Care sunt măsurile preventive pentru protecția la trăsnet a unui transformator auxiliar dintr-o stație de transformare?

Dacă lucrați în distribuția de energie, știți că transformatoarele auxiliare din substații sunt calai de lucru liniștiți care mențin sistemele critice în funcțiune - de la ventilatoare de răcire la circuite de control până la sursele de alimentare de urgență. Cu toate acestea, sunt, de asemenea, surprinzător de vulnerabili la loviturile de fulger, care pot duce la supratensiuni care prăjesc înfășurările, erodează izolația și pot scoate întregi segmente de substație offline zile întregi. Ca furnizor deTransformator auxiliar în substație, Am petrecut ani de zile ajutând operatorii să atenueze aceste riscuri, iar astăzi defalc măsurile preventive dovedite care mențin aceste transformatoare în siguranță atunci când furtunile trec.

În primul rând, să argumentăm de ce fulgerele reprezintă o amenințare atât de specifică pentru transformatoarele auxiliare. Spre deosebire de transformatoarele de putere principale, care sunt adesea în centrul protecției la supratensiune, unitățile auxiliare sunt mai mici, instalate atât în ​​spații exterioare, cât și în spații interioare ale substațiilor și construite pentru a gestiona niveluri de tensiune mai scăzute (de obicei, până la 10 kV). Aceasta înseamnă că chiar și o mică creștere de la o lovitură nor-sol din apropiere le poate copleși sistemele de izolație – mai ales dacă lovitura lovește liniile aeriene ale substației, barele colectoare sau infrastructura de împământare în raza de acțiune. Am văzut o furtună scoțând trei transformatoare auxiliare într-o substație rurală Midwest cu câțiva ani în urmă, nu pentru că lovitura a fost directă, ci pentru că supratensiunea a călătorit prin linii de medie tensiune neprotejate către unitatea auxiliară. De aceea, protecția stratificată, proactivă (nu doar o singură remediere) nu este negociabilă.

1. Selectarea locului și plasarea fizică: Prima linie de apărare

Chiar înainte de a instala un transformator auxiliar, locul în care îl puneți contează cel mai mult, în special pentru unitățile exterioare, care se confruntă cu expunerea directă la fulgere. Mulți operatori de substație se limitează la punctele de montare generice, dar micile ajustări aici pot face o mare diferență. În primul rând, amplasați transformatoarele auxiliare exterioare la cel puțin 15 până la 20 de metri distanță de barele colectoare principale ale stației și de terminalele catargului de trăsnet. Stai, s-ar putea să întrebi: „De ce să nu-l montezi sub un catarg de fulger?” Deoarece catargele direcționează loviturile către propriul pământ, dar curenții de supratensiune din apropiere pot încă induce tensiune în echipamentele din apropiere. Am aflat acest lucru când am lucrat cu o utilitate din Texas care a mutat o unitate auxiliară exterioară de 500 kVA la 22 de metri de catargul său de fulger; ratele de eșec după mutare, legate de supratensiune, au scăzut cu 65% în doi ani.

Pentru transformatoarele auxiliare de interior, care sunt de obicei montate în camerele de distribuție sau în clădirile de control, amplasarea este la fel de critică. Evitați instalarea acestora pe pereții exteriori, deoarece acești pereți pot acționa ca căi conductoare pentru supratensiunile induse de fulger de la componentele stației exterioare. În schimb, plasați-le în centrul camerei, înconjurate de materiale neconductoare precum betonul sau cărămida pentru a reduce cuplarea magnetică. Dacă alegeți între modelele de bază, unitățile din rășină epoxidică (legate mai jos) oferă o izolație mai strânsă care adaugă un strat de protecție și pentru instalațiile interioare. Apropo de asta, să clarificăm cele două medii principale de instalare pentru unitățile auxiliare de tip uscat:

• Transformator de tip uscat pentru exterior: Acestea sunt construite pentru a rezista la intemperii (UV, ploaie, schimbări de temperatură) și sunt adesea închise în carcase rezistente la intemperii. Când plasați acestea, asigurați-vă că carcasele lor sunt împământate la rețeaua principală de împământare a substației - mai multe despre asta mai târziu. Linkul aici pentru unitățile exterioare esteTransformator de tip uscat pentru exterior, care detaliază modelele noastre etanșate împotriva intemperiilor evaluate pentru utilizarea directă a substației în aer liber.
• Transformator de interior uscat: Dacă substația dvs. are spațiu limitat în exterior, modele de interior, disponibile laTransformator de interior uscat, sunt concepute pentru a fi instalate în spații interioare climatizate, unde evită expunerea directă la fulgere din cauza loviturilor externe.

2. Infrastructură adecvată de împământare: coloana vertebrală a protecției împotriva trăsnetului

Împământarea nu este doar o căsuță de verificat, ci este modul în care devii energia fulgerului de la înfășurările transformatorului. Majoritatea operatorilor de substație folosesc o singură tijă de împământare pentru unitățile auxiliare, dar aceasta este o greșeală. Fluxurile fulgerelor creează gradiente mari de tensiune în pământ, iar o singură tijă nu poate disipa acea energie suficient de repede, ceea ce duce la retur în transformator.

Pentru transformatoarele auxiliare, vă recomandăm asistem de împământare inelcare conectează rezervorul unității, carcasa, înfășurările secundare și toate echipamentele asociate (cum ar fi robinete de magistrală și canale pentru cabluri) la rețeaua principală de împământare a substației. Rețeaua trebuie să aibă o rezistență mai mică de 5 ohmi - orice lucru mai mare crește riscul de reflectare a supratensiunii în transformator. Am ajutat odată o utilitate să își modernizeze împământarea de la trei tije separate la o rețea inelă conectată la magistrala de masă a stației principale; o furtună ulterioară a avut o supratensiune de 12 kA care ar fi deteriorat vechea configurație, dar rețeaua a disipat-o fără incidente.

O altă omisiune obișnuită: legarea punctului neutru al transformatorului. Transformatoarele auxiliare din substații au adesea un neutru împământat, dar dacă acel neutru nu este conectat direct la rețeaua principală de împământare, curenții de supratensiune pot crea o diferență de potențial între înfășurări și rezervor, provocând descărcare parțială. Asigurați-vă că magistrala neutră are un cablu de cupru de 6 mm² sau mai gros conectat direct la rețea, fără îmbinări.

3. Dispozitive de protecție la supratensiune (SPD): atenuarea țintită a supratensiunii

Chiar și cu o împământare perfectă, supratensiunile de fulger pot traversa liniile electrice pentru a ajunge la transformatorul auxiliar. Aici intervin dispozitivele de protecție la supratensiune – și nu orice SPD-uri. Acestea trebuie să fie evaluate pentru tensiunea specifică a unității auxiliare și instalate exact în punctul în care puterea intră în transformator pentru a intercepta supratensiunile înainte ca acestea să ajungă la înfășurări.

Principalele tipuri de SPD pentru transformatoarele auxiliare sunt:

• Varistoare cu oxid de metal (MOV): Acestea sunt cele mai comune, concepute pentru a limita supratensiunile la un nivel sigur. Pentru unitățile auxiliare de medie tensiune (până la 10 kV), alegeți MOV-uri cu o tensiune de funcționare continuă (COV) evaluată la 1,2 ori tensiunea nominală a transformatorului - cu orice mai mică și se vor degrada rapid, cu cât mai mult și nu vor reține supratensiunile. Am testat transformatoarele noastre auxiliare asociate cu SPD-urile MOV recomandate și acestea rezistă la supratensiuni de până la 100 kA fără deteriorare, ceea ce este mai mult decât suficient pentru evenimentele tipice de fulgere din stație.
• Tuburi de descărcare a gazelor (GDT-uri): Acestea funcționează bine pentru circuitele de control de joasă tensiune (cum ar fi 24V DC) conectate la transformatoare auxiliare. GDT-urile au un timp de răspuns rapid, ceea ce le face ideale pentru supratensiuni mici și rapide pe care MOV-urile le-ar putea rata.

Cea mai bună practică de instalare: Montați SPD-urile cât mai aproape de bornele primare și secundare ale transformatorului, pe o rază de 0,5 metri, deoarece lungimea cablului dintre linie și SPD creează o cădere de tensiune care reduce eficacitatea acestora. Am văzut că instalatorii de utilități economisesc câțiva centimetri de cablu și au ajuns cu un SPD care a suportat doar 80% din supratensiune; trecerea la o montură mai apropiată a rezolvat problema. De asemenea, asigurați-vă că SPD-urile sunt împământate la aceeași rețea inelă ca și transformatorul, nu o tijă separată, pentru a evita diferențele de potențial.

4. Coordonarea izolației și îmbunătățirea designului transformatorului

Transformatorul în sine este ultima ta linie de apărare, așa că este esențial să te asiguri că izolația sa este suficient de robustă pentru a face față la supratensiunile fulgerelor. Pentru transformatoarele auxiliare, coordonarea izolației înseamnă potrivirea nivelului de impuls de bază (BIL) al unității cu nivelurile de supratensiune așteptate în substație. BIL este supratensiunea maximă pe care o poate suporta un transformator fără defectarea izolației — pentru unitățile auxiliare din substații, vă recomandăm un BIL de 75 kV pentru unitățile de 5 kV și 125 kV pentru unitățile de 10 kV.

Totuși, nu toate transformatoarele auxiliare sunt construite la fel. Transformatoarele de tip uscat din rășină epoxidică (legate mai jos) au izolație solidă care este mai rezistentă la descărcări parțiale de la supratensiuni decât unitățile umplute cu ulei și nu prezintă riscul de scurgeri de ulei care pot crea căi conductoare pentru supratensiuni. Am descoperit că modelele noastre din rășină epoxidică, ca cele de laTransformator tip uscat din rășină epoxidică, rezistă cu 20% mai bine în timpul evenimentelor de supratensiune decât unitățile convenționale de tip uscat, conform datelor de teren de la 120 de instalații de substație în ultimii trei ani.

Un alt upgrade: adăugarea de inele de gradare a supratensiunii la bornele de înaltă tensiune ale transformatorului. Aceste inele distribuie uniform câmpul electric în jurul terminalului, reducând șansa de aprindere în timpul unei supratensiuni. Este o mică adăugare, dar a salvat mai mult de un transformator auxiliar în timpul loviturilor de fulger apropiate.

5. Întreținere și testare regulată: nu așteptați o furtună

Măsurile preventive nu se opresc la instalare – trebuie să testați și să întrețineți sistemul de protecție împotriva trăsnetului pentru a vă asigura că funcționează atunci când aveți nevoie. Majoritatea utilităților își verifică doar transformatoarele auxiliare pentru sarcină și temperatură, dar componentele de protecție la supratensiune se degradează în timp. MOV-urile, de exemplu, își pierd capacitatea de prindere după supratensiuni repetate, așa că ar trebui testate anual cu un tester de rezistență a izolației și înlocuite la fiecare 5 până la 7 ani, chiar dacă nu prezintă daune vizibile.

Sistemele de împământare sunt, de asemenea, predispuse la coroziune, în special în medii umede sau cu conținut ridicat de sare. Testați rezistența de împământare la fiecare doi ani – dacă este peste 5 ohmi, săpați cei 10 cm de suprafață de pământ din jurul tijelor de împământare și înlocuiți-l cu umplutură cu rezistență scăzută (cum ar fi bentonita) pentru a îmbunătăți conductibilitatea. Pentru transformatoarele din rășină epoxidică, efectuați un test de descărcare parțială la fiecare trei ani pentru a detecta daunele izolației care ar putea duce la defecțiunea la supratensiune pe linie.

Îmi amintesc un utilitar care a omis testarea anuală și un SPD care s-a degradat în timp a eșuat în timpul unei furtuni de vară. Surplusul a lovit transformatorul auxiliar și le-a scos circuitele de control, întârziind operațiunile unei fabrici locale cu 12 ore. Acest lucru ar fi putut fi evitat cu un test anual de 200 de dolari.

De ce este important acest lucru pentru substația dvs. (și cum vă putem ajuta)

La sfârșitul zilei, protecția împotriva trăsnetelor pentru transformatoarele auxiliare nu se referă doar la echipamente, ci se referă la menținerea substației operaționale, evitarea timpilor de nefuncționare costisitoare și protejarea sistemelor care mențin comunitățile alimentate. Am lucrat cu substații din America de Nord pentru a proiecta pachete personalizate de protecție împotriva trăsnetului, adaptate mediului lor specific, fie că au nevoie de unități exterioare pentru regiuni predispuse la furtuni, modele de interior pentru amplasamente compacte sau transformatoare din rășină epoxidice pentru zone cu umiditate ridicată.

Dacă sunteți gata să vă evaluați configurația actuală a transformatorului auxiliar sau trebuie să specificați o unitate nouă cu protecție integrată împotriva trăsnetului, suntem aici pentru a vă ajuta. Echipa noastră vă poate ghida prin evaluările amplasamentului, vă poate recomanda combinația potrivită de transformatoare, SPD-uri și sisteme de împământare și vă poate oferi asistență continuă pentru întreținere pentru a vă menține echipamentul în siguranță în timpul furtunilor.

Referințe

1. IEEE Std C57.12.00-2015, „Standard pentru cerințe generale pentru distribuția, puterea și transformatoarele de reglare immerse în lichid”, Institutul de ingineri electrici și electronici.
2. Codul național de siguranță electrică (NESC) 2023, „Metode de împământare pentru echipamentele substațiilor”, Institutul național american de standarde.
3. „Practici de protecție împotriva trăsnetului pentru echipamentele auxiliare ale substației”, Revista Substation Engineering, vol. 28, nr. 4, 2022.
4. Ghid de coordonare a izolației transformatoarelor, Consiliul Internațional pentru Sisteme Electrice Mari (CIGRÉ), Broșura tehnică 765, 2019.