Ochrona odgromowa transformatora. Jak działa ogranicznik przepięć?

czas czytania: 8 minut

Transformator może pracować przez lata bez poważnych zakłóceń. Wystarczy jednak jedno przepięcie o dużej energii, aby uszkodzić jego izolację, przepusty, uzwojenia albo elementy przyłączone po stronie średniego napięcia.

Nie każde przepięcie musi być skutkiem bezpośredniego uderzenia pioruna. Źródłem problemu mogą być również wyładowania atmosferyczne w pobliżu linii, łączenia aparatury, zwarcia, nagłe zmiany obciążenia lub wzrost potencjału uziemienia.

Dlatego ochrona transformatora przed przepięciami nie powinna być traktowana jako pojedyncze urządzenie zamontowane obok kadzi. To cały układ obejmujący ograniczniki przepięć, koordynację izolacji, prawidłowe uziemienie, odpowiednią lokalizację aparatury oraz kontrolę stanu technicznego.

Ten materiał jest przeznaczony dla projektantów, wykonawców stacji transformatorowych, inwestorów, służb utrzymania ruchu oraz wszystkich osób, które chcą świadomie ocenić poziom ochrony transformatora.

Po lekturze łatwiej będzie odpowiedzieć na najważniejsze pytania:

• jak działa ogranicznik przepięć,
• gdzie powinien zostać zamontowany,
• dlaczego długość przewodów ma znaczenie,
• czy kabel zawsze chroni transformator,
• czym różni się ochrona odgromowa budynku od ochrony aparatury,
• jakie normy należy uwzględnić,
• jak kontrolować ograniczniki podczas eksploatacji.

Czym jest przepięcie i dlaczego transformator musi być przed nim chroniony?

Przepięcie to krótkotrwały wzrost napięcia powyżej wartości dopuszczalnej dla danego układu. W normalnych warunkach napięcie sieci utrzymuje się w określonym zakresie. Przepięcie pojawia się nagle i może trwać od mikrosekund do znacznie dłuższych przedziałów czasowych, zależnie od źródła zjawiska.

W przypadku transformatora szczególnie istotne są przepięcia udarowe. Mają bardzo szybki przebieg i mogą powodować duże naprężenia elektryczne w izolacji uzwojeń oraz przepustów.

Źródła przepięć można podzielić na kilka grup.

• Pierwszą są wyładowania atmosferyczne.

Piorun może uderzyć bezpośrednio w linię napowietrzną, konstrukcję stacji albo obiekt znajdujący się w pobliżu. Nie zawsze musi dojść do bezpośredniego kontaktu z transformatorem. Fala przepięciowa może rozchodzić się wzdłuż przewodów i dotrzeć do urządzenia z innego punktu sieci.

• Drugą grupą są przepięcia łączeniowe.

Mogą pojawić się podczas załączania lub wyłączania transformatorów, silników, baterii kondensatorów, linii kablowych oraz innych odbiorników o charakterze indukcyjnym lub pojemnościowym.

• Trzecim źródłem są zwarcia i zakłócenia w sieci.

Nagła zmiana warunków pracy może powodować przejściowe wzrosty napięcia, które obciążają izolację urządzeń.

Transformator nie „widzi" przepięcia jako abstrakcyjnego zjawiska. Odczuwa je jako nagłe napięcie przyłożone do przepustów i uzwojeń. Jeżeli wartość udaru przekroczy poziom, który izolacja może bezpiecznie wytrzymać, może dojść do przebicia lub stopniowego pogorszenia parametrów izolacyjnych.

Jak ogranicznik przepięć chroni transformator?

Ogranicznik przepięć działa jak element o nieliniowej charakterystyce prądowo napięciowej. W normalnych warunkach pracy pozostaje słabo przewodzący. Prąd upływu jest niewielki, a ogranicznik nie zakłóca normalnego funkcjonowania sieci.

Gdy pojawia się przepięcie, jego przewodność gwałtownie rośnie. Ogranicznik tworzy wtedy drogę dla prądu udarowego do układu uziemiającego. Dzięki temu część energii przepięcia zostaje odprowadzona, a napięcie na chronionych zaciskach zostaje ograniczone.

Najczęściej stosowane są beziskiernikowe ograniczniki z tlenków metali, przede wszystkim z warystorami z tlenku cynku. Urządzenia tego typu opisuje norma IEC 60099 4, dotycząca beziskiernikowych ograniczników z tlenków metali przeznaczonych do pracy w obwodach prądu przemiennego powyżej 1 kV.

Uproszczony mechanizm działania wygląda następująco:

1. W czasie normalnej pracy ogranicznik przewodzi tylko niewielki prąd.
2. Pojawia się fala przepięciowa.
3. Warystory zmniejszają swoją impedancję.
4. Prąd udarowy zostaje skierowany do uziemienia.
5. Napięcie na zaciskach transformatora zostaje ograniczone.
6. Po ustąpieniu udaru ogranicznik wraca do stanu wysokiej impedancji.

Ważne jest jednak to, że ogranicznik nie „usuwa" całego przepięcia. Jego zadaniem jest ograniczenie napięcia do poziomu, który powinien być bezpieczny dla izolacji chronionego urządzenia.

W praktyce oznacza to konieczność dopasowania kilku parametrów:

• napięcia trwałej pracy ogranicznika,
• napięcia znamionowego ogranicznika,
• poziomu ochrony przy określonym prądzie udarowym,
• odporności na przepięcia czasowe,
• spodziewanego poziomu prądu wyładowczego,
• poziomu izolacji transformatora,
• warunków uziemienia i konfiguracji sieci.

Sam wybór ogranicznika o odpowiednim napięciu znamionowym nie zamyka tematu. Ochrona działa prawidłowo dopiero wtedy, gdy urządzenie jest właściwie zainstalowane i skoordynowane z izolacją transformatora.

Dlaczego miejsce montażu ogranicznika ma tak duże znaczenie?

Ogranicznik powinien być zamontowany możliwie blisko chronionych przepustów transformatora. Dotyczy to zarówno połączenia fazowego, jak i uziemienia.

Powód jest prosty. Przewód nie jest idealnym połączeniem o zerowej impedancji. Przy bardzo szybko narastającym udarze nawet krótki odcinek przewodu może wygenerować dodatkowy spadek napięcia indukcyjnego. W efekcie napięcie rzeczywiście występujące na zacisku transformatora może być wyższe niż napięcie zmierzone na samym ograniczniku.

Można to porównać do hamulca zamontowanego nie przy kole, lecz kilka metrów dalej na elastycznym połączeniu. Teoretycznie nadal jest częścią tego samego układu. Praktycznie reakcja całego systemu może być mniej skuteczna.

Podstawowe zasady montażu obejmują:

• możliwie krótkie połączenia,
• prosty przebieg przewodów,
• ograniczenie liczby łuków i pętli,
• oddzielne, dobrze wykonane połączenia uziemiające,
• unikanie prowadzenia przewodów w sposób zwiększający indukcyjność,
• zachowanie wymaganych odległości izolacyjnych,
• ochronę mechaniczną przewodów i zacisków.

Nie należy również traktować przewodu uziemiającego jako nieistotnego dodatku. Jeżeli droga od ogranicznika do uziemienia jest długa, kręta albo ma niewłaściwe połączenia, napięcie ograniczone przez urządzenie może nie zostać skutecznie odprowadzone.

Dokładna lokalizacja zależy od konstrukcji stacji, rodzaju transformatora, poziomu napięcia, układu sieci, sposobu przyłączenia oraz wymagań operatora. W niektórych rozwiązaniach ograniczniki instaluje się po stronie średniego napięcia bezpośrednio przy przepustach transformatora. W innych mogą być częścią pola transformatorowego lub układu przyłączeniowego.

Co oznacza udar napięciowy 1,2/50 µs?

Udar napięciowy 1,2/50 µs jest znormalizowanym przebiegiem stosowanym w badaniach izolacji oraz przy analizie koordynacji izolacji.

Pierwsza liczba oznacza umowny czas narastania napięcia do wartości szczytowej. Druga opisuje umowny czas spadku napięcia do połowy wartości szczytowej.

Nie oznacza to, że każdy piorun ma dokładnie taki przebieg. Jest to wspólny punkt odniesienia umożliwiający porównywanie urządzeń, poziomów izolacji i wyników badań.

Dla transformatora informacja o odporności izolacji na udary jest równie ważna jak podstawowe dane znamionowe. Moc, napięcie strony górnej i dolnej oraz grupa połączeń nie opisują całego poziomu bezpieczeństwa urządzenia.

W dokumentacji należy zwrócić uwagę między innymi na:

• wytrzymywane napięcie udarowe piorunowe,
• wytrzymywane napięcie krótkotrwałe o częstotliwości sieciowej,
• poziom izolacji poszczególnych uzwojeń,
• wymagania dotyczące przepustów,
• warunki próby dielektrycznej,
• odległości zewnętrzne w powietrzu.

Norma IEC 60076 3 określa wymagania izolacyjne, odpowiednie próby dielektryczne oraz zewnętrzne odległości izolacyjne transformatorów.

To właśnie porównanie poziomu ochrony ogranicznika z poziomem wytrzymałości izolacji transformatora pozwala ocenić, czy urządzenia są właściwie skoordynowane.

Koordynacja izolacji. Dlaczego jeden parametr nie wystarczy?

Koordynacja izolacji polega na takim doborze poziomów izolacyjnych urządzeń i środków ochrony, aby prawdopodobieństwo uszkodzenia było akceptowalnie niskie, a system działał ekonomicznie i technicznie poprawnie.

W praktyce trzeba odpowiedzieć na kilka pytań:

1. Czy poziom ochrony ogranicznika jest wystarczająco niski w stosunku do wytrzymałości izolacji transformatora?
2. Czy ogranicznik wytrzyma przepięcia czasowe występujące w danej sieci?
3. Czy jego lokalizacja jest wystarczająco bliska chronionym zaciskom?
4. Czy długość przewodów nie powoduje dodatkowego wzrostu napięcia?
5. Czy system uziemiający może skutecznie odprowadzić prąd udarowy?
6. Czy pozostała aparatura ma poziomy izolacji dopasowane do transformatora?

IEC 60071 1 odnosi standardowe wartości wytrzymywanych napięć do najwyższego napięcia urządzeń i stanowi jedno z podstawowych odniesień dla koordynacji izolacji. 

Z kolei IEC 60071 2 zawiera wskazówki dotyczące określania wytrzymywanych napięć dla poszczególnych zakresów napięciowych. 

W uproszczeniu można powiedzieć, że ogranicznik powinien zadziałać wcześniej niż izolacja transformatora. Musi jednak jednocześnie wytrzymać normalne warunki pracy oraz przepięcia czasowe, które nie powinny powodować jego niepotrzebnego przewodzenia.

To właśnie dlatego dobór ogranicznika nie powinien odbywać się wyłącznie na podstawie napięcia znamionowego sieci.

Czy instalacja odgromowa budynku wystarczy?

Nie zawsze.

Zewnętrzna instalacja odgromowa budynku ma za zadanie przejąć prąd bezpośredniego wyładowania, odprowadzić go do ziemi oraz ograniczyć ryzyko uszkodzeń konstrukcji i pożaru. Nie zastępuje jednak ochrony przepięciowej aparatury elektroenergetycznej.

Fala przepięciowa może dotrzeć do transformatora przewodami zasilającymi, liniami napowietrznymi, kablami, uziemieniem albo przez połączenia pomiędzy różnymi częściami instalacji.

Dlatego ochrona transformatora powinna być analizowana jako część całego systemu ochrony. Należy uwzględnić:

• zewnętrzną instalację odgromową,
• połączenia wyrównawcze,
• układ uziemiający,
• ograniczniki po stronie średniego napięcia,
• ograniczniki po stronie niskiego napięcia,
• ochronę obwodów sterowania i monitoringu,
• trasy kablowe,
• miejsca wejścia przewodów do budynku lub stacji.

Norma IEC 62305 1:2024 przedstawia ogólne zasady ochrony obiektów, ich instalacji, wyposażenia oraz osób przed skutkami wyładowań atmosferycznych.

W przypadku oceny ryzyka związanego z wyładowaniami atmosferycznymi zastosowanie ma również IEC 62305 2:2024, która opisuje procedurę oceny ryzyka i doboru środków ochrony. 

Najważniejszy wniosek brzmi: instalacja odgromowa chroni obiekt, natomiast ograniczniki przepięć chronią konkretne urządzenia i ich izolację. Oba elementy powinny współpracować, ale nie są tym samym.

Czy transformator zasilany kablem potrzebuje ochrony przepięciowej?

Może jej potrzebować.

Kabel ziemny często ogranicza amplitudę i stromość niektórych fal przepięciowych w porównaniu z linią napowietrzną. Nie oznacza to jednak, że transformator jest automatycznie zabezpieczony.

Przepięcie może pojawić się:

• w miejscu przejścia linii napowietrznej w kabel,
• w wyniku wyładowania w pobliżu trasy,
• podczas operacji łączeniowych,
• przy wzroście potencjału ziemi,
• w wyniku oddziaływania innych fragmentów sieci,
• przy niewłaściwej konfiguracji pola kablowego.

Kabel może również zmieniać kształt fali przepięciowej. Jego pojemność i impedancja falowa wpływają na odbicia oraz sposób rozchodzenia się udaru. W pewnych układach może to powodować lokalne wzrosty napięcia przy zakończeniach kabla lub przepustach.

Dlatego przyłącze kablowe nie powinno być automatycznie uznawane za wystarczającą ochronę. Potrzebna jest analiza całego układu, obejmująca długość kabla, jego typ, miejsce przyłączenia, spodziewane źródła przepięć, konfigurację sieci oraz parametry transformatora.

Jakie błędy najczęściej osłabiają ochronę transformatora?

Najczęściej problem nie wynika z całkowitego braku ogranicznika, lecz z niewłaściwego wykonania całego układu.

• Zbyt duża odległość od transformatora

Ogranicznik zamontowany daleko od chronionych przepustów może nie zapewnić odpowiedniego poziomu ochrony na samych zaciskach urządzenia.

• Zbyt długie przewody

Każdy dodatkowy odcinek przewodu zwiększa indukcyjność połączenia i może wpływać na napięcie resztkowe podczas szybkiego udaru.

• Nieprawidłowe uziemienie

Ogranicznik może być poprawnie dobrany, ale jego skuteczność będzie ograniczona, jeżeli przewód uziemiający jest uszkodzony, luźny, zbyt długi lub niewłaściwie połączony.

• Dobór wyłącznie na podstawie napięcia sieci

Napięcie znamionowe sieci jest ważne, lecz nie opisuje wszystkich warunków pracy ogranicznika. Należy uwzględnić także przepięcia czasowe, sposób uziemienia punktu neutralnego oraz wymagany poziom ochrony.

• Brak koordynacji z izolacją transformatora

Ogranicznik powinien być dobrany w odniesieniu do wytrzymałości izolacji transformatora, a nie jako niezależny produkt.

• Pomijanie strony niskiego napięcia

Przepięcie może przedostać się także od strony odbiorów, instalacji pomocniczych, systemów sterowania lub magazynu energii. Ochrona powinna uwzględniać wszystkie istotne drogi propagacji udaru.

• Brak dokumentacji powykonawczej

Bez informacji o typie ogranicznika, miejscu montażu, przekrojach przewodów i sposobie uziemienia późniejsza kontrola staje się znacznie trudniejsza.

• Czy ogranicznik przepięć wymaga kontroli?

Tak.

Zakres kontroli zależy od typu ogranicznika, konstrukcji stacji, warunków środowiskowych oraz zaleceń producenta. Kontrole powinny być prowadzone zgodnie z instrukcją urządzenia i procedurami eksploatacyjnymi.

Podczas oględzin można ocenić między innymi:

• stan obudowy,
• ślady pęknięć lub uszkodzeń,
• ślady przegrzania,
• stan zacisków,
• ciągłość połączeń,
• stan przewodu uziemiającego,
• korozję elementów metalowych,
• działanie odłącznika,
• wskazania licznika udarów,
• prąd upływu, jeżeli zastosowano monitoring,
• zmiany względem wcześniejszych pomiarów.

Szczególne znaczenie ma analiza trendu. Pojedynczy odczyt może nie wystarczyć do oceny stanu urządzenia. Jeżeli prąd upływu rośnie, pojawiają się nietypowe wskazania albo ogranicznik wykazuje ślady przeciążenia, potrzebna może być dokładniejsza diagnostyka.

Licznik udarów dostarcza informacji o liczbie zarejestrowanych zdarzeń, ale nie zawsze pokazuje pełny stan warystorów. Dlatego nie powinien być traktowany jako jedyny element oceny technicznej.

Jak przygotować się do doboru ochrony przepięciowej?

Przed doborem ograniczników warto zebrać komplet danych dotyczących całego układu.

Najważniejsze informacje obejmują:

• napięcie znamionowe i najwyższe napięcie sieci,
• sposób uziemienia punktu neutralnego,
• poziom izolacji transformatora,
• wytrzymywane napięcie udarowe,
• typ transformatora,
• sposób przyłączenia po stronie średniego napięcia,
• długość i rodzaj kabla,
• obecność linii napowietrznych,
• spodziewany poziom prądu udarowego,
• warunki środowiskowe,
• konfigurację uziemienia,
• wymagania operatora sieci,
• miejsce montażu ograniczników,
• potrzebę monitorowania stanu urządzeń.

Dobrze przygotowane dane skracają proces ofertowania i zmniejszają ryzyko doboru rozwiązania, które będzie poprawne tylko na papierze. W przypadku stacji transformatorowych i instalacji OZE istotne jest również uwzględnienie charakteru pracy systemu, częstotliwości przełączeń, obecności falowników oraz magazynów energii.

Ochrona przepięciowa nie powinna być dodatkiem dopisywanym na końcu projektu. Najlepiej uwzględnić ją już na etapie koncepcji stacji.

Podsumowanie

Ogranicznik przepięć chroni transformator, odprowadzając prąd udarowy do układu uziemiającego i ograniczając napięcie na jego zaciskach. Skuteczność tego rozwiązania zależy jednak nie tylko od typu urządzenia.

Znaczenie mają również:

• prawidłowe dopasowanie ogranicznika do napięcia sieci,
• koordynacja z poziomem izolacji transformatora,
• możliwie krótki montaż przy chronionych przepustach,
• proste połączenia fazowe i uziemiające,
• sprawny układ uziemiający,
• uwzględnienie przepięć atmosferycznych i łączeniowych,
• ochrona dodatkowych obwodów,
• regularna kontrola stanu technicznego.

Instalacja odgromowa budynku jest ważnym elementem bezpieczeństwa, ale sama nie zapewnia pełnej ochrony transformatora. Z kolei kabel zasilający może ograniczać niektóre zjawiska, lecz również nie powinien być automatycznie uznawany za wystarczające zabezpieczenie.

Najbezpieczniejsze podejście polega na analizie całego układu: od źródła przepięcia, przez przewody i aparaturę, aż po izolację transformatora oraz system uziemiający.

Jeżeli szukasz transformatora dopasowanego do konkretnej stacji, instalacji przemysłowej, farmy PV lub systemu magazynowania energii, zobacz ofertę transformatorów Energeks. Dostępne są rozwiązania olejowe i żywiczne przeznaczone do pracy w sieciach średniego i niskiego napięcia.

W przypadku potrzeby szybkiej dostępności warto sprawdzić również  transformatory dostępne z magazynu Energeks.

Dobór urządzenia może uwzględniać parametry sieci, wymagania inwestycji oraz planowaną konfigurację stacji.

Więcej informacji technicznych, materiałów branżowych i aktualności można znaleźć na stronie Energeks na LinkedIn.

Dziękujemy za lekturę. W energetyce niezawodność rzadko wynika z jednego spektakularnego elementu. Najczęściej jest efektem wielu dobrze dobranych decyzji, które razem tworzą bezpieczny i stabilny system. Właśnie dlatego warto rozmawiać o transformatorze, ochronie przepięciowej i uziemieniu jako o jednym rozwiązaniu, a nie trzech osobnych tematach.

Źródła

International Electrotechnical Commission, IEC 60071 1

International Electrotechnical Commission, IEC 60099 4

International Electrotechnical Commission, IEC 60076 3

International Electrotechnical Commission, IEC 6