110 kV Transformer Neutral Point Lynoverspænding: ATP Simulation & Beskyttelsesløsninger

Der findes omfattende litteratur om analyse af overspænding ved transformerens nulpunkt under lynoverslag. Pga. kompleksiteten og tilfældigheden i lynbølger er en præcis teoretisk beskrivelse imidlertid stadig uopnåelig. I ingeniørpraksis fastsættes beskyttelsesforanstaltninger typisk baseret på kraftsystemkoder ved at vælge passende lynbeskyttelsesenheder, og der findes rigelig dokumentation til støtte.

Overføringslinjer eller aflagringssubstationer er sårbar over for lynslag. Lynoverslag kan bevæge sig langs overføringslinjer ind i substationerne eller ramme substationudstyr direkte, hvilket inducerer overspændinger ved transformerens nulpunkt, som udgør en trussel mod nulpunktsisoleringen. Derfor har det praktisk betydning at studere egenskaberne af nulpunktsoverspænding under lynforhold og vurdere effektiviteten af beskyttelsesenheders spændingsbegrænsning [1]. Denne artikel præsenterer en simulationsstudie, der anvender Alternative Transients Program (ATP), den mest anvendte version af Electromagnetic Transients Program (EMTP), baseret på konfigurationen af en bestemt 110 kV substation. Ved at kombinere lynoverspændingsteori med isoleringsegenskaber for 110 kV transformerens nulpunkt simulerer artiklen nulpunktsoverspændinger under forskellige lynbølgemedvirkende forhold. Simulationsresultaterne analyseres sammenlignet, og foranstaltninger foreslås for at mindske nulpunktsoverspændingen.

1. Teoretisk analyse

1.1 Lynslag på overføringslinjer

Når en overhængende overføringslinje bliver ramt af lyn, bevæger en rejsebølge sig langs ledningen [1]. Inde i aflagringsstationer opfører mange korte forbinder (fx forbindelser fra transformatorer til busbarer eller lynovergangsbrydere) ligesom overføringslinjer under de ekstremt kortvarige lynimpulser. Disse linjer viser hurtig bølgebevægelse, refleksion og brekningsprocesser, ofte genererer de midlertidige overspændinger med meget høje spidsamplituder, der kan skade udstyr.

1.2 Parameteranalyse af Y-forbundne transformer vindinger under lynoverslag

Tre-fase transformer vindinger er generelt forbundet i Y, Yo eller Δ konfigurationer. Under drift kan lynoverslag indtrænge gennem én, to eller endda alle tre faser [1]. Denne artikel fokuserer på Y-forbundne vindinger, da kun sådanne konfigurationer har et tilgængeligt nulpunkt. Når en transformator er forbundet i Yo og gensidig kobling mellem faser ignoreres, kan systemet analyseres som tre uafhængige vindinger med jordede terminaler, uanset om én, to eller tre faser bliver ramt.

2. Isolationsforhold for 110 kV transformer nulpunkter

Nulpunkter for 110 kV transformer anvender graderet isolation, inddeles i 35 kV, 44 kV eller 60 kV niveauer. I øjeblikket producerer producenter primært transformer med 60 kV nulpunktisolation. Forskellige isolationsniveauer har varierende dielektriske udsætningskapaciteter, som vist i Tabel 1. Med hensyn til praktiske forhold, aldring af isolation og sikkerhedsmargener for strømfrekvensspænding anvendes korrektorfaktorer. En lynimpuls udsætningsmarginfaktor på 0.6 og en strømfrekvens udsætningsmarginfaktor på 0.85 anvendes [1], hvilket fører til reference udsætningsværdierne i Tabel 1.

Tabel 1 Isolationsudsætningsniveauer / Reference udsætningsværdier for nulpunkter

3. Simulation og Beregning

Overvej en 110 kV understation med to transformatorer (Y/Δ), der fungerer parallel, to 110 kV indkomne linjer, og fire 35 kV udgående linjer. Den enefasede diagram er vist i figur 1. For at begrænse enefase jordfejlstrømme og reducere kommunikationsstøj, har typisk kun en transformator sin neutralpunkt jordet, mens den anden forbliver ujordet. Under lynoverslag kan der opstå en meget høj overspænding ved den ujordede transformators neutralpunkt, hvilket truer dens isolering. De følgende afsnit præsenterer simuleringsanalyser ved hjælp af ATP programmet under forskellige scenarier.

Figur 1 Enefasediagram for 110 kV understationen

3.1 Lynoverslag, der propagerer fra transmissionslinjer til understationen

3.1.1 Vælg parametre for lynbølge

Den primære årsag til overspændinger i understationer er lynoverslag, der propagerer fra transmissionslinjer. Den maksimale spændingsamplitude på linjen må ikke overstige U50% modstandsgraden for linjens isolatørkæde; ellers ville der opstå et blesk på linjen, før overslaget når understationen. Da de første 1–2 km af den indkomne linje normalt er beskyttet mod direkte lynslag, kommer lynbølgerne, der indtræffer i understationen, hovedsageligt fra slags, der ligger uden for denne beskyttede sektion. For lynslag uden for understationen er strømmens størrelse, der indtræffer i understationen via linjer ≤220 kV, generelt ≤5 kA, og ≤10 kA for 330–500 kV linjer, med betydeligt reduceret stejlhed [15,17]. Baseret på disse betingelser, modeleres lynbølgen ved hjælp af en typisk dobbelt eksponentiel funktion:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
hvor a og b er negative konstanter, og k, a, b bestemmes af overslagets amplitude, fronttid og haletid. Her anvendes en topstrøm på 5 kA og en standard 20/50 μs eksponentiel bølge.

3.1.2 Indstilling af parameter for understationsudstyr

Lynoverslag indeholder meget høje frekvensharmonier; derfor bliver understationslinjeparametre modeleret som fordelt parametre. Kryds, skærmeklamper, strømtransformatorer (CTs) og spændingstransformatorer (VTs) i understationen repræsenteres ved ekvivalente shunt kapacitancer. Transformatorens ekvivalente indgangskapacitance er givet ved Cₜ = kS⁰·⁵, hvor S er trefasestransformatorens kapacitet. For spændingsniveauer ≤220 kV, n=3, og for 110 kV transformatorer, k=540. Busbar overslagsbeskytteren vælges som YH1OWx-108/290, og neutralpunktets overslagsbeskytter som YH1.5W-72/186.

3.1.3 Beregning og analyse

Den overspænding, der opstår ved neutralpunktet, varierer afhængigt af, om det er lokalt jordet eller ujordet. Simulationer udføres for tre scenarier: enefase overslag i én kredsløb, tofase overslag i én kredsløb, og enefase overslag i to kredsløb, både med og uden neutralpunktets overslagsbeskytter. Resultaterne vises i tabel 2.

Tabel 2 Topoverspænding under lokale jordede / ujordede neutralbetingelser

3.1.4 Resultatanalyse

If tabel 2 ses, at i systemer, hvor transformerens neutralpunkt er lokalt jordet, begrænser busbar overspændingsbeskytter effektivt overspændingen, så det ujordede transformers neutralpunkt oplever ikke høj overspænding, og den neutrale punkts overspændingsbeskytter opererer typisk ikke. I systemer, hvor neutralpunktet er lokalt ujordet, er overspændingen ved neutralpunktet meget høj. Uden en overspændingsbeskytter udgør dette en alvorlig trussel mod isolationen (blikslag impulsbelastnings spænding for en 110 kV transformer med gradvist isolering, tager sikkerhedsmargen i betragtning, er 195 kV). Installation af en neutralpunkt overspændingsbeskytter reducerer signifikant topoverspændingen. Derfor udgør blikslag fra ledninger ikke en trussel mod isolationen af et neutralpunkt, der er udstyret med en overspændingsbeskytter.

3.2 Direkte blikslag på understationen

Selvom understationer generelt har omfattende beskyttelse mod blikslag, kan direkte blikslag, selvom de er sjældne pga. kompleksiteten og tilfældigheden af blikslag, stadig forekomme [2] og forårsage skade på udstyr. Derfor er det nødvendigt at undersøge overspændingen ved neutralpunktet, som skyldes direkte blikslag, samt de tilsvarende beskyttelsesforanstaltninger.

3.2.1 Vælg parametre for blikslag og understation

Understationsparametrene forbliver de samme som tidligere defineret. Beregninger udføres ved hjælp af standardblikslagparametre (1.2/50 μs) med amplituder på 50, 100, 200 og 250 kA. Blikkanalens bølgeimpedans antages at være 400 Ω.

3.2.2 Beregning og analyse

Resultater for direkte blikslag på en enefasede busbar (tofasede slag er sjældne) under lokalt jordede og ujordede neutralbetingelser vises i tabel 3 (I og II repræsenterer tilfælde uden og med en neutralpunkt overspændingsbeskytter, henholdsvis).

Tabel 3 Topoverspænding under lokalt jordede / ujordede neutralbetingelser (direkte slag)

3.2.3 Resultatanalyse

Som vist i tabel 3, stiger spids overspændingen ved neutralpunktet betydeligt med øget lynstrømamplitude, og svingninger bliver mere udtalte. Selv med en overspændingsbeskytter, stiger restovervoltage over beskytteren. I anlæg med lokalt ujordet neutral er overspændingen ved neutralpunktet på grund af lyn særlig alvorlig. Selv med en overspændingsbeskytter, forbliver overvoltage høj. For eksempel genererer en direkte ramme på 250 kA en overvoltage på 224,1 kV ved neutralpunktet. I dette tilfælde kan transformer stadig blive skadet, selv hvis neutralpunktets beskytter aktiveres.

3.2.4 Diskussion af forbedringsforanstaltninger

(1) Installér en overspændingsbeskytter ved transformatorterminalen (fx tilføj YH10Wx-108/290 til ujordede transformatorer) for at begrænse lynovervoltage.
(2) Øg udslipningsstrømkapaciteten af neutralpunktets overspændingsbeskytter. Den eksisterende beskytter har en udslipningskapacitet på 1,5 kA ved en restovervoltage på 186 kV. Det foreslås at øge denne kapacitet til 15 kA.

Gen-simulationer for direkte lynrammer på busbar i et system med lokalt ujordet neutral blev udført, og resultaterne vises i tabel 4.

Tabel 4 Spids overvoltage ved neutralpunkt med overspændingsbeskytter (forbedrede foranstaltninger)

Ved sammenligning af tabeller 3 og 4 er installation af en overgangsbeskytter ved transformerterminalen ineffektiv i forhold til at reducere jordpunkt-overspænding på grund af lyn. Imidlertid forbedrer en stigning i overgangsbeskyttelsens udløsningskapacitet betydeligt begrænsningen af overspænding. Derfor anbefales denne metode. Overgangsbeskytterproducenter opfordres til at fokusere på teknologiske forbedringer for at øge udløsningsstrømkapaciteten.

4. Konklusion

a) Installation af overgangsbeskyttere både på busbar og transformerens jordpunkt begrænser effektivt overspænding på jordpunktet, som skyldes lynovergang fra transmissionslinjer.
b) Når et anlæg rammes direkte af lyn, kan der opstå høj overspænding på jordpunktet for en ikke-jordet transformer. Dette effekt er mere udtalt i systemer med delvist ikke-jordede neutrale, og under de eksisterende overspændingsbeskyttelsessystemer, kan isoleringen af jordpunktet stadig blive skadet.
c) Installation af en overgangsbeskytter ved transformerterminalen har ingen betydelig effekt på begrænsning af overspænding på jordpunktet; en stigning i udløsningsstrømkapaciteten for jordpunktets overgangsbeskytter er en effektiv metode til begrænsning af overspænding.