Захист трансформатора від імпульсних перенапруг: як вибрати обмежувачі перенапруг для блискавок і комутаційних імпульсів

У серпні минулого року майстер електромережі південного Лусона надіслав нам фотографію встановлення, яке виглядало цілком звичайним у день приймання: трансформатор на підставці напругою 13,8 кВ, новий полімерний обмежувач перенапруги на його кронштейні, свіжа фарба. Два моменти не були передбачені в початковій специфікації. Чотири фути (приблизно 1,2 м) звитого проводу між клемою обмежувача перенапруги та корпусом трансформатора. Та заземлювальний провідник, прокладений назад через кріпильний кронштейн замість прямого спуску до заземлювальної площадки. Через три тижні по живленню вдарив блискавковий розряд. Обмежувач перенапруги витримав його без жодних пошкоджень. А первинна обмотка — ні.

Що робить обмежувач перенапруги — і чого він зробити не може

Сучасний захист трансформатора від імпульсних перенапруг схема побудована навколо безперервного варистора на основі метал-оксиду. Нижче опорної напруги варистор поводиться як розімкнений ланцюг і споживає мікроампери. Вище цієї напруги опір різко падає, обмежувач відводить струм перенапруги до землі й повертається до стану високого імпедансу значно раніше, ніж наступний півперіод. IEEE C62.11-2020 визначає сам пристрій, охоплюючи метал-оксидні обмежувачі для мереж з частотою 48–62 Гц і напругою понад 1000 В, які обмежують блискавкові та комутаційні перенапруги шляхом пропускання струму розряду, а потім автоматично обмежують протікання робочого струму системи. Це діючий стандарт, опублікований у вересні 2020 року.

Обмежувач не поглинає перенапругу. Він її обмежує. Те, що фактично відчуває обмотка, — це напруга розряду обмежувача плюс напруга, яку перенапруга створює на приєднувальному проводі від клеми обмежувача до точки, яку він захищає. Обидва терміни є реальними. Лише другий можна ще змінити гайковим ключем у день монтажу.

Навіть ідеально підобраний обмежувач напруги може бути неправильно встановленим. Підбір та підключення — це дві різні задачі, і замовники зазвичай доручають виконання лише однієї з них.

 

 

Захист трансформаторів від перенапруг починається з MCOV, а не з номінальної напруги у кВ

Більшість запитів пропозицій, що надходять до нашого інженерного відділу, вказують обмежувач напруги за номінальною напругою — «обмежувач на 10 кВ», «обмежувач на 18 кВ». Це значення — це рейтинг за режимом роботи, і саме по собі воно майже нічого не говорить про те, чи підходить цей пристрій для вашої системи. Значення, яке визначає застосування, — це MCOV максимальна тривала робоча напруга (MCOV) — найвища середньоквадратична напруга, яку обмежувач здатний витримувати на своїх затискачах безперервно, не перегріваючись.

MCOV встановлюється системою заземлення, а не трансформатором. У системі з ефективним заземленням обмежувач перенапруги працює при напрузі фаза–земля в нормальному режимі роботи, тому вимога полягає у самій максимальній напрузі фаза–земля — 7,65 кВ у багатоточково заземленій системі номінальною напругою 12,47 кВ. У системі без заземлення або з імпедансним заземленням при замиканні фази на землю напруга на непошкоджених фазах може наближатися до повної напруги фаза–фаза, тому вимога до MCOV стає: не нижче 90 відсотків максимальної напруги фаза–фаза. Один і той самий трансформатор, один і той самий клас напруги, але два принципово різні обмежувачі перенапруги.

Номінальна лінійна напруга системи (кВ)	MCOV обмежувача перенапруги — для ефективно заземленої системи (кВ)	MCOV обмежувача перенапруги — для системи з імпедансним або відсутнім заземленням (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 рекомендується

Ці значення взяті з даних щодо застосування обмежувачів перенапруги, опублікованих Hubbell Power Systems, і вони відповідають спостереженням у розподільних системах Північної Америки ( Каталог Hubbell № 70, обмежувачі перенапруги ) Практичний наслідок варто сформулювати чітко. Якщо у специфікації зазначено «незаземлена система», але система насправді є чотирьохдротовою багатозаземленою, ви купуєте приблизно вдвічі більше MCOV, ніж потрібно, — і це коштує вам вищого напруги спрацювання, що саме й є тим показником, який ви намагалися зберегти низьким.

Один додатковий взаємозв’язок корисний під час ознайомлення з технічними даними: номінальна напруга обмежувача, як правило, приблизно в 1,25 раза перевищує його MCOV. Саме тому розподільчий обмежувач номінальною напругою 10 кВ має MCOV близько 8,4 кВ, а також саме тому обидва ці значення змінюються одночасно, коли ви змінюєте припущення щодо заземлення для одного й того ж трансформатора.

 

Довжина проводів, заземлення та захисний запас, який справді має значення

Ось та частина, яку пропускають більшість покупців. Кожен фут (фут) проводу з’єднання між обмежувачем і обладнанням, яке він захищає, додає напругу до ізоляції під час імпульсного перенапруження, оскільки струм повинен подолати цю відстань і повернутися назад. Керівництво IEEE щодо застосування оксидних обмежувачів використовує значення 1,6 кВ на фут при струмі 10 кА, а стандарт схвалення FM DS 5-11 щодо захисту електрообладнання від блискавки та імпульсних перенапружень також використовує це саме значення.

Довжина проводу з’єднання обмежувача (фут)	Напруга, що додається при струмі 10 кА (кВ)	Частка обмотки з рівнем імпульсної витривалості (BIL) 95 кВ
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

Ринок захисний запас це арифметичне співвідношення, що зв’язує всі ці параметри. Від рівня імпульсної витривалості (BIL) обмотки віднімають напругу спрацювання обмежувача та внесок проводу з’єднання, а потім ділять отриманий результат на BIL. Для розподільчого трансформатора номінальною напругою 13,8 кВ стандартний первинний рівень ізоляції становить 95 кВ BIL, а рекомендований мінімальний захисний запас становить 20 відсотків. Провід з’єднання довжиною 10 футів «споживає» 16 кВ із цих 95 кВ — майже весь рекомендований запас, ще до того, як будь-яке значення напруги спрацювання обмежувача буде враховано в цьому розрахунку.

Заземлення виходить з ладу тихо, непомітно. Заземлювальний провід має бути коротким, прямим і окремим від кріпильного кронштейна, а його кінець має приєднуватися до спеціальної площадки, яка електрично з’єднана з резервуаром і з загальним заземлювальним контуром станції. Прокладання заземлювального шляху через болтові з’єднання кронштейна створює з’єднання, схильне до корозії, послаблення та зростання імпедансу саме в той момент, коли надходить імпульс перенапруги. NFPA 780 , Стандарт встановлення систем захисту від блискавки, — це чинне видання 2026 року, яке є основним посиланням для більшості інспекторів Північної Америки. Ознайомтеся з ним до затвердження планування, а не після виникнення аварії.

 

Вибір правильного класу обмежувача перенапруги для трансформатора, який ви придбаєте

Обмежувачі перенапруги класифікуються за рівнем енергії імпульсу та струму короткого замикання, які вони здатні витримати; клас обмежувача має відповідати критичності обладнання, що стоїть за ним, а не обсягу замовлення.

Клас обмежувача перенапруги	Типове застосування	Примітки щодо вибору
Розподіл	розподільні трансформатори на напругу 12,47–34,5 кВ, блок-трансформатори у випадковому виконанні, опори підйому	номінальний струм розряду 10 кА. Звичайне виконання підходить для слабко навантажених сільських ліній електропередачі; важке виконання — у випадках, коли пристрій відкритий або лінія електропередачі довга.
Проміжний	Малі підстанції, комутаційне обладнання середньої напруги, трансформатори потужністю понад 5 МВА	Більша енергетична ємність порівняно з розподільним класом. Використовується там, де захищене обладнання є дорогим, а ступінь його експозиції — високою.
Станція	Трансформатори класу передачі та критичні підстанції	Найвища енергетична ємність та стійкість до аварійних струмів. Поведінка при розвантаженні тиску та вимоги до координації захисту чітко визначені в стандарті IEEE C62.11.

На трансформаторах у наземному виконанні в Північній Америці обмежувач перенапруги зазвичай кріпиться до бака спеціальним кронштейном і кришкою, а заземлювальний провід підключається до площадки, привареної до стінки бака. Це не декорація. Це найкоротший практично можливий шлях від основи обмежувача до заземленої сталі, і це єдиний шлях, який забезпечує вклад заземлювального проводу в межах, розрахованих нашими інженерами на етапі складання комерційної пропозиції.

 

Три проблеми з обмежувачами перенапруги, які ми постійно спостерігаємо на об’єктах

Ми просимо фотографії наявної установки, перш ніж надавати цінову пропозицію на заміну блоку, і ті самі три схеми постійно повторюються.

• Звитий або петльований висновковий дріт. Бригада, що тримає 6 футів висновкового дроту й потребуюча лише 18 дюймів його, звитиме решту аккуратно вздовж резервуара. Кожен виток додає індуктивності й напруги. Скоротіть висновковий дріт — не намагайтеся його упорядкувати.
• Шлях заземлення через кріпильну скобу. Це швидко, але неправильно. Гвинти скоби не є провідником заземлення в день монтажу, і вони не стануть ним після двох зими в прибережному дворі.
• Обмежувач перенапруги підібраний за кВ·А трансформатора замість конфігурації системи заземлення. Номінальна потужність у кВ·А блоку не впливає на MCOV. Впливає конфігурація заземлення, і це однорядкова відповідь на кресленні.

Одна додаткова несправність прихована всередині першої. Розподільний обмежувач напруги з зовнішнім від’єднувачем відкине свій провідник у разі короткого замикання обмежувача — саме цього й бажають; однак від’єднувач потребує повітряного проміжку, який має залишатися вільним. Ми відкривали шафи, у яких єдиний дріт або гніздо комах, утворене протягом сезону, замкнули цей проміжок. Обмежувач залишався на місці, але вже нічого не захищав.

 

Як ми інтегруємо захист від імпульсних перенапружень у кожне замовлення трансформаторів

Ryan Electric виробляє трансформатори з 2007 року, а з 2023 року діє як партнер у спільному підприємстві з Eaton. На заводі в Даньян — площа 120 000 квадратних метрів, понад 180 комплектів виробничого й випробувального обладнання, 37 патентів — випробувальний зал діелектриків проводить стандартні випробування, передбачені технічним завданням проекту, а також імпульсні випробування для конструкцій, що вимагають їх, а рівень BIL, вказаний на табличці, — це рівень, на якому було підтверджено придатність конструкції.

Коли замовлення включає обмежувачі перенапруг, ми підбираємо номінальну напругу тривалого робочого режиму (MCOV) на основі схеми заземлення системи, яку ви надаєте нам, вказуємо кріпильну скобу та кришку у переліку матеріалів і приварюємо заземлювальну площадку, щоб монтажник мав безпосередню точку підключення замість зручного болта. У програмах UL та CSA скоба, заземлювальна площадка та з’єднання корпусу заземлення розглядаються як частина збірки, а не як аксесуари для монтажу на об’єкті.

 

Що включити до вашого запиту пропозицій щодо захисту трансформаторів від імпульсних перенапруг

Чотири рядки у запиті пропозицій дозволять уникнути необхідності внесення змін пізніше, і жоден із них не вимагає більше хвилини часу для пошуку на кресленнях.

• Схема заземлення системи: ефективно заземлена, заземлена через імпеданс, незаземлена або трикутник — разом із максимальною напругою системи, а не лише номінальною.
• Необхідна номінальна напруга тривалого робочого режиму (MCOV) якщо вона вже відома вам, а також клас обмежувача перенапруг, який ви плануєте використати.
• Метод монтажу: кріпильна скоба на корпусі, на траверсі, всередині шафи або в комірці розподільного пристрою.
• Максимально можлива довжина виводів у реальній компоновці та місце розташування заземлювальної площадки.

Надішліть однолінійну схему та план ділянки разом із цими чотирма відповідями, і ми надішлемо вам підбір обмежувача перенапруг, його напругу спрацювання, внесок провідників та результуючу захисний запас у комерційній пропозиції — отже, обговорення відбувається на папері, на вашому робочому столі, а не на підстанції після грози. Зверніться до команди інженерів з застосування за адресою [email protected] або відкрийте сторінки продуктів трансформатори з масляним охолодженням та трансформатори, монтувані на підставку щоб запросити підтримку щодо розрахунку параметрів для конкретного проекту.

 

Про автора

Цю статтю підготувала команда інженерів з застосування Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), виробника трансформаторів, який працює над проектами у сфері розподілу електроенергії, потужних систем та відновлюваних джерел енергії для енергетичних компаній, центрів обробки даних, промислових підприємств та інфраструктурних замовників по всьому світу. Наші інженери визначають підбір обмежувачів перенапруг, координацію ізоляції та деталі заземлення у тих самих проектах, що проходять випробування в нашому випробувальному центрі в Даньян. Якщо у вас виникли запитання щодо вибору MCOV або захисного запасу для конкретного проекту, напишіть на [email protected].