110 kV transformátor neutrálního bodu přepětí bleskového nárazu: ATP simulace a ochranná řešení

Existuje rozsáhlá literatura o analýze přetížení v neutrálních bodech transformátorů za podmínek bleskového nárazu. Nicméně, kvůli složitosti a náhodnosti bleskových vln zůstává přesný teoretický popis stále nedosažitelný. V inženýrské praxi jsou ochranná opatření obvykle stanovena na základě předpisů pro elektrické systémy volbou vhodných ochranných zařízení proti blesku, s dostupnou bohatou dokumentací.

Přenosové linky nebo části rozvodny jsou náchylné k bleskovým nárazům. Bleskové nárazy mohou šířit se po přenosových liniích do rozvoden nebo přímo postihnout vybavení rozvodny, což vede k přetížení v neutrálním bodě transformátoru, což hrozí poškozením izolace neutrálního bodu. Proto má studium charakteristik přetížení v neutrálním bodě za podmínek blesku a hodnocení účinnosti ochranných zařízení praktický význam [1]. Tento článek prezentuje simulační studii pomocí programu Alternative Transients Program (ATP), nejrozšířenější verze programu Electromagnetic Transients Program (EMTP), založenou na konfiguraci specifické 110 kV rozvodny. Kombinací teorie bleskového přetížení s vlastnostmi izolace neutrálních bodů 110 kV transformátorů simuluje článek přetížení v neutrálním bodě za různých podmínek bleskových vln. Simulační výsledky jsou porovnány a navržena jsou opatření k snížení přetížení v neutrálním bodě.

1. Teoretická analýza

1.1 Bleskový náraz na přenosové linky

Když je vysokopolevá přenosová linka postižena bleskem, po vodiči se šíří běžná vlna [1]. Uvnitř rozvoden se mnohé krátké spojovací linky (např. spojení mezi transformátory a sběrnými třemi nebo ochrannými přístroji) chovají podobně jako přenosové linky za extrémně krátkého bleskového impulsu. Tyto linky ukazují rychlý proces šíření, odrazu a lomu vln, často generují přechodné přetížení s velmi vysokou amplitudou, které může poškodit vybavení.

1.2 Analýza parametrů Y-spojených cívek transformátoru za bleskového nárazu

Cívky třífázového transformátoru jsou obecně spojeny v konfiguracích Y, Yo nebo Δ. Během provozu mohou bleskové nárazy vstoupit přes jednu, dvě nebo dokonce všechny tři fáze [1]. Tento článek se zaměřuje na Y-spojené cívky, protože pouze takové konfigurace mají přístupný neutrální bod. Když je transformátor spojen v konfiguraci Yo a vzájemné vazby mezi fázemi jsou zanedbány, může být systém analyzován jako tři nezávislé cívky s uzemněnými terminály, bez ohledu na to, jestli byla postižena jedna, dvě nebo všechny tři fáze.

2. Stav izolace neutrálních bodů 110 kV transformátorů

Neutrální body 110 kV transformátorů používají stupňovanou izolaci, která je kategorizována na úrovně 35 kV, 44 kV nebo 60 kV. V současné době primárně vyrábějí výrobci transformátory s izolací neutrálního bodu 60 kV. Různé úrovně izolace mají různé schopnosti odolávat dielektrickému napětí, jak je uvedeno v tabulce 1. S ohledem na praktické podmínky, stárnutí izolace a bezpečnostní rozpěry pro síťové napětí se používají korekční faktory. Přijímá se faktor bezpečnosti pro odolnost proti bleskovému nárazu 0,6 a faktor bezpečnosti pro odolnost proti síťovému napětí 0,85 [1], což vede k referenčním hodnotám odolnosti uvedeným v tabulce 1.

Tabulka 1 Úrovně odolnosti izolace / Referenční hodnoty odolnosti pro neutrální body

3. Simulace a výpočet

Uvažujme 110 kV pobočku s dvěma transformátory (Y/Δ) pracujícími paralelně, dvěma příchozími linkami 110 kV a čtyřmi odchozími linkami 35 kV. Jednolinkový diagram je uveden na obrázku 1. Aby bylo omezeno jednofázové zemní proudy a sníženo rušení komunikace, obvykle má pouze jeden transformátor svůj neutrální bod zazemlen, zatímco druhý zůstává nezazemlen. Za podmínek bleskového nárazu může být na neutrálním bodu nezazemleného transformátoru vyvolána velmi vysoká přepětí, které hrozí jeho izolaci. Následující části prezentují simulace pomocí programu ATP za různých scénářů.

Obrázek 1 Jednolinkový diagram 110 kV pobočky

3.1 Rozšíření bleskového nárazu z přenosových linek do pobočky

3.1.1 Výběr parametrů bleskové vlny

Hlavní příčinou přepětí v pobočkách jsou bleskové narážky šířící se z přenosových linek. Maximální amplituda napětí na lince nesmí překročit hranici odolnosti U50% izolační řady linky; jinak by došlo k propojení na lince předtím, než by náraz vstoupil do pobočky. Protože prvních 1–2 km příchozí linky je obvykle chráněno proti přímým bleskovým zásahům, bleskové vlny vstupující do pobočky pocházejí hlavně ze zásahů za touto chráněnou částí. Pro bleskové zásahy mimo pobočku je velikost bleskového proudu vstupujícího do pobočky přes linky ≤220 kV obvykle ≤5 kA, a pro linky 330–500 kV ≤10 kA, s výrazně sníženou strmostí [15,17]. Na základě těchto podmínek je blesková vlna modelována pomocí typické dvojitě exponenciální funkce:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
kde a a b jsou záporné konstanty, a k, a, b jsou určeny amplitudou nárazu, frontovým časem a ocasovým časem. Zde je použit vrcholový proud 5 kA a standardní exponenciální vlna 20/50 μs.

3.1.2 Nastavení parametrů zařízení v pobočce

Bleskové narážky obsahují velmi vysokofrekvenční harmonické složky; proto jsou parametry linek v pobočce modelovány jako distribuované parametry. Spínací přístroje, vypínače, proudové transformátory (CT) a napěťové transformátory (VT) v pobočce jsou reprezentovány ekvivalentními shodnými kapacitami. Ekvivalentní vstupní kapacita transformátoru je dána Cₜ = kS⁰·⁵, kde S je třífázová kapacita transformátoru. Pro napěťové úrovně ≤220 kV je n=3, a pro transformátory 110 kV je k=540. Bleskosvod pro sběrnici je vybrán jako YH1OWx-108/290, a bleskosvod pro neutrální bod jako YH1.5W-72/186.

3.1.3 Výpočet a analýza

Přepětí vygenerované na neutrálním bodu se liší v závislosti na tom, zda je lokálně zazemlen nebo nezazemlen. Simulace jsou provedeny pro tři scénáře: jednosvorkový jednofázový náraz, jednosvorkový dvoufázový náraz a dvojsvorkový jednofázový náraz, s ohledem na přítomnost či nepřítomnost bleskosvodu na neutrálním bodu. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 2.

Tabulka 2 Vrcholové přepětí za lokálně zazemleného / nezazemleného neutrálního bodu

3.1.4 Analýza výsledků

Z tabulky 2 lze vyvodit, že v systémech, kde je střední bod transformátoru místně uzemněn, surge arrester na sběrnici efektivně omezí přetlak, takže střední bod neuzemněného transformátoru neprochází vysokým přetlakem a surge arrester u středního bodu obvykle nefunguje. V systémech, kde je střední bod místně neuzemněn, je přetlak na středním bodu velmi vysoký. Bez surge arresteru to představuje vážnou hrozbu pro izolaci (blesková impulzní odolnost transformátoru 110 kV s laminovanou izolací, s ohledem na bezpečnostní rezervu, činí 195 kV). Instalace surge arresteru na středním bodu značně snižuje špičkový přetlak. Proto bleskové přetlaky šířící se z vedení neohrožují izolaci středního bodu vybaveného surge arresterem.

3.2 Přímý bleskový úder do podstanice

Ačkoli podstanice obecně disponují komplexní ochranou proti blesku, přímé bleskové údery, i když jsou vzácné kvůli složitosti a náhodnosti blesku, stále mohou nastat [2] a způsobit poškození zařízení. Proto je třeba studovat přetlak na středním bodu způsobený přímým bleskovým úderem a odpovídající ochranná opatření.

3.2.1 Výběr parametrů blesku a podstanice

Parametry podstanice zůstávají stejné jako byly dříve definovány. Výpočty jsou provedeny pomocí standardních parametrů blesku (1.2/50 μs) s amplitudami 50, 100, 200 a 250 kA. Vlnová impedance bleskového kanálu je brána jako 400 Ω.

3.2.2 Výpočet a analýza

Výsledky přímého bleskového úderu na jednofázovou sběrnici (dvoufázové údery jsou vzácné) pod místně uzemněnými a neuzemněnými podmínkami středního bodu jsou uvedeny v tabulce 3 (I a II reprezentují případy bez a s surge arresterem na středním bodu, respektive).

Tabulka 3 Špičkový přetlak pod místně uzemněnými / neuzemněnými podmínkami středního bodu (přímý úder)

3.2.3 Analýza výsledků

Jak je uvedeno v tabulce 3, s rostoucí amplitudou bleskového proudu se vrcholové přepětí v neutrálním bodu značně zvyšuje a oscilace jsou více vyjádřené. I při použití ochranného čidlo stoupá zbytkové napětí na ochranném čidlo. V rozvodnách s místně nezazeměným neutrálním bodem je přepětí v neutrálním bodu způsobené bleskem obzvláště závažné. I s ochranným čidlem zůstává přepětí vysoké. Například přímý úder blesku o síle 250 kA vyvolá přepětí v neutrálním bodu 224,1 kV. V tomto případě může být i při funkčním ochranném čidlo poškozen transformátor.

3.2.4 Diskuse o opatřeních ke zlepšení situace

(1) Nainstalujte ochranné čidlo na terminálu transformátoru (např. přidejte YH10Wx-108/290 pro nezazeměné transformátory), aby bylo omezeno přepětí způsobené bleskovým nárazem.
(2) Zvýšete kapacitu výboje neutrálního bodu ochranného čidlo. Stávající čidlo má kapacitu výboje 1,5 kA při zbytkovém napětí 186 kV. Navrhuje se zvýšení této kapacity na 15 kA.

Byly provedeny nové simulace přímého bleskového úderu do sběrnice v systému s místně nezazeměným neutrálním bodem a výsledky jsou uvedeny v tabulce 4.

Tabulka 4: Vrcholové přepětí v neutrálním bodu s ochranným čidlo (zlepšená opatření)

Porovnáním tabulek 3 a 4 je zřejmé, že instalace ochranného prvků na terminálu transformátoru není efektivní pro snížení přetlaku bleskového náboje v neutrálním bodě. Avšak zvýšení propustné kapacity ochranného prvků výrazně zlepší omezení přetlaku. Proto se tento způsob doporučuje. Výrobci ochranných prvků by měli zaměřit své úsilí na technologické vylepšení s cílem zvýšit kapacitu propustného proudu.

4. Závěr

a) Instalace ochranných prvků jak na sběrnici, tak v neutrálním bodě transformátoru efektivně omezí přetlak v neutrálním bodě způsobený šířením bleskových vln z vedení.
b) Při přímém bleskovém úderu do elektrárny se v neutrálním bodě nezazemleného transformátoru může vyvinout vysoký přetlak. Tento jev je v systémech s částečně nezazemlenými neutrálními body výraznější a za stávajících schémat ochrany před přetlakem může docházet k poškození izolace neutrálního bodu.
c) Instalace ochranného prvků na terminálu transformátoru nemá významný vliv na omezení přetlaku v neutrálním bodě; zvýšení kapacity propustného proudu ochranného prvků v neutrálním bodě je efektivním způsobem omezení přetlaku.