Защита трансформаторов от перепадов напряжения

Опубликовано: 5 Май 2012

молния

Как выдержать удар молнии

АББ помогает защитить распределительные трансформаторы от быстрых перепадов напряжения

ВОЙЦЕХ ПЯСЕЦКИ, МАРЕК ФЛОРКОВСКИ, МАРЕК ФУЛЬЧИК, ПАВЕЛ КЛЫШ, ЭГИЛЬ СТРИКЕН, ПЁТР ГАВАНД – Удар молнии при любых обстоятельствах – опыт не из приятных. Для электрического оборудования это не только скачок напряжения, который может нанести ущерб, но также внезапное и быстрое повышение напряжения. В некоторых случаях перепады напряжения могут быть намного резче, чем в обычных рабочих ситуациях, измеряемых по общим стандартам – они могут резко увеличиться на мегавольты в течение микросекунд. Изоляция, защищающая обмотку трансформаторов и двигателей, обычно не предназначена для таких перепадов и может быть серьёзно повреждена, если не была предусмотрена дополнительная защита. Исследования показывают, что несмотря на то, что каждая часть оборудования разрабатывалась таким образом, чтобы выдержать обычный скачок напряжения, целых 35 процентов от общего числа диэлектрических отказов энергетического оборудования могут быть вызваны такими скачками [1]. Возможное решение состоит в том, чтобы полностью заново спроектировать оборудование, чтобы лучше справиться с такими перепадами. Более простой подход включает добавление компонента, который защитит оборудование от скачков, не затрагивая нормальную повседневную работу. Специалисты концерна АББ разработали именно такой компонент.

1 Перепады в энергетических сетях
Перепады в энергетических сетях являются следствием:

  1. внешних событий (например, ударов молний)
  2. происшествий в самой сети (коммутирование, отказы)

Перепады в энергетических сетях
Перепады в энергетических сетях приводят к перенапряжению и колебаниям фазового напряжения и тока.

Особого внимания требуют скачки напряжения длительностью менее 1 мс, приводящие к нелинейности первичного распределения напряжения в обмотке.

Высокочастотные компоненты в спектре броска напряжения рис. 1 приводят к чрезмерно неравномерному распределению напряжения, что вызывает местную нагрузку на систему изоляции, выходящую далеко за пределы нормальной рабочей нагрузки. Кроме того, сложные внутренние конструкции электрического прибора могут действовать как многорезонансные контуры. Следовательно, высокие частоты могут дополнительно вызывать местное усиление. Получающаяся в результате нагрузка на систему изоляции может представлять угрозу сокращения срока службы всего оборудования, и такая нагрузка часто приводит к внутренним коротким замыканиям.
Импульс напряжения, который может выдержать материал изоляции, в значительной степени зависит от времени повышения импульса. Этот критерий обычно принимается во внимание при выборе типа изоляции для электродвигателей. Особого внимания требует изоляция сухого типа для вращающихся электрических механизмов, когда такие механизмы работают с приводами, которые используют полупроводниковые коммутационные аппараты на высокой частоте. Изготовители таких механизмов часто указывают в руководствах по эксплуатации пределы амплитуд бросков напряжения и соответствующее время нарастания. Особое беспокойство вызывают броски, время нарастания которых обычно ниже 1 мс [2], приводящие к нелинейному начальному распределению напряжения на обмотке. Это начальное неравномерное распределение напряжения даёт высоковольтную нагрузку на изоляцию и может привести к пробою, образованию короны и частичной разрядке рис. 2. Увеличивающийся спрос на более высокий выдерживающий уровень также наблюдается в сегменте распределительных трансформаторов. Такой спрос удовлетворяется с помощью нетрадиционных проектов обмотки, которые увеличивают как проектные, так и производственные затраты. Особое внимание уделяется трансформаторам, подверженным частым атмосферным разрядам. Операторы таких сетей часто требуют       соответствия        самым требовательным стандартам с проведением испытаний трансформаторов с крутым фронтом импульса. Финский стандарт SFS 2646 предписывает скорость нарастания напряжения (dV/dt)
2 МВ /мс [3]. Этот стандарт требует, чтобы трансформатор был защищён от перенапряжения с помощью искрового зазора. Поскольку искровой зазор реагирует относительно медленно, напряжение на терминалах трансформатора может (при испытательных условиях) повышаться до уровня, значительно превосходящего основной уровень изоляции (BIL), определяемый рабочим напряжением оборудования. Кроме того, высокое dV/dt формы волны приводит к высокой нелинейности первичного распределения напряжения на обычной обмотке, что приводит к местной перегрузке системы изоляции рис. 3. Результаты экспериментов подтверждают этот факт и указывают на то, что искровой зазор, возможно, не обеспечивает достаточную защиту для распределительных трансформаторов [4] стандартного дизайна. Общее решение состоит в применении специального дизайна обмотки, включающего дополнительные элементы (электростатические экраны), уравнивающие первичное потенциальное распределение. Такое решение помогает избежать местной перегрузки с помощью высоких значений dV/dt, но оно усложняет как дизайн, так и процесс производства трансформаторов. Кроме того, пиковое перенапряжение, тем не менее, доходит до обмотки трансформатора, и таким образом, размеры изоляции должны быть такими, чтобы выдерживать перенапряжение сверх стандартного уровня.

SmartChoke – защита на основе продольного полного сопротивления
3 Воздействие волнового фронта удара молнии на трансформатор
Воздействие волнового фронта удара молнии на трансформатор
Стандартная форма волны BIL (зелёная линия) является образцом.
4 Идеализированное представление частотных характеристик полного сопротивления серийного дросселя
Идеализированное представление частотных характеристик полного сопротивления серийного дросселя
2 Первичное нелинейное распределение электрического потенциала по обмотке трансформатора
нелинейное распределение электрического потенциала по обмотке трансформатора
Специалисты концерна АББ разработали альтернативу такому специальному дизайну трансформатора, спроектировав последовательно соединённый фильтрующий элемент (называемый дросселем) на входе защищаемого оборудования. Основной принцип работы серийного элемента заключается в обеспечении соответствующей частотной зависимости полного сопротивления рис. 4. Это решение делает устройство практически проницаемым на частоте 50 или 60 Гц, одновременно подавляя компоненты чрезмерно высокой частоты.

Дроссель последовательно подсоединяется на входе защищаемого оборудования Основной принцип работы серийного элемента заключается в обеспечении соответствующей частотной зависимости полного сопротивления.

Эксперименты продемонстрировали эффективность этого метода в сокращении скорости dV/dt, вытекающей из перепадов, связанных с повторным зажиганием разряда и предразрядом в автоматическом выключателе. Установленный снаружи серийный дроссельный элемент, объединенный с маленьким шунтирующим конденсатором, снизил скорость dV/dt до безопасного уровня, а также устранил высокочастотные колебания, которые в противном случае последовали бы за таким перепадом [5].
Успешное уменьшение числа индуцированных коммутированием перепадов dV/dt подняло вопрос: можно ли было применить подобный подход, чтобы снизить вызванные ударом молнии перепады dV/ dt, которым часто подвергаются столбовые распределительные трансформаторы? Кроме того, АББ стремится объединить устройство с самим трансформатором.
Серийный дроссельный элемент может расцениваться в качестве альтернативы уже упоминавшейся специально разработанной обмотке, в которой использованы электростатические экраны для уравнивания распределения потенциала на высоких частотах. Серийный дроссельный элемент формирует фильтр низких частот, если он объединён с собственной способностью трансформатора (при высокой частоте характеристики обмотки трансформатора могут быть представлены его перегрузочной способностью). Эта способность меняется в зависимости от типа и размера устройства. Для масляных трансформаторов она может составлять от одного до нескольких нФ на фазу.
Частотная характеристика такого фильтра может затем быть оптимизирована выбором соответствующих параметров R и L. Кроме того, необходимо обеспечить правильную работу дросселя в нормальных эксплуатационных режимах и его способность выдерживать испытания на короткое замыкание.
7 Экспериментально замеренное снижение перенапряжения и dV/dt
замеренное снижение перенапряжения
5 Концепция серийного устройства защиты распределительного трансформатора от высокой dV/dt
Концепция серийного устройства защиты распределительного трансформатора
В зависимости от соотношения между значениями R, L и C, реакция схемы может быть непериодической, или может дополнительно содержать колебательные составляющие. Если значение сопротивления ниже критического значения Д Rc, периодические члены равны нолю, а выходное напряжение является сочетанием экспоненциальных функций. Исходя из этого, выбор соответствующего значения для гасящего сопротивления чрезвычайно важен для того, чтобы достигнуть максимально возможного снижения dV/dt, при этом предотвращая выброс и колебания напряжения на выходе дроссельного элемента рис. 5.
Трансформатор производства АББ с высокой степенью защит
8 Трансформатор производства АББ с высокой степенью защиты от dV/dt, защищённый SmartChoke

Выбор соответствующего значения для гасящего сопротивления чрезвычайно важен для того, чтобы достигнуть максимально возможного снижения dV/dt.

При таком подходе способность C эквивалентна способности трансформатора замыкания фазы на землю. Поскольку, как указано выше, пределы этой способности известны для определённого класса трансформатора, оптимизация значений R и L может быть достигнута для всех типовых трансформаторов определённой категории. Рассматривая идеализированную ситуацию на рис. 3, в которой импульс молнии на 2 МВ разделён искровым зазором, надо отметить, что незащищённое оборудование (например, столбовой трансформатор) испытало бы на пике фазное напряжение свыше 270 кВ (со скоростью dV/dt 2 МВ/мс). С серийным дроссельным элементом, установленным на входе защищаемого устройства, ниже становится не только dV/dt, но и пиковое значение волновых фронтов, достигающих трансформатора.

Проведённые эксперименты показали, что снижение dV/dt выше в сравнении со стандартным вводом трансформатора более чем в два раза.

Трансформатор, оснащённый защитой SmartChoke

Описанная концепция серийного дроссельного элемента была внедрена в новых распределительных трансформаторах АББ, снабдив их самой совершенной защитой от резких перепадов dV/dt. Элемент SmartChoke вмонтирован во ввод трансформатора рис. 6 и, таким образом, резкие перепады dV/dt отфильтровываются прежде, чем успевают дойти до обмотки.
Параметры дроссельного элемента, совмещённого с залитым эпоксидной смолой вводом трансформатора, настроены таким образом, чтобы один и тот же ввод мог использоваться для защиты всех типов распределительных трансформаторов, установленных на столбовых подстанциях распределительных сетей.
Проведённые эксперименты показали, что снижение dV/dt выше в сравнении со стандартным вводом трансформатора более чем в два раза. Также было отмечено значительное снижение пикового перенапряжения рис. 7.
Трансформатор, оснащённый вводом SmartChoke рис. 8, был сертифицирован в соответствии с финским стандартом SFS 2646 в высоковольтной лаборатории Хельсинкского Технологического Университета в городе Эспоо, Финляндия. Было продемонстрировано, что трансформатор со стандартным дизайном обмотки и имеющий защитные дроссели, совмещённые с вводом, а также искровой зазор 2 х 40 мм, выдержит без вреда для себя импульс удара молнии силой 2 МВ/мс.
Успешная защита
Использование дросселя на вводе защищаемого оборудования показало привлекательную альтернативу комплексной переработке проекта самого оборудования. Хотя дроссельные фильтры и уменьшают dV/dt и, следовательно, также пиковое значение крутых волновых фронтов, надо заметить, что первичная функция защитного устройства – это сокращение перепада dV/dt, вызванного перенапряжением от удара молнии; следовательно, они являются лишь дополнением к стандартной защите от перенапряжения, например, с помощью защитных искровых зазоров или металлооксидных разрядников рис. 9.
9 Сравнение различных сценариев защиты
Сравнение различных сценариев защиты
Войцех Пясецкий Марек Флорковский Марек Фульчик
Корпоративный исследовательский центр АББ,
Краков, Польша
wojciech.piasecki@pl.abb.com
marek.florkowski@pl.abb.com
marek.fulczyk@pl.abb.com
Павел Клыш
АББ, Отдел энергетических машин, распределительные трансформаторы, Лодзь, Польша pawel.klys@pl.abb.com
Эгиль Стрикен
АББ Отдел энергетических машин, распределительные трансформаторы, Драммен, Норвегия egil.stryken@no.abb.com
Пётр Гаванд
АББ Отдел энергетических машин, устройства,
Пшасныш, Польша
piotr.gawad@pl.abb.com
Литература

  1. Agrawal, K. C. (2001). Справочник по промышленной энергетической инженерии и применениям. Newnes.
  2. Рабочая группа IEEE. (Август 1981 г.) Сила импульсного напряжения вращающихся механизмов переменного тока. Труды IEEE по энергетическим устройствам и системам: Вып. PAS-100(8), (4041-4052).
  3. Финская ассоциация стандартизации. (29 июня 1987). SFS 2646, Столбовые подстанции.
  4. Burrage, L. M., Shaw, J. H., McConnell, B. W. (Апрель 1990 г.). Характеристики распределительного трансформатора при действии крутых фронтовых импульсов. Труды IEEE по поставкам энергии, Вып. 5(2).
  5. Glinkowski, M., Piasecki, W., Florkowski, M.,

Fulczyk, M., Arauzo, F. (май 2008 г). Устройство Smart-Choke для защиты оборудования от резких перепадов напряжения. Доклад представлен на конференции IEEE PES по передаче и распределению энергии, Чикаго, штат Иллинойс, США
Заглавный рисунок
Удары молнии являются причиной сильных перепадов напряжения, которые причиняют ущерб электрооборудованию.

Источник: AББ

Ещё по теме:

написано в рубрике: Статьи
Метки: , ,

Оставить отзыв