Защита трансформаторов от перенапряжений: как выбрать ограничители перенапряжения для грозовых и коммутационных перенапряжений

В августе прошлого года мастер электросетевой компании в южной части Лусона прислал нам фотографию установки, которая выглядела совершенно нормально в день сдачи в эксплуатацию: маслонаполненный трансформатор на опоре напряжением 13,8 кВ, новый полимерный ограничитель перенапряжения на кронштейне, свежая краска. Две детали не соответствовали первоначальной спецификации: четыре фута скрученного монтажного провода между выводом ограничителя перенапряжения и баком трансформатора и заземляющий проводник, проложенный обратно через крепёжный кронштейн вместо прямого спуска к заземляющей площадке. Через три недели по линии ударила молния. Ограничитель перенапряжения остался цел и невредим. Первичная обмотка — нет.

Что делает ограничитель перенапряжения — и чего он сделать не может

Современная защита трансформаторов от перенапряжений схема построена вокруг бесщелевого варистора на основе металлооксида. При напряжении ниже опорного значения варистор ведёт себя как разомкнутая цепь и потребляет микроамперы. При превышении этого значения сопротивление резко падает, ограничитель отводит импульсный ток на землю, а затем возвращается в состояние высокого импеданса задолго до начала следующего полупериода. IEEE C62.11-2020 определяет само устройство: варисторные ограничители на основе металлооксида для цепей частотой 48–62 Гц и напряжением свыше 1000 В, предназначенные для ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений путём пропускания разрядного тока и последующего автоматического ограничения протекания рабочего тока системы. Это действующий стандарт, опубликованный в сентябре 2020 года.

Ограничитель не поглощает импульс — он ограничивает его по амплитуде. То напряжение, которое фактически прикладывается к обмотке, — это напряжение разряда ограничителя. плюс напряжение, возникающее на выводном проводе от клеммы ограничителя до точки, которую он защищает. Оба термина являются реальными. Изменить можно только второй параметр — с помощью гаечного ключа в день монтажа.

Даже идеально подобранный ограничитель перенапряжения может быть неправильно установлен. Подбор и подключение — это две разные задачи, и заказчики обычно делегируют только одну из них.

 

 

Защита трансформаторов от импульсных перенапряжений начинается с MCOV, а не с номинального напряжения в кВ

Большинство запросов предложений (RFQ), поступающих на наш инженерный отдел, указывают ограничитель перенапряжения по номинальному напряжению — «ограничитель на 10 кВ», «ограничитель на 18 кВ». Это значение относится к режиму нагрузки, и само по себе оно почти ничего не говорит о том, подходит ли данное устройство для вашей системы. Показатель, определяющий применимость устройства, — это MCOV : максимальное длительно допустимое рабочее напряжение (MCOV) — наибольшее действующее (RMS) напряжение, которое ограничитель перенапряжения способен выдерживать на своих выводах неограниченно долго без перегрева.

MCOV устанавливается системой заземления, а не трансформатором. В эффективно заземлённой системе ограничитель перенапряжений в нормальном режиме работы подвергается воздействию напряжения между фазой и землёй, поэтому требуемое значение — это максимальное напряжение между фазой и землёй, то есть 7,65 кВ в 12,47-кВ системе с многократным заземлением. В изолированной от земли или компенсированно заземлённой системе при однофазном замыкании на землю неповреждённые фазы могут достигать полного линейного напряжения, поэтому требование к MCOV ограничителя перенапряжений повышается до значения не ниже 90 % максимального линейного напряжения. Один и тот же трансформатор, один и тот же класс напряжения — но два совершенно разных ограничителя перенапряжений.

Номинальное линейное напряжение системы (кВ)	MCOV ограничителя перенапряжений — для эффективно заземлённой системы (кВ)	MCOV ограничителя перенапряжений — для компенсированно заземлённой или изолированной от земли системы (кВ)
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	Не рекомендуется

Эти значения взяты из данных по применению ограничителей перенапряжений, опубликованных компанией Hubbell Power Systems, и соответствуют наблюдаемым параметрам распределительных сетей Северной Америки ( Каталог Hubbell № 70, ограничители перенапряжений ) Практическое следствие стоит сформулировать чётко. Если в технической спецификации указано «изолированная от земли система», а на самом деле система представляет собой четырёхпроводную систему с многократным заземлением, вы приобретаете ограничитель перенапряжения с напряжением максимальной продолжительной работы (MCOV) примерно в два раза выше необходимого — и платите за это более высоким напряжением срабатывания, которое как раз и требуется держать как можно ниже.

Ещё одна полезная взаимосвязь при чтении технического описания: номинальное напряжение ограничителя перенапряжения обычно составляет около 1,25 от его MCOV. Именно поэтому распределительный ограничитель перенапряжения с номинальным напряжением 10 кВ имеет MCOV примерно 8,4 кВ, и именно поэтому оба этих значения изменяются одновременно при смене предположения о типе заземления для одного и того же трансформатора.

 

Длина выводов, заземление и реальный защитный запас

Вот та часть, которую пропускают большинство покупателей. Каждый фут соединительного провода между ограничителем перенапряжения и защищаемым им оборудованием добавляет напряжение к изоляции во время всплеска, поскольку току необходимо пройти это расстояние и вернуться обратно. Руководство IEEE по применению оксидных ограничителей перенапряжения указывает значение 1,6 кВ на фут при токе 10 кА, а стандарт одобрения FM DS 5-11 для защиты электрического оборудования от молнии и импульсных перенапряжений использует ту же величину.

Длина соединительного провода ограничителя (футы)	Добавляемое напряжение при токе 10 кА (кВ)	Доля обмотки с уровнем выдерживаемого импульсного напряжения 95 кВ
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

Рынок защитный запас — это арифметический расчёт, объединяющий все эти параметры. От уровня выдерживаемого импульсного напряжения обмотки вычитают напряжение срабатывания ограничителя и вклад длины соединительного провода, после чего результат делят на уровень выдерживаемого импульсного напряжения. Для распределительного трансформатора на 13,8 кВ стандартный первичный уровень изоляции составляет 95 кВ (BIL), а рекомендуемый минимальный защитный запас составляет 20 процентов. Десятифутовый соединительный провод «съедает» 16 кВ из этих 95 кВ — почти весь рекомендуемый запас, ещё до того, как будет учтено хотя бы один киловольт напряжения срабатывания ограничителя.

Заземление терпит неудачу столь же тихо. Заземляющий провод должен быть коротким, прямым и проложенным отдельно от крепёжного кронштейна, подключаясь к специальной площадке, соединённой с резервуаром и с заземляющей сеткой станции. Прокладка заземляющего пути через болтовые крепления кронштейна создаёт соединение, которое подвержено коррозии, ослаблению и увеличению импеданса именно в тот момент, когда приходит импульс перенапряжения. NFPA 780 , Стандарт по монтажу систем молниезащиты, — это действующее издание 2026 года и основной справочный документ, используемый большинством инспекторов Северной Америки. Ознакомьтесь с ним до утверждения компоновки, а не после возникновения отказа.

 

Выбор подходящего класса ограничителя для приобретаемого вами трансформатора

Ограничители классифицируются по энергии импульса и току короткого замыкания, которые они способны выдержать; класс должен соответствовать степени критичности оборудования, расположенного за ними, а не объёму заказа.

Класс ограничителя	Типичное применение	Примечания по выбору
Распределение	распределительные трансформаторы на напряжение 12,47–34,5 кВ, блочные трансформаторы на бетонных основаниях, опоры-переходники	номинальный ток разряда 10 кА. Стандартное исполнение подходит для слабонагруженных сельских линий электропередачи; усиленное исполнение — при открытой установке устройства или при большой длине линии.
Промежуточный	Малые подстанции, коммутационное оборудование среднего напряжения, трансформаторы мощностью свыше 5 МВА	Более высокая энергоёмкость по сравнению с распределительным классом. Применяется там, где защищаемое оборудование дорогостоящее, а степень воздействия высока.
Рабочее место	Трансформаторы класса передачи и критически важные подстанции	Наивысшие показатели энергоёмкости и устойчивости к токам короткого замыкания. Поведение при сбросе давления и требования к координации изоляции чётко определены в стандарте IEEE C62.11.

На наземных трансформаторах в Северной Америке ограничитель перенапряжений обычно крепится болтами к баку с помощью специального кронштейна и крышки, а заземляющий проводник подключается к площадке, приваренной к стенке бака. Это не декоративный элемент. Это кратчайший практически возможный путь от основания ограничителя к заземлённой стальной конструкции, и это единственный путь, обеспечивающий вклад проводника в пределах значений, рассчитанных нашими инженерами на этапе подготовки коммерческого предложения.

 

Три типичные проблемы с ограничителями перенапряжений, с которыми мы сталкиваемся на практике

Мы просим фотографии существующей установки до того, как предоставим коммерческое предложение на замену блока; при этом снова и снова появляются одни и те же три схемы.

• Скрутка или петля из силового провода. Бригада держит 6 футов силового провода и нуждается лишь в 18 дюймах; остаток аккуратно скручивается вдоль резервуара. Каждый виток добавляет индуктивность и напряжение. Укоротите провод — не упорядочивайте его.
• Путь заземления через крепёжный кронштейн. Это быстро, но неправильно. Болты кронштейна не являются проводником заземления в день монтажа, и спустя два зимних сезона на побережье они таковыми не станут.
• Ограничитель перенапряжения подобран по номинальной мощности трансформатора (кВА), а не по системе заземления. Номинальная мощность устройства в кВА не влияет на значение MCOV. Влияет конфигурация заземления, и она указывается однозначно в однолинейной схеме.

Ещё один сбой скрыт внутри первого. Ограничитель перенапряжения с внешним разъединителем отбросит свой проводник при коротком замыкании ограничителя — именно этого и требуется добиться; однако для разъединителя необходим воздушный зазор, который должен оставаться свободным. Мы открывали шкафы, в которых единственный проводок или гнездо насекомых, образовавшееся за сезон, замкнули этот зазор. Ограничитель оставался на месте, но уже ничего не защищал.

 

Как мы интегрируем защиту от импульсных перенапряжений в каждый заказ трансформаторов

Компания Ryan Electric производит трансформаторы с 2007 года, а с 2023 года действует в качестве партнёра по совместному предприятию с Eaton. На заводе в Даньяне — площадью 120 000 квадратных метров, оснащённом более чем 180 комплектами производственного и испытательного оборудования и имеющем 37 патентов — в зале диэлектрических испытаний выполняются как стандартные испытания, предписанные техническим заданием проекта, так и импульсные испытания для соответствующих конструкций; уровень ВИП (BIL), указанный на табличке, — это тот уровень, на котором была подтверждена работоспособность конструкции.

Если в заказе указаны ограничители перенапряжения, мы подбираем напряжение MCOV на основе типа системы заземления, который вы нам указываете; в спецификации материалов перечисляем крепёжную скобу и крышку; а также привариваем заземляющую площадку, чтобы монтажник имел прямую точку подключения, а не просто удобный болт. В рамках программ UL и CSA скоба, заземляющая площадка и соединение бака с заземлением рассматриваются как часть сборки, а не как аксессуары для монтажа на месте.

 

Что указать в запросе коммерческого предложения (RFQ) по защите трансформаторов от перенапряжений

Четыре строки в RFQ позволят избежать доработок на более позднем этапе, и ни одна из них не займёт больше минуты — все данные легко найти на чертежах.

• Тип заземления системы: эффективно заземлённая, заземлённая через импеданс, изолированная от земли или дельта-схема — а также максимальное напряжение системы, а не только номинальное.
• Требуемое напряжение MCOV если оно у вас уже есть, а также класс ограничителя перенапряжения, который вы планируете применить.
• Способ установки: на баке, на траверсе, внутри шкафа или в ячейке комплектного распределительного устройства.
• Допустимая длина выводов в реальной компоновке и место установки заземляющей площадки.

Отправьте однолинейную схему и план площадки с этими четырьмя ответами, и мы предоставим подбор ограничителя перенапряжения, его напряжение срабатывания, вклад длины соединительных проводов и итоговое защитный запас в коммерческом предложении — таким образом обсуждение происходит на бумаге, у вас на рабочем столе, а не на подстанции после грозы. Свяжитесь с командой инженеров по применению по адресу [email protected] или откройте страницы продуктов масляные трансформаторы и трансформаторы, установленные на подушке для запроса подбора оборудования под конкретный проект.

 

О авторе

Эта статья подготовлена командой инженеров по применению компании Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) — производителя трансформаторов, выполняющего проекты в области распределительных сетей, силовых систем и возобновляемых источников энергии для заказчиков из секторов электросетей, центров обработки данных, промышленности и инфраструктуры по всему миру. Наши инженеры определяют выбор ограничителей перенапряжения, координацию изоляции и детали заземления в рамках тех же проектов, которые проходят испытания в нашем испытательном центре в Даньяне. По вопросам выбора MCOV или защитного запаса для конкретного проекта направляйте письма на [email protected].