110 kV Μετατροπέας Αδιάφορου Σημείου Φωτοεπίπτωσης Υπερτάσης: Προσομοιώσεις ATP & Λύσεις Προστασίας

Υπάρχει εκτεταμένη βιβλιογραφία για την ανάλυση της υπερτάσης στα ουδέτερα σημεία των μετατροπέων κατά τη διάρκεια συνθηκών παρατηρήσεων από κεραυνού. Ωστόσο, λόγω της πολυπλοκότητας και της τυχαιότητας των κεραυνικών κυμάτων, μια ακριβής θεωρητική περιγραφή παραμένει ακόμη εκτός φάσης. Στην επιμέρους πρακτική, οι προστατευτικές μέτρα ορίζονται συνήθως με βάση τους κώδικες παροχής ενέργειας, επιλέγοντας κατάλληλα προστατευτικά συστήματα από κεραυνό, με πλούσια υποστηρικτική τεκμηρίωση.

Οι γραμμές μεταφοράς ή οι υποσταθμείς είναι ευάλωτες σε πλήξεις κεραυνού. Τα κεραυνικά κύματα μπορεί να διαδοθούν κατά μήκος των γραμμών μεταφοράς στις υποσταθμείς ή να πλήξουν άμεσα την εξοπλισμό των υποσταθμείς, προκαλώντας υπερτάσεις στα ουδέτερα σημεία των μετατροπέων, τις οποίες απειλούν την απομόνωση του ουδέτερου σημείου. Συνεπώς, η μελέτη των χαρακτηριστικών της υπερτάσης στο ουδέτερο σημείο κατά τη διάρκεια κεραυνικών συνθηκών και η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των προστατευτικών συστημάτων στον περιορισμό της τάσης έχουν πρακτική σημασία [1]. Αυτή η εργασία παρουσιάζει μια μελέτη προσομοίωσης χρησιμοποιώντας το Alternative Transients Program (ATP), την πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη έκδοση του Electromagnetic Transients Program (EMTP), με βάση τη διάταξη μιας συγκεκριμένης υποσταθμής 110 kV. Συνδυάζοντας τη θεωρία της κεραυνικής υπερτάσης με τα χαρακτηριστικά απομόνωσης των ουδέτερων σημείων των μετατροπέων 110 kV, η εργασία προσομοιώνει τις υπερτάσεις στα ουδέτερα σημεία υπό διάφορες συνθήκες κεραυνικών κυμάτων. Οι αποτελέσματα της προσομοίωσης αναλύονται συγκριτικά και προτείνονται μέτρα για την μείωση της υπερτάσης στα ουδέτερα σημεία.

1. Θεωρητική Ανάλυση

1.1 Πλήξη Κεραυνού σε Γραμμές Μεταφοράς

Όταν μια αεροφωνική γραμμή μεταφοράς πλήττεται από κεραυνό, ένα ταξιδιώτικο κύμα διαδίδεται κατά μήκος του συνδέσμου [1]. Εντός των υποσταθμείς, πολλά σύντομα σύνδεσμα (π.χ., συνδέσμοι από τους μετατροπείς στις συνδετικές σειρές ή στα συστήματα προστασίας) συμπεριφέρονται όπως οι γραμμές μεταφοράς κατά τη διάρκεια της εξαιρετικά σύντομης κεραυνικής παρακύμανσης. Αυτές οι γραμμές εμφανίζουν γρήγορες διαδικασίες διάδοσης, ανάκλασης και διαστροφής, συχνά παράγοντας προσωρινές υπερτάσεις με πολύ υψηλές κορυφαίες τιμές που μπορούν να προκαλέσουν βλάβες στον εξοπλισμό.

1.2 Ανάλυση Παραμέτρων των Συνδέσεων Διατομών Υποδείξεων Y-Σύνδεσης Κατά τη Διάρκεια Κεραυνικών Παρακυμάνσεων

Οι διατομές των τριφασικών μετατροπέων συνήθως συνδέονται σε Y, Yo ή Δ διατάξεις. Κατά τη λειτουργία, τα κεραυνικά κύματα μπορεί να εισέλθουν μέσω μιας, δύο ή ακόμη και των τριών φάσεων [1]. Αυτή η εργασία εστιάζει στις διατομές Y-σύνδεσης, καθώς μόνο σε αυτές τις διατάξεις υπάρχει προσβάσιμο ουδέτερο σημείο. Όταν ένας μετατροπέας είναι συνδεδεμένος σε Yo και αγνοείται η μηχανική συνδυασμός μεταξύ φάσεων, είτε μια, δύο ή όλες οι τρεις φάσεις πλήττονται, το σύστημα μπορεί να αναλυθεί ως τρεις ανεξάρτητες διατομές με εδαφικές συνδέσεις.

2. Συνθήκες Απομόνωσης των Ουδέτερων Σημείων των Μετατροπέων 110 kV

Τα ουδέτερα σημεία των μετατροπέων 110 kV χρησιμοποιούν κατηγορημένη απομόνωση, που κατατάσσεται σε επίπεδα 35 kV, 44 kV ή 60 kV. Σήμερα, οι κατασκευαστές παράγουν κυρίως μετατροπείς με απομόνωση 60 kV στα ουδέτερα σημεία. Διαφορετικά επίπεδα απομόνωσης έχουν διαφορετικές διελκτικές αντοχές, όπως φαίνεται στον Πίνακα 1. Λαμβάνοντας υπόψη τις πρακτικές συνθήκες, την ηλικία της απομόνωσης και τα επιπλέον ασφαλές για την τάση συχνότητας, εφαρμόζονται διορθωτικοί παράγοντες. Χρησιμοποιείται ένας παράγοντας αντοχής σε κεραυνική παρακύμανση 0.6 και ένας παράγοντας αντοχής σε τάση συχνότητας 0.85 [1], οδηγώντας στις αναφερόμενες τιμές αντοχής στον Πίνακα 1.

Πίνακας 1 Επίπεδα Αντοχής / Αναφερόμενες Τιμές Αντοχής για Ουδέτερα Σημεία

3. Προσομοιωση και Υπολογισμός

Υποθέτουμε μια υποσταθμίδα 110 kV με δύο μετατροπείς (Y/Δ) που λειτουργούν σε παράλληλη σύνδεση, δύο εισερχόμενες γραμμές 110 kV και τέσσερις εξερχόμενες γραμμές 35 kV. Το μονογραμμικό σχήμα είναι απεικονισμένο στο Σχήμα 1. Για τον περιορισμό των ρευμάτων σφάλματος μονοφάσης και τη μείωση της διαταραχής επικοινωνίας, συνήθως μόνο ένας μετατροπέας έχει το νετραλικό του σημείο συνδεδεμένο στη γη, ενώ ο άλλος παραμένει ανεδραγμένος. Κατά τις συνθήκες καταιγίδας, μπορεί να προκληθεί πολύ υψηλή υπερτάση στο νετραλικό σημείο του μη εδραγμένου μετατροπέα, που απειλεί την απομόνωσή του. Οι επόμενες ενότητες παρουσιάζουν αναλύσεις προσομοίωσης με το πρόγραμμα ATP σε διάφορες περιπτώσεις.

Σχήμα 1 Μονογραμμικό Σχήμα της Υποσταθμίδας 110 kV

3.1 Προπαγατός Καταιγιδικής Κύματος από τις Μεταφορικές Γραμμές στην Υποσταθμίδα

3.1.1 Επιλογή Παραμέτρων Καταιγιδικού Κύματος

Η βασική αιτία της υπερτάσης στις υποσταθμίδες είναι οι καταιγιδικοί προπαγατοί που προέρχονται από τις μεταφορικές γραμμές. Η μέγιστη τασική παράμετρος στη γραμμή δεν πρέπει να υπερβαίνει το επίπεδο αντοχής U50% της σειράς απομονωτών της γραμμής· διαφορετικά, θα προκαλούσε σφάλμα στη γραμμή πριν το προπαγάτη εισέλθει στην υποσταθμίδα. Επειδή το πρώτο 1-2 χλμ της εισερχόμενης γραμμής είναι συνήθως προστατευμένο από άμεσες καταιγίδες, τα καταιγιδικά κύματα που εισέρχονται στην υποσταθμίδα προέρχονται κυρίως από χτυπήματα πέρα από αυτό το προστατευμένο τμήμα. Για τα χτυπήματα εκτός της υποσταθμίδας, η μέγεθος του καταιγιδικού ρεύματος που εισέρχεται στην υποσταθμίδα μέσω γραμμών ≤220 kV είναι συνήθως ≤5 kA, και ≤10 kA για γραμμές 330-500 kV, με σημαντικά μειωμένη ακμή [15,17]. Βάσει αυτών των συνθηκών, το καταιγιδικό κύμα μοντελοποιείται με μια τυπική διπλή εκθετική συνάρτηση:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
όπου a και b είναι αρνητικές σταθερές, και k, a, b καθορίζονται από την παράμετρο της προπαγήτης, τον χρόνο ακμής και τον χρόνο ουράς. Χρησιμοποιείται εδώ μια κορυφαία ροή 5 kA και ένα τυπικό εκθετικό κύμα 20/50 μs.

3.1.2 Ρυθμίσεις Παραμέτρων Εξοπλισμού της Υποσταθμίδας

Τα καταιγιδικά κύματα περιέχουν πολύ υψηλή συχνότητα αρμονικών· ως εκ τούτου, οι παράμετροι της γραμμής της υποσταθμίδας μοντελοποιούνται ως διανεμημένες παράμετροι. Οι διακόπτες, διακόπτες, μετατροπείς ρεύματος (CTs) και μετατροπείς τάσης (VTs) μέσα στην υποσταθμίδα αντιπροσωπεύονται από ισοδύναμες παράλληλες δυναμικές. Η ισοδύναμη εισερχόμενη δυναμική του μετατροπέα δίνεται από Cₜ = kS⁰·⁵, όπου S είναι η δυναμικότητα του τριφασικού μετατροπέα. Για τάσεις ≤220 kV, n=3, και για μετατροπείς 110 kV, k=540. Το αντιπαρακαμπτήριο της συνεδρίας επιλέγεται ως YH1OWx-108/290, και το αντιπαρακαμπτήριο του νετραλικού σημείου ως YH1.5W-72/186.

3.1.3 Υπολογισμός και Ανάλυση

Η υπερτάση που παράγεται στο νετραλικό σημείο διαφέρει ανάλογα με το αν είναι τοπικά συνδεδεμένο ή ανεδραγμένο. Εκτελούνται προσομοιώσεις για τρεις περιπτώσεις: μονοπλεξιδική μονοφάση, μονοπλεξιδική διφάση και διπλοπλεξιδική μονοφάση, λαμβάνοντας υπόψη την ύπαρξη ή μη αντιπαρακαμπτηρίου νετραλικού σημείου. Τα αποτελέσματα εμφανίζονται στο Πίνακα 2.

Πίνακας 2 Κορυφαία Υπερτάση σε Συνθήκες Τοπικά Συνδεδεμένου / Ανεδραγμένου Νετραλικού Σημείου

3.1.4 Ανάλυση των Αποτελεσμάτων

Από το Πίνακα 2, σε συστήματα όπου το ουδέτερο σημείο του μετατροπέα είναι τοπικά συνδεδεμένο με τη γη, ο αντικαταβαρικός προστατευτής της μπάρας διανομής επιτυχώς περιορίζει την υπερτάση, έτσι ώστε το ουδέτερο σημείο του μετατροπέα που δεν είναι συνδεδεμένο με τη γη να μην βιώνει υψηλή υπερτάση, και ο αντικαταβαρικός του ουδέτερου σημείου συνήθως να μην λειτουργεί. Σε συστήματα όπου το ουδέτερο σημείο δεν είναι τοπικά συνδεδεμένο με τη γη, η υπερτάση στο ουδέτερο σημείο είναι πολύ υψηλή. Χωρίς αντικαταβαρικό, αυτό αποτελεί σοβαρή απειλή για την απομόνωση (η αντοχή σε αντικαταβαρική ροπή ενός 110 kV μετατροπέα με επιπέδωση απομόνωσης, λαμβάνοντας υπόψη την περιθώριο ασφάλειας, είναι 195 kV). Η εγκατάσταση ενός αντικαταβαρικού στο ουδέτερο σημείο μειώνει σημαντικά την κορυφαία υπερτάση. Έτσι, οι καταβαρικές ροπές που εξαπλώνονται από τις γραμμές δεν απειλούν την απομόνωση ενός ουδέτερου σημείου που είναι εξοπλισμένο με αντικαταβαρικό.

3.2 Μετεωρολογική Καταιγίδα Στην Υποσταθμίδα

Παρά το γεγονός ότι οι υποσταθμίδες συνήθως διαθέτουν ολοκληρωμένη προστασία από καταιγίδες, οι άμεσες καταιγίδες, παρόλο που είναι σπάνιες λόγω της πολυπλοκότητας και της τυχαιότητας των καταιγίδων, μπορούν ακόμη να συμβούν [2] και να προκαλέσουν ζημίες στον εξοπλισμό. Επομένως, η μελέτη της υπερτάσης στο ουδέτερο σημείο που προκαλείται από άμεσες καταιγίδες και των αντίστοιχων προστατευτικών μέτρων είναι αναγκαία.

3.2.1 Επιλογή Παραμέτρων Καταιγίδας και Υποσταθμίδας

Οι παράμετροι της υποσταθμίδας παραμένουν οι ίδιοι όπως ορίστηκαν προηγουμένως. Οι υπολογισμοί εκτελούνται χρησιμοποιώντας παραμέτρους καταιγίδας (1.2/50 μs) με πλάτος 50, 100, 200 και 250 kA. Το παράμετρος αντίστασης καναλιού καταιγίδας λαμβάνεται ως 400 Ω.

3.2.2 Υπολογισμός και Ανάλυση

Τα αποτελέσματα για άμεση καταιγίδα σε μονοφασική μπάρα διανομής (διφασικές καταιγίδες είναι σπάνιες) υπό συνθήκες τοπικά συνδεδεμένου και μη συνδεδεμένου ουδέτερου σημείου εμφανίζονται στον Πίνακα 3 (I και II αντιπροσωπεύουν περιπτώσεις χωρίς και με αντικαταβαρικό στο ουδέτερο σημείο, αντίστοιχα).

Πίνακας 3 Κορυφαία Υπερτάση υπό Συνθήκες Τοπικά Συνδεδεμένου / Μη Συνδεδεμένου Ουδέτερου Σημείου (Άμεση Καταιγίδα)

3.2.3 Ανάλυση των Αποτελεσμάτων

Όπως φαίνεται στο Πίνακα 3, με την αύξηση της επιπέδου του ρεύματος του κεραυνού, η κορυφαία υπερτάση στο ουδέτερο σημείο αυξάνεται σημαντικά, ενώ οι ταλαντώσεις γίνονται πιο έντονες. Ακόμη και με προστατευτικό βοήθημα, η υπολείμματος τάση στο προστατευτικό βοήθημα αυξάνεται. Σε υποσταθμούς με τοπικά μη συνδεδεμένο ουδέτερο, η υπερτάση στο ουδέτερο σημείο λόγω κεραυνού είναι ειδικά σοβαρή. Ακόμη και με προστατευτικό βοήθημα, η υπερτάση παραμένει υψηλή. Για παράδειγμα, ένας άμεσος χτύπος 250 kA παράγει υπερτάση 224.1 kV στο ουδέτερο σημείο. Σε αυτή την περίπτωση, ακόμη και αν το προστατευτικό βοήθημα στο ουδέτερο σημείο λειτουργήσει, ο μετατροπέας μπορεί ακόμη να πληγεί.

3.2.4 Συζήτηση των Μέτρων Βελτίωσης

(1) Εγκατάσταση προστατευτικού βοηθήματος στο τερματικό του μετατροπέα (π.χ., προσθήκη YH10Wx-108/290 για μετατροπείς χωρίς σύνδεση) για τον περιορισμό της υπερτάσης του κεραυνού.
(2) Αύξηση της ικανότητας εκκένωσης του προστατευτικού βοηθήματος στο ουδέτερο σημείο. Το υπάρχον προστατευτικό βοήθημα έχει ικανότητα εκκένωσης 1.5 kA με υπολείμματος τάση 186 kV. Προτείνεται η αύξηση αυτής της ικανότητας σε 15 kA.

Επαναδιεξήχθησαν προσομοιώσεις για άμεσο χτύπο κεραυνού στην συμπλοκή σε σύστημα με τοπικά μη συνδεδεμένο ουδέτερο, και τα αποτελέσματα εμφανίζονται στον Πίνακα 4.

Πίνακας 4 Κορυφαία Υπερτάση στο Ουδέτερο Σημείο με Προστατευτικό Βοήθημα (Βελτιωμένα Μέτρα)

Σε σύγκριση με τους Πίνακες 3 και 4, η εγκατάσταση ενός προστατευτικού στην άκρη του μετατροπέα δεν είναι αποτελεσματική για τη μείωση της υπερτάσης λείψανου λαμπροφώντου. Ωστόσο, η αύξηση της ικανότητας εκκένωσης του προστατευτικού βελτιώνει σημαντικά τον περιορισμό της υπερτάσης. Συνεπώς, αυτή η μέθοδος προτείνεται. Συνιστάται στους κατασκευαστές προστατευτικών να εστιάσουν σε τεχνολογικές βελτιώσεις για την ενίσχυση της ικανότητας εκκένωσης του ρεύματος.

4. Συμπέρασμα

a) Η εγκατάσταση προστατευτικών στο σύνδεσμο και στην ουδέτερη άκρη του μετατροπέα είναι αποτελεσματική για τον περιορισμό της υπερτάσης στην ουδέτερη άκρη που προκαλείται από την προβολή των κατακεραυνών από τις γραμμές μεταφοράς.
b) Όταν ένας υποσταθμός υποστεί άμεσο κατακεραυνό, μπορεί να αναπτυχθεί υψηλή υπερτάση στην ουδέτερη άκρη ενός μετατροπέα χωρίς σύνδεση στη γῆ. Αυτό το φαινόμενο είναι πιο έντονο σε συστήματα με μερικά συνδεδεμένη ουδέτερη άκρη, και υπό τις υφιστάμενες σχέδιες προστασίας από υπερτάσεις, η απομόνωση της ουδέτερης άκρης μπορεί ακόμη να βλάψει.
c) Η εγκατάσταση προστατευτικού στην άκρη του μετατροπέα δεν έχει σημαντική επίδραση στον περιορισμό της υπερτάσης στην ουδέτερη άκρη· η αύξηση της ικανότητας εκκένωσης του προστατευτικού στην ουδέτερη άκρη είναι μια αποτελεσματική μέθοδος για τον περιορισμό της υπερτάσης.