110 kV Transformer Neutral Point Lightning Overvoltage: ATP Simulation & Protection Solutions 110 kV Transformer Neutral Point Lightning Overvoltage: ATP Simulation & Protection Solutions 110 kV Transformer Neutral Point Lightning Overvoltage: ATP Simulation & Protection Solutions Napaila ang 110 kV Transformer Neutral Point Lightning Overvoltage: ATP Simulation & Protection Solutions

Adunay daghan literatura mahitungod sa pag-analisa sa overvoltage sa neutral points sa mga transformer sa panahon sa lightning surge conditions. Usa ra kini ka komplikado ug random ang mga lightning waves, wala gihapon'y mapasabot nga eksakto ang teorya. Sa praktikal nga inginyeriya, basehan ang mga protective measures sa mga power system codes pinaagi sa pagpili og maayo nga lightning protection devices, apan adunay daghan usab nga dokumento nga nagsuporta.

Ang mga transmission lines o substations masusulob sa lightning strikes. Ang lightning surges maaari mogad-on pinaagi sa transmission lines ngadto sa substations o direkta mohit sa substation equipment, naa hinongon ang overvoltages sa neutral point sa transformer, nga nagdumala og banta sa insulation sa neutral-point. Kini nga pagtuon sa karakteristikas sa neutral-point overvoltage sa panahon sa lightning conditions ug pag-evaluate sa voltage-limiting effectiveness sa mga protective devices importante gyud [1]. Kini nga papel nagpresenta og simulation study gamit ang Alternative Transients Program (ATP), ang labing giagamit nga version sa Electromagnetic Transients Program (EMTP), batasan sa configuration sa specific 110 kV substation. Pinaagi sa pag-combine sa lightning overvoltage theory sama sa insulation characteristics sa 110 kV transformer neutral points, simula ang paper sa pag-simulate sa neutral-point overvoltages sa iba't ibang lightning wave conditions. Ang resulta sa simulation gi-analyze sa comparative manner, ug gitawag ang mga suhestyon aron mapalit sa neutral-point overvoltage.

1. Teoretical Analysis

1.1 Lightning Strike on Transmission Lines

Kon ang overhead transmission line gihit sa lightning, ang traveling wave magpadayon padulong sa conductor [1]. Sa loob sa mga substation, daghan kaayo nga short connecting lines (e.g., connections from transformers to busbars or surge arresters) sama sa behavior sa transmission lines sa napakabansin nga short-duration lightning impulse. Ang mga lines niini nagpakita og rapid wave propagation, reflection, ug refraction processes, kasagaran nagresulta sa transient overvoltages nga may taas nga peak amplitudes nga makapwera sa equipment.

1.2 Parameter Analysis of Y-Connected Transformer Windings under Lightning Surge

Ang three-phase transformer windings karaniwan gibag-o sa Y, Yo, o Δ configurations. Sa operasyon, ang lightning surges maaari mogad-on pinaagi sa usa, duha, o tanan nga tatlo ka phases [1]. Kini nga papel nagfocus sa Y-connected windings, tungod kay ang sulod nga configurations lang ang may accessible neutral point. Kon ang transformer gibag-o sa Yo ug walay mutual coupling tali sa mga phases, bisan asa, duha, o tanan nga tatlo ka phases ang gihit, ang sistema mahimong i-analyze isip tatlo ka independent windings nga may grounded terminals.

2. Insulation Condition of 110 kV Transformer Neutral Points

Ang neutral points sa 110 kV transformers gigamit ang graded insulation, classified isip 35 kV, 44 kV, o 60 kV levels. Kasagaran karon, ang mga manufacturer nag-produce og transformers nga may 60 kV neutral-point insulation. Ang ub-uban nga insulation levels adunay ub-uban nga dielectric withstand capabilities, sama sa Table 1. Gisulti ang practical conditions, aging sa insulation, ug safety margins para sa power-frequency voltage, ginamit ang correction factors. Ang lightning impulse withstand margin factor nga 0.6 ug ang power-frequency withstand margin factor nga 0.85 giatiman [1], resulta sa reference withstand values sa Table 1.

Table 1 Insulation Withstand Levels / Reference Withstand Values for Neutral Points

3. Simulasyon ug Pagkalkula

Konsidera ang usa ka 110 kV substation nga may duha ka transformers (Y/Δ) nga nagoperasyon sa parallel, duha ka 110 kV incoming lines, ug upat ka 35 kV outgoing lines. Ang single-line diagram mahitabo sa Figure 1. Aron mapugos ang single-phase grounding fault currents ug makabawas sa communication interference, karun-karungang adunay usa ra ka transformer ang may grounded neutral point samtang ang uban naman walay grounded. Sa panahon sa lightning surge, mahimong makuha ang labi ka taas nga overvoltage sa neutral point sa ungrounded transformer, na nadadaghan ang bantog sa iyang insulation. Ang mga sumusunod nga seksyon ipresentar ang simulation analyses gamit ang ATP program sa iba't ibang scenarios.

Figure 1 Single-Line Diagram sa 110 kV Substation

3.1 Lightning Surge nga Nagpropaganda gikan sa Transmission Lines padulong sa Substation

3.1.1 Pili sa Lightning Wave Parameters

Ang primary cause sa overvoltage sa substations mao ang lightning surges nga nagpropaganda gikan sa transmission lines. Ang pinakataas nga voltage amplitude sa line dili mahimo mobagsak sa U50% withstand level sa line’s insulator string; kon magbago, flashover mahimong mobagsak sa line bago ang surge madala sa substation. Tungod kay ang una nga 1–2 km sa incoming line kasagaran protektado gikan sa direct lightning strikes, ang lightning waves nga madala sa substation kasagaran gikan sa strikes dihang wala sa protected section. Para sa lightning strikes wala sa substation, ang magnitude sa lightning current nga madala sa substation pinaagi sa lines ≤220 kV kasagaran ≤5 kA, ug ≤10 kA para sa 330–500 kV lines, na may sigurado nga pagbaba [15,17]. Batasan sa mga kondisyon, ang lightning wave imodelar pinaagi sa typical double-exponential function:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
asa a ug b mao ang negative constants, ug k, a, b determinado gikan sa surge amplitude, front time, ug tail time. Gi-usab ang peak current nga 5 kA ug ang standard 20/50 μs exponential wave.

3.1.2 Parameter Settings sa Substation Equipment

Ang lightning surges naglakip og labi ka taas nga frequency harmonics; tungod niini, ang substation line parameters imodelar isip distributed parameters. Ang mga switches, circuit breakers, current transformers (CTs), ug voltage transformers (VTs) sa loob sa substation representar isip equivalent shunt capacitances. Ang equivalent input capacitance sa transformer mao ang Cₜ = kS⁰·⁵, asa S mao ang three-phase transformer capacity. Para sa voltage levels ≤220 kV, n=3, ug para sa 110 kV transformers, k=540. Ang busbar surge arrester isulpit isip YH1OWx-108/290, ug ang neutral-point surge arrester isip YH1.5W-72/186.

3.1.3 Pagkalkula ug Analisis

Ang overvoltage nga gihimo sa neutral point nagkalain depende kung lokal o wala gi-ground. Gibuhat ang simulations para sa tulo ka scenarios: single-circuit single-phase surge, single-circuit two-phase surge, ug double-circuit single-phase surge, considerando ang duha ka kondisyon sa may ug wala'y neutral-point surge arrester. Ang resulta mahitabo sa Table 2.

Table 2 Peak Overvoltage sa Locally Grounded / Ungrounded Neutral Conditions

3.1.4 Pag-analisa sa Resulta

Gikan sa Table 2, sa mga sistema diin ang neutral nga transformer lokal nga giground, ang busbar surge arrester efektibo nga limita ang overvoltage, kaya ang neutral point sa ungrounded nga transformer wala magdula og taas nga overvoltage, ug ang neutral-point arrester kasagaran dili mogamit. Sa mga sistema diin ang neutral point lokal nga ungrounded, ang overvoltage sa neutral point kaayo ka taas. Tungod kay wala'y surge arrester, kini naghatag og seryo nga panganak sa insulation (ang lightning impulse withstand voltage sa 110 kV nga transformer nga may graded insulation, gisulay ang safety margin, mao ang 195 kV). Ang pag-install og neutral-point surge arrester siginifikante nga mobawas sa peak overvoltage. Kini maoy angat nga ang lightning surges nga naga-propagate gikan sa lines dili na mag-uli sa insulation sa neutral point nga may surge arrester.

3.2 Direkta nga Lightning Strike sa Substation

Bagama't ang mga substation kasagaran adunay komprehensibong lightning protection, ang direkta nga lightning strikes, bisan gamay lang tungod sa komplikado ug random nga kalagian sa lightning, mahimo pa gyud molabay [2] ug makapadagos sa equipment. Busa, ang pagtuon sa overvoltage sa neutral point nga gipasabot sa direkta nga strikes ug ang katugbang nga protective measures kinahanglan.

3.2.1 Pilia sa Lightning ug Substation Parameters

Ang mga parameter sa substation sama ra sa gi-defini sa dili pa. Ang mga kalkulo gihimo pinaagi sa standard lightning parameters (1.2/50 μs) uban ang amplitudes sa 50, 100, 200, ug 250 kA. Ang lightning channel wave impedance gikuha isip 400 Ω.

3.2.2 Pagkuha ug Pag-analisa

Ang resulta alang sa direkta nga lightning strike sa single-phase busbar (ang two-phase strikes kasagaran dili gyud) sa lokal nga grounded ug ungrounded neutral conditions gihatagan sa Table 3 (I ug II represent cases without and with a neutral-point surge arrester, respectively).

Table 3 Peak Overvoltage sa Lokal nga Grounded / Ungrounded Neutral Conditions (Direkta nga Strike)

3.2.3 Paghinabang sa mga Resulta

Tungod sa pagtaas sa kusog sa kuryente sa kidlat isip gihatagan sa Table 3, ang peak overvoltage sa neutral point nagsulob sa dako, ug ang pag-ugnay nagsulob mas makita. Kahit na may surge arrester, ang residual voltage pinaagi sa arrester nagsulob. Sa mga substation nga lokal nga wala gi-ground ang neutrals, ang overvoltage sa neutral-point tungod sa kidlat labi ka severe. Kahit na may surge arrester, ang overvoltage naglakip sa taas. Isip ehempi, ang 250 kA direct strike maghimo og neutral-point overvoltage nga 224.1 kV. Sa kasong ini, kahit anang neutral-point arrester mobuhat, ang transformer mahimong mapuslan pa.

3.2.4 Paghisgot sa mga Pamaagi sa Pagbutang

(1) I-install ang surge arrester sa terminal sa transformer (e.g., idugang YH10Wx-108/290 para sa ungrounded transformers) aron mapaglimpyo ang lightning surge overvoltage.
(2) Taasan ang discharge current capacity sa neutral-point surge arrester. Ang eksisting arrester adunay discharge capacity nga 1.5 kA sa residual voltage nga 186 kV. Gi-propose ang pagtaas niini ngadto sa 15 kA.

Ang re-simulations alang sa direct lightning strike sa busbar sa locally ungrounded neutral system gihimo, ug ang resulta makita sa Table 4.

Table 4 Peak Neutral-Point Overvoltage pinaagi sa Surge Arrester (Improved Measures)

Tungod sa paghatag og kahulugan sa Table 3 ug 4, ang pag-install og arrester sa terminal sa transformer wala maepektibo sa pagbawas sa overvoltage sa neutral point gikan sa lightning. Usa ra nga ang pagtaas sa discharge capacity sa surge arrester mahimong makapailhan sa maayo sa pag-limit sa overvoltage. Kini nga paraan gi-rekomendar. Gi-advisar ang mga manufacturer sa surge arrester nga mag-focus sa teknolohikal nga pag-improve aron mapataas ang discharge current capacity.

4. Conclusion

a) Ang pag-install og surge arresters sa busbar ug sa neutral point sa transformer mahimong makapailhan sa maayo sa pag-limit sa overvoltage sa neutral point gikan sa lightning surges nga nagpropagate gikan sa transmission lines.
b) Kon ang substation magdumot sa direct lightning strike, mahimong makab-og ug mataas nga overvoltage sa neutral point sa ungrounded transformer. Mas makita kini sa mga sistema nga may partially ungrounded neutrals, ug sa kasagaran nga existing overvoltage protection schemes, ang insulation sa neutral-point mahimong mapangwas.
c) Ang pag-install og surge arrester sa terminal sa transformer wala maepektibo sa pag-limit sa overvoltage sa neutral point; ang pagtaas sa discharge current capacity sa neutral-point surge arrester usa ra nga epektibong paraan sa pag-limit sa overvoltage.