Trafo Aşırı Gerilim Olayları ve Koruma Önlemleri

UHV ve yeni enerji şebekesi bağlantısı gibi teknolojilerin hızla gelişmesiyle birlikte, transformatörlerin-güç iletimi ve gerilim dönüşümüne yönelik temel ekipmanları-elektrik şebekelerinin güvenilirliği ve güç kaynağının kalitesi açısından kritik öneme sahiptir. Ancak transformatörler çalışma sırasında sıklıkla aşırı gerilim tehdidiyle karşı karşıya kalır: çalışma voltajı izin verilen maksimum çalışma voltajını aştığında aşırı voltaj olgusu meydana gelir. Bu geçici voltaj anormalliği, yalnızca transformatör yalıtımının eskimesini hızlandırmakla kalmaz, aynı zamanda doğrudan yalıtımın bozulmasına neden olarak ekipman arızasına ve hatta şebeke kazalarına yol açabilir. Aşırı gerilim üretim mekanizmalarının kapsamlı bir analizi ve hedefe yönelik koruma önlemlerinin uygulanması, transformatörlerin güvenli çalışmasını sağlamak için gereklidir.

 

 

 

 

Güç sistemlerindeki aşırı gerilimler, süreye ve nedene bağlı olarak üç ana türe ayrılır:geçici aşırı gerilim, aşırı gerilimin değiştirilmesi, Veatmosferik aşırı gerilim (yıldırım aşırı gerilimi)Her biri farklı tetikleyici senaryolara ve tehlike özelliklerine sahiptir.

 

 

 

 

 

 

(1) Anahtarlama Aşırı Gerilimi: Elektromanyetik Enerjinin Geçici Salınımı

Örnek olarak,-kademeli-aşağı transformatörün-yüksüz geçişini ele alırsak, bu, elektrik şebekelerindeki en yaygın senaryodur-, ikincil-yan kapasitansın, dönüştürüldüğünde birincil taraf üzerinde minimum etkisi vardır, dolayısıyla ihmal edilebilir. Birincil sargıhat--toprak kapasitesi-()Vedönüşler arası kapasitans ()anahtar parametreler haline gelir. O zamandan beriGüç transformatörlerinde, dönüşler arası kapasitansın etkisi niteliksel analiz için daha da basitleştirilebilir.

Yüksüz-bir transformatör kapatıldığında, yüksüz-akım sıfır- değilse, birincil endüktansta depolanan manyetik alan enerjisi () ve depolanan elektrik alanı enerjisi () tarafından oluşturulan paralel devrede salınırVe. Birkaç yüz ila birkaç bin Hz frekansı olan ve yalnızca birkaç güç-frekans döngüsü süren bu salınım, akım sıfıra ulaştığında manyetik alan enerjisini tamamen elektrik alan enerjisine dönüştürür, kapasitör voltajını maksimuma yükseltir ve anahtarlamada aşırı voltajı tetikler. Daha yüksek sargı endüktansı ve daha düşük hat--toprak kapasitansı, aşırı gerilim genliğini artırır; bu da, anahtarlama aşırı gerilimlerinin neden tipik olarak nominal gerilimin 4,5 katını aşmadığını açıklar.

 

(2) Atmosferdeki Aşırı Gerilim: Yıldırım Dalgalarının Keskin İstilası

Yıldırım dalgaları dik dalga cephelerine (1-4 μs) ve yüksek frekanslara (100 kHz'in üzerinde) sahiptir ve dalga cephesi dikliği 500 kV/μs'ye kadar çıkar. Hızla değişen bu voltaj, sargılarda önemli miktarda yer değiştirme akımı üretir. Yıldırım dalgaları trafo terminallerine yayıldığında, yüksek-frekans, yüksek-voltaj sinyalleri gibi davranırlar. Yüksek frekanslarda sargı endüktif reaktansıkapasitif reaktans önemli ölçüde artarkenkeskin bir şekilde azalır, bu nedenle akım öncelikle dönüşler ve hattan-toprak kapasitanslarına-akar.

Düşük-voltaj sargısı çekirdeğe yakın olduğundan, geniş hat-topraklama-kapasitansı kısa devreye yaklaşarak etkili bir şekilde topraklanmasını sağlar. Yıldırım dalgalarının sargı boyunca gerilim dağılımı, oran ile belirlenir.ile: Gelen terminal yakınındaki dönüşler arası kapasitanslar, manevra nedeniyle daha fazla akım taşır ve ilk birkaç dönüşün, nominal değerin yüzlerce katı gerilimlere maruz kalabileceği aşırı gerilim gradyanları oluşturur. Bu eşit olmayan voltaj dağılımı, dönüşler arası yalıtımın bozulmasının ana nedenidir.

 

(3) Geçici Aşırı Gerilim: Sabit-Durum Bozuklukları Altında Enerji Birikimi ve Salınım

Geçici aşırı gerilimler, üç tipik senaryoyla, kararlı-durumdaki şebeke bozulmalarından kaynaklanır:

• Güç-frekansında aşırı gerilim: Tek-fazlı toprak arızalarından, yükün reddedilmesinden veya hat şarjından kaynaklanır. Etkili topraklanmış sistemlerde, tek-faz arızaları sırasında sağlıklı faz gerilimleri hat gerilimi seviyelerine yükselir; ani yük reddi, jeneratör hızını ve ayarlanmamış uyarma akımını artırarak bara voltajlarını birkaç saniye boyunca nominal değerin 1,5-1,8 katına çıkarır.
• Rezonans aşırı gerilimi: Arızalar veya işlemler nedeniyle endüktans ve kapasitans rezonans devreleri oluşturarak elektriksel-manyetik enerji dönüşümünü tetiklediğinde meydana gelir. Doğrusal olmayan transformatör endüktansı tarafından tahrik edilen ferromanyetik rezonans, nominal değerin 2-3 katına kadar frekans kaymasına ve voltaj genliklerine neden olur.
• Ark topraklama aşırı gerilimi: Topraklanmamış sistemlerde tek-fazlı arızalar sırasında aralıklı ark sönmesi/yeniden tutuşması nedeniyle tetiklenir ve elektromanyetik salınımlara neden olur. Arkın sönmesi kapasitif enerjiyi endüktansa serbest bırakırken, yeniden ateşleme enerji birikimini artırarak nominal voltajın 2,5-3 katı aşırı gerilimlere yol açar.

 

 

 

 

 

Aşırı gerilim tehlikelerini ve mekanizmalarını ele alan, harici doğrudan yıldırımdan korunmayı, dahili sargı korumasını ve transformatör güvenliğini sağlamak için özel tamamlayıcı önlemleri birleştiren olgun bir koruma sistemi geliştirilmiştir.

 

(2) Arestör Koruması: Çekirdek Koruma Araçları

Izgara tutucular öncelikleboşluksuz metal oksit tutucular (MOA)Vearalıklı valf-tipi tutucular, ortak bir seçim ilkesiyle: parafudr nominal gerilimi, kurulum sahasındaki geçici aşırı gerilimden düşük olmamalıdır ve nötr-nokta parafudr nominal gerilimi, transformatörün maksimum faz geriliminden düşük olmamalıdır.

• Nominal voltaj çok düşükse: Aralıklı koruyucular, tek-faz arızaları sırasında arkları söndürmede başarısız olabilir ve patlamalara neden olabilir; MOA'lar aşırı enerji emiliminden dolayı bozulur.
• Nominal gerilim çok yüksekse: Darbe deşarj gerilimi ve artık gerilim artar, koruma etkinliği azalır.

Aralıklı valf-tipi arestörler, büyük yıldırım akımları altında yüksek iletkenlik (düşük artık voltajı korur) ve normal voltajlarda düşük iletkenlik (güç-frekans takip akımını sınırlayan) sergileyen doğrusal olmayan valf diskleri kullanır. Çinko oksit valf disklerinden yararlanan boşluksuz MOA'lar, aralıksız takip akımını bastırır, hızlı tepki, düşük artık gerilim ve yüksek akım kapasitesi sunar- ve bu da onları transformatör koruması için ana tercih haline getirir.

GB311.1-1997'ye göreYüksek-Gerilim İletim ve Dağıtım Ekipmanları için Yalıtım Koordinasyonu6kV transformatörler 60kV yıldırım darbe dayanım gerilimine ve 10kV transformatörler 75kV'a sahiptir. 6kV sistemler için YH5WS-10/30 MOA'nın artık voltajı 30kV'tan düşük veya ona eşit olup, yalıtım koordinasyon faktörü verir. 10kV sistemler için YH5WS-17/50 MOA verimi, güvenlik yedekliliği gereksinimlerini karşılıyor.Yalıtım türü, aşırı gerilim dağılımı ve çevresel yaşlanma göz önüne alındığında, genellikle yıldırım darbeleri için 1,4'ten büyük veya buna eşittir ve anahtarlama darbeleri için 1,15'ten büyük veya eşittir.

 

 

 

 

(3) Gelişmiş Yalıtım: Ek Koruma

Orta ve küçük transformatörler için (35kV'den az veya eşit), artırılmış yalıtım önemli bir tamamlayıcı önlemdir: yüksek-gerilim sargı yalıtımının kalınlaştırılması ve voltaj değişimlerine dayanacak şekilde gelen/terminal dönüşlerinde dönüşler arası yalıtımın güçlendirilmesi. Bununla birlikte, daha kalın yalıtım, ısı dağılımını bozar ve dönüşler arası kapasitansı azaltır, potansiyel olarak voltaj gradyanlarını artırarak-bunu yalnızca düşük-voltajlı, maliyete-hassas senaryolar için uygun hale getirir.

 

(4) Artırılmış Dönüşler Arası Kapasite: Optimize Edilmiş Gerilim Dağıtımı

Daha yüksek dönüşler arası kapasitansgerilim dağıtım tekdüzeliğini artırır: daha büyükgöreligerilim gradyanlarını ve aşırı gerilim riskini azaltır. Aralıklı sargılar ve kapasitör ekranları gibi teknikler, özellikle dağ trafo merkezleri veya rüzgar santrali yükseltme istasyonları gibi-yıldırım eğilimli alanlarda{2}}kullanılmaktadır.

 

(5) Nötr-Nokta Aşırı Gerilim Koruması

Tek güç kaynaklarına sahip, yıldırıma- eğilimli alanlardaki trafo merkezleri için, üç-fazlı yıldırım dalgası girişi yaygındır ve odaklanmış nötr-nokta koruması gerektirir. Birincil çözümnötr-nokta MOA'larıHızlı yanıt, düşük artık gerilim ve yüksek akım kapasitesiyle hem yıldırım hem de anahtarlama aşırı gerilimlerine karşı koruma sağlar. Guangdong ve Guangxi gibi yıldırım-olası illerinde, tarafsız-nokta MOA kurulum oranları %90'ı aşıyor. Yüksek nominal gerilimlerle tasarlanmış olup, küçük nötr-noktası kaymaları sırasında güvenilir kalırlar ve tek-faz arızaları sırasında 1x güç-frekans faz gerilimine dayanırlar.

Aşırı nötr-nokta kaymaları için (aşırı gerilim 2x güç-frekans faz gerilimine eşit veya daha büyük) paralel bir "tutucu + yatay çubuk aralığı" şeması kullanılır: tutucular yıldırım/anahtarlama aşırı gerilimlerini ele alırken boşluklar tutucular üzerindeki yüksek-frekans güç-frekans aşırı gerilimlerini sınırlandırarak karşılıklı koruyucu bir mekanizma oluşturur.

 

(6) Çoklu-Sarımlı Transformatörler için Özel Koruma

Üç-sargı transformatörü (yüksek, orta, düşük gerilim), özellikle düşük-gerilim sargıları açık olduğunda, elektrostatik endüksiyonlu aşırı gerilim riskleriyle karşı karşıyadır. Yüksek-voltaj tarafındaki yıldırım dalgaları, elektrostatik bağlantı ve elektromanyetik indüksiyon yoluyla düşük-voltaj sargılarına aktarılır ve toprağa karşı düşük kapasitans, elektrostatik voltajı yükselterek yalıtımı tehdit eder. Düşük-gerilim sargı çıkışlarındaki tutucular, izinsiz giren aşırı gerilimleri doğrudan bastırır.

Ek olarak, asimetrik arızalardan veya kesici arızalarından kaynaklanan sıfır-sıra gerilimi, kapasitif kuplaj yoluyla düşük-gerilim sargılarına aktarılır. Bunu hafifletmek için yüksek-senkronizasyon kesiciler kullanılır ve toprağa olan kapasitansı artırmak, aşırı gerilim enerjisini absorbe etmek ve genliği/dikliği azaltmak için düşük-veri yolu köprülerine 3 Y-bağlı kapasitör monte edilir.

 

(7) Alçak-Gerilim Sistemi Koordineli Koruma

Uzun düşük-gerilim besleme hatları yıldırım çarpmasına karşı hassastır. Yıldırım çarptığında yıldırım akımları oluşurters dönüşüm aşırı gerilimielektromanyetik indüksiyon yoluyla yüksek-gerilim sargılarında (nominal gerilimin 2–3 katı) izolasyonu tehdit eder. Düşük-voltaj tarafındaki MOA'lar, düşük-voltaj sargılarındaki darbe akışını bastırarak aşırı voltaj aktarımını engeller. Y/Zn11 bağlantı gruplarına sahip transformatörler, ters dönüşüm aşırı gerilimini doğası gereği bastırarak düşük-voltaj tutucularla eşleştirildiğinde gelişmiş koruma sağlar.

 

(8) Diğer Özel Koruma Önlemleri

Belirli aşırı gerilim senaryoları için ek önlemler şunları içerir:

1. Ark Söndürme Bobinleri: Ark Topraklama Aşırı Geriliminin Bastırılması

Topraklanmamış veya ark bastırma bobini-topraklanmış dağıtım sistemlerinde, ark bastırma bobinleri, tek-faz arızaları sırasında kapasitif akımı telafi ederek arıza akımını en aza indirir ve arkın aralıklı olarak yeniden alevlenmesini önler. Otomatik-ayar bobinleri gerçek-zamanlı kapasitif akım değişikliklerini takip ederek ark topraklama aşırı gerilimini 2 kat nominal gerilimden daha az veya ona eşit olarak sınırlandırır.

2. Reaktörler: Anahtarlamayı ve Güç-Frekansı Aşırı Gerilimini Sınırlama

Seri reaktörler: Akım değişim oranlarını azaltmak için devre endüktansını artırarak trafo ani akımını ve anahtarlama aşırı gerilimini sınırlayın. Örneğin, büyük transformatörlerin düşük-voltaj taraflarındaki seri reaktörler, ani akımı 2–3x nominal akımla sınırlar.

Şönt reaktörler: Uzun yüksek-gerilim iletim hatlarında kapasitif reaktif gücü emerek, hattın şarj etkilerinden kaynaklanan güç-frekansı aşırı gerilimini azaltır. 500kV hatlarda şönt reaktörler, aşırı gerilimi 1,3x nominal gerilime eşit veya daha düşük bir değerle sınırlandırarak transformatörleri dolaylı olarak korur.

3. Topraklama Sistemi Optimizasyonu: Toprak Potansiyeli Artışının Azaltılması

Optimize edilmiş topraklama ızgaraları (örneğin, bakır-kaplı çelik elektrotlar, ek topraklama direkleri), trafo merkezi toprak direncini 0,5Ω'un altına veya ona eşit olacak şekilde azaltarak, yıldırım çarpması sırasında toprak potansiyeli artışını en aza indirir ve karşı saldırıları önler. Yıldırıma- eğilimli alanlarda, "bağımsız topraklama + eşpotansiyel bağlama" toprak potansiyeli farklarını daha da azaltır.

4. Varistörler ve Aşırı Gerilim Koruyucuları (SPD): Düşük-Voltaj Uç Koruması

Düşük-gerilim besleyici çıkışlarındaki varistörler (MOV) veya SPD'ler, indüklenen yıldırım ve anahtarlama aşırı gerilimlerini bastırarak ters dönüşüm aşırı gerilimini önler. Bu cihazlar, düşük-düşük voltaj dağıtım sistemi uç koruması için ideal olan nanosaniye tepkisi ve düşük artık voltaj sunar.

 

 

 

 

 

 

Bu liste, temel mantığı takip ederek, gerilim seviyeleri ve senaryolar genelinde aşırı gerilim koruma ihtiyaçlarını ele almaktadır.doğrudan yıldırımdan korunma + çekirdek voltajı sınırlama + özel bastırma + sistem koordinasyonu. Proje tasarımında, müşterinin teknik katılımında ve ürün seçiminde doğrudan kullanıma yönelik SCOTECH transformatör tasarım özellikleri, eşleşen koruma önlemleri ve özelleştirilmiş çözümlerle uyumludur.

 

Uygulama Senaryosu	Temel Çalışma Koşulları	Temel Koruma Önlemleri	SCOTECH Özelleştirilmiş Uyarlama
Dış Mekan Trafo Merkezleri/Rüzgar Santrali Yükseltme{0}}İstasyonları (35kV'tan büyük veya ona eşit, yıldırıma- eğilimli/dağlık alanlar)	Yüksek doğrudan yıldırım riski; kombine yıldırım/anahtarlama aşırı gerilimi; nötr-nokta potansiyel kayma riski	1. Harici doğrudan yıldırımdan korunma 2. Yüksek-gerilim tarafı boşluksuz MOA'lar 3. Nötr-nokta MOA + çubuk aralığı paralel koruma 4. Optimize edilmiş sargı kapasitans dağılımı	1. Özelaralıklı sargılar/kapasitör ekranlarıgerilim dağıtımını optimize etmek için trafo giriş terminallerinde; 2. SCOTECH-özelleştirilmiş nötr-nokta MOA'ları eşleşen transformatör maksimum faz voltajı; 3. Elektrik mesafesinden kaynaklanan artık gerilim artışını azaltmak için sıfır-mesafe tutucu kurulum arayüzleri; 4. Tam doğrudan yıldırım kapsama alanı için paratonerlerle/tellerle eşleştirilmiş topraklama ızgarası optimizasyon önerileri
Kentsel Dağıtım Trafo Merkezleri (10/6kV, kentsel çekirdek alanlar, sık yük değiştirme)	Sık anahtarlama işlemleri; tekrarlanan anahtarlama aşırı gerilimi; doğrudan yıldırım yok ancak indüklenen yıldırım riski; düşük rezonans riski	1. Yüksek-yan boşluklu valf-tipi/MOA tutucular 2. Ani akım sınırlaması için seri reaktörler 3. Düşük-voltaj tarafı aşırı gerilim koruyucuları (SPD) 4. Geliştirilmiş giriş terminali yalıtımı	1. Kalınlaştırılmış dönüşler arası/zemin yalıtımıanahtarlama aşırı gerilim yorgunluğuna direnmek için yüksek-voltajlı sargı gelen terminallerinde; 2. Düşük-voltaj reaktörleri/SPD'ler için özelleştirilmiş düşük-koruma bileşenlerini destekleyen önceden entegre edilmiş arayüzler; 3. Sık anahtarlama altında rezonans olasılığını azaltmak için optimize edilmiş transformatör uyarma endüktansı
Kırsal Dağıtım Transformatörleri (10/6kV, uzak yıldırıma- eğilimli alanlar, sık tek-faz arızaları)	Yüksek doğrudan/kaynaklı yıldırım riski; önemli miktarda ark topraklama aşırı gerilimi; uzun kırsal hatlar, yüksek ters dönüşüm aşırı gerilim riski	1. Direğe-monte edilmiş tutucular + düşük-taraflı MOA'lar 2. Ark bastırma bobinleri aracılığıyla nötr-nokta topraklaması 3. Düşük-voltaj tarafı SPD aşırı gerilim koruması 4. Ters dönüşüm aşırı gerilim bastırma	1. TanıtınY/Zn11 bağlantı grubu transformatörleriters dönüşüm aşırı gerilimini doğası gereği bastırmak için; 2. Düşük-düşük voltajlı SPD'lerle doğrudan uyumlu, standart düşük-voltajlı MOA arayüzleri; 3. Otomatik-ayarlı ark bastırma bobinlerini desteklemek için optimize edilmiş nötr-nokta yalıtımı; 4. Direğe monteli transformatörler için sıfır-mesafe tutucu montaj braketleri
Endüstriyel Tesise Özel Transformatörler (10/35kV, çoklu-sargılı, yüksek yük dalgalanması)	Çoklu-sargılı elektrostatik endüksiyon aşırı gerilimi; yük anahtarlamasından aşırı voltajın anahtarlanması; sıfır-sıfır dizi gerilim birleştirme riski; düşük-gerilim ters dönüşüm aşırı gerilimi	1. Her sarım için bağımsız tutucular 2. Aşırı voltajın emilmesi için düşük-voltajlı yan şönt kapasitörler 3. Ani akım/aşırı gerilim sınırlaması için seri reaktörler 4. Katmanlı yalıtım takviyesi	1. Bağımsız güçlendirilmiş yalıtımher sargı için: yüksek-voltaj taraflarında optimize edilmiş kapasitans dağılımı, alçak-voltaj taraflarında kalınlaştırılmış toprak yalıtımı; 2. Sıfır dizi aşırı gerilimini absorbe etmek için düşük-veri yolu köprülerinde 3 Y-bağlı kapasitör için önceden-kurulmuş arayüzler; 3. Yük dalgalanmasına-bağlı ani akıma göre uyarlanmış özel seri reaktörler; 4. Çoklu-sargı gerilim seviyeleri için tutucu seçimi eşleştirme tabloları
Uzun-Mesafe İletim Transformatörleri (110kV'den büyük veya eşit, iletim hatları 50km'den büyük veya eşit)	Hat şarjından dolayı güç-frekansında aşırı gerilim; hat anahtarlamasından kaynaklanan önemli anahtarlama aşırı gerilimi; dik yıldırım dalgası yayılımı	1. Yüksek-voltaj taraflarında yüksek-kapasiteli MOA'lar 2. Kapasitif reaktif güç emilimi için hat-yan şönt reaktörleri 3. Yıldırım dalgası dikliğinin bastırılması 4. Geliştirilmiş transformatör yalıtım sınıfı	1. Özelyüksek yıldırım darbesine dayanıklı transformatörleruzun-mesafeli yıldırım dalgası dikliğine uyarlanmıştır; 2. Hat reaktörlerindeki rezonansı azaltmak için optimize edilmiş transformatör uyarma özellikleri; 3. Yüksek-akım-kapasiteli, yüksek-gerilim taraflarında MOA'lar, güç-frekansını/aşırı gerilimi ele alır; 4. Dalga dikliğini azaltmak için gelen terminallerdeki yıldırım dalgası tampon bileşenleri
Kompakt Trafo Merkezleri/Prefabrik Trafo Merkezleri (10/6kV, kentsel/park alanları, alan-kısıtlı)	Bağımsız doğrudan yıldırımdan korunma yok; yüksek ekipman entegrasyonu, küçük elektrik mesafeleri; indüklenen yıldırım + dahili anahtarlama aşırı gerilimi	1. Kabinin içindeki entegre MOA'lar 2. Varistör (MOV) ek koruması 3. Gelen hat dalgalanmasının bastırılması 4. Eş potansiyel bağlantı koruması	1. Entegre arestör montaj konumlarısıfır-mesafe transformatörü-tutucu entegrasyonu için; 2. Dahili anahtarlama aşırı gerilimini bastırmak için yerleşik-düşük-voltaj tarafı varistörleri; 3. Zemin potansiyeli karşı saldırı riskini azaltmak için kabinlerin içindeki eş potansiyel bağlama tasarımı; 4. Kompakt alanlar için optimize edilmiş sargı çıkış yapısı, voltaj gradyanı eşitsizliğini en aza indirir

 

Ek Notlar

• Tüm çözümler desteğiSCOTECH transformatörleri ve koruma bileşenlerinin entegre eşleştirilmesiMüşterinin ikincil seçimini ve kurulum maliyetlerini azaltır.
• Aşırı koşullar için (örneğin şiddetli fırtına bölgeleri, yüksek irtifa, yoğun kirlilik), aşağıdaki gibi gelişmiş seçenekler-kirlilik önleyici yalıtım kaplamaları,-yüksek akım tutucular ve bağımsız topraklama terminallerimevcuttur.