Fenomeni di sovratensione del trasformatore e misure di protezione

Con il rapido sviluppo di tecnologie come UHV e la nuova connessione alla rete energetica, i trasformatori-apparecchiature principali per la trasmissione di potenza e la conversione di tensione-sono fondamentali per l'affidabilità delle reti elettriche e la qualità dell'alimentazione elettrica. Tuttavia, i trasformatori si trovano spesso ad affrontare il rischio di sovratensione durante il funzionamento: quando la tensione operativa supera la tensione operativa massima consentita, si verifica un fenomeno di sovratensione. Questa anomalia della tensione transitoria non solo accelera l'invecchiamento dell'isolamento del trasformatore, ma può anche causare direttamente la rottura dell'isolamento, con conseguenti guasti alle apparecchiature o addirittura incidenti alla rete. Un'analisi approfondita dei meccanismi di generazione delle sovratensioni e l'implementazione di misure di protezione mirate sono essenziali per garantire il funzionamento sicuro dei trasformatori.

 

 

 

 

Le sovratensioni nei sistemi di alimentazione sono classificate in tre tipologie principali in base alla durata e alla causa:sovratensione temporanea, sovratensione di commutazione, Esovratensione atmosferica (sovratensione da fulmine), ciascuno con scenari di attivazione e caratteristiche di pericolo distinti.

 

 

 

 

 

 

(1) Sovratensione di commutazione: oscillazione transitoria dell'energia elettromagnetica

Prendendo come esempio la-commutazione senza carico di un-trasformatore abbassatore-lo scenario più comune nelle reti elettriche-, la capacità del lato secondario-ha un impatto minimo sul lato primario quando viene convertita, quindi può essere trascurata. L'avvolgimento primariocapacità linea---terra ()Ecapacità tra le spire ()diventano parametri chiave. Danei trasformatori di potenza, l'effetto della capacità tra le spire può essere ulteriormente semplificato per l'analisi qualitativa.

Quando un-trasformatore a vuoto viene spento, se la-corrente a vuoto è diversa da-zero, l'energia del campo magnetico immagazzinata nell'induttanza primaria () e l'energia del campo elettrico immagazzinata () oscillano nel circuito parallelo formato daE. Questa oscillazione, con una frequenza compresa tra diverse centinaia e diverse migliaia di Hz e che dura solo pochi cicli di frequenza-di potenza, converte interamente l'energia del campo magnetico in energia del campo elettrico quando la corrente raggiunge lo zero, aumentando la tensione del condensatore al massimo e innescando una sovratensione di commutazione. Una maggiore induttanza dell'avvolgimento e una minore capacità da linea-a-terra aumentano l'ampiezza della sovratensione, spiegando perché le sovratensioni di commutazione in genere non superano 4,5 volte la tensione nominale.

 

(2) Sovratensione atmosferica: forte invasione di onde di fulmini

Le onde dei fulmini hanno fronti d'onda ripidi (1–4 μs) e alte frequenze (superiori a 100 kHz), con pendenza del fronte d'onda fino a 500 kV/μs. Questa tensione in rapida variazione genera una corrente di spostamento significativa negli avvolgimenti. Quando le onde dei fulmini si propagano ai terminali del trasformatore, agiscono come segnali ad alta-frequenza e alta-tensione. Alle alte frequenze, avvolgimento reattanza induttivaaumenta in modo significativo, mentre la reattanza capacitivadiminuisce bruscamente, quindi la corrente scorre principalmente attraverso le capacità interturn e da linea-a-terra.

Poiché l'avvolgimento a bassa-tensione è vicino al nucleo, la sua grande capacità da linea-a-terra si avvicina a un cortocircuito, rendendolo effettivamente collegato a terra. La distribuzione della tensione delle onde del fulmine lungo l'avvolgimento è determinata dal rapporto traA: le capacità tra le spire vicino al terminale di ingresso trasportano più corrente a causa dello shunt, creando gradienti di tensione estremi in cui le prime spire possono presentare tensioni centinaia di volte il valore nominale. Questa distribuzione non uniforme della tensione è la causa principale della rottura dell'isolamento tra le spire.

 

(3) Sovratensione temporanea: accumulo di energia e oscillazione in condizioni di disturbi di stato-stazionario

Le sovratensioni temporanee derivano da disturbi-della rete in stato stazionario, con tre scenari tipici:

• Sovratensione-della frequenza di alimentazione: causato da guasti a terra monofase-, rifiuto del carico o ricarica della linea. Nei sistemi efficacemente messi a terra, le tensioni di fase sane salgono ai livelli di tensione di linea durante i guasti monofase-; il rifiuto improvviso del carico aumenta la velocità del generatore e la corrente di eccitazione non regolata, aumentando le tensioni del bus a 1,5–1,8 volte il valore nominale per diversi secondi.
• Sovratensione di risonanza: si verifica quando l'induttanza e la capacità formano circuiti risonanti a causa di guasti o operazioni, attivando la conversione dell'energia elettrica-magnetica. La risonanza ferromagnetica, pilotata dall'induttanza del trasformatore non lineare, provoca derive di frequenza e ampiezze di tensione fino a 2-3 volte il valore nominale.
• Sovratensione dell'arco verso terra: Indotto dall'estinzione/riaccensione intermittente dell'arco durante guasti monofase-in sistemi senza messa a terra, che causa oscillazioni elettromagnetiche. L'estinzione dell'arco rilascia energia capacitiva all'induttanza, mentre la riaccensione amplifica l'accumulo di energia, portando a sovratensioni pari a 2,5–3 volte la tensione nominale.

 

 

 

 

 

È stato sviluppato un sistema di protezione maturo per affrontare i rischi e i meccanismi di sovratensione, combinando protezione esterna diretta contro i fulmini, protezione interna degli avvolgimenti e misure supplementari specializzate per garantire la sicurezza del trasformatore.

 

(2) Protezione dello scaricatore: mezzi di protezione del nucleo

Gli scaricatori di rete sono principalmentescaricatori gapless all'ossido di metallo (MOA)Escaricatori di tipo-a valvola chiusa, con un principio di selezione condiviso: la tensione nominale dello scaricatore non deve essere inferiore alla sovratensione temporanea nel sito di installazione e la tensione nominale dello scaricatore del punto neutro- non deve essere inferiore alla tensione di fase massima del trasformatore.

• Se la tensione nominale è troppo bassa: gli scaricatori separati potrebbero non riuscire a estinguere gli archi durante guasti monofase-, provocando esplosioni; I MOA si degradano a causa dell'eccessivo assorbimento di energia.
• Se la tensione nominale è troppo elevata: la tensione di scarica impulsiva e la tensione residua aumentano, riducendo l'efficacia della protezione.

Gli scaricatori di tipo a valvola-gapped utilizzano dischi valvola non lineari che mostrano un'elevata conduttività sotto grandi correnti di fulmine (mantenendo una bassa tensione residua) e una bassa conduttività a tensioni normali (limitazione della corrente di alimentazione-frequenza). I MOA gapless, sfruttando i dischi delle valvole in ossido di zinco, sopprimono la corrente successiva senza interruzioni, offrendo una risposta rapida, una bassa tensione residua e un'elevata capacità di corrente-rendendoli la scelta principale per la protezione dei trasformatori.

Secondo GB311.1-1997Coordinamento dell'isolamento per apparecchiature di trasmissione e distribuzione ad alta-tensione, i trasformatori da 6 kV hanno una tensione di tenuta all'impulso di fulmine di 60 kV, mentre i trasformatori da 10 kV hanno una tensione di resistenza all'impulso di 75 kV. Per i sistemi da 6 kV, YH5WS-10/30 MOA ha una tensione residua inferiore o uguale a 30 kV, fornendo un fattore di coordinamento dell'isolamento. Per i sistemi da 10 kV, i rendimenti YH5WS-17/50 MOA, soddisfacendo i requisiti di ridondanza di sicurezza.è tipicamente maggiore o uguale a 1,4 per gli impulsi di fulmine e maggiore o uguale a 1,15 per gli impulsi di commutazione, considerando il tipo di isolamento, la distribuzione della sovratensione e l'invecchiamento ambientale.

 

 

 

 

(3) Isolamento migliorato: protezione supplementare

Per i trasformatori di medie e piccole dimensioni (meno o uguali a 35 kV), l'isolamento potenziato è una misura supplementare fondamentale: ispessimento dell'isolamento dell'avvolgimento ad alta-tensione e rinforzo dell'isolamento tra le spire in ingresso/terminali per resistere ai gradienti di tensione. Tuttavia, un isolamento più spesso compromette la dissipazione del calore e riduce la capacità tra le spire, aumentando potenzialmente i gradienti di tensione-rendendolo adatto solo per scenari a bassa-tensione e-sensibili ai costi.

 

(4) Aumento della capacità tra le spire: distribuzione della tensione ottimizzata

Maggiore capacità tra le spiremigliora l'uniformità della distribuzione della tensione: una maggiorerelativo ariduce i gradienti di tensione e il rischio di sovratensione. Vengono utilizzate tecniche come gli avvolgimenti interfogliati e gli schermi dei condensatori, in particolare nelle aree- soggette a fulmini come le sottostazioni di montagna o le stazioni step-up dei parchi eolici.

 

(5) Protezione da sovratensione del punto-neutro

Per le sottostazioni in aree- soggette a fulmini con singole fonti di alimentazione, l'intrusione di onde di fulmini trifase-è comune e richiede una protezione focalizzata del punto neutro-. La soluzione principale èMOA-punto neutro, che proteggono sia dai fulmini che dalle sovratensioni di commutazione con risposta rapida, bassa tensione residua ed elevata capacità di corrente. Nelle province-a rischio di fulmini, come Guangdong e Guangxi, i tassi di installazione di MOA a punti neutri-superano il 90%. Progettati con tensioni nominali elevate, rimangono affidabili durante piccoli spostamenti del punto neutro-e resistono a una tensione di fase a frequenza di alimentazione- pari a 1x durante i guasti-monofase.

Per spostamenti estremi del punto neutro- (sovratensione maggiore o uguale a 2x tensione di fase a frequenza di alimentazione-), viene utilizzato uno schema parallelo "scaricatore + intervallo tra aste orizzontali": gli scaricatori gestiscono le sovratensioni da fulmine/commutazione, mentre gli intervalli limitano le sovratensioni ad alta frequenza-di alimentazione-frequenza di frequenza sugli scaricatori, creando un meccanismo di protezione reciproca.

 

(6) Protezione specializzata per trasformatori-a più avvolgimenti

I trasformatori a tre-avvolgimenti (alta, media, bassa tensione) sono esposti a rischi di sovratensione per induzione elettrostatica, soprattutto quando gli avvolgimenti di bassa-tensione sono aperti. Le onde dei fulmini sul lato dell'alta-tensione si trasferiscono agli avvolgimenti di bassa-tensione tramite accoppiamento elettrostatico e induzione elettromagnetica, mentre la bassa capacità a terra aumenta la tensione elettrostatica, mettendo a rischio l'isolamento. Gli scaricatori sulle prese degli avvolgimenti a bassa-tensione sopprimono direttamente le sovratensioni intruse.

Inoltre, la tensione a sequenza zero- derivante da guasti asimmetrici o malfunzionamenti dell'interruttore si trasferisce agli avvolgimenti a bassa-tensione tramite accoppiamento capacitivo. Per mitigare questo problema, vengono utilizzati interruttori ad alto-sincronismo e 3 condensatori collegati a Y-vengono installati sui ponti bus a bassa-tensione per aumentare la capacità verso terra, assorbendo l'energia di sovratensione e riducendo l'ampiezza/pendenza.

 

(7) Protezione coordinata del sistema-bassa tensione

Le lunghe linee di alimentazione a bassa{0}}tensione sono vulnerabili ai fulmini. Quando colpiti, si inducono correnti di fulminesovratensione con trasformazione inversanegli avvolgimenti ad alta-tensione (2-3 volte la tensione nominale) tramite induzione elettromagnetica, mettendo a rischio l'isolamento. I MOA lato bassa-tensione sopprimono il flusso di impulsi negli avvolgimenti a bassa-tensione, bloccando il trasferimento di sovratensione. I trasformatori con gruppi di connessione Y/Zn11 sopprimono intrinsecamente la sovratensione di trasformazione inversa, fornendo una protezione migliorata se abbinati a scaricatori di bassa-tensione.

 

(8) Altre misure di protezione specializzate

Per scenari di sovratensione specifici, le misure supplementari includono:

1. Bobine di soppressione dell'arco: soppressione della sovratensione di messa a terra dell'arco

Nei sistemi di distribuzione con bobina di soppressione dell'arco o senza messa a terra-con messa a terra, le bobine di soppressione dell'arco compensano la corrente capacitiva durante i guasti monofase-, riducendo al minimo la corrente di guasto e prevenendo la riaccensione intermittente dell'arco. Le bobine di regolazione automatica- tengono traccia delle variazioni di corrente capacitiva in tempo reale-, limitando la sovratensione di messa a terra dell'arco a un valore inferiore o uguale a 2 volte la tensione nominale.

2. Reattori: limitazione della sovratensione-della frequenza di commutazione e di alimentazione

Reattori in serie: Limitare la corrente di spunto del trasformatore e la sovratensione di commutazione aumentando l'induttanza del circuito per ridurre i tassi di variazione della corrente. Ad esempio, i reattori in serie sui lati di bassa-tensione dei trasformatori di grandi dimensioni limitano la corrente di spunto a 2-3 volte la corrente nominale.

Reattori shunt: Assorbe la potenza reattiva capacitiva nelle lunghe linee di trasmissione ad alta{0}}tensione, riducendo la sovratensione alla frequenza di alimentazione-dagli effetti di carica della linea. Nelle linee da 500 kV, i reattori shunt limitano la sovratensione a un valore inferiore o uguale a 1,3 volte la tensione nominale, proteggendo indirettamente i trasformatori.

3. Ottimizzazione del sistema di messa a terra: riduzione dell'aumento del potenziale di terra

Le griglie di messa a terra ottimizzate (ad esempio, elettrodi in acciaio rivestito in rame-, poli di messa a terra aggiuntivi) riducono la resistenza di terra della sottostazione a un valore inferiore o uguale a 0,5 Ω, riducendo al minimo l'aumento del potenziale di terra durante i fulmini e prevenendo i contrattacchi. Nelle aree- soggette a fulmini, la "messa a terra indipendente + collegamento equipotenziale" riduce ulteriormente le differenze di potenziale di terra.

4. Varistori e limitatori di sovratensione (SPD): protezione da bassa-tensione

I varistori (MOV) o gli SPD sulle prese di alimentazione a bassa-tensione sopprimono i fulmini indotti e le sovratensioni di commutazione, prevenendo la sovratensione di trasformazione inversa. Questi dispositivi offrono una risposta in nanosecondi e una bassa tensione residua, ideali per la protezione delle estremità del sistema di distribuzione a bassa-tensione.

 

 

 

 

 

 

Questo elenco risponde alle esigenze di protezione da sovratensione attraverso livelli e scenari di tensione, seguendo la logica fondamentale diprotezione diretta contro i fulmini + limitazione della tensione del nucleo + soppressione specializzata + coordinamento del sistema. Si allinea con le caratteristiche di progettazione del trasformatore SCOTECH, le misure di protezione corrispondenti e le soluzioni personalizzate per l'uso diretto nella progettazione, nell'impegno tecnico del cliente e nella selezione del prodotto.

 

Scenario applicativo	Condizioni operative principali	Misure di protezione fondamentali	Adattamento personalizzato SCOTECH
Sottostazioni esterne/Stazioni step-up-per parchi eolici (Maggiore o uguale a 35 kV, aree- soggette a fulmini/montagne)	Elevato rischio di fulmini diretti; sovratensione combinata fulmine/manovra; punto neutrale-potenziale rischio di spostamento	1. Protezione esterna diretta contro i fulmini 2. MOA gapless lato alta-tensione 3. MOA del punto neutro- + protezione parallela del gap tra le aste 4. Distribuzione ottimizzata della capacità dell'avvolgimento	1. Personalizzatoavvolgimenti interfogliati/schermi di condensatoriai terminali di ingresso del trasformatore per ottimizzare la distribuzione della tensione; 2. MOA del punto neutro-personalizzati SCOTECH che corrispondono alla tensione di fase massima del trasformatore; 3. Interfacce di installazione di scaricatori a distanza zero-per ridurre l'aumento di tensione residua dalla distanza elettrica; 4. Raccomandazioni per l'ottimizzazione della rete di messa a terra, abbinate a parafulmini/fili per una copertura completa contro i fulmini diretti
Sottostazioni di distribuzione urbana (10/6 kV, aree centrali urbane, commutazione frequente del carico)	Operazioni di commutazione frequenti; sovratensioni di commutazione ripetute; assenza di fulminazione diretta ma rischio di fulminazione indotta; basso rischio di risonanza	1. Scaricatori tipo MOA/con valvola separata sul lato ad alta tensione- 2. Reattori in serie per la limitazione della corrente di spunto 3. Protettori da sovratensione laterale a bassa-tensione (SPD) 4. Isolamento del terminale in entrata migliorato	1. Isolamento tra spire/terra ispessitoai terminali di ingresso dell'avvolgimento ad alta-tensione per resistere all'affaticamento da sovratensione di commutazione; 2. Interfacce pre-integrate per reattori/SPD a bassa-tensione, che supportano componenti di protezione a bassa-tensione personalizzati; 3. Induttanza di eccitazione del trasformatore ottimizzata per ridurre la probabilità di risonanza in caso di commutazioni frequenti
Trasformatori di distribuzione rurale (10/6 kV, aree remote-soggette a fulmini, frequenti guasti monofase-)	Elevato rischio di fulmini diretti/indotti; significativa sovratensione dell'arco verso terra; lunghe linee rurali, elevato rischio di sovratensione da trasformazione inversa	1. Scaricatori montati su palo-+MOA laterali a bassa{{3}tensione 2. Messa a terra del punto neutro- tramite bobine di soppressione dell'arco 3. Protezione da sovratensione SPD lato bassa-tensione 4. Soppressione della sovratensione di trasformazione inversa	1. PromuoviTrasformatori del gruppo di connessione Y/Zn11sopprimere intrinsecamente la sovratensione di trasformazione inversa; 2. Interfacce MOA standard a bassa-tensione, direttamente compatibili con gli SPD a bassa-tensione; 3. Isolamento del punto neutro-ottimizzato per supportare le bobine di soppressione dell'arco con regolazione automatica-; 4. Staffe di montaggio per scaricatori a distanza zero-per trasformatori montati su palo-
Trasformatori dedicati per impianti industriali (10/35 kV, multi-avvolgimento, fluttuazione del carico elevato)	Sovratensione da induzione elettrostatica multi-avvolgimento; sovratensione di commutazione dalla commutazione del carico; rischio di accoppiamento della tensione a sequenza zero; sovratensione con trasformazione inversa a bassa-tensione	1. Scaricatori indipendenti per ciascun avvolgimento 2. Condensatori di shunt lato bassa-tensione per l'assorbimento della sovratensione 3. Reattori in serie per la limitazione dello spunto/sovratensione 4. Rinforzo isolante a strati	1. Isolamento rinforzato indipendenteper ciascun avvolgimento: distribuzione ottimizzata della capacità sui lati di alta-tensione, isolamento da terra più spesso sui lati di bassa-tensione; 2. Interfacce pre-installate per 3 condensatori collegati a Y-su ponti bus a bassa-tensione per assorbire la sovratensione a sequenza zero; 3. Reattori di serie personalizzati su misura per la corrente di spunto indotta dalla fluttuazione del carico-; 4. Tabelle di corrispondenza per la selezione degli scaricatori per livelli di tensione su più-avvolgimenti
Trasformatori di trasmissione-a lunga distanza (Maggiore o uguale a 110 kV, linee di trasmissione maggiore o uguale a 50 km)	Sovratensione della frequenza di alimentazione-dalla ricarica della linea; sovratensione di commutazione significativa derivante dalla commutazione di linea; propagazione ripida delle onde dei fulmini	1. MOA ad alta-capacità sui lati ad alta-tensione 2. Reattori shunt lato linea-per l'assorbimento capacitivo della potenza reattiva 3. Soppressione della pendenza delle onde dei fulmini 4. Classe di isolamento del trasformatore migliorata	1. Personalizzatotrasformatori con elevata resistenza all'impulso atmosfericoadattato alla pendenza-delle onde dei fulmini a lunga distanza; 2. Caratteristiche di eccitazione del trasformatore ottimizzate per ridurre la risonanza con i reattori di linea; 3. MOA ad alta-corrente-capacità sui lati dell'alta-tensione, che affrontano la-frequenza di alimentazione/sovratensione di commutazione; 4. Componenti buffer delle onde dei fulmini sui terminali in entrata per ridurre la pendenza delle onde
Sottostazioni compatte/Stazioni di trasformazione prefabbricate (10/6 kV, aree urbane/parchi, spazio-limitato)	Nessuna protezione diretta indipendente contro i fulmini; elevata integrazione delle apparecchiature, distanze elettriche ridotte; fulmine indotto + sovratensione di commutazione interna	1. MOA integrati all'interno del cabinet 2. Protezione supplementare varistore (MOV). 3. Soppressione dei picchi sulla linea in entrata 4. Protezione del collegamento equipotenziale	1. Posizioni di montaggio dello scaricatore integratoper l'integrazione dello scaricatore-trasformatore a distanza zero-; 2. Varistori lato-tensione integrati-a bassa tensione per sopprimere la sovratensione di commutazione interna; 3. Progettazione del collegamento equipotenziale all'interno degli armadi per ridurre il potenziale rischio di contrattacco a terra; 4. Struttura di uscita dell'avvolgimento ottimizzata per spazi compatti, riducendo al minimo le irregolarità del gradiente di tensione

 

Note supplementari

• Tutte le soluzioni supportanoabbinamento integrato di trasformatori e componenti di protezione SCOTECH, riducendo i costi di selezione secondaria e di installazione del cliente.
• Per condizioni estreme (ad esempio, zone con forti temporali, alta quota, forte inquinamento), opzioni avanzate comerivestimenti isolanti anti-inquinamento, scaricatori di alta-corrente e terminali di messa a terra indipendentisono disponibili.