Sobretensió per raig a la punta neutra del transformador de 110 kV: simulació ATP i solucions de protecció

Hi ha una extensa literatura sobre l'anàlisi de sobretensions al punt neutre dels transformadors en condicions d'impuls de llamp. No obstant això, degut a la complexitat i aleatorietat de les ones de llamp, encara no s'ha assolit una descripció teòrica precisa. En la pràctica enginyera, les mesures protectoras es determinen típicament basant-se en els codis del sistema elèctric, seleccionant dispositius de protecció contra els llamps adequats, amb abundants documents de suport disponibles.

Les línies d'alta tensió o les subestacions són susceptibles d'essar impactades per llamps. Els impulsos de llamp poden propagar-se a través de les línies d'alta tensió cap a les subestacions o impactar directament l'equipament de les subestacions, induint sobretensions al punt neutre del transformador, que suposen una amenaça a l'aïllament del punt neutre. Per tant, estudiar les característiques de les sobretensions al punt neutre en condicions de llamp i avaluar l'eficàcia limitadora de tensió dels dispositius de protecció té una significació pràctica [1]. Aquest article presenta un estudi de simulació utilitzant el Programa Alternatiu de Transients (ATP), la versió més ampliament utilitzada del Programa d'Electromagnetic Transients (EMTP), basat en la configuració d'una subestació específica de 110 kV. Combinant la teoria de sobretensions de llamp amb les característiques d'aïllament dels punts neutres de transformadors de 110 kV, l'article simula sobretensions al punt neutre en diverses condicions d'ones de llamp. Es realitza una anàlisi comparativa dels resultats de la simulació, i es proposen mesures per atenuar les sobretensions al punt neutre.

1. Anàlisi Teòrica

1.1 Impacte de Llamp en Línies d'Alta Tensió

Quan una línia aèria d'alta tensió és impactada per un llamp, una ona de propagació avança a través del conductor [1]. Dins les subestacions, nombroses línies de connexió curtes (per exemple, connexions des dels transformadors als busbars o paragrames) comporten-se de manera similar a les línies d'alta tensió sota l'impuls de llamp de durada extremadament curta. Aquestes línies mostren processos ràpids de propagació, reflexió i refracció d'ones, sovint generant sobretensions transitories amb amplituds de pic molt altes que poden danificar l'equipament.

1.2 Anàlisi de Paràmetres de Bobines de Transformador Connectades en Y sota Impuls de Llamp

Les bobines de transformadors trifàsics generalment estan connectades en configuracions Y, Yo o Δ. Durant l'operació, els impulsos de llamp poden entrar a través d'una, dues o fins i tot totes tres fases [1]. Aquest article se centra en les bobines connectades en Y, ja que només aquestes configuracions tenen un punt neutre accessible. Quan un transformador està connectat en Yo i es negligeix el couplig mutu entre fases, independentment de si una, dues o tres fases són impactades, el sistema es pot analitzar com a tres bobines independents amb terminals a terra.

2. Condició d'Aïllament dels Punts Neutres de Transformadors de 110 kV

Els punts neutres dels transformadors de 110 kV utilitzen aïllament graduat, classificat com a nivells de 35 kV, 44 kV o 60 kV. Actualment, els fabricants produeixen principalment transformadors amb aïllament de punt neutre de 60 kV. Diferents nivells d'aïllament tenen capacitats de resistència dielèctrica variables, tal com es mostra a la Taula 1. Considerant les condicions pràctiques, l'envejeciment de l'aïllament i els marges de seguretat per a la tensió de freqüència industrial, s'apliquen factors de correcció. S'adopten un factor de marge de resistència a impuls de llamp de 0,6 i un factor de marge de resistència a freqüència industrial de 0,85 [1], conduint als valors de referència de resistència de la Taula 1.

Taula 1 Nivells de Resistència / Valors de Referència de Resistència per als Punts Neutres

3. Simulació i càlcul

Considerem una subestació de 110 kV amb dos transformadors (Y/Δ) que funcionen en paral·lel, dues línies d'entrada de 110 kV i quatre línies de sortida de 35 kV. El diagrama unifil es mostra a la Figura 1. Per limitar les corrents de fàcies única a terra i reduir les interferències de comunicació, normalment només un dels transformadors té el punt neutre a terra, mentre que l'altre roman sense aterrar. En condicions de surtida per llamp, es pot induir una sobretensió molt alta al punt neutre del transformador sense aterrar, amenaçant la seva aïllament. Les seccions següents presenten anàlisis de simulació utilitzant el programa ATP en diversos escenaris.

Figura 1 Diagrama unifil de la subestació de 110 kV

3.1 Propagació de la surtida per llamp des de les línies de transmissió cap a la subestació

3.1.1 Selecció dels paràmetres de l'ona de llamp

La causa principal de la sobretensió a les subestacions són les surtides per llamp que provenen de les línies de transmissió. L'amplitud màxima de tensió a la línia no pot superar el nivell de resistència U50% de la cadena d'aïllaments de la línia; en cas contrari, es produiria un flashover a la línia abans que la surtida arribi a la subestació. Com que els primers 1–2 km de la línia d'entrada solen estar protegits contra els impactes directes de llamps, les ones de llamp que entren a la subestació provin dran principalment d'impactes més enllà d'aquesta zona protegida. Per als impactos de llamp fora de la subestació, la magnitud de la corrent de llamp que entra a la subestació a través de línies ≤220 kV és generalment ≤5 kA, i ≤10 kA per a línies de 330–500 kV, amb una reducció significativa de la raonada [15,17]. Basant-se en aquestes condicions, l'ona de llamp es modelitza utilitzant una funció exponencial doble típica:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
on a i b són constants negatives, i k, a, b es determinen per l'amplitud de la surtida, el temps de front i el temps de cua. Es fa servir aquí una corrent màxima de 5 kA i una ona exponencial estàndard de 20/50 μs.

3.1.2 Configuració dels paràmetres dels equips de la subestació

Les surtides per llamp contenen harmònics de freqüències molt altes; per tant, els paràmetres de les línies de la subestació es modelitzen com a paràmetres distribuïts. S'integren capacitances equivalents en paral·lel per representar els interruptors, els circuit breakers, els transformadors de corrent (CTs) i els transformadors de tensió (VTs) dins de la subestació. La capacitance d'entrada equivalent del transformador es dona per Cₜ = kS⁰·⁵, on S és la capacitat del transformador trifàsic. Per a nivells de tensió ≤220 kV, n=3, i per a transformadors de 110 kV, k=540. El paraigües de surtida de la barra de bus és seleccionat com YH1OWx-108/290, i el paraigües de surtida del punt neutre com YH1.5W-72/186.

3.1.3 Càlcul i anàlisi

La sobretensió generada al punt neutre varia depenent de si està aterra localment o no. Es realitzen simulacions per tres escenaris: surtida monofàsica en un circuit, surtida bifàsica en un circuit, i surtida monofàsica en dos circuits, considerant ambdós casos amb i sense paraigües de surtida al punt neutre. Els resultats es mostren a la Taula 2.

Taula 2 Sobretensió màxima en condicions de punt neutre aterra localment / no aterra

3.1.4 Anàlisi dels resultats

A partir de la Taula 2, en els sistemes on el neutre del transformador està connectat a terra localment, el parafulles de línies de la barra eficaçment limita la sobretensió, de manera que el punt neutre del transformador no connectat a terra no experimenta una sobretensió elevada, i el parafulles del punt neutre normalment no actua. En els sistemes on el punt neutre no està connectat a terra localment, la sobretensió al punt neutre és molt elevada. Sense un parafulles, això suposa una amenaça greu a l'aislament (la tensió d'impuls elèctric que pot suportar un transformador de 110 kV amb aïllament graduat, considerant el marge de seguretat, és de 195 kV). L'instal·lació d'un parafulles al punt neutre reduir substancialment el pic de sobretensió. Per tant, els impulsos elèctrics que es propaguen des de les línies no amenacen l'aislament d'un punt neutre dotat d'un parafulles.

3.2 Impacte directe de l'impacte de raig a la subestació

Encara que les subestacions generalment tenen una protecció contra els raigs exhaustiva, els impactes directes de raig, encara que són rars degut a la complexitat i aleatorietat dels raigs, poden encara succeir [2] i causar danys a l'equipament. Per tant, cal estudiar la sobretensió al punt neutre causada pels impactes directes i les mesures de protecció corresponents.

3.2.1 Selecció dels paràmetres de raig i subestació

Els paràmetres de la subestació romanen iguals als definits anteriorment. Es realitzen càlculs utilitzant paràmetres de raig estàndard (1,2/50 μs) amb amplituds de 50, 100, 200 i 250 kA. La impedància d'ona del canal de raig es pren com 400 Ω.

3.2.2 Càlcul i anàlisi

Els resultats per a l'impacte directe de raig en una barra monofàsica (els impactes bifàsics són rars) sota condicions de neutre connectat a terra localment i no connectat a terra es mostren a la Taula 3 (I i II representen casos sense i amb un parafulles al punt neutre, respectivament).

Taula 3 Sobretensió màxima sota condicions de neutre connectat a terra localment / no connectat a terra (Impacte directe)

3.2.3 Anàlisi dels resultats

Com es mostra a la Taula 3, amb l'augment de l'amplitud de la corrent elèctrica per raig, la sobretensió màxima al punt neutre augmenta significativament, i les oscil·lacions es fan més pronunciades. Així mateix, encara amb un paragolpes, la tensió residual a través del paragolpes augmenta. En subestacions amb punts neutres no ancrats localment, la sobretensió al punt neutre deguda a raigs és particularment greu. Encara amb un paragolpes, la sobretensió roman alta. Per exemple, un impacte directe de 250 kA genera una sobretensió al punt neutre de 224,1 kV. En aquest cas, fins i tot si el paragolpes del punt neutre s'activa, el transformador encara pot patir danys.

3.2.4 Discussió de les mesures d'aprovament

(1) Instal·lar un paragolpes al terminal del transformador (per exemple, afegir YH10Wx-108/290 per a transformadors sense ancrar) per limitar la sobretensió per raig.
(2) Augmentar la capacitat de descàrrega de corrent del paragolpes del punt neutre. El paragolpes existent té una capacitat de descàrrega de 1,5 kA amb una tensió residual de 186 kV. Es proposa augmentar aquesta capacitat a 15 kA.

Es van realitzar noves simulacions per a un impacte directe de raig en la barra d'una sistema amb punt neutre no ancrat localment, i els resultats es mostren a la Taula 4.

Taula 4 Sobretensió màxima al punt neutre amb paragolpes (mesures millorades)

Comparant les taules 3 i 4, instal·lar un parafulminator al terminal del transformador no és efectiu per reduir la sobretensió per llamps al punt neutre. Tanmateix, augmentar la capacitat de descàrrega del parafulminator millora significativament la limitació de la sobretensió. Per tant, es recomana aquest mètode. Es recomana als fabricants de parafulminadors que es centrin en millores tecnològiques per augmentar la capacitat de corrent de descàrrega.

4. Conclusió

a) Instal·lar parafulminadors tant a la barra com al punt neutre del transformador limita eficientment la sobretensió al punt neutre causada pels impulsos de llamp que són transmesos des de les línies d'interconnexió.
b) Quan una subestació rep un impacte directe de llamp, pot desenvolupar-se una gran sobretensió al punt neutre d'un transformador sense terra. Aquest efecte és més pronunciat en sistemes amb neutrals parcialment aterrats, i, segons els esquemes existents de protecció contra sobretensions, aïllament del punt neutre encara podria ser enderrocat.
c) Instal·lar un parafulminador al terminal del transformador no té cap efecte significatiu en la limitació de la sobretensió al punt neutre; augmentar la capacitat de corrent de descàrrega del parafulminador del punt neutre és un mètode eficaç per a la limitació de la sobretensió.