Protecția transformatorului împotriva supratensiunilor: Cum să alegeți parafudrele pentru supratensiunile cauzate de fulgere și comutare

Un maistru electrician din sudul Luzon ne-a trimis prin e-mail, în luna august trecută, o fotografie a unei instalații care părea perfect normală în ziua în care a fost semnată ca fiind finalizată: un transformator de 13,8 kV montat pe platformă, un nou descărcător polimeric pe suportul său și vopsea proaspătă. Două detalii nu apăreau în specificația inițială: patru picioare de cablu de plumb înrolat între terminalul descărcătorului și rezervorul transformatorului, respectiv un conductor de legare la pământ condus înapoi prin suportul de montare, în loc să fie dus direct în jos, către platforma de legare la pământ. Trei săptămâni mai târziu, un fulger a lovit rețeaua de alimentare. Descărcătorul a supraviețuit fără nicio urmă vizibilă. În schimb, înfășurarea primară nu a supraviețuit.

Ce face un descărcător — și ce nu poate face

Un afișaj LED modern protecția transformatorului împotriva supratensiunilor schema se bazează pe un varistor metal-oxid fără interstițiu. Sub tensiunea de referință, varistorul se comportă ca un circuit deschis și absoarbe microamperi. Peste această tensiune, rezistența scade brusc, descărcătorul derutează curentul de supratensiune către pământ și revine într-o stare de impedanță ridicată mult înainte de următoarea jumătate de ciclu. IEEE C62.11-2020 definește dispozitivul în sine, acoperind suprapresiunea cu oxid metalic pentru circuite de 48–62 Hz, peste 1.000 V, care limitează supratensiunile cauzate de fulgere și de comutare prin trecerea curentului de descărcare, apoi limitând automat fluxul curentului de alimentare al sistemului. Este o normă activă, publicată în septembrie 2020.

Suprapresiunea nu absoarbe o supratensiune. O limitează. Ceea ce înfășurarea experimentează efectiv este tensiunea de descărcare a suprapresiunii. plus tensiunea pe care supratensiunea o generează pe cablul de legătură care pornește de la terminalul suprapresiunii către punctul pe care îl protejează. Ambele termeni sunt reali. Doar al doilea poate fi încă modificat cu o cheie în ziua instalării.

O suprapresiune perfect selectată poate totuși fi aplicată necorespunzător. Selectarea și conectarea sunt două sarcini distincte, iar cumpărătorii delegă, de obicei, doar una dintre ele.

 

 

Protecția transformatoarelor împotriva supratensiunilor începe cu MCOV, nu cu kV nominal

Majoritatea cererilor de ofertă (RFQ) care ajung la biroul nostru de inginerie specifică un descărcător în funcție de tensiunea nominală — «un descărcător de 10 kV», «un descărcător de 18 kV». Această valoare reprezintă o clasificare pentru regimul de funcționare și, în sine, nu indică aproape nimic despre faptul că unitatea este potrivită pentru sistemul dumneavoastră. Valoarea care determină domeniul de aplicare este MCOV : tensiunea maximă de funcționare continuă, cea mai mare tensiune eficace (RMS) pe care descărcătorul o poate suporta în mod continuu între terminalele sale, fără a se supraîncălzi.

MCOV este stabilit de legarea la pământ a sistemului, nu de transformator. Pe un sistem cu legare eficientă la pământ, în regim normal de funcționare, paratrăsnetul suportă tensiunea între fază și pământ; astfel, cerința este chiar tensiunea maximă între fază și pământ — 7,65 kV pe un sistem multi-legat la pământ de 12,47 kV. Pe un sistem izolat de pământ sau legat la pământ prin impedanță, o defectare între fază și pământ determină ca fazele neafectate să atingă aproape întreaga tensiune de linie (fază-fază), deci regula devine: MCOV egal sau mai mare decât 90% din tensiunea maximă de linie (fază-fază). Același transformator, aceeași clasă de tensiune, dar două tipuri foarte diferite de paratrăsnete.

Tensiunea nominală de linie (kV)	MCOV paratrăsnet — sistem cu legare eficientă la pământ (kV)	MCOV paratrăsnet — sistem legat la pământ prin impedanță sau izolat de pământ (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	Nerecomandat

Aceste valori provin din datele de aplicare ale paratrăsnetelor publicate de Hubbell Power Systems și corespund configurațiilor observate pe sistemele nord-americane de distribuție ( Catalogul Hubbell 70, Paratrăsnete consecința practică merită enunțată clar. Dacă o specificație indică «sistem neîmpământat», dar sistemul este de fapt un sistem cu patru conductoare și împământare multiplă, veți achiziționa aproximativ de două ori valoarea MCOV de care aveți nevoie — iar acest lucru se plătește cu o tensiune de descărcare mai mare, care este exact valoarea pe care încercați să o mențineți cât mai scăzută.

Există încă o relație utilă atunci când citiți o fișă tehnică: tensiunea nominală a unui parafudru este, în general, de aproximativ 1,25 ori valoarea MCOV. De aceea, un parafudru de distribuție cu tensiune nominală de 10 kV are o valoare MCOV de aproximativ 8,4 kV, iar ambele valori se modifică împreună atunci când schimbați ipoteza privind împământarea pentru același transformator.

 

Lungimea conductorului de legare la pământ, împământarea și marja de protecție care contează efectiv

Iată partea pe care o omit majoritatea cumpărătorilor. Fiecare picior de cablu conductor dintre descărcător și echipamentul pe care îl protejează adaugă tensiune izolării în timpul unui vârf de tensiune, deoarece curentul trebuie să parcurgă acea distanță și să se întoarcă. Ghidul de aplicare IEEE pentru descărcătoarele cu oxid metalic folosește valoarea de 1,6 kV pe picior la 10 kA, iar Standardul de Aprobare FM DS 5-11 privind protecția împotriva fulgerelor și a supratensiunilor pentru echipamentele electrice folosește aceeași valoare.

Lungimea cablului conductor al descărcătorului (ft)	Tensiune adăugată la 10 kA (kV)	Parte din izolația înfășurării BIL de 95 kV
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

Piața margine de protecție este calculul aritmetic care leagă toate aceste elemente împreună. Se ia nivelul de izolare de bază (BIL) al înfășurării, se scade tensiunea de descărcare a descărcătorului și contribuția cablului conductor, apoi se împarte rezultatul la BIL. La un transformator de distribuție de 13,8 kV, nivelul standard de izolare primară este de 95 kV BIL, iar marginea minimă recomandată margine de protecție este de 20 la sută. Un cablu conductor de 10 ft consumă 16 kV din acei 95 kV — aproape întreaga margine recomandată, înainte ca măcar un singur kV din tensiunea de descărcare a descărcătorului să fie luat în considerare.

Legătura la pământ eșuează în același mod liniștit. Conductorul de legare la pământ trebuie să fie scurt, drept și separat de suportul de montare, terminându-se pe o placă dedicată, conectată electric la rezervor și la rețeaua de legare la pământ a stației. Rutarea traseului de legare la pământ prin elementele de fixare filetate ale suportului introduce o interfață care se corodează, se afloarește și adaugă impedanță exact în momentul în care apare supratensiunea. NFPA 780 , Standardul pentru instalarea sistemelor de protecție împotriva fulgerelor, este ediția actuală din 2026 și constituie referința pe care o folosesc majoritatea inspectorilor nord-americani. Citiți-o înainte de a aproba o schemă de amplasare, nu după apariția unei defecțiuni.

 

Alegerea clasei potrivite de descărcător pentru transformatorul pe care îl achiziționați

Descărcătoarele sunt clasificate în funcție de energia supratensiunii și de curentul de defect pe care trebuie să le suporte, iar clasa trebuie să corespundă gradului de criticitate al echipamentului situat în aval — nu mărimii comenzii de achiziție.

Clasa descărcătorului	Aplicație Tipică	Note privind selecția
Distributie	transformatoare de distribuție de 12,47–34,5 kV, unități montate pe platformă, stâlpi de racordare	curent nominal de descărcare de 10 kA. Versiunea standard este potrivită pentru alimentări rurale ușor încărcate; versiunea robustă se folosește atunci când dispozitivul este expus sau când alimentarea este lungă.
Intermediar	Substații mici, echipamente de întrerupere în medie tensiune, transformatoare de peste 5 MVA	Capacitate energetică superioară celei din clasa de distribuție. Se utilizează acolo unde echipamentele protejate sunt scumpe și expunerea la perturbări este ridicată.
Stație	Transformatoare de clasă de transport și substații critice	Cea mai mare capacitate energetică și rezistență la curenți de defect. Comportamentul în caz de eliberare a presiunii și cerințele de coordonare sunt specificate explicit în norma IEEE C62.11.

La transformatoarele montate pe platformă în America de Nord, parafazul este de obicei fixat cu șuruburi pe carcasă, folosindu-se un suport și o capotă dedicate, iar conductorul de legare la pământ este conectat la o placă sudată pe peretele carcasei. Aceasta nu este o simplă decorare. Este cel mai scurt traseu practic între baza parafazului și oțelul legat la pământ, iar acesta este singurul traseu care menține contribuția conductorului în limitele calculate de inginerii noștri în etapa de ofertare.

 

Trei probleme frecvente cu parafazurile pe care le observăm în mod repetat în teren

Cerem fotografii ale instalației existente înainte de a oferi un preț pentru o unitate de înlocuire, iar aceleași trei tipare apar în mod repetat.

• Cablu conductor spiralat sau buclat. O echipă care deține 6 ft (1,83 m) de cablu conductor și are nevoie doar de 18 in. (45,7 cm) din el va înfășura restul în mod ordonat de-a lungul rezervorului. Fiecare spiră adaugă inductanță și tensiune. Scurtați cablul; nu-l aranjați estetic.
• Cale de legare la pământ prin suportul de montare. Este rapid, dar este greșit. Buloanele suportului nu reprezintă un conductor de legare la pământ în ziua instalării, nici nu vor deveni unul după doi ani de iarnă într-un spațiu portuar litoral.
• Parafurtunul dimensionat pe baza puterii în kVA a transformatorului, nu pe baza legării la pământ a sistemului. Puterea nominală în kVA a unității nu influențează valoarea MCOV. Configurația de legare la pământ o face, iar aceasta este o singură informație pe schemă.

Un alt defect se ascunde în interiorul primului. Un limitator de supratensiune cu deconector extern va întrerupe conductorul său în cazul unui defect în scurtcircuit, ceea ce este exact ceea ce dorești — dar deconectorul necesită o întrefieră care trebuie să rămână liberă. Am deschis tablouri în care o singură fibră de sârmă sau un cuib de insecte format pe parcursul unei anotimpuri au închis această întrefieră. Limitatorul era încă prezent. Pur și simplu nu mai proteja nimic.

 

Cum integrăm protecția împotriva supratensiunilor în fiecare comandă de transformatoare

Ryan Electric produce transformatoare din 2007, iar din 2023 funcționează ca partener într-o afacere comună cu Eaton. În uzina de la Danyang — 120.000 de metri pătrați, peste 180 de seturi de echipamente pentru producție și testare, 37 de brevete — sala de teste dielectrice efectuează atât testele obișnuite cerute de specificația proiectului, cât și testele de impuls pentru acele proiecte care le necesită, iar valoarea BIL imprimată pe plăcuța indicatoare reprezintă nivelul la care a fost calificat designul.

Când o comandă include paratrăsnete, stabilim valoarea MCOV pe baza tipului de legare la pământ a sistemului pe care ni-l furnizați, enumerăm suportul de montare și capacul în lista de materiale și sudăm o placă de legare la pământ, astfel încât instalatorul să dispună de un punct de fixare direct, nu doar de un surub convenabil. În cadrul programelor UL și CSA, suportul, placa de legare la pământ și legarea la pământ a rezervorului sunt verificate ca parte integrantă a ansamblului, nu ca accesorii pentru montaj în teren.

 

Ce să includeți în cererea dvs. de ofertă pentru protecția transformatorului împotriva supratensiunilor

Patru rânduri în cererea de ofertă vă vor economisi o revizuire ulterioară, iar niciunul dintre ele nu necesită mai mult de un minut pentru a fi identificat pe desene.

• Legarea la pământ a sistemului: efectiv legată la pământ, legată la pământ prin impedanță, nelegată la pământ sau în conexiune triunghi — plus tensiunea maximă a sistemului, nu doar cea nominală.
• Valoarea MCOV necesară dacă aceasta este deja disponibilă, precum și clasa paratrăsnetului pe care intenționați să o specificați.
• Metodă de montare: suport pentru rezervor, traversă, în interiorul cabinetului sau într-o celulă de tablou electric.
• Lungimea maximă realizabilă a conductorului de legătură în dispoziția reală și locul în care va fi amplasată placa de legare la pământ.

Trimiteți diagrama unu-linie și planul de amplasament împreună cu acele patru răspunsuri, iar noi vom returna selecția paratrăsnetului, tensiunea sa de descărcare, contribuția conductoarelor de legătură și valoarea rezultată a margine de protecție în ofertă — astfel, discuția are loc pe hârtie, la biroul dumneavoastră, nu într-o stație de transformare după o furtună. Contactați echipa de inginerie pentru aplicații la adresa [email protected] sau accesați paginile produselor pentru transformatoare imerse în ulei și transformatorii montați pe pod pentru a solicita sprijin privind dimensionarea în cadrul unui proiect specific.

 

Despre autor

Acest articol a fost elaborat de echipa de inginerie pentru aplicații de la Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), un producător de transformatoare care lucrează la proiecte de distribuție, energie electrică și energii regenerabile pentru clienți din domeniul utilităților, centrelor de date, industriei și infrastructurii, la nivel mondial. Inginerii noștri stabilesc selecția paratrăsnetelor, coordonarea izolării și detaliile legărilor la pământ în cadrul acelorași proiecte care sunt testate în sala noastră de încercări din Danyang. Pentru întrebări legate de selecția MCOV sau a marjei de protecție în cadrul unui proiect specific, scrieți la adresa [email protected].