110 kV ترانسفورماتور نقطه میانی بی‌نهایت ولتاژ برق از طوفان: شبیه‌سازی ATP و راه‌حل‌های محافظت

در مورد تحلیل ولتاژ بیش از حد در نقاط نوتروال ترانسفورماتورها تحت شرایط ضربه صاعقه، ادبیات فراوانی وجود دارد. با این حال، به دلیل پیچیدگی و تصادفی بودن موج‌های صاعقه، توصیف نظری دقیق هنوز حاصل نشده است. در عمل مهندسی، اقدامات محافظتی معمولاً بر اساس کد‌های سیستم قدرت و با انتخاب دستگاه‌های محافظت مناسب صاعقه تعیین می‌شوند و مستندات پشتیبان فراوانی در این زمینه موجود است.

خطوط انتقال یا زیرстанسیون‌ها به ضربه صاعقه آسیب‌پذیر هستند. موج‌های صاعقه ممکن است در طول خطوط انتقال به زیرستانسیون‌ها منتشر شده یا مستقیماً تجهیزات زیرستانسیون را لمس کنند و این موضوع موجب ایجاد ولتاژ بیش از حد در نقطه نوتروال ترانسفورماتور می‌شود که تهدیدی برای عایق‌بندی نقطه نوتروال است. بنابراین، مطالعه ویژگی‌های ولتاژ بیش از حد در نقطه نوتروال تحت شرایط صاعقه و ارزیابی اثربخشی محدودکننده ولتاژ دستگاه‌های محافظتی اهمیت عملی دارد [1]. این مقاله مطالعه شبیه‌سازی با استفاده از برنامه جایگزین ترانزیانس (ATP)، نسخه پرکاربردترین برنامه الکترومغناطیسی ترانزیانس (EMTP)، براساس کانفیگوراسیون یک زیرستانسیون خاص 110 kV ارائه می‌دهد. با ترکیب تئوری ولتاژ بیش از حد صاعقه و ویژگی‌های عایق‌بندی نقطه نوتروال ترانسفورماتور 110 kV، مقاله ولتاژ بیش از حد در نقطه نوتروال را تحت شرایط مختلف موج‌های صاعقه شبیه‌سازی می‌کند. نتایج شبیه‌سازی تحلیل مقایسه‌ای شده و تدابیری برای کاهش ولتاژ بیش از حد در نقطه نوتروال پیشنهاد می‌شود.

1. تحلیل تئوری

1.1 ضربه صاعقه به خطوط انتقال

وقتی یک خط انتقال هوایی توسط صاعقه لمس می‌شود، موج مسافر در طول هادی حرکت می‌کند [1]. در داخل زیرستانسیون‌ها، خطوط متعدد کوتاه متصل (مانند اتصالات از ترانسفورماتور به بارهای مرکزی یا محدودکننده‌های ولتاژ) تحت ضربه صاعقه با مدت زمان بسیار کوتاه مشابه خطوط انتقال عمل می‌کنند. این خطوط موج‌های سریع را منتشر، بازتاب و انکسار می‌کنند و معمولاً ولتاژ بیش از حد موقتی با اوج‌های بسیار بالا تولید می‌کنند که می‌تواند تجهیزات را آسیب ببیند.

1.2 تحلیل پارامترهای پیچه‌های ترانسفورماتور Y-متصل تحت ضربه صاعقه

پیچه‌های ترانسفورماتور سه‌فاز معمولاً در کانفیگوراسیون‌های Y، Yo یا Δ متصل می‌شوند. در طول عملیات، موج‌های صاعقه ممکن است از یک، دو یا حتی همه سه فاز وارد شوند [1]. این مقاله روی پیچه‌های Y-متصل تمرکز دارد، زیرا فقط در این کانفیگوراسیون‌ها نقطه نوتروال قابل دسترس است. وقتی ترانسفورماتور در Yo متصل شده و کوپلینگ متقابل بین فازها نادیده گرفته می‌شود، چه یک، دو یا سه فاز لمس شوند، سیستم می‌تواند به عنوان سه پیچه مستقل با انتهایی زمین شده تحلیل شود.

2. شرایط عایق‌بندی نقاط نوتروال ترانسفورماتور 110 kV

نقاط نوتروال ترانسفورماتور 110 kV از عایق‌بندی گرادیان استفاده می‌کنند که به سطوح 35 kV، 44 kV یا 60 kV تقسیم‌بندی می‌شوند. در حال حاضر، تولیدکنندگان عموماً ترانسفورماتورهایی با عایق‌بندی 60 kV در نقطه نوتروال تولید می‌کنند. سطوح مختلف عایق‌بندی توان تحمل دی الکتریکی متفاوتی دارند که در جدول 1 نشان داده شده است. با در نظر گرفتن شرایط عملی، سنگینی عایق و حاشیه‌های ایمنی برای ولتاژ توان مداری، عوامل تعدیل استفاده می‌شوند. عامل حاشیه تحمل ضربه صاعقه 0.6 و عامل حاشیه تحمل ولتاژ توان مداری 0.85 اتخاذ می‌شوند [1] که منجر به مقادیر تحمل مرجع در جدول 1 می‌شود.

جدول 1 سطوح تحمل عایق / مقادیر تحمل مرجع برای نقاط نوتروال

۳. شبیه‌سازی و محاسبه

یک زیراستانیون ۱۱۰ کیلوولت با دو ترانسفورماتور (Y/Δ) کارکرد موازی، دو خط ارسال ۱۱۰ کیلوولت و چهار خط خروجی ۳۵ کیلوولت را در نظر بگیرید. نمودار خطی تک‌خطی در شکل ۱ نشان داده شده است. برای محدود کردن جریان‌های خطا تک‌فازی و کاهش تداخلات ارتباطی، معمولاً فقط یک ترانسفورماتور دارای نقطه میانی متصل به زمین است در حالی که دیگری بدون متصل به زمین باقی می‌ماند. تحت شرایط سرخرگ‌های صاعقه، ولتاژ بسیار بالایی می‌تواند در نقطه میانی ترانسفورماتور بدون متصل به زمین القاء شود که تهدیدی برای عایق‌بندی آن است. بخش‌های بعدی شامل تحلیل‌های شبیه‌سازی با استفاده از برنامه ATP در سناریوهای مختلف است.

شکل ۱ نمودار خطی تک‌خطی زیراستانیون ۱۱۰ کیلوولت

۳.۱ پخش سرخرگ‌های صاعقه از خطوط انتقال به زیراستانیون

۳.۱.۱ انتخاب پارامترهای موج صاعقه

علت اصلی ولتاژ بیش از حد در زیراستانیون‌ها سرخرگ‌های صاعقه که از خطوط انتقال پخش می‌شوند است. دامنه ولتاژ حداکثر روی خط نمی‌تواند بیش از سطح تحمل U50% سیم‌پیچ عایق‌بندی خط فراتر رود؛ در غیر این صورت، قوس‌زنی قبل از ورود سرخرگ به زیراستانیون رخ می‌دهد. چون معمولاً اولین ۱-۲ کیلومتر خط ورودی در برابر ضربات مستقیم صاعقه محافظت شده است، موج‌های صاعقه که به زیراستانیون می‌رسند عموماً از ضربات فراتر از این بخش محافظت شده ناشی می‌شوند. برای ضربات صاعقه خارج از زیراستانیون، مقدار جریان صاعقه که از طریق خطوط ≤220 کیلوولت وارد زیراستانیون می‌شود معمولاً ≤5 کیلوآمپر و برای خطوط 330-500 کیلوولت ≤10 کیلوآمپر است و شیب آن به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد [15,17]. بر اساس این شرایط، موج صاعقه با استفاده از یک تابع نمایی دوگانه مدل‌سازی می‌شود:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
که در آن a و b ثابت‌های منفی هستند و k, a, b با توجه به دامنه سرخرگ، زمان جلویی و زمان پشتی تعیین می‌شوند. در اینجا از جریان قله 5 کیلوآمپر و موج نمایی استاندارد 20/50 میکروثانیه استفاده شده است.

۳.۱.۲ تنظیم پارامترهای تجهیزات زیراستانیون

سرخرگ‌های صاعقه حاوی هارمونیک‌های فرکانس بسیار بالا هستند؛ بنابراین پارامترهای خط زیراستانیون به صورت پارامترهای توزیع شده مدل‌سازی می‌شوند. سوئیچ‌ها، برش‌ها، ترانسفورماتورهای جریان (CTs) و ترانسفورماتورهای ولتاژ (VTs) درون زیراستانیون با ظرفیت‌های شانسی معادل نمایش داده می‌شوند. ظرفیت ورودی معادل ترانسفورماتور توسط Cₜ = kS⁰·⁵ داده می‌شود، که در آن S ظرفیت ترانسفورماتور سه‌فازی است. برای سطوح ولتاژ ≤220 کیلوولت، n=3 و برای ترانسفورماتورهای 110 کیلوولت، k=540. دفن‌گر سرخرگ شین انتخاب شده YH1OWx-108/290 و دفن‌گر سرخرگ نقطه میانی YH1.5W-72/186 است.

۳.۱.۳ محاسبه و تحلیل

ولتاژ بیش از حد تولید شده در نقطه میانی بسته به اینکه آیا محلی متصل به زمین است یا بدون متصل به زمین، متفاوت است. شبیه‌سازی‌ها برای سه سناریو انجام می‌شود: سرخرگ تک‌مداری تک‌فازی، سرخرگ تک‌مداری دو‌فازی و سرخرگ دو‌مداری تک‌فازی، با در نظر گرفتن وجود یا عدم وجود دفن‌گر سرخرگ نقطه میانی. نتایج در جدول ۲ نشان داده شده است.

جدول ۲ ولتاژ قله تحت شرایط متصل به زمین / بدون متصل به زمین نقطه میانی

۳.۱.۴ تجزیه و تحلیل نتایج

از جدول ۲ مشخص می‌شود که در سیستم‌هایی که نقطه میانی ترانسفورماتور به صورت محلی زمین شده است، محدودکننده برق در میله اصلی به طور موثری ولتاژ فراگذر را محدود می‌کند، بنابراین نقطه میانی ترانسفورماتور بدون زمین شدن ولتاژ فراگذر بالایی تجربه نمی‌کند و معمولاً محدودکننده برق نقطه میانی عمل نمی‌کند. در سیستم‌هایی که نقطه میانی به صورت محلی بدون زمین شدن است، ولتاژ فراگذر نقطه میانی بسیار بالاست. بدون وجود محدودکننده برق، این وضعیت تهدید جدی برای عایق (با در نظر گرفتن حاشیه ایمنی، ولتاژ تحمل ضربه گرمایی یک ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت با عایق لایه‌ای ۱۹۵ کیلوولت است) ایجاد می‌کند. نصب محدودکننده برق نقطه میانی به طور قابل توجهی اوج ولتاژ فراگذر را کاهش می‌دهد. بنابراین، ضربات گرمایی که از خطوط منتشر می‌شوند تهدیدی برای عایق نقطه میانی مجهز به محدودکننده برق نخواهند بود.

۳.۲ برخورد مستقیم گرمايی با زیرстанسیون

هرچند زیرستانسیون‌ها معمولاً محافظت گرمایی جامع دارند، اما برخوردهای مستقیم گرمایی، با وجود نادر بودن به خاطر پیچیدگی و تصادفی بودن گرمایی، همچنان ممکن است [۲] و موجب آسیب به تجهیزات شوند. بنابراین، مطالعه ولتاژ فراگذر نقطه میانی ناشی از برخوردهای مستقیم و اقدامات محافظتی مربوطه ضروری است.

۳.۲.۱ انتخاب پارامترهای گرمایی و زیرستانسیون

پارامترهای زیرستانسیون همانند تعریف شده قبلی باقی می‌مانند. محاسبات با استفاده از پارامترهای استاندارد گرمایی (۱.۲/۵۰ میکروثانیه) با دامنه‌های ۵۰، ۱۰۰، ۲۰۰ و ۲۵۰ کیلوآمپر انجام می‌شوند. مقاومت موجی کانال گرمایی به عنوان ۴۰۰ اهم در نظر گرفته می‌شود.

۳.۲.۲ محاسبه و تجزیه و تحلیل

نتایج برخورد مستقیم گرمایی به میله اصلی تک‌فاز (برخوردهای دو فازی نادر هستند) در شرایط زمین شده و بدون زمین شدن محلی در جدول ۳ (I و II به ترتیب نشان‌دهنده موارد بدون و با محدودکننده برق نقطه میانی هستند) نشان داده شده است.

جدول ۳ ولتاژ فراگذر اوج در شرایط زمین شده / بدون زمین شدن محلی (برخورد مستقیم)

۳.۲.۳ تحلیل نتایج

همانطور که در جدول ۳ نشان داده شده است، با افزایش دامنه جریان صاعقه، قله ولتاژ بیش از حد در نقطه میانی به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد و نوسانات بیشتر محسوس می‌شوند. حتی با وجود محافظ صاعقه، ولتاژ باقی‌مانده روی محافظ صاعقه افزایش می‌یابد. در زیرстанسیون‌هایی با نقطه میانی محلی غیرماس، ولتاژ بیش از حد در نقطه میانی ناشی از صاعقه به خصوص شدید است. حتی با وجود محافظ صاعقه، ولتاژ بیش از حد همچنان بالا باقی می‌ماند. به عنوان مثال، ضربه مستقیم ۲۵۰ کیلوآمپری یک ولتاژ بیش از حد ۲۲۴.۱ کیلوولت در نقطه میانی ایجاد می‌کند. در این حالت، حتی اگر محافظ نقطه میانی عمل کند، ترانسفورماتور ممکن است همچنان آسیب ببیند.

۳.۲.۴ بحث درباره اقدامات بهبود

(۱) نصب محافظ صاعقه در سر ترانسفورماتور (به عنوان مثال، اضافه کردن YH10Wx-108/290 برای ترانسفورماتورهای بدون ماس) برای محدود کردن ولتاژ بیش از حد ناشی از صاعقه.
(۲) افزایش ظرفیت جریان دفع محافظ صاعقه نقطه میانی. محافظ موجود ظرفیت دفع ۱.۵ کیلوآمپر در ولتاژ باقی‌مانده ۱۸۶ کیلوولت دارد. پیشنهاد می‌شود این ظرفیت به ۱۵ کیلوآمپر افزایش یابد.

شبیه‌سازی‌های مجدد برای ضربه مستقیم صاعقه به بارگذار در سیستمی با نقطه میانی محلی غیرماس انجام شد و نتایج در جدول ۴ نشان داده شده است.

جدول ۴ قله ولتاژ بیش از حد نقطه میانی با محافظ صاعقه (اقدامات بهبود یافته)

با مقایسه جداول ۳ و ۴، نصب محدودکننده در نقطه پایانی ترانسفورماتور در کاهش فشار بیش از حد نوتروال به دلیل برخورد برق صاعقه مؤثر نیست. با این حال، افزایش ظرفیت خروجی محدودکننده به طور قابل توجهی عملکرد محدودسازی فشار بیش از حد را بهبود می‌بخشد. بنابراین، این روش توصیه می‌شود. تولیدکنندگان محدودکننده ها توصیه می‌شود روی بهبود فناوری برای افزایش ظرفیت جریان خروجی تمرکز کنند.

۴. نتیجه‌گیری

الف) نصب محدودکننده‌ها در هر دو نقطه خط اصلی و نقطه نوتروال ترانسفورماتور به طور موثری فشار بیش از حد در نقطه نوتروال را که از خطوط انتقال ایجاد شده است، محدود می‌کند.
ب) هنگامی که یک زیرстанسیون مستقیماً توسط صاعقه برخورد می‌شود، فشار بیش از حد بالا در نقطه نوتروال یک ترانسفورماتور بدون زمین‌گذاری ایجاد می‌شود. این اثر در سیستم‌هایی با نوتروال‌های بخشی زمین‌گذاری شده بیشتر مشهود است و تحت حفاظت‌های فشار بیش از حد موجود، عایق‌بندی نقطه نوتروال ممکن است هنوز آسیب ببیند.
ج) نصب محدودکننده در نقطه پایانی ترانسفورماتور تأثیر قابل توجهی در محدودسازی فشار بیش از حد نقطه نوتروال ندارد؛ افزایش ظرفیت جریان خروجی محدودکننده نوتروال نقطه ترانسفورماتور روش موثری برای محدودسازی فشار بیش از حد است.