نقطه میانی ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت: شبیه‌سازی ATP و راه‌حل‌های حفاظتی

در مورد تجزیه و تحلیل ولتاژ بیش از حد در نقاط خنثی ترانسفورماتورها تحت شرایط صدای طوفانی بر روی ادبیات فراوانی وجود دارد. با این حال، به دلیل پیچیدگی و تصادفی بودن موج‌های طوفانی، توصیف نظری دقیق همچنان غیرممکن است. در عمل مهندسی، اقدامات محافظتی معمولاً بر اساس کدهای سیستم برق با انتخاب دستگاه‌های محافظت از طوفان مناسب تعیین می‌شوند، که مستندات حمایتی فراوانی در دسترس دارند.

خطوط انتقال یا زیرстанسیون‌ها به ضربه‌های طوفانی آسیب‌پذیر هستند. موج‌های طوفانی ممکن است در طول خطوط انتقال به زیرستانسیون‌ها منتشر شوند یا مستقیماً به تجهیزات زیرستانسیون ضربه بزنند و ولتاژ بیش از حد در نقطه خنثی ترانسفورماتور را القا کنند که تهدیدی برای عایق‌بندی نقطه خنثی است. بنابراین، مطالعه ویژگی‌های ولتاژ بیش از حد در نقطه خنثی تحت شرایط طوفانی و ارزیابی اثربخشی محدودکننده ولتاژ دستگاه‌های محافظتی اهمیت عملی دارد [1]. این مقاله یک مطالعه شبیه‌سازی با استفاده از برنامه جایگزین ترانزیانت‌ها (ATP) را ارائه می‌دهد، که نسخه پرکاربردترین برنامه ترانزیانت‌های الکترومغناطیسی (EMTP) است، بر اساس تنظیمات یک زیرستانسیون خاص 110 kV. با ترکیب تئوری ولتاژ بیش از حد طوفانی با ویژگی‌های عایق‌بندی نقاط خنثی ترانسفورماتور 110 kV، مقاله ولتاژ بیش از حد در نقطه خنثی را تحت شرایط مختلف موج‌های طوفانی شبیه‌سازی می‌کند. نتایج شبیه‌سازی تحلیل مقایسه‌ای می‌شوند و اقدامات برای کاهش ولتاژ بیش از حد در نقطه خنثی پیشنهاد می‌شوند.

1. تحلیل نظری

1.1 ضربه طوفانی به خطوط انتقال

وقتی یک خط انتقال هوایی توسط طوفانی ضربه می‌بیند، موج حرکتی در طول هادی منتشر می‌شود [1]. در داخل زیرستانسیون‌ها، خطوط متصل کوتاه زیادی (مانند اتصالات از ترانسفورماتورها به باربرها یا محافظ‌های طوفان) در زیر ضربه‌های طوفانی با مدت زمان بسیار کوتاه رفتار مشابه خطوط انتقال دارند. این خطوط انتشار موج سریع، بازتاب و انکسار را نشان می‌دهند و معمولاً ولتاژ بیش از حد موقت با قله‌های بسیار بالا ایجاد می‌کنند که می‌تواند تجهیزات را آسیب ببیند.

1.2 تحلیل پارامترهای پیچه‌های ترانسفورماتور Y-متصل تحت موج طوفانی

پیچه‌های ترانسفورماتور سه‌فاز معمولاً در ترکیبات Y، Yo یا Δ متصل می‌شوند. در حین عملیات، موج‌های طوفانی ممکن است از طریق یک، دو یا حتی همه سه فاز وارد شوند [1]. این مقاله بر روی پیچه‌های Y-متصل تمرکز می‌کند، زیرا فقط چنین ترکیباتی نقطه خنثی دسترسی‌پذیری دارند. وقتی یک ترانسفورماتور در Yo متصل شده و کوپلینگ متقابل بین فازها نادیده گرفته می‌شود، چه یک، دو یا سه فاز ضربه ببینند، سیستم می‌تواند به عنوان سه پیچه مستقل با انتهای‌های زمین‌دار تحلیل شود.

2. وضعیت عایق‌بندی نقاط خنثی ترانسفورماتور 110 kV

نقاط خنثی ترانسفورماتورهای 110 kV از عایق‌بندی لایه‌ای استفاده می‌کنند که به سطوح 35 kV، 44 kV یا 60 kV تقسیم‌بندی می‌شوند. در حال حاضر، سازندگان عمدتاً ترانسفورماتورهایی با عایق‌بندی نقطه خنثی 60 kV تولید می‌کنند. سطوح مختلف عایق‌بندی توان تحمل متفاوتی دارند، همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است. با توجه به شرایط عملی، سنین عایق‌بندی و حاشیه‌های امنیتی برای ولتاژ توانی، عوامل اصلاحی استفاده می‌شوند. عامل حاشیه تحمل ضربه طوفانی 0.6 و عامل حاشیه تحمل ولتاژ توانی 0.85 اتخاذ می‌شود [1]، که منجر به مقادیر تحمل مرجع در جدول 1 می‌شود.

جدول 1 سطوح تحمل عایق‌بندی / مقادیر تحمل مرجع برای نقاط خنثی

۳. شبیه‌سازی و محاسبه

یک زیرстанیون ۱۱۰ کیلوولت با دو ترانسفورماتور (Y/Δ) کارکرد موازی، دو خط ورودی ۱۱۰ کیلوولت و چهار خط خروجی ۳۵ کیلوولت در نظر بگیرید. نمودار تک خط این زیرستانیون در شکل ۱ نشان داده شده است. برای محدود کردن جریانات خطا تک فازی و کاهش تداخل ارتباطی، معمولاً فقط یک ترانسفورماتور دارای نقطه میانی متصل به زمین است در حالی که دیگری بدون اتصال به زمین باقی می‌ماند. در شرایط سرنشینی صاعقه، ولتاژ بسیار بالایی می‌تواند در نقطه میانی ترانسفورماتور بدون اتصال به زمین القاء شود که تهدیدی برای عایق‌بندی آن است. بخش‌های بعدی شامل تحلیل‌های شبیه‌سازی شده با استفاده از برنامه ATP تحت سناریوهای مختلف است.

شکل ۱ نمودار تک خط زیرستانیون ۱۱۰ کیلوولت

۳.۱ پخش سرنشینی صاعقه از خطوط انتقال به زیرستانیون

۳.۱.۱ انتخاب پارامترهای موج صاعقه

علت اصلی افزایش ولتاژ در زیرستانیون‌ها، سرنشینی صاعقه از خطوط انتقال است. حداکثر دامنه ولتاژ روی خط نباید از سطح تحمل U50% رشته عایق‌بندی خط فراتر رود؛ در غیر این صورت، قبل از ورود سرنشینی به زیرستانیون، قوس الکتریکی در خط رخ می‌دهد. چون معمولاً ۱-۲ کیلومتر اول خط ورودی از ضربات مستقیم صاعقه محافظت می‌شود، موج‌های صاعقه وارد زیرستانیون عموماً از ضربات فراتر از این بخش محافظت شده می‌آیند. برای ضربات صاعقه خارج از زیرستانیون، مقدار جریان صاعقه وارد شده به زیرستانیون از طریق خطوط ≤220 کیلوولت معمولاً ≤5 کیلوآمپر و برای خطوط 330-500 کیلوولت ≤10 کیلوآمپر است با شیب کمتر [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 سرنشینی، زمان جلو و زمان پشت تعیین می‌شوند. یک جریان پیک ۵ کیلوآمپر و موج نمایی استاندارد ۲۰/۵۰ میکروثانیه در اینجا استفاده می‌شود.

۳.۱.۲ تنظیم پارامترهای تجهیزات زیرستانیون

سرنشینی‌های صاعقه حاوی هارمونیک‌های با فرکانس بسیار بالا هستند؛ بنابراین، پارامترهای خط زیرستانیون به صورت پارامترهای توزیع شده مدل‌سازی می‌شوند. سوئیچ‌ها، شیربرق‌ها، ترانسفورماتورهای جریان (CTs) و ترانسفورماتورهای ولتاژ (VTs) در زیرستانیون با ظرفیت‌های شانسی معادل نمایش داده می‌شوند. ظرفیت ورودی معادل ترانسفورماتور توسط Cₜ = kS⁰·⁵ تعیین می‌شود، که در آن S ظرفیت ترانسفورماتور سه‌فاز است. برای سطوح ولتاژ ≤220 کیلوولت، n=3 و برای ترانسفورماتورهای ۱۱۰ کیلوولت، k=540. مهارکننده سرنشینی از نوع YH1OWx-108/290 برای میله‌های توزیع و مهارکننده سرنشینی از نوع YH1.5W-72/186 برای نقطه میانی انتخاب می‌شود.

۳.۱.۳ محاسبه و تحلیل

ولتاژ بیش از حد تولید شده در نقطه میانی بسته به اینکه آیا آن نقطه محلی متصل به زمین است یا خیر، متفاوت است. شبیه‌سازی‌ها برای سه سناریو انجام می‌شود: سرنشینی تک فاز خط تک‌مدار، سرنشینی دو فاز خط تک‌مدار و سرنشینی تک فاز خط دومدار، با در نظر گرفتن وجود یا عدم وجود مهارکننده سرنشینی نقطه میانی. نتایج در جدول ۲ نشان داده شده است.

جدول ۲ ولتاژ بیش از حد حداکثر تحت شرایط متصل به زمین / بدون اتصال به زمین نقطه میانی

۳.۱.۴ تحلیل نتایج

از جدول ۲، در سیستم‌هایی که نقطه میانی ترانسفورماتور به صورت محلی زمین شده است، محدودکننده سرعت خطوط اتوبوس مؤثر برای محدود کردن ولتاژ بیش از حد عمل می‌کند، بنابراین نقطه میانی ترانسفورماتور بدون زمین شدن ولتاژ بیش از حد بالایی را تجربه نمی‌کند و معمولاً محدودکننده سرعت خطوط نقطه میانی عمل نمی‌کند. در سیستم‌هایی که نقطه میانی به صورت محلی بدون زمین شدن است، ولتاژ بیش از حد نقطه میانی بسیار بالاست. بدون محدودکننده سرعت خطوط، این موضوع تهدید جدی برای عایق (با در نظر گرفتن حاشیه امنیت، ولتاژ تحمل ضربه برق آبی یک ترانسفورماتور ۱۱۰ کیلوولت با عایق لایه‌ای ۱۹۵ کیلوولت است) محسوب می‌شود. نصب محدودکننده سرعت خطوط نقطه میانی به طور قابل توجهی ولتاژ بیش از حد را کاهش می‌دهد. بنابراین، ضربات برق آبی که از خطوط منتشر می‌شوند، تهدیدی برای عایق نقطه میانی مجهز به محدودکننده سرعت خطوط نخواهند بود.

۳.۲ ضربه مستقیم برق آبی به زیرстанسیون

هرچند که زیرستانسیون‌ها معمولاً محافظت برق آبی جامع دارند، ضربات مستقیم برق آبی، با وجود پیچیدگی و تصادفی بودن برق آبی، همچنان ممکن است رخ دهند [۲] و باعث خسارت دستگاه‌ها شوند. بنابراین، مطالعه ولتاژ بیش از حد در نقطه میانی ناشی از ضربات مستقیم و اقدامات محافظت مربوطه ضروری است.

۳.۲.۱ انتخاب پارامترهای برق آبی و زیرستانسیون

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

۳.۲.۲ محاسبه و تحلیل

نتایج ضربه مستقیم برق آبی به اتوبوس تک فاز (ضربات دو فازی نادر هستند) در شرایط زمین شده و بدون زمین شدن محلی در جدول ۳ نشان داده شده است (I و II به ترتیب موارد بدون و با محدودکننده سرعت خطوط نقطه میانی را نشان می‌دهند).

جدول ۳ ولتاژ بیش از حد در شرایط زمین شده / بدون زمین شدن محلی (ضربه مستقیم)

۳.۲.۳ تحلیل نتایج

همانطور که در جدول ۳ نشان داده شده است، با افزایش دامنه جریان برق، ولتاژ برافزا در نقطه خنثی به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد و نوسانات بیشتر محسوس می‌شوند. حتی با وجود محافظ ضد سوپاپ، ولتاژ باقی‌مانده روی محافظ افزایش می‌یابد. در زیرстанسیون‌هایی با نقاط خنثی محلی غیرماس، ولتاژ برافزا در نقطه خنثی به دلیل برق خیز بسیار شدید است. حتی با وجود محافظ ضد سوپاپ، ولتاژ برافزا همچنان بالا است. به عنوان مثال، ضربه مستقیم ۲۵۰ کیلوآمپر جریان برق، ولتاژ برافزا ۲۲۴.۱ کیلوولت در نقطه خنثی ایجاد می‌کند. در این حالت، حتی اگر محافظ نقطه خنثی عمل کند، ترانسفورماتور ممکن است همچنان آسیب ببیند.

۳.۲.۴ بحث درباره اقدامات بهبود

(۱) نصب محافظ ضد سوپاپ در سر ترانسفورماتور (به عنوان مثال، افزودن YH10Wx-108/290 برای ترانسفورماتورهای بدون ماس) برای محدود کردن ولتاژ برافزا ناشی از برق خیز.
(۲) افزایش ظرفیت جریان تخلیه محافظ ضد سوپاپ نقطه خنثی. محافظ موجود ظرفیت جریان تخلیه ۱.۵ کیلوآمپر را در ولتاژ باقی‌مانده ۱۸۶ کیلوولت دارد. پیشنهاد شده است که این ظرفیت به ۱۵ کیلوآمپر افزایش یابد.

شبیه‌سازی‌های مجدد برای ضربه مستقیم برق خیز به باربر در سیستم‌های با نقطه خنثی محلی غیرماس انجام شد و نتایج در جدول ۴ نشان داده شده است.

جدول ۴ ولتاژ برافزا定点中断，我将继续翻译剩余部分。

جدول ۴ ولتاژ برافزا بیشینه نقطه خنثی با محافظ ضد سوپاپ (اقدامات بهبودی)