جهد الفائض للنقطة المحايدة للمحول 110 كيلوفولت: محاكاة ATP وحلول الحماية

هناك أدبيات واسعة حول تحليل الجهد الزائد عند نقطة المحايد في المحولات تحت ظروف الصدمات الكهربائية الناتجة عن الصواعق. ومع ذلك، بسبب التعقيد والتعشوائية المميزة لموجات الصواعق، لا يزال الوصف النظري الدقيق صعب المنال. في الممارسة الهندسية، يتم تحديد التدابير الوقائية عادةً بناءً على معايير أنظمة الطاقة من خلال اختيار أجهزة حماية من الصواعق المناسبة، مع توفر وثائق داعمة وفيرة.

تكون خطوط النقل أو محطات التوزيع عرضة للصواعق. قد تنتشر الصدمات الكهربائية الناتجة عن الصواعق عبر خطوط النقل إلى محطات التوزيع أو تضرب معدات محطة التوزيع مباشرة، مما يؤدي إلى جهد زائد عند نقطة المحايد في المحولات، مما يشكل تهديداً لعزل نقطة المحايد. لذلك، فإن دراسة خصائص الجهد الزائد عند نقطة المحايد تحت ظروف الصواعق وتقييم فعالية أجهزة الحد من الجهد لها أهمية عملية [1]. يقدم هذا البحث دراسة محاكاة باستخدام برنامج Alternative Transients Program (ATP)، وهو الإصدار الأكثر استخدامًا من برنامج Electromagnetic Transients Program (EMTP)، استنادًا إلى تكوين محطة توزيع محددة بجهد 110 كيلوفولت. من خلال الجمع بين نظرية الجهد الزائد الناتج عن الصواعق وخواص العزل لنقطة المحايد في المحولات ذات الجهد 110 كيلوفولت، يقوم البحث بمحاكاة الجهد الزائد عند نقطة المحايد تحت ظروف مختلفة لموجات الصواعق. يتم تحليل نتائج المحاكاة بشكل مقارن ويتم اقتراح إجراءات لتخفيف الجهد الزائد عند نقطة المحايد.

1. التحليل النظري

1.1 صاعقة على خطوط النقل

عند تعرض خط نقل هوائي للصاعقة، تتولد موجة سفرية تنتقل عبر الموصل [1]. داخل محطات التوزيع، العديد من الخطوط القصيرة المتصلة (مثل الاتصالات من المحولات إلى الحافلات أو أجهزة الحماية) تسلك سلوك خطوط النقل تحت الضغط الكهربائي الناتج عن الصاعقة الذي يستمر لفترة زمنية قصيرة للغاية. هذه الخطوط تظهر عمليات انتقال وانعكاس وإعادة انكسار للموجات بسرعة كبيرة، غالبًا ما تنتج جهودًا زائدة مؤقتة ذات قمم عالية جدًا يمكن أن تضر بالمعدات.

1.2 تحليل المعلمات للفيتشرات الثلاثية المرتبطة بالمحولات تحت الصدمة الكهربائية الناتجة عن الصاعقة

الفتشرات الثلاثية للمحولات عادةً ما تكون مرتبطة بطريقة Y، Yo، أو Δ. أثناء التشغيل، قد تدخل الصدمات الكهربائية الناتجة عن الصواعق عبر مرحلة واحدة، أو مرحلتين، أو حتى ثلاث مراحل [1]. يركز هذا البحث على الفتشرات المرتبطة بطريقة Y، حيث أن هذه التكوينات فقط هي التي تحتوي على نقطة محايد متاحة. عندما تكون المحولة مرتبطة بطريقة Yo ويتم تجاهل التداخل المتبادل بين المراحل، سواء كانت مرحلة واحدة، أو مرحلتان، أو ثلاث مراحل تم ضربها، يمكن تحليل النظام كثلاثة فتشرات مستقلة مع طرف الأرضي.

2. حالة العزل لنقطة المحايد في المحولات ذات الجهد 110 كيلوفولت

تستخدم نقاط المحايد في المحولات ذات الجهد 110 كيلوفولت عزلًا متدرجًا، مصنفة على أنها مستويات 35 كيلوفولت، 44 كيلوفولت، أو 60 كيلوفولت. حاليا، تقوم الشركات المصنعة بشكل أساسي بإنتاج محولات ذات عزل نقطة محايد بمستوى 60 كيلوفولت. تتمتع المستويات المختلفة من العزل بقدرات مقاومة كهربائية مختلفة، كما هو موضح في الجدول 1. باعتبار الظروف العملية والتقدم في العمر للعزل وهامش الأمان لجهد التردد الرئيسي، يتم تطبيق عوامل تصحيح. يتم تبني عامل هامش مقاومة الصاعقة البالغ 0.6 وعامل هامش مقاومة التردد الرئيسي البالغ 0.85 [1]، مما يؤدي إلى القيم المرجعية للتحمل الموضحة في الجدول 1.

جدول 1 مستويات التحمل العازلة / القيم المرجعية للتحمل لنقطة المحايد

3. المحاكاة والحساب

لنفترض محطة توزيع بجهد 110 كيلوفولت تحتوي على محولين (Y/Δ) يعملان بالتوازي، وخطينIncoming lines بجهد 110 كيلوفولت، وأربعة خطوط Outgoing lines بجهد 35 كيلوفولت. يتم عرض الرسم البياني للأسطر الفردية في الشكل 1. للتقليل من تيار الأعطال الأرضية للأحادية وللتقليل من التداخل في الاتصالات، يكون عادةً فقط محول واحد له نقطة محايد مربوطة بالأرض بينما يبقى الآخر غير مربوط. تحت ظروف الصدمة الكهربائية الناتجة عن الصاعقة، يمكن أن يتولد جهد زائد非常高，这可能会对未接地变压器的中性点绝缘构成威胁。以下部分将使用ATP程序在各种情况下进行仿真分析。 **图1 110 kV变电站单线图** **3.1 雷电波从输电线路传播到变电站** **3.1.1 雷电波参数选择** 变电站过电压的主要原因是雷电波从输电线路传播而来。线路上的最大电压幅值不能超过线路绝缘子串的U50%耐受水平；否则，在雷电波进入变电站之前，线路上就会发生闪络。由于进线前1-2公里通常受到直接雷击保护，因此进入变电站的雷电波主要来自该保护区之外的雷击。对于变电站外的雷击，通过≤220 kV线路进入变电站的雷电流一般≤5 kA，而对于330-500 kV线路则≤10 kA，且陡度显著降低[15,17]。基于这些条件，雷电波采用典型的双指数函数建模： \[ u(t) = k(e^{-at} - e^{-bt}) \] 其中 \(a\) 和 \(b\) 是负常数，\(k\)、\(a\) 和 \(b\) 由冲击幅值、前沿时间和尾沿时间决定。这里使用峰值电流为5 kA和标准20/50 μs指数波。 **3.1.2 变电站设备参数设置** 雷电波包含非常高的频率谐波，因此变电站线路参数被建模为分布参数。变电站内的开关、断路器、电流互感器（CT）和电压互感器（VT）用等效并联电容表示。变压器的等效输入电容由 \( C_t = kS^{0.5} \) 给出，其中 \( S \) 是三相变压器容量。对于电压等级≤220 kV，\( n=3 \)，而对于110 kV变压器，\( k=540 \)。母线避雷器选择为YH1OWx-108/290，中性点避雷器为YH1.5W-72/186。 **3.1.3 计算与分析** 中性点产生的过电压取决于其是否局部接地。针对三种情况进行了仿真：单回路单相冲击、单回路两相冲击和双回路单相冲击，考虑有无中性点避雷器的情况。结果如表2所示。 **表2 局部接地/未接地中性条件下峰值过电压** | 入射冲击条件 | 中性点接地状态 | 无避雷器时峰值过电压 (kV) | 有避雷器时峰值过电压 (kV) | |---------------|-----------------|---------------------------|---------------------------| | 单回路单相 | 局部接地 | 138.5 | 138.5 | | | 局部未接地 | 224.1 | 186.0 | | 单回路两相 | 局部接地 | 165.2 | 165.2 | | | 局部未接地 | 248.7 | 186.0 | | 双回路单相 | 局部接地 | 156.3 | 156.3 | | | 局部未接地 | 237.8 | 186.0 | **3.1.4 结果分析** 从表2可以看出，在变压器中性点局部接地的系统中，母线避雷器有效限制了过电压，因此未接地变压器的中性点不会经历高过电压，中性点避雷器通常不工作。在中性点局部未接地的系统中，中性点过电压非常高。如果没有避雷器，这对绝缘构成严重威胁（考虑到安全裕度，110 kV分层绝缘变压器的雷电冲击耐受电压为195 kV）。安装中性点避雷器可以显著降低峰值过电压。因此，从线路传播来的雷电波不会威胁装有避雷器的中性点绝缘。 **3.2 直接雷击变电站** 尽管变电站通常具有全面的防雷保护，但由于雷电的复杂性和随机性，直接雷击仍可能发生[2]，并导致设备损坏。因此，研究由直接雷击引起的中性点过电压及其相应的保护措施是必要的。 **3.2.1 雷电和变电站参数选择** 变电站参数保持不变。计算使用标准雷电参数（1.2/50 μs），幅值分别为50、100、200和250 kA。雷电通道波阻抗取为400 Ω。 **3.2.2 计算与分析** 在局部接地和未接地中性条件下，单相母线直接受雷击（两相雷击很少见）的结果如表3所示（I和II分别代表无避雷器和有避雷器的情况）。 **表3 局部接地/未接地中性条件下峰值过电压（直接雷击）** | 雷电流幅值 (kA) | 中性点接地状态 | I (无避雷器) 峰值过电压 (kV) | II (有避雷器) 峰值过电压 (kV) | |-----------------|-----------------|----------------------------|----------------------------| | 50 | 局部接地 | 112.3 | 105.6 | | | 局部未接地 | 187.4 | 186.0 | | 100 | 局部接地 | 145.7 | 138.2 | | | 局部未接地 | 213.6 | 186.0 | | 200 | 局部接地 | 178.9 | 170.5 | | | 局部未接地 | 221.8 | 186.0 | | 250 | 局部接地 | 192.4 | 183.7 | | | 局部未接地 | 224.1 | 224.1 | **3.2.3 结果分析** 如表3所示，随着雷电流幅值的增加，中性点峰值过电压显著增加，振荡也变得更加明显。即使有避雷器，避雷器两端的残压也会增加。在局部未接地中性点的变电站中，雷电引起的中性点过电压特别严重。即使有避雷器，过电压仍然很高。例如，250 kA的直接雷击会产生224.1 kV的中性点过电压。在这种情况下，即使中性点避雷器工作，变压器仍可能受损。 **3.2.4 改进措施讨论** (1) 在变压器端子处安装避雷器（例如，为未接地变压器添加YH10Wx-108/290）以限制雷电冲击过电压。 (2) 提高中性点避雷器的放电电流容量。现有避雷器在残压为186 kV时的放电容量为1.5 kA。建议将其容量提高到15 kA。 重新模拟了局部未接地中性点系统中母线直接受雷击的情况，结果如表4所示。 **表4 有避雷器时的峰值中性点过电压（改进措施）** | 雷电流幅值 (kA) | 改进措施 | 峰值过电压 (kV) | |-----------------|----------------------------------|-----------------| | 250 | 在变压器端子处安装避雷器 | 224.1 | | 250 | 将放电容量提高到15 kA | 186.0 | 比较表3和表4可知，在变压器端子处安装避雷器对限制中性点雷电过电压效果不大。然而，提高避雷器的放电电流容量可以显著改善过电压限制。因此，推荐此方法。建议避雷器制造商专注于技术改进以提高放电电流容量。 **4. 结论** a) 在母线和变压器中性点安装避雷器能有效限制由输电线路传播的雷电波引起的中性点过电压。 b) 当变电站遭受直接雷击时，未接地变压器的中性点会产生高过电压。这种效应在部分未接地中性点系统中更为明显，并且在现有的过电压保护方案下，中性点绝缘仍可能受损。 c) 在变压器端子处安装避雷器对限制中性点过电压没有显著效果；提高中性点避雷器的放电电流容量是有效的过电压限制方法。