תופעות מתח יתר של שנאי ואמצעי הגנה

עם ההתפתחות המהירה של טכנולוגיות כגון UHV וחיבור חדש לרשתות אנרגיה, שנאים-ציוד ליבה להולכת חשמל והמרת מתח- הם קריטיים לאמינות רשתות החשמל ולאיכות אספקת החשמל. עם זאת, שנאים מתמודדים לעתים קרובות עם איום של מתח יתר במהלך הפעולה: כאשר מתח ההפעלה עולה על מתח העבודה המרבי המותר, מתרחשת תופעת מתח יתר. אנומליה זו במתח חולף לא רק מאיצה את ההזדקנות של בידוד השנאים, אלא יכולה גם לגרום ישירות להתמוטטות בידוד, מה שמוביל לכשל בציוד או אפילו לתאונות רשת. ניתוח יסודי של מנגנוני יצירת מתח יתר ויישום אמצעי הגנה ממוקדים חיוניים להבטחת פעולה בטוחה של שנאים.

 

 

 

 

מתחי יתר במערכות חשמל מסווגים לשלושה סוגים עיקריים בהתבסס על משך וגורם:מתח יתר זמני, מיתוג מתח יתר, ומתח יתר אטמוספרי (מתח יתר ברק), כל אחד עם תרחישי הפעלה ומאפייני סיכון ברורים.

 

 

 

 

 

 

(1) מתח יתר מיתוג: תנודה חולפת של אנרגיה אלקטרומגנטית

אם לוקחים את-החלפת העומס של שנאי צעד-למטה-התרחיש הנפוץ ביותר ברשתות חשמל-כדוגמה, לקיבול הצד המשני-יש השפעה מינימלית על הצד הראשי בעת ההמרה, כך שניתן להזניח אותו. הפיתול העיקרי שלקיבול קו-ל-קרקע ()וקיבול אינטרטור ()הופכים לפרמטרים מרכזיים. מֵאָזבשנאי כוח, ניתן לפשט עוד יותר את ההשפעה של קיבול ה-interturn לצורך ניתוח איכותי.

כאשר שנאי ללא עומס-כבוי, אם זרם ללא-עומס אינו-אפס, אנרגיית השדה המגנטי המאוחסנת בהשראות הראשית () ואנרגיית שדה חשמלי שנאגרה ב () להתנוד במעגל המקביל שנוצר על ידיו. תנודה זו, בתדר של כמה מאות עד כמה אלפי הרץ ונמשכת רק כמה מחזורי תדר הספק-, ממירה את אנרגיית השדה המגנטי כולו לאנרגיית שדה חשמלי כאשר הזרם מגיע לאפס, מעלה את מתח הקבלים למקסימום ומפעילה מתח יתר מיתוג. השראות פיתול גבוהה יותר וקיבול קו תחתון-ל-הקרקע מגדילים את משרעת מתח היתר, ומסבירים מדוע מתחי יתר מיתוג בדרך כלל אינם עולים על פי 4.5 מהמתח הנקוב.

 

(2) מתח יתר אטמוספרי: פלישה תלולה של גלי ברק

לגלי ברק יש חזיתות גל תלולות (1-4 מיקרומטר שניות) ותדרים גבוהים (מעל 100 קילו-הרץ), עם תלילות חזית גל עד 500 קילו-וולט/מיקרו-שניה. מתח זה המשתנה במהירות יוצר זרם תזוזה משמעותי בפיתולים. כאשר גלי ברק מתפשטים למסופי השנאים, הם פועלים כאותות-תדר גבוה-מתח גבוה. בתדרים גבוהים, תגובת אינדוקטיבית מתפתלתגדל באופן משמעותי, בעוד תגובת קיבולתיורדת בחדות, כך שהזרם זורם בעיקר דרך קיבולים של interturn וקו-ל-הארקה.

מכיוון שפיתול המתח הנמוך- קרוב לליבה, קיבול הקו הגדול שלו-ל-הארקה מתקרב לקצר, מה שהופך אותו למקורק ביעילות. התפלגות המתח של גלי ברק לאורך הפיתול נקבעת על ידי היחס שלאֶל: קיבולי ביניים ליד המסוף הנכנס נושאים יותר זרם עקב shunting, יוצר שיפוע מתח קיצוני שבו הסיבובים הראשונים עשויים לחוות מתחים פי מאות מהערך הנקוב. התפלגות מתח לא אחידה זו היא הסיבה העיקרית להתמוטטות בידוד בין סיבובים.

 

(3) מתח יתר זמני: צבירת אנרגיה ותנודה תחת הפרעות מצב-יציבות

מתחי יתר זמניים נובעים מהפרעות רשת-יציבות, עם שלושה תרחישים אופייניים:

• מתח יתר של-תדר מתח: נגרמת מתקלות הארקה חד-פאזיות-, דחיית עומס או טעינת קו. במערכות מוארקות ביעילות, מתחי פאזה בריאים עולים לרמות מתח קו במהלך תקלות חד-פאזיות-; דחיית עומס פתאומית מגבירה את מהירות הגנרטור וזרם עירור לא מותאם, ומעלה את מתחי האוטובוס ל-1.5-1.8 פעמים מהערך הנקוב למשך מספר שניות.
• מתח יתר תהודה: מתרחש כאשר השראות וקיבול יוצרים מעגלים תהודה עקב תקלות או פעולות, המפעילים המרת אנרגיה מגנטית- חשמלית. תהודה פרומגנטית, המונעת על ידי השראות שנאי לא ליניארית, גורמת לסחיפת תדרים ומשרעות מתח של עד פי 2-3 מהערך המדורג.
• מתח יתר הארקת קשת: נגרמת על ידי הכחדה/הצתה של קשת לסירוגין במהלך תקלות חד-פאזיות-במערכות לא מקורקעות, הגורמות לתנודות אלקטרומגנטיות. הכחדת קשת משחררת אנרגיה קיבולית לשראות, בעוד שההצתה מחדש מגבירה את הצטברות האנרגיה, מה שמוביל למתחי יתר של פי 2.5-3 מהמתח הנקוב.

 

 

 

 

 

פותחה מערכת הגנה בוגרת כדי לתת מענה למפגעים ומנגנונים של מתח יתר, המשלבת הגנה מברק ישירה חיצונית, הגנה מפני פיתולים פנימיים ואמצעים משלימים מיוחדים להבטחת בטיחות השנאים.

 

(2) הגנת מעצר: אמצעי הגנת ליבה

מעצורי רשת הם בעיקרמעצורי תחמוצת מתכת ללא פערים (MOA)ומעצורים מסוג שסתומים מרווחים-, עם עיקרון בחירה משותף: מתח נקוב המעצר לא חייב להיות נמוך ממתח יתר הזמני באתר ההתקנה, ומתח הנקוב של מעצור נקודתי- נייטרלי לא יהיה נמוך ממתח הפאזה המרבי של השנאי.

• אם המתח המדורג נמוך מדי: מעצורים מרווחים עלולים להיכשל בכיבוי קשתות במהלך תקלות חד-פאזיות-, ולגרום לפיצוצים; MOAS מתכלים מספיגת אנרגיה מוגזמת.
• אם המתח המדורג גבוה מדי: מתח פריקה דחף ומתח שיורי גדלים, מה שמפחית את יעילות ההגנה.

מעצורי שסתומים מרווחים- משתמשים בדסקיות שסתומים לא ליניאריים המציגים מוליכות גבוהה תחת זרמי ברק גדולים (שמירה על מתח שיורי נמוך) ומוליכות נמוכה במתחים רגילים (הגבלת הספק-תדירות מעקב זרם). MOA ללא רווחים, הממנפים דיסקים של שסתומי תחמוצת אבץ, מדכאים זרם עוקב ללא פערים, ומציעים תגובה מהירה, מתח שיורי נמוך וקיבולת זרם גבוהה-מה שהופך אותם לבחירה המרכזית להגנה על שנאים.

לפי GB311.1-1997תיאום בידוד עבור-ציוד שידור והפצה במתח גבוה, לשנאים 6kV יש עמידה בדחף ברק במתח של 60kV, ושנאים של 10kV 75kV. עבור מערכות 6kV, ל-YH5WS-10/30 MOA יש מתח שיורי של פחות או שווה ל-30kV, נותן מקדם תיאום בידוד. עבור מערכות 10kV, YH5WS-17/50 MOA מניב, עומד בדרישות יתירות בטיחות.הוא בדרך כלל גדול או שווה ל-1.4 עבור דחפי ברק וגדול או שווה ל-1.15 עבור דחפי מיתוג, בהתחשב בסוג הבידוד, התפלגות מתח יתר והזדקנות הסביבה.

 

 

 

 

(3) בידוד משופר: הגנה משלימה

עבור שנאים בינוניים וקטנים (פחות או שווה ל-35kV), בידוד משופר הוא אמצעי משלים מרכזי: עיבוי בידוד מתפתל- גבוה וחיזוק בידוד בין-סיבובים בפניות נכנסות/טרמינליות כדי לעמוד בשיפוע מתח. עם זאת, בידוד עבה יותר פוגע בפיזור החום ומפחית את קיבול המעבר, מה שעלול להגדיל את שיפוע המתח-מה שהופך אותו למתאים רק לתרחישים רגישים למתח-נמוך ולעלות-.

 

(4) קיבול ביניים מוגבר: חלוקת מתח אופטימלית

קיבול מעבר גבוה יותרמשפר את אחידות חלוקת המתח: גדול יותריחסית למפחית את שיפוע המתח ואת הסיכון למתח יתר. נעשה שימוש בטכניקות כמו פיתולים משולבים ומסכי קבלים, במיוחד באזורים מועדים-לברקים כגון תחנות משנה בהרים או תחנות מדרגות- של חוות רוח.

 

(5) ניטרלי-הגנה על מתח יתר נקודתית

עבור תחנות משנה באזורים מועדים-לברקים עם מקורות כוח בודדים, חדירת גלי ברק תלת-פאזיים היא נפוצה, הדורשת הגנה ממוקדת של נקודה נייטרלית-. הפתרון העיקרי הואMOAS של-נקודה ניטרלית, המגנים הן מפני ברק והן מפני מתחי יתר מיתוג עם תגובה מהירה, מתח שיורי נמוך וקיבולת זרם גבוהה. במחוזות המועדים-לברקים כמו גואנגדונג וגואנגשי, שיעורי התקנת MOA בנקודות-נייטרליות עולים על 90%. מתוכננים עם מתחים מדורגים גבוהים, הם נשארים אמינים במהלך הזזות- נקודתיות נייטרליות קלות ועומדות בפני מתח פאזה של פי 1 הספק-תדר במהלך תקלות חד-פאזיות-.

עבור הזזות נקודות-ניטרליות קיצוניות (מתח יתר גדול או שווה למתח פאזה של 2x הספק-תדר), נעשה שימוש בסכימה מקבילה של "מעצר + מרווח מוט אופקי": מעצורים מטפלים במתחי ברק/מתג יתר, בעוד שפערים מגבילים את ההספק-התדר-גבוהים, ויוצרים מנגנון הגנה הדדית בתדרים.

 

(6) הגנה מיוחדת עבור רובוטריקים-מתפתלים

שלושה-שנאים מתפתלים (גבוה, בינוני, נמוך) עומדים בפני סיכוני מתח יתר של אינדוקציה אלקטרוסטטית, במיוחד כאשר פיתולי מתח נמוך- פתוחים. גלי ברק בצד המתח הגבוה-מעבירים לפיתולי מתח-נמוכים באמצעות צימוד אלקטרוסטטי ואינדוקציה אלקטרומגנטית, וקיבול נמוך לאדמה מעלה מתח אלקטרוסטטי, ומאיים על בידוד. מעצרים בשקעים מתפתלים-נמוכים מדכאים ישירות מתחי יתר חודרים.

בנוסף, מתח אפס-ברצף מתקלות אסימטריות או תקלות מפסק עובר לפיתולי מתח-נמוכים באמצעות צימוד קיבולי. כדי למתן זאת, משתמשים במפסקי סינכרון גבוהים-, ו-3 קבלים מחוברים Y-מותקנים על גשרי אוטובוס-נמוכים כדי להגדיל את הקיבול לאדמה, לספוג אנרגיית מתח יתר ולהפחית משרעת/תלולות.

 

(7) הגנה מתואמת מערכת-נמוכה

קווי הזנה-ארוכים של מתח נמוך פגיעים לפגיעות ברק. כאשר נפגע, זרמי ברק מעורריםמתח יתר של טרנספורמציה הפוכהבפיתולי מתח גבוה- (פי 2-3 מתח מדורג) באמצעות אינדוקציה אלקטרומגנטית, בידוד מאיים. MOAs בצד-מתח נמוך מדכאים שטף דחף בפיתולי מתח נמוך-, וחוסמים העברת מתח יתר. רובוטריקים עם קבוצות חיבור Y/Zn11 מדכאים מטבעם מתח יתר של טרנספורמציה הפוכה, ומספקים הגנה משופרת בשילוב עם מעצורי מתח נמוך-.

 

(8) אמצעי הגנה מיוחדים אחרים

עבור תרחישי מתח יתר ספציפיים, אמצעים משלימים כוללים:

1. סלילי דיכוי קשת: דיכוי מתח יתר של הארקת קשת

במערכות הפצה-לא מקורקעות של סליל דיכוי קשת, סלילי דיכוי קשת מפצים על זרם קיבולי במהלך תקלות חד-פאזיות-, ממזערים את זרם התקלה ומונעים הדלקה מחדש של קשת לסירוגין. סלילי כוונון-אוטומטיים עוקבים אחר שינויי זרם קיבולי בזמן-בזמן אמת, ומגבילים את מתח היתר הארקת הקשת למתח הנקוב לפחות או שווה ל-2x.

2. כורים: הגבלת מיתוג והספק-מתח יתר בתדר

סדרת כורים: רסן את זרם הכניסה של השנאים ומתח יתר מיתוג על ידי הגדלת השראות המעגל כדי להפחית את שיעורי שינוי הזרם. לדוגמה, כורים סדרתיים בצידי מתח נמוך- של שנאים גדולים מגבילים את זרם הכניסה לזרם נקוב פי 2-3.

סנט כורים: ספוג כוח תגובתי קיבולי בקווי הולכה ארוכים-במתח גבוה, הפחתת מתח יתר בתדר-הספק כתוצאה מהשפעות טעינת קו. בקווים של 500kV, כורי shunt מגבילים את מתח היתר לפחות או שווה למתח מדורג פי 1.3, ומגנים בעקיפין על שנאים.

3. אופטימיזציה של מערכת הארקה: הפחתת עליית פוטנציאל הקרקע

רשתות הארקה אופטימליות (לדוגמה, אלקטרודות פלדה מצופיות-בנחושת, עמודי הארקה נוספים) מפחיתות את התנגדות הקרקע של תחנת המשנה לפחות מ-0.5Ω או שווה ל-0.5Ω, וממזערות את עליית פוטנציאל הקרקע במהלך פגיעות ברק ומונעות התקפות נגד. באזורים המועדים-לברקים, "הארקה עצמאית + חיבור שווי פוטנציאל" מפחיתה עוד יותר את הבדלי פוטנציאל הקרקע.

4. ויסטורים ומגני נחשולי מתח (SPD): הגנה על מתח נמוך-

Varistors (MOV) או SPD בשקעי הזנה-נמוכים מדכאים ברק המושרה ומתגי יתר, ומונעים מתח יתר של טרנספורמציה הפוכה. התקנים אלה מציעים תגובה ננו-שניה ומתח שיורי נמוך, אידיאליים להגנה על קצה- של מערכת הפצת מתח נמוך.

 

 

 

 

 

 

רשימה זו מתייחסת לצורכי הגנת מתח יתר על פני רמות מתח ותרחישים, בהתאם להיגיון הליבה שלהגנת ברקים ישירה + הגבלת מתח ליבה + דיכוי מיוחד + תיאום מערכת. זה מתיישב עם תכונות עיצוב שנאי SCOTECH, התאמת אמצעי הגנה ופתרונות מותאמים לשימוש ישיר בתכנון פרויקט, מעורבות טכנית של לקוחות ובחירת מוצר.

 

תרחיש יישום	תנאי תפעול ליבה	אמצעי הגנה ליבה	התאמה אישית של SCOTECH
תחנות משנה חיצוניות/חוות רוח סט-תחנות למעלה (גדול או שווה ל-35kV, אזורים מועדים-לברקים/הרריים)	סיכון גבוה לברק ישיר; מתח יתר ברק/מיתוג משולב; סיכון תזוזה פוטנציאלי-נייטרלי	1. הגנת ברקים ישירה חיצונית 2. MOA ללא רווחים-במתח גבוה 3. נקודת MOA-נייטרלית + הגנה מקבילה על מרווח מוט 4. חלוקה אופטימלית של קיבול מתפתל	1. מותאם אישיתפיתולים משולבים/מסכי קבליםבמסופים נכנסים של שנאי כדי לייעל את חלוקת המתח; 2. SCOTECH-מותאמות אישית של נקודת נייטרלי--MOAs התאמת מתח פאזה מקסימלי של שנאי; 3. ממשקי התקנת מעצורים למרחק אפס- להפחתת עליית מתח שיורי ממרחק חשמלי; 4. המלצות לאופטימיזציה של רשת הארקה, בשילוב עם מוטות/חוטי ברק לכיסוי ברק ישיר מלא
תחנות חלוקה עירוניות (10/6kV, אזורי ליבה עירוניים, מיתוג עומס תכוף)	פעולות מיתוג תכופות; מתח יתר מיתוג חוזר; אין ברק ישיר אלא סיכון ברקים מושרה; סיכון תהודה נמוך	1. מעצורי שסתום מרווח-במתח גבוה-סוג/MOA 2. כורים סדרתיים להגבלת זרם פריצה 3. מגיני מתח נמוך-(SPD) 4. בידוד מסוף נכנס משופר	1. בידוד בידוד/קרקע מעובהבמתח גבוה-מתפתל מסופים נכנסים כדי להתנגד לעייפות מתח יתר של מיתוג; 2. ממשקים-משולבים לכורי מתח נמוך-תומכים ברכיבי הגנת מתח נמוך- מותאמים אישית; 3. השראות עירור שנאי אופטימלית להפחתת הסתברות תהודה במיתוג תכוף
רובוטריקים להפצה כפרית (10/6kV, אזורים מועדים-לברקים מרחוק, תקלות חד-פאזיות-תכופות)	סיכון גבוה לברקים ישיר/נגרם; מתח יתר משמעותי של הארקת קשת; קווים כפריים ארוכים, סיכון גבוה למתח יתר של טרנספורמציה הפוכה	1. מעצורים-מוצבים בעמוד + MOAS בצד-מתח נמוך 2. הארקה נקודתית- ניטראלית באמצעות סלילי דיכוי קשת 3. הגנה מפני נחשולי מתח נמוך-בצד SPD 4. דיכוי מתח יתר של טרנספורמציה הפוכה	1. קדםשנאי קבוצת חיבור Y/Zn11לדכא מטבעו מתח יתר של טרנספורמציה הפוכה; 2. ממשקי MOA במתח נמוך- סטנדרטיים, התואמים ישירות ל-SPD של מתח נמוך-; 3. בידוד נקודתי-ניטרלי אופטימלי לתמיכה בסלילי דיכוי קשת כוונון אוטומטי{{2}; 4. תושבות הרכבה למעצר מרחק אפס-למוט-שנאים
רובוטריקים ייעודיים למפעל תעשייתי (10/35kV, ריבוי-מתפתלים, תנודת עומס גבוהה)	מתח יתר אינדוקציה אלקטרוסטטית-מתפתלת; מיתוג מתח יתר ממיתוג עומס; אפס-סיכון צימוד מתח ברצף; מתח נמוך-טרנספורמציה הפוכה במתח נמוך	1. מעצרים עצמאיים לכל פיתול 2. קבלים צד shunt במתח- נמוך לספיגת מתח יתר 3. כורים סדרתיים להגבלת כניסת/מתח יתר 4. חיזוק בידוד שכבות	1. בידוד מחוזק עצמאילכל פיתול: חלוקת קיבול אופטימלית בצידי-מתח גבוה, בידוד קרקע מעובה בצידי מתח נמוך-; 2. ממשקים-מותקנים מראש עבור 3 קבלים Y-מחוברים על גשרי אוטובוס-נמוכים כדי לספוג מתח יתר ברצף אפס; 3. כורים מסדרה מותאמים אישית המותאמים לתנודת עומס-לזרם פריצה; 4. טבלאות התאמת בחירת מעצר עבור רמות מתח מרובות-
רובוטריקים-למרחקים ארוכים (גדול או שווה ל-110kV, קווי תמסורת גדולים או שווה ל-50 ק"מ)	מתח יתר -תדר מתח מטעינת קו; מתח יתר משמעותי ממיתוג ממיתוג קו; התפשטות גלי ברק תלולה	1. MOA-בקיבולת גבוהה בצידי מתח גבוה- 2. קו- כורי shunt צדדיים לספיגת כוח תגובתי קיבולי 3. דיכוי תלילות גלי ברק 4. דרגת בידוד שנאים משופרת	1. מותאם אישיתדחף ברק גבוה עומד בשנאיםמותאם לתלולות גלי ברק-למרחקים ארוכים; 2. מאפייני עירור שנאים אופטימליים להפחתת תהודה עם כורי קו; 3. MOA-זרם-גבוה בצידי מתח-גבוהים, נותנים מענה לתדר-הספק/מתח יתר של מיתוג; 4. רכיבי חיץ גלי ברק במסופים נכנסים להפחתת תלילות הגלים
תחנות משנה קומפקטיות/תחנות שנאי טרומיים (10/6kV, אזורים עירוניים/פארקים, שטח- מוגבל)	אין הגנת ברקים ישירה עצמאית; שילוב ציוד גבוה, מרחקים חשמליים קטנים; ברק מושר + מתח יתר מיתוג פנימי	1. MOAs משולבים בתוך הארון 2. הגנה משלימה Varistor (MOV). 3. דיכוי נחשול קו נכנס 4. הגנת מליטה שוויונית	1. מצבי הרכבה משולבים של מעצרעבור שילוב של-שנאי מרחק-אפס; 2. מובנים-בווריסטורים בצד-מתח נמוך כדי לדכא מתח יתר מיתוג פנימי; 3. עיצוב חיבור שווי פוטנציאל בתוך ארונות כדי להפחית את הסיכון להתקפת נגד בקרקע; 4. מבנה מוצא מתפתל אופטימלי לחללים קומפקטיים, מזעור אי אחידות שיפוע מתח

 

הערות משלימות

• כל הפתרונות תומכיםהתאמה משולבת של שנאי SCOTECH ורכיבי הגנה, הפחתת עלויות הבחירה וההתקנה המשניות של הלקוח.
• עבור תנאים קיצוניים (למשל, אזורי סופת רעמים קשים, גובה רב, זיהום כבד), אפשרויות משופרות כמוציפוי בידוד נגד-זיהום, מעכבי זרם גבוהים- ומסופי הארקה עצמאייםזמינים.