110 kV transformaator neutraalpunkti ülepingevool: ATP simulatsioon & kaitsemeetodid

On olemas laiaulatuslik kirjandus ülepinge analüüsimise transformaatori neutraalpunktidel salvestikuuringute tingimustes. Kuid tõsine ja juhuslik olevate salvestikute keerukus takistab täpset teoreetilist kirjeldust. Inseneripraktikas määratakse kaitsemeetmeid tavaliselt võrgukoodide põhjal sobivaid salvestikukaitsevarustust valides, mille kohta on saadaval palju toetavat dokumentatsiooni.

Edastusliinid või alamvoolusalad on tundlikud salvestikute vastu. Salvestikuteeringud võivad levida edastusliinide kaudu alamvoolusalade poole või tabada otse alamvoolusalade seadmeid, mis tekitab ülepinge transformaatori neutraalpunktil, mis ohustab neutraalpunktide isoleerimist. Seega on praktiline tähtsus uurida neutraalpunktide ülepinge omadusi salvestikuuringute tingimustes ja hinnata kaitsevarustuse pingelimiiteerimise efektiivsust [1]. Selles artiklis esitatakse simulatsiooniuuring Alternatiivse Ajutise Programmi (ATP) abil, mis on Electromagnetic Transients Program (EMTP) kõige laialdasem versioon, konkreetse 110 kV alamvoolusalade konfiguratsiooni põhjal. Liites salvestikuteeringute teooriat 110 kV transformaatorite neutraalpunktide isoleerimise omadustega, simuleeritakse neutraalpunktide ülepinge erinevates salvestikuuringutes. Simulatsioonitulemusi analüüsitakse võrdluslikult ja pakutakse meetodeid neutraalpunktide ülepinge vähendamiseks.

1. Teoreetiline analüüs

1.1 Salvestikuuring edastusliinile

Kui õhuvälja edastusliini tabab salvestik, levib liigevainetus joone kaudu [1]. Alamvoolusalades on palju lühikeste ühendusjooni (nt transformaatoritest busbaride või ülepingevalvepeegude suunas), mis käituvad äärmiselt lühikeseks ajaks salvestikuuringute tingimustes sarnaselt edastusliinidega. Need jooned näitavad kiiret laineväljendamist, peegeldumist ja taanemist, mille tulemuseks on sageli väga kõrge amplituudiga ajutised ülepinged, mis võivad kahjustada seadmeid.

1.2 Y-ühenduses olevate transformaatoriliinete parameetrite analüüs salvestikuuringute korral

Kolmfaasi transformaatoriliinete ühendused on tavaliselt Y, Yo või Δ-kujul. Töö käigus võivad salvestikuuringud sisse venida ühe, kahe või isegi kõigi kolme faasi kaudu [1]. See artikkel keskendub Y-ühendusele, kuna ainult sellisel kujul on neutraalpunkt ligipääsetav. Kui transformaator on Yo-ühenduses ja ignoreeritakse faaside vahelist ühismagnetismi, siis olenemata sellest, kas üks, kaks või kolm faasi on tabatud, süsteemi saab analüüsida nii, et see koosneb kolmest sõltumatust liinest, millel on maadunud terminalid.

2. 110 kV transformaatorite neutraalpunktide isoleerimise seisund

110 kV transformaatorite neutraalpunktide isoleerimine on tasandlik, millel on 35 kV, 44 kV või iele 60 kV tasemed. Praegu toodetakse peamiselt 60 kV neutraalpunktide isoleerimisega transformaatoreid. Erinevad isoleerimistasemed omavad erinevat dielektrilist vastupidavust, nagu tabel 1 näitab. Praktiliste tingimuste, vanenenud isoleerimise ja jõupingevoltaga seotud turvalisusmarginaalide arvesse võtmisel rakendatakse korrigeerimiskordajaid. Kasutatakse 0,6 suuruse salvestikuuringu vastupidavuse marginaalkordajat ja 0,85 suuruse jõupingevoltega seotud vastupidavuse marginaalkordajat [1], mis viib tabel 1 näidatud viitevastupidavusväärtusteni.

Tabel 1 Isoleerimise vastupidavustasemed / Viitevastupidavusväärtused neutraalpunktide jaoks

3. Simulatsioon ja arvutamine

Vaadeldakse 110 kV alamjaama, mis sisaldab kahte paralleelselt töötavat transformatort (Y/Δ), kahte 110 kV sissetulevat joont ja neli 35 kV väljaminevat joont. Ühejoonelise skeemi näeb järgnevalt joonis 1. Ühefaasi maandussegade piiramiseks ja sidehäirede vähendamiseks on tavaliselt ühe transformatorki neutralpunkt maadetud, samas kui teine jääb maaletuks. Äikesesurge tingimustes võib maaletu transformaatori neutralpunktil tekida väga suur ülepinge, ohustades selle izolatsiooni. Järgmistes lõikudes esitatakse erinevate stsenaariumide põhjal ATP-programmi kasutuselev simulatsioonanalüüsid.

Joonis 1 110 kV alamjaama ühejooneline skeem

3.1 Äikestuletõmbed, mis levivad transmissiooniliinidelt alamjaamasse

3.1.1 Äikestuletõmbe parameetrite valik

Alamjaamas ülepingete peamiseks põhjuseks on äikestuletõmbed, mis levivad transmissiooniliinidelt. Liini suurima pingeamplituudi ei tohi ületada liini izolatsiooniridade U50% vastupidavustast; vastasel juhul tekiks liinil enne tuletõmbe sisenemist alamjaama sisse purk. Kuna tavaliselt on sissetuleva liini esimesed 1–2 km kaitstud otseste äikeseosade eest, siis alamjaama sisse sattuvad äikestuletõmbed pärinevad peamiselt selle kaitsta osa väljaspool. Alamjaama väljaspool tekkinud äikestuletõmbede korral on üle 220 kV liinide sisse sattuv äikestuletõmbe suurus tavaliselt ≤5 kA, ja 330–500 kV liinide puhul ≤10 kA, kusjuures on neil oluliselt vähendunud tõusvälg [15,17]. Neile tingimustele tuginedes modelleeritakse äikestuletõmbed typilise kahekordse eksponentsiaalfunktsiooniga:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
kus a ja b on negatiivsed konstandid, ning k, a, b määravad tuletõmbe amplituubi, algusaegu ja lõppaega. Siin kasutatakse 5 kA tihepinge ja standardne 20/50 μs eksponentsiaalne lainevorm.

3.1.2 Alamjaama seadmete parameetrite seadistamine

Äikestuletõmbed sisaldavad väga kõrgetaajuiste harmonikaid; seetõttu modelleeritakse alamjaama liiniparameetreid levitasuna. Alamjaama sees asuvad lülited, katkestajad, voolamuundid (CT) ja pingemuundid (VT) esitatakse ekvivalentsete paralleelkapasitanssiteguritena. Transformaatori ekvivalentne sissevoolu kapasitants on antud valemiga Cₜ = kS⁰·⁵, kus S on kolmefaasilise transformaatori võime. Pingetasemetel ≤220 kV on n=3 ja 110 kV transformaatorite puhul on k=540. Busbari surge arrester valitakse YH1OWx-108/290 ja neutralpunktide surge arrester YH1.5W-72/186.

3.1.3 Arvutamine ja analüüs

Neutralpunktis tekkinud ülepinge sõltub sellest, kas see on kohalikult maadetud või maaletu. Simulatsioone tehakse kolme stsenaariumi puhul: ühe tsirkviitu ühefaasilised tuletõmbed, ühe tsirkviitu kahetahe tuletõmbed ja kahe tsirkviitu ühefaasilised tuletõmbed, arvestades nii neutralpunktide surge arresteri olemasolu kui ka puudumist. Tulemused on näidatud tabelis 2.

Tabel 2 Kohalikult maadetud / maaletu neutralpunktide tingimuste all tekkinud ülepinge tihepinged

3.1.4 Tulemuse analüüs

Tabelist 2 nähtub, et süsteemides, kus transformatori neutraalpunkt on kohalikult maadetud, piirab busbari ülepinge varjastaja efektiivselt ülepinge, nii et maamata transformatori neutraalpunkti ei tekita kõrget ülepinget ja neutraalpunkti ülepinge varjastaja tavaliselt ei tööta. Süsteemides, kus neutraalpunkt on kohalikult maamata, on neutraalpunkti ülepinge väga kõrge. Varjastajata see esitab tõsise ohu eraldusele (110 kV transformatoriga järjestatud eralduseks, arvestades turvamarginaali, on mõningane ligikaudne väärtus 195 kV). Neutraalpunkti ülepinge varjastaja paigutamine vähendab oluliselt ülepinge tipphõkke. Seega ei ohusta liigipinge, mis levib juhtmetest, neutraalpunkti eraldust, kui seal on paigutatud ülepinge varjastaja.

3.2 Otsemine uksekisk substaatsioonile

Kuigi substaatsioonidel on tavaliselt täielik uksekaitse, võivad otseuksekisked, kuigi need on haruldased ukse keerulise ja juhusliku iseloomu tõttu, siiski toimuda [2] ja põhjustada seadmete kahjustumist. Seega on vajalik uurida neutraalpunkti ülepinget, mida tekitab otseuksekisk, ja vastavaid kaitsemeetmeid.

3.2.1 Ukse ja substaatsiooni parameetrite valik

Substaatsiooni parameetrid jäävad eelmisel korrusel defineeritud. Arvutused tehakse standardsete ukseparameetrite (1.2/50 μs) abil, amplituudidega 50, 100, 200 ja 250 kA. Uksekanali lainehind takistusena on võetud 400 Ω.

3.2.2 Arvutamine ja analüüs

Tulemused otseuksekisku ühefaasi busbarile (kaksifaasilised uksekisked on haruldased) kohalikult maadetud ja maamata neutraalpunkti tingimustes on näidatud tabelis 3 (I ja II tähistavad vastavalt juhte ilma neutraalpunkti ülepinge varjastajata ja koos selle varjastajaga).

Tabel 3 Kõrgeima ülepinge väärtused kohalikult maadetud / maamata neutraalpunkti korral (otseuksekisk)

3.2.3 Tulemuse analüüs

Nagu tabelis 3 näha, suureneb neutraalpunkti ülevoolu tippväärtus oluliselt kasvava salvestikuringlase amplituudiga, ja nutmise sagedus muutub märgatavamaks. Isegi surge arresteri olemasolul suureneb arresteri poolt jäänud pingeväärtus. Alaliselt mittekiinnitatud neutraalpunktidega alamvõrkudes on salvestikuringlase tõttu tekkinud neutraalpunkti ülevool eriti tõsine. Isegi surge arresteri olemasolul jääb ülevool kõrgeks. Näiteks 250 kA suuruse otseste salvestiku tabamisel tekib neutraalpunkti ülevool, mis on 224,1 kV. Sellisel juhul võib isegi neutraalpunkti surge arresteri töötamise korral transformer endiselt kahjustuda.

3.2.4 Parandusmeetmete arutelu

(1) Installige surge arrester transformeri terminaalile (nt lisage YH10Wx-108/290 mittekiinnitatud transformateritele), et piirata salvestiku tõttu tekkinud ülevoolu.
(2) Suurendage neutraalpunktide surge arresteri lahtilaskemahu. Olemasoleval arresteril on lahtilaskemahupingeväärtus 1,5 kA 186 kV jäänud pingega. Ehitatakse ettepanek suurendada seda kapasitetti 15 kA-ni.

Uuesti simulatiivsed uuringud otseste salvestikutingimuste mõju busbarile alaliselt mittekiinnitatud neutraalpunktidega süsteemides on teostatud, nende tulemused on näidatud tabelis 4.

Tabel 4 Neutraalpunkti ülevoolu tipphööge surge arresteriga (parandatud meetmed)

Võrrelt tabelite 3 ja 4 põhjal on arresteri paigaldamine transformatooriga tõusuksine meetod neutraalpunkti ülepinge läheduse vähendamiseks. Kuid impulssarresteri lahtilaskemahust suurendamine parandab oluliselt ülepinge piiramist. Seetõttu soovitatakse seda meetodit kasutada. Impulssarresterite tootjatele soovitatakse keskenduda tehnoloogilistele parandustele, et suurendada lahtilaskemahu.

4. Järeldus

a) Impulssarresterite paigaldamine nii juhele kui ka transformatooriga neutraalpunkt peale piirab efektiivselt ülepinget, mis tekib mitte maadeldud transformatooriga neutraalpunktil, kui ligikaudne ülepinge levib edasi saatmisjoontest.
b) Kui alamjaamast saab otsene äik, võib tekida kõrge ülepinge mitte maadeldud transformatooriga neutraalpunktil. See mõju on rohkem väljendatud osaliselt mitte maadeldud neutraalidega süsteemides ja olemasolevates ülepingekaitsemeetodites võib endiselt kahjustuda neutraalpunkti izolatsioon.
c) Transformatooriga tõusuksine arresteri paigaldamine ei too olulist kasu neutraalpunkti ülepinge piiramisel; neutraalpunkti impulssarresteri lahtilaskemahu suurendamine on efektiivne meetod ülepinge piiramiseks.