Transformatoroverspanningsverschijnselen en beschermingsmaatregelen

Met de snelle ontwikkeling van technologieën zoals UHV en nieuwe energienetwerkverbindingen zijn transformatoren-de kernapparatuur voor stroomtransmissie en spanningsomzetting-van cruciaal belang voor de betrouwbaarheid van elektriciteitsnetwerken en de kwaliteit van de stroomvoorziening. Transformatoren worden tijdens bedrijf echter vaak geconfronteerd met de dreiging van overspanning: wanneer de bedrijfsspanning de maximaal toegestane werkspanning overschrijdt, treedt er een overspanningsfenomeen op. Deze transiënte spanningsafwijking versnelt niet alleen de veroudering van de transformatorisolatie, maar kan ook direct leiden tot isolatiebreuk, wat kan leiden tot uitval van apparatuur of zelfs tot ongelukken op het elektriciteitsnet. Een grondige analyse van mechanismen voor het genereren van overspanning en de implementatie van gerichte beschermingsmaatregelen zijn essentieel om de veilige werking van transformatoren te garanderen.

 

 

 

 

Overspanningen in voedingssystemen worden onderverdeeld in drie hoofdtypen op basis van duur en oorzaak:tijdelijke overspanning, overspanning schakelen, Enatmosferische overspanning (bliksem-overspanning), elk met verschillende triggerscenario's en gevaarkenmerken.

 

 

 

 

 

 

(1) Schakeloverspanning: voorbijgaande oscillatie van elektromagnetische energie

Als we het onbelast schakelen van een neerwaartse transformator-, het meest voorkomende scenario in elektriciteitsnetwerken-, als voorbeeld nemen, heeft de capaciteit aan de secundaire- zijde bij conversie een minimale impact op de primaire zijde en kan deze dus worden verwaarloosd. De primaire wikkelingcapaciteit van lijn-naar-aarde ()Enonderlinge capaciteit ()sleutelparameters worden. Sindsin vermogenstransformatoren kan het effect van de onderlinge capaciteit verder worden vereenvoudigd voor kwalitatieve analyse.

Wanneer een nul-transformator wordt uitgeschakeld en de onbelast-stroom niet-nul is, wordt de magnetische veldenergie opgeslagen in de primaire inductantie () en elektrische veldenergie opgeslagen in () oscilleren in het parallelle circuit gevormd doorEn. Deze oscillatie, met een frequentie van enkele honderden tot enkele duizenden Hz en die slechts een paar stroomfrequentiecycli duurt, zet magnetische veldenergie volledig om in elektrische veldenergie wanneer de stroom nul bereikt, waardoor de condensatorspanning tot een maximum wordt verhoogd en een schakeloverspanning wordt veroorzaakt. Een hogere wikkelinductantie en een lagere lijn-naar-grondcapaciteit verhogen de overspanningsamplitude, wat verklaart waarom schakeloverspanningen doorgaans niet hoger zijn dan 4,5 keer de nominale spanning.

 

(2) Atmosferische overspanning: steile invasie van bliksemgolven

Bliksemgolven hebben steile golffronten (1–4 μs) en hoge frequenties (boven 100 kHz), met een golffrontsteilheid tot 500 kV/μs. Deze snel veranderende spanning genereert een aanzienlijke verplaatsingsstroom in de wikkelingen. Wanneer bliksemgolven zich voortplanten naar transformatoraansluitingen, gedragen ze zich als hoog-frequente, hoog-spanningssignalen. Bij hoge frequenties, inductieve reactantie van de wikkelingneemt aanzienlijk toe, terwijl capacitieve reactantieneemt sterk af, dus de stroom vloeit voornamelijk via interturn- en lijn-naar-grondcapaciteiten.

Omdat de lage- wikkeling zich dicht bij de kern bevindt, benadert de grote capaciteit van de lijn-naar- een kortsluiting, waardoor deze effectief geaard is. De spanningsverdeling van bliksemgolven langs de wikkeling wordt bepaald door de verhouding vannaar: interturn-capaciteiten nabij de inkomende terminal voeren meer stroom als gevolg van shunten, waardoor extreme spanningsgradiënten ontstaan ​​waarbij de eerste paar windingen spanningen kunnen ervaren die honderden keren de nominale waarde zijn. Deze ongelijkmatige spanningsverdeling is de belangrijkste oorzaak van defecten aan de isolatie tussen de windingen.

 

(3) Tijdelijke overspanning: energieaccumulatie en oscillatie bij constante- staatsverstoringen

Tijdelijke overspanningen komen voort uit netstoringen in stabiele- toestand, met drie typische scenario's:

• Stroom-frequentie-overspanning: Veroorzaakt door aardfouten in één-fase, belastingafwijzing of opladen van de lijn. In effectief geaarde systemen stijgen gezonde fasespanningen naar lijnspanningsniveaus tijdens enkel-fasige fouten; plotselinge belastingafwijzing verhoogt de generatorsnelheid en de niet-aangepaste bekrachtigingsstroom, waardoor de busspanning gedurende enkele seconden stijgt tot 1,5–1,8 maal de nominale waarde.
• Resonantie overspanning: treedt op wanneer inductantie en capaciteit resonante circuits vormen als gevolg van fouten of handelingen, waardoor elektrische-magnetische energieconversie wordt veroorzaakt. Ferromagnetische resonantie, aangedreven door niet-lineaire transformatorinductantie, veroorzaakt frequentiedrift en spanningsamplitudes tot 2 à 3 maal de nominale waarde.
• Overspanning bij aarding van de boog: Geïnduceerd door het periodiek doven/opnieuw ontsteken van de boog tijdens een-fasige fouten in niet-geaarde systemen, waardoor elektromagnetische oscillaties worden veroorzaakt. Bij het uitsterven van de boog komt capacitieve energie vrij voor de inductie, terwijl het opnieuw ontsteken de energieaccumulatie versterkt, wat leidt tot overspanningen van 2,5 tot 3 maal de nominale spanning.

 

 

 

 

 

Er is een volwassen beveiligingssysteem ontwikkeld om overspanningsgevaren en -mechanismen aan te pakken, waarbij externe directe bliksembeveiliging, interne wikkelingsbeveiliging en gespecialiseerde aanvullende maatregelen worden gecombineerd om de veiligheid van de transformator te garanderen.

 

(2) Bescherming door afleiders: kernbeschermingsmiddelen

Netafleiders zijn in de eerste plaatsgapless metaaloxide-afleiders (MOA)Enafleiders met gapped valve-type, met een gedeeld selectieprincipe: de nominale spanning van de afleider mag niet lager zijn dan de tijdelijke overspanning op de installatielocatie, en de nominale spanning van de neutrale-puntafleider mag niet lager zijn dan de maximale fasespanning van de transformator.

• Als de nominale spanning te laag is: Afleiders met openingen kunnen de bogen mogelijk niet doven tijdens een-fasige fouten, waardoor explosies kunnen ontstaan; MOA's worden afgebroken door overmatige energieabsorptie.
• Als de nominale spanning te hoog is: de impulsontladingsspanning en de restspanning nemen toe, waardoor de effectiviteit van de bescherming afneemt.

Afleiders met open klep- maken gebruik van niet-lineaire klepschijven die een hoge geleidbaarheid vertonen onder grote bliksemstromen (waarbij een lage restspanning wordt gehandhaafd) en een lage geleidbaarheid bij normale spanningen (die de- volgstroom van het vermogen beperken). Gapless MOA's, die gebruik maken van zinkoxide klepschijven, onderdrukken volgstroom zonder onderbrekingen, bieden een snelle respons, lage restspanning en hoge stroomcapaciteit-waardoor ze de reguliere keuze zijn voor transformatorbescherming.

Volgens GB311.1-1997Isolatiecoördinatie voor hoogspanningstransmissie- en distributieapparatuur6kV-transformatoren hebben een bliksemimpuls en zijn bestand tegen een spanning van 60kV, en 10kV-transformatoren 75kV. Voor 6kV-systemen heeft de YH5WS-10/30 MOA een restspanning van minder dan of gelijk aan 30 kV, wat een isolatiecoördinatiefactor oplevert. Voor 10kV-systemen levert de YH5WS-17/50 MOA opbrengsten op, die voldoet aan de vereisten voor veiligheidsredundantie.is doorgaans groter dan of gelijk aan 1,4 voor bliksemimpulsen en groter dan of gelijk aan 1,15 voor schakelimpulsen, rekening houdend met het isolatietype, de overspanningsverdeling en veroudering door de omgeving.

 

 

 

 

(3) Verbeterde isolatie: aanvullende bescherming

Voor middelgrote en kleine transformatoren (minder dan of gelijk aan 35 kV) is verbeterde isolatie een belangrijke aanvullende maatregel: het verdikken van de isolatie van de hoogspanningswikkelingen en het versterken van de isolatie tussen de wikkelingen bij inkomende/eindwikkelingen om spanningsgradiënten te weerstaan. Een dikkere isolatie schaadt echter de warmteafvoer en vermindert de capaciteit tussen de windingen, waardoor de spanningsgradiënten mogelijk toenemen-waardoor dit alleen geschikt is voor laag-spannings-, kosten-scenario's.

 

(4) Verhoogde interturn-capaciteit: geoptimaliseerde spanningsverdeling

Hogere interturn-capaciteitverbetert de uniformiteit van de spanningsverdeling: een grotereten opzichte vanvermindert spanningsgradiënten en overspanningsrisico. Technieken zoals interleaved windingen en condensatorschermen worden gebruikt, vooral in gebieden waar bliksem{1}}gevoelig is, zoals onderstations in de bergen of opstapstations voor windparken-.

 

(5) Neutraal-Punt-overspanningsbeveiliging

Voor onderstations in bliksem{0}}gevoelige gebieden met enkele stroombronnen is het binnendringen van drie- bliksemgolven gebruikelijk, waardoor gerichte bescherming van het neutrale- punt vereist is. De primaire oplossing isneutrale-punt-MOA's, die beschermen tegen bliksem en overspanningen met een snelle respons, lage restspanning en hoge stroomcapaciteit. In bliksemgevoelige provincies als Guangdong en Guangxi bedraagt ​​het installatiepercentage van neutrale{2} punt-MOA's meer dan 90%. Ze zijn ontworpen met hoge nominale spanningen, blijven betrouwbaar tijdens kleine neutrale-puntverschuivingen en zijn bestand tegen 1x net-frequentiefasespanning tijdens enkel-fasige fouten.

Voor extreem neutrale- puntverschuivingen (overspanning groter dan of gelijk aan 2x de- frequentiefasespanning), wordt een parallel "afleider + horizontale staafafstand"-schema gebruikt: afleiders behandelen bliksem-/schakeloverspanningen, terwijl openingen de hoog-frequente stroom- overspanningen op afleiders beperken, waardoor een wederzijds beschermend mechanisme ontstaat.

 

(6) Gespecialiseerde bescherming voor meer-wikkeltransformatoren

Drie-wikkelingstransformatoren (hoge, midden-, lage spanning) lopen het risico van overspanning door elektrostatische inductie, vooral wanneer de- lage spanningswikkelingen open zijn. Bliksemgolven aan de hoge-spanningszijde worden via elektrostatische koppeling en elektromagnetische inductie overgebracht naar wikkelingen met lage- spanning, en een lage capaciteit naar aarde verhoogt de elektrostatische spanning, waardoor de isolatie in gevaar komt. Afleiders bij wikkeluitgangen met lage- spanning onderdrukken direct binnendringende overspanningen.

Bovendien wordt nul-sequentiespanning van asymmetrische fouten of defecten aan de stroomonderbreker via capacitieve koppeling overgebracht naar laag-spanningswikkelingen. Om dit te ondervangen worden hoog-synchronismeonderbrekers gebruikt en worden er drie Y-aangesloten condensatoren geïnstalleerd op laag-busbruggen om de capaciteit naar aarde te vergroten, overspanningsenergie te absorberen en de amplitude/steilheid te verminderen.

 

(7) Gecoördineerde bescherming tegen laag-systeem

Lange voedingslijnen met lage- spanning zijn kwetsbaar voor blikseminslagen. Wanneer ze worden geraakt, induceren bliksemstromenomgekeerde transformatie overspanningin hoog-spanningswikkelingen (2-3 keer de nominale spanning) via elektromagnetische inductie, waardoor de isolatie in gevaar komt. MOA's aan de lage-spanningszijde onderdrukken de impulsflux in laag-wikkelingen, waardoor overspanningsoverdracht wordt geblokkeerd. Transformatoren met Y/Zn11-verbindingsgroepen onderdrukken inherent de overspanning bij omgekeerde transformatie, waardoor een betere bescherming wordt geboden in combinatie met laagspanningsafleiders.

 

(8) Andere gespecialiseerde beschermingsmaatregelen

Voor specifieke overspanningsscenario's omvatten aanvullende maatregelen:

1. Boogonderdrukkingsspoelen: onderdrukken van overspanning bij boogaarding

In niet-geaarde of boogonderdrukkingsspoelen-geaarde distributiesystemen compenseren boogonderdrukkingsspoelen de capacitieve stroom tijdens een-fasige fouten, waardoor de foutstroom wordt geminimaliseerd en intermitterende boogherontsteking wordt voorkomen. Spoelen met automatische-afstemming volgen capacitieve stroomveranderingen in reële- tijd, waardoor de overspanning bij boogaarding wordt beperkt tot minder dan of gelijk aan 2x de nominale spanning.

2. Reactoren: beperken van schakelen en vermogen-Frequentieoverspanning

Serie reactoren: Beperk de inschakelstroom van de transformator en de schakeloverspanning door de circuitinductie te verhogen om de stroomveranderingssnelheid te verminderen. Seriereactoren aan de laag-zijde van grote transformatoren beperken de inschakelstroom bijvoorbeeld tot 2 à 3x de nominale stroom.

Shuntreactoren: Absorbeert capacitief reactief vermogen in lange hoog-transmissielijnen, waardoor de- stroomfrequentie-overspanning als gevolg van lijnlaadeffecten wordt verminderd. In 500 kV-lijnen beperken shuntreactoren de overspanning tot minder dan of gelijk aan 1,3x de nominale spanning, waardoor transformatoren indirect worden beschermd.

3. Optimalisatie van het aardingssysteem: vermindering van de stijging van het aardpotentiaal

Geoptimaliseerde aardingsroosters (bijv. met koper-beklede stalen elektroden, extra aardingspalen) verminderen de aardweerstand van het onderstation tot minder dan of gelijk aan 0,5Ω, waardoor de stijging van het aardpotentiaal tijdens blikseminslagen wordt geminimaliseerd en tegenaanvallen worden voorkomen. In bliksem-gebieden die gevoelig zijn voor bliksem, reduceert "onafhankelijke aarding + potentiaalvereffening" de aardpotentiaalverschillen nog verder.

4. Varistoren en overspanningsbeveiligingen (SPD): bescherming tegen lage- spanningseinden

Varistors (MOV) of SPD's op voedingsuitgangen met lage- spanning onderdrukken geïnduceerde bliksem en schakeloverspanningen, waardoor overspanning met omgekeerde transformatie wordt voorkomen. Deze apparaten bieden een respons van nanoseconden en een lage restspanning, ideaal voor eindbescherming van laag-distributiesystemen.

 

 

 

 

 

 

Deze lijst behandelt de behoeften aan overspanningsbeveiliging voor spanningsniveaus en scenario's, volgens de kernlogica vandirecte bliksembeveiliging + kernspanningsbegrenzing + gespecialiseerde onderdrukking + systeemcoördinatie. Het sluit aan bij de ontwerpkenmerken van SCOTECH-transformatoren, bijpassende beschermingsmaatregelen en op maat gemaakte oplossingen voor direct gebruik bij projectontwerp, technische betrokkenheid van klanten en productselectie.

 

Toepassingsscenario	Kernbedrijfsomstandigheden	Kernbeschermingsmaatregelen	SCOTECH-aanpassing op maat
Buitenstations/opstapstations voor windparken.-Opstapstations ( Groter dan of gelijk aan 35 kV, bliksem-gevoelige/bergachtige gebieden)	Hoog direct bliksemrisico; gecombineerde bliksem-/schakeloverspanning; neutraal-potentieel verschuivingsrisico	1. Externe directe bliksembeveiliging 2. Hoge- gapless MOA's aan de hoogspanningszijde 3. Neutraal-punt MOA + parallelle bescherming tussen staafopeningen 4. Geoptimaliseerde verdeling van de wikkelcapaciteit	1. Aangepastverweven wikkelingen/condensatorschermenbij inkomende transformatorterminals om de spanningsverdeling te optimaliseren; 2. SCOTECH-aangepaste neutrale-punt-MOA's die overeenkomen met de maximale fasespanning van de transformator; 3. Installatie-interfaces voor nul-afstandsafleiders om de stijging van de restspanning als gevolg van elektrische afstand te verminderen; 4. Aanbevelingen voor optimalisatie van het aardingsnet, gecombineerd met bliksemafleiders/draden voor volledige directe bliksemdekking
Stedelijke distributiestations (10/6kV, stedelijke kerngebieden, frequente belastingschakeling)	Frequente schakelingen; herhaalde schakeloverspanning; geen directe bliksem maar geïnduceerd bliksemrisico; laag resonantierisico	1. Hoog-afleiders met zijdelingse opening-type/MOA-afleiders 2. Seriereactoren voor beperking van de inschakelstroom 3. Overspanningsbeveiligers tegen lage- spanningszijde (SPD) 4. Verbeterde isolatie van de inkomende aansluitingen	1. Verdikte tussenlaag/grondisolatiebij hoge-spanningswikkeling van inkomende terminals om overspanningsmoeheid bij het schakelen tegen te gaan; 2. Pre-geïntegreerde interfaces voor laag-laagspanningsreactoren/SPD's, ter ondersteuning van op maat gemaakte laag-laagspanningsbeveiligingscomponenten; 3. Geoptimaliseerde excitatie-inductantie van de transformator om de resonantiewaarschijnlijkheid bij veelvuldig schakelen te verminderen
Transformatoren voor landelijke distributie (10/6 kV, afgelegen bliksem-gevoelige gebieden, frequente enkel-fasige fouten)	Hoog direct/geïnduceerd bliksemrisico; aanzienlijke overspanning bij aarding van de boog; lange landelijke lijnen, hoog risico op overspanning door omgekeerde transformatie	1. Op paal-gemonteerde afleiders + MOA's aan de laag-zijde 2. Aarding van het nulpunt- via boogonderdrukkingsspoelen 3. SPD-overspanningsbeveiliging aan de lage-zijde 4. Overspanningsonderdrukking met omgekeerde transformatie	1. PromootY/Zn11 aansluitgroeptransformatorenom inherente overspanning bij omgekeerde transformatie te onderdrukken; 2. Standaard MOA-interfaces met lage- spanning, direct compatibel met SPD's met lage- spanning; 3. Geoptimaliseerde neutrale-puntisolatie ter ondersteuning van automatisch-afstemmende boogonderdrukkingsspoelen; 4. Montagebeugels voor nul-afleiders voor transformatoren op palen-
Specifieke transformatoren voor industriële installaties (10/35 kV, meerdere-wikkelingen, hoge belastingsschommelingen)	Multi-wikkeling van elektrostatische inductie-overspanning; overspanning door belastingschakeling; nul-risico op sequentiespanningskoppeling; lage-spanning inverse transformatie overspanning	1. Onafhankelijke afleiders voor elke wikkeling 2. Shuntcondensatoren met lage- spanningszijde voor absorptie van overspanning 3. Seriereactoren voor beperking van inschakelstroom/overspanning 4. Gelaagde isolatieversterking	1. Onafhankelijke versterkte isolatievoor elke wikkeling: geoptimaliseerde capaciteitsverdeling aan de hoge--spanningszijden, verdikte aardisolatie aan de lage--zijden; 2. Vooraf-geïnstalleerde interfaces voor 3 Y-aangesloten condensatoren op laag-busbruggen om nul- overspanning te absorberen; 3. Op maat gemaakte reactoren die zijn afgestemd op de fluctuaties in de belasting-geïnduceerde inschakelstroom; 4. Matchingtabellen voor afleiderselectie voor spanningsniveaus met meerdere-wikkelingen
Transmissietransformatoren voor lange afstanden (Groter dan of gelijk aan 110 kV, transmissielijnen groter dan of gelijk aan 50 km)	Stroom-frequentie-overspanning door opladen via lijn; aanzienlijke schakeloverspanning door lijnschakeling; steile voortplanting van bliksemgolven	1. MOA's met hoge- capaciteit aan hoge- spanningszijden 2. Lijn-zijshuntreactoren voor capacitieve reactieve vermogensabsorptie 3. Onderdrukking van de steilheid van bliksemgolven 4. Verbeterde transformatorisolatieklasse	1. Aangepasthoge bliksemimpuls is bestand tegen transformatorenaangepast aan de steilheid van bliksemgolven over lange- afstanden; 2. Geoptimaliseerde excitatiekarakteristieken van transformatoren om resonantie met lijnreactoren te verminderen; 3. MOA's met hoge-stroom-capaciteit aan hoge- spanningszijden, gericht op stroom-frequentie/schakeloverspanning; 4. Bliksemgolfbuffercomponenten bij inkomende terminals om de golfsteilheid te verminderen
Compacte onderstations/geprefabriceerde transformatorstations (10/6 kV, stedelijke/parkgebieden, beperkte ruimte-)	Geen onafhankelijke directe bliksembeveiliging; hoge apparatuurintegratie, kleine elektrische afstanden; geïnduceerde bliksem + interne schakeloverspanning	1. Geïntegreerde MOA's in de kast 2. Aanvullende Varistor (MOV)-beveiliging 3. Onderdrukking van inkomende lijnen 4. Bescherming tegen potentiaalvereffening	1. Geïntegreerde montageposities voor afleidersvoor nul-afstandstransformator-afleiderintegratie; 2. Ingebouwde-in lage- varistors aan de lage spanningszijde om interne schakeloverspanning te onderdrukken; 3. Ontwerp van potentiaalvereffening in kasten om het risico op tegenaanvallen op de grond te verminderen; 4. Geoptimaliseerde kronkelende uitlaatstructuur voor compacte ruimtes, waardoor oneffenheden in de spanningsgradiënt worden geminimaliseerd

 

Aanvullende opmerkingen

• Alle oplossingen ondersteunengeïntegreerde afstemming van SCOTECH-transformatoren en beveiligingscomponenten, waardoor de secundaire selectie door klanten en de installatiekosten worden verlaagd.
• Voor extreme omstandigheden (bijvoorbeeld zones met zware onweersbuien, grote hoogte, zware vervuiling) zijn verbeterde opties zoalsanti-isolatiecoatings tegen vervuiling, hoge-stroomafleiders en onafhankelijke aardingsterminalszijn beschikbaar.