110 kV трансформатор нейтрална точка надмощност от мълниеносни удари: ATP симулация и решения за защита

Съществува обширна литература по анализ на прекомерното напрежение в нейтралните точки на трансформатори при условията на удари от мълнии. Въпреки това, поради сложността и случайността на мълниеви вълни, точното теоретично описание все още е недостижимо. В инженерната практика защитните мерки се определят основно според кодовете за електроенергийни системи, избирайки подходящи устройства за защита от мълнии, при което има обилна подкрепяща документация.

Линиите за предаване или подстанциите са уязвими към удари от мълнии. Мълниевите вълни може да се разпространяват по линиите за предаване до подстанциите или директно да ударят оборудването в подстанцията, индуцирайки прекомерно напрежение в нейтралната точка на трансформатора, което представлява заплаха за изолацията на нейтралната точка. Ето защо, изучаването на характеристиките на прекомерното напрежение в нейтралните точки при условията на удари от мълнии и оценката на ефективността на устройствата за ограничаване на напрежението има практическо значение [1]. Тази статия представя симулационно изследване, използвайки Програмата за алтернативни преходни процеси (ATP), най-широко използваната версия на Програмата за електромагнитни преходни процеси (EMTP), базирано на конфигурацията на конкретна подстанция от 110 кВ. Чрез комбиниране на теорията за мълниево прекомерно напрежение с изолационните характеристики на нейтралните точки на трансформатори от 110 кВ, статията симулира прекомерното напрежение в нейтралните точки при различни условия на мълниеви вълни. Резултатите от симулациите се анализират сравнително и се предлагат мерки за намаляване на прекомерното напрежение в нейтралните точки.

1. Теоретичен анализ

1.1 Удар на мълния върху линии за предаване

Когато надземна линия за предаване бъде ударена от мълния, пътуваща вълна се разпространява по проводника [1]. В подстанциите, много кратки свързващи линии (например, връзки от трансформатори до шини или гасители на вълни) се държат подобно на линии за предаване при екстремално краткотраен мълниев импулс. Тези линии показват бързо разпространение, рефлектиране и пречупване на вълните, често генерирайки преходни прекомерни напрежения с много високи върховни амплитуди, които могат да повредят оборудването.

1.2 Анализ на параметрите на Y-свързани витчини на трансформатори при мълниев удар

Трехфазните витчини на трансформаторите обикновено са свързани в конфигурации Y, Yo или Δ. По време на работа, мълниевите удари могат да влязат през една, две или дори всички три фази [1]. Тази статия се фокусира върху Y-свързаните витчини, тъй като само такива конфигурации имат достъпна нейтрална точка. Когато трансформаторът е свързан в Yo и взаимната индуктивност между фазите се пренебрегне, независимо дали една, две или три фази са ударени, системата може да бъде анализирана като три независими витчини с заземени терминали.

2. Изоляционно състояние на нейтралните точки на трансформатори от 110 кВ

Нейтралните точки на трансформатори от 110 кВ използват градирана изолация, класифицирана като нива 35 кВ, 44 кВ или 60 кВ. В момента производителите произвеждат главно трансформатори с изолация на нейтралната точка 60 кВ. Различните нива на изолация имат различни капацитети за диелектрична устойчивост, както е показано в таблица 1. С оглед на практически условия, стареене на изолацията и безопасни маржове за напрежение на сетьовата честота, се прилагат коректиращи фактори. Приема се фактор за устойчивост на мълниев импулс 0.6 и фактор за устойчивост на сетевата честота 0.85 [1], водещ до референтните стойности за устойчивост в таблица 1.

Таблица 1 Нива на издръжливост / Референтни стойности за устойчивост на нейтралните точки

3. Симулация и изчисления

Разгледайте трансформаторна станция от 110 кВ с два трансформатора (Y/Δ), които работят паралелно, две входящи линии от 110 кВ и четири изходящи линии от 35 кВ. Еднолинейната диаграма е показана на фигура 1. За ограничаване на токовете при еднофазни земените дефекти и намаляване на комуникационното възпиране обикновено само един трансформатор има заземена нейтрална точка, докато другият остава незаземен. При условия на мълниев удар, в незаземената нейтрална точка на трансформатора може да бъде индуцирана много висока надвoltage, което заплашва изолацията му. Последващите секции представят анализи на симулации, извършени с програмата ATP в различни сценарии.

Фигура 1 Еднолинейна диаграма на трансформаторната станция от 110 кВ

3.1 Мълниев удар, разпространяващ се от преходните линии в трансформаторната станция

3.1.1 Избор на параметрите на мълниевия удар

Основната причина за надвoltage в трансформаторните станции са мълниевите удари, разпространяващи се от преходните линии. Максималната амплитуда на напрежението върху линията не трябва да надвишава равнището на устойчивост U50% на изолаторния комплекс на линията; в противен случай, преди ударът да влезе в станцията, ще се появи пробой на линията. Тъй като първите 1-2 км от входящата линия обикновено са защитени срещу директни мълниеви удари, мълниевите удари, влизащи в станцията, основно произтичат от удари извън този защитен участък. За мълниеви удари извън станцията, големината на мълниевия ток, влизащ в станцията чрез линии ≤220 кВ, обикновено е ≤5 кА, и ≤10 кА за линии от 330-500 кВ, с значително намалена стръмност [15,17]. На базата на тези условия, мълниевият удар е моделиран с типична двоен експоненциална функция:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
където a и b са отрицателни константи, а k, a, b се определят от амплитудата на удара, времето на фронт и хвост. Ето тук се използва връхна токова стойност от 5 кА и стандартна експоненциална вълна 20/50 μс.

3.1.2 Параметри на оборудването в станцията

Мълниевите удари съдържат много високочестотни гармоники; следователно, параметрите на линиите в станцията се моделират като разпределени параметри. Ключове, прекъсватели, токоизмерватели (CTs) и напрежениеизмерватели (VTs) в станцията се представят чрез еквивалентни шунтиращи капацитети. Еквивалентният входен капацитет на трансформатора е зададен от Cₜ = kS⁰·⁵, където S е капацитета на трифазния трансформатор. За напрежения ≤220 кВ, n=3, и за трансформатори от 110 кВ, k=540. Устройството за ограничаване на надвoltage на шината е избрано като YH1OWx-108/290, а устройството за ограничаване на надвoltage на нейтралната точка като YH1.5W-72/186.

3.1.3 Извършване на изчисления и анализ

Надвoltage, генерирано в нейтралната точка, се различава според това дали е местно заземено или незаземено. Симулации се извършват в три сценария: единичен цикъл с единичнофазен удар, единичен цикъл с двуофазен удар и двуцикличен с единичнофазен удар, като се вземат предвид както с, така и без устройство за ограничаване на надвoltage на нейтралната точка. Резултатите са показани в таблица 2.

Таблица 2 Връхна надвoltage при местно заземена / незаземена нейтрална точка

3.1.4 Анализ на резултатите

От таблица 2, в системите, където нейтралната точка на трансформатора е местно заземена, барьерът за ограничаване на превишенията на напрежението при шинопроводите ефективно ограничава превишенията, така че нейтралната точка на незаземения трансформатор не изпитва високи превишения на напрежението и обикновено барьерът за защита на нейтралната точка не функционира. В системите, където нейтралната точка е местно незаземена, превишенията на напрежението в нейтралната точка са много високи. Без барьер за ограничаване на превишенията, това представлява сериозна заплаха за изолацията (ударното напрежение при мълниен удар на 110 кВ трансформатор с градиентна изолация, като се вземе предвид сигурността, е 195 кВ). Инсталирането на барьер за защита на нейтралната точка значително намалява върховните стойности на превишенията на напрежението. Следователно, мълниевите удари, разпространяващи се по линиите, не представляват заплаха за изолацията на нейтрална точка, оборудвана с барьер за ограничаване на превишенията.

3.2 Директен мълниев удар върху подстанцията

Въпреки че подстанциите обикновено разполагат с пълноценно защитно устройство срещу мълнии, директни мълниеви удари, макар и рядко да се случват поради сложността и случайността на мълнията, все още могат да се случат [2] и да причинят повреди на оборудването. Поради това е необходимо да се изучат превишенията на напрежението в нейтралната точка, причинени от директни удари, както и съответните мерки за защита.

3.2.1 Избор на параметри на мълнията и подстанцията

Параметрите на подстанцията остават същите, както са дефинирани по-рано. Пресмятанията се извършват с стандартни параметри на мълнията (1.2/50 μs) с амплитуди 50, 100, 200 и 250 кА. Вълновото импеданс на канал на мълнията е приеман за 400 Ω.

3.2.2 Пресмятане и анализ

Резултатите от директен мълниев удар върху единична фазна шина (удари в две фази са рядки) при условие на местно заземена и незаземена нейтрална точка са показани в таблица 3 (I и II представляват случаи без и с барьер за защита на нейтралната точка, съответно).

Таблица 3 Върховни стойности на превишенията на напрежението при местно заземена / незаземена нейтрална точка (директен удар)

3.2.3 Анализ на резултатите

Както е показано в таблица 3, с увеличаването на амплитудата на мълниевия ток, пиковото пренапрежение в нейтралната точка нараства значително и колебанията стават по-изразени. Дори при наличие на гасител на бурни напрежения, остатъчното напрежение през него нараства. В преобразувателни станции с локално неизолиран нейтрал, пренапрежението в нейтралната точка, причинено от мълния, е особено силно. Дори и при наличие на гасител на бурни напрежения, пренапрежението остава високо. Например, директен удар с 250 кА генерира пренапрежение в нейтралната точка от 224,1 кВ. В този случай, дори ако гасителят на нейтралната точка действа, преобразувателят може все още да бъде повреден.

3.2.4 Разглеждане на мерки за подобряване

(1) Инсталирайте гасител на бурни напрежения на терминалите на преобразувателя (например, добавете YH10Wx-108/290 за преобразуватели с неизолиран нейтрал), за да ограничите пренапрежението от мълниев удар.
(2) Увеличете капацитета за разряд на гасителя на бурни напрежения в нейтралната точка. Съществуващият гасител има капацитет за разряд от 1,5 кА при остатъчно напрежение от 186 кВ. Предлага се увеличаване до 15 кА.

Повторни симулации за директен мълниев удар в шинопроводна система с локално неизолиран нейтрал бяха извършени, и резултатите са показани в таблица 4.

Таблица 4 Пиково пренапрежение в нейтралната точка с гасител (подобрени мерки)

Сравнението на таблиците 3 и 4 показва, че инсталирането на гасител на вълни при изхода на трансформатора не е ефективно за намаляване на превишаването на напрежението в нейтралната точка при удари на мълния. Обачно увеличаването на капацитета за разрядване на гасителя на вълни значително подобрява ограничаването на превишаването на напрежението. Следователно, този метод се препоръчва. Производителите на гасители на вълни се съветва да се фокусират върху технологични подобрения, за да повисят капацитета за разрядване на тока.

4. Заключение

a) Инсталирането на гасители на вълни както на шинопровод, така и на нейтралната точка на трансформатора ефективно ограничава превишаването на напрежението в нейтралната точка, причинено от удари на мълния, които се разпространяват от линиите за предаване.
b) Когато един трансформаторен център бъде ударен директно от мълния, в нейтралната точка на нето-земен трансформатор може да се развие високо превишаване на напрежението. Този ефект е по-изразен в системи с частично нето-земени нейтрални точки, и при съществуващите схеми за защита срещу превишаване на напрежението, изолацията на нейтралната точка все още може да бъде повредена.
c) Инсталирането на гасител на вълни при изхода на трансформатора няма значителен ефект върху ограничаването на превишаването на напрежението в нейтралната точка; увеличаването на капацитета за разрядване на тока на гасителя на вълни в нейтралната точка е ефективен метод за ограничаване на превишаването на напрежението.