla transformatory zanurzone w oleju i transformatory montowane na podstawach żeby poprosić o wsparcie w doborze urządzeń do konkretnego projektu.

 

O autorze

Artykuł przygotował zespół inżynierów aplikacyjnych firmy Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), producenta transformatorów realizującego projekty rozdzielcze, energetyczne oraz związane z odnawialnymi źródłami energii dla klientów z sektorów elektroenergetycznego, centrów danych, przemysłowego i infrastrukturalnego na całym świecie. Nasi inżynierowie określają wybór ograniczników, koordynację izolacji oraz szczegóły uziemienia w ramach tych samych projektów, które są testowane w naszym laboratorium badawczym w Danyang. W przypadku pytań dotyczących doboru napięcia MCOV lub zapasu ochronnego w konkretnym projekcie, napisz na adres [email protected].