110 kV muuntajan neutraalin pisteen ukkosylijännite: ATP-simulointi & suojauratkaisut

On olemassa laaja kirjallisuus siitä, miten analysoida ylikannoksia muuntajan neutraalipisteissä salaman aiheuttamissa aaltoissa. Kuitenkin salaman aaltojen monimutkaisuuden ja satunnaisuuden vuoksi tarkka teoreettinen kuvaus on edelleen haastava. Tekniseen käytäntöön liittyvissä toimenpiteissä suojatoimet määritellään yleensä valitsemalla sopivat salaman suojauslaitteet sähköverkon ohjeiden pohjalta, ja tätä tukevaa dokumentaatiota on runsaasti saatavilla.

Siirtolinjat tai alueasemat ovat alttiina salamien iskujalle. Salaman aallot voivat levitä siirtolinjojen pitkin alueasemille tai iskea suoraan alueaseman laitteisiin, mikä aiheuttaa ylikannoksen muuntajan neutraalipisteeseen, mikä on uhka neutraalipisteen eristykselle. Siksi on käytännön merkitystä tutkia neutraalipisteen ylikannoksen ominaisuuksia salaman aiheuttamissa olosuhteissa ja arvioida suojauslaitteiden jännite-rajauksen tehokkuutta [1]. Tämä artikkeli esittelee simulointitutkimuksen, joka perustuu ATP:n (Alternative Transients Program) käyttöön, EMTP:n (Electromagnetic Transients Program) yleisimmin käytettyyn versioon, tietyssä 110 kV alueasemassa. Yhdistämällä salaman aiheuttaman ylikannon teorian ja 110 kV muuntajan neutraalipisteen eristysominaisuudet, artikkeli simuloi neutraalipisteen ylikannoksen eri salaman aalto-olosuhteissa. Simulointitulokset vertaillaan ja ehdotetaan toimenpiteitä neutraalipisteen ylikannon lievittämiseksi.

1. Teoreettinen analyysi

1.1 Salaman isku siirtolinjoihin

Kun yläjohdossuuntautunut siirtolinja iskeen salama, kulkeva aalto leviää johtimen pitkin [1]. Alueasemissa monet lyhyet yhdistävät linjat (esimerkiksi muuntajista busseihin tai salaman suojauslaitteisiin) käyttäytyvät samankaltaisesti kuin siirtolinjat äärimmäisen lyhyen kestoisen salaman impulssin aikana. Nämä linjat näyttävät nopeaa aallon leviämistä, heijastumista ja taivutusta, jotka usein tuottavat hyvin korkeita huippujännitteitä, jotka voivat vahingoittaa laitteita.

1.2 Parametrien analyysi Y-yhdistettyjen muuntajan kiertokappaleiden salaman aiheuttamissa aalloissa

Kolmifasettiset muuntajan kiertokappaleet yhdistetään yleensä Y, Yo tai Δ -konfiguraatioihin. Toiminnassa salaman aallot voivat tulla sisään yhdestä, kahdesta tai jopa kaikista kolmesta fasaista [1]. Tämä artikkeli keskittyy Y-yhdistettyihin kiertokappaleisiin, sillä vain tämä konfiguraatio tarjoaa pääsyn neutraalipisteeseen. Kun muuntaja on yhdistetty Yo-konfiguraation ja fasaisten välinen vuorovaikutus sivuutetaan, riippumatta siitä, iskeekö salama yhteen, kahteen tai kaikkiin kolmeen faasiin, järjestelmää voidaan analysoida kolmen itsenäisen kiertokappaleen avulla, joiden päät on maanjäristetty.

2. 110 kV muuntajan neutraalipisteen eristystila

110 kV muuntajien neutraalipisteet käyttävät tasapainotettua eristystä, joka luokitellaan 35 kV, 44 kV tai 60 kV tasoiksi. Nykyisin valmistajat tuottavat pääasiassa muuntajia, joiden neutraalipisteen eristystaso on 60 kV. Eri eristystasolla on vaihteleva dielektrinen sietokyky, kuten taulukossa 1 on näkyvissä. Ottaen huomioon käytännön olosuhteet, eristyksen ikääntyminen ja turvamarginaalit verkon jännitteille, sovelletaan korjauksia. Hyväksytään salaman impulssin sietokyvyn marginaalitekijä 0,6 ja verkon jännitteen sietokyvyn marginaalitekijä 0,85 [1], mikä johtaa taulukon 1 viitearvoihin.

Taulukko 1 Neutraalipisteen eristys / Viitearvot eristystasolle

3. Simulointi ja laskenta

Oletetaan 110 kV alijäämäasema, jossa on kaksi muuntimesta (Y/Δ) toiminnassa rinnakkaan, kaksi 110 kV saapuvaa linjaa ja neljä 35 kV lähtevää linjaa. Yksilinjainen kaavio on näkyvissä kuvassa 1. Yhden vaiheen maanjäristyksen sähkövirran rajoittamiseksi ja viestintähäiriöiden vähentämiseksi yleensä vain yhden muuntimen neutraalipiste on maanjäristyksen suojattu, kun taas toinen pysyy maastamoleilla. Ukkojäristyksen aikana neutraalipisteeseen, joka ei ole maanjäristyksen suojattu, voi induktoidua hyvin korkea ylivirta, uhkaava sen eristystä. Seuraavat osiot esittelevät simulointianalyysit ATP-ohjelman avulla eri skenaarioissa.

Kuva 1 110 kV alijäämäaseman yksilinjainen kaavio

3.1 Ukkojäristyksen leviäminen siirtojoista alijäämäasemalle

3.1.1 Ukkojäristyksen aaltojen parametrien valinta

Alijäämäaseman ylivirtaan johtavan ensisijaisen syy on ukkojäristykset, jotka leviävät siirtojoista. Linjan maksimivirtaamplitudi ei saa ylittää linjan eristyskettien U50% kestokykyrajaa; muuten linjalla tapahtuisi vuotoluontoinen ennen kuin järistys pääsee alijäämäasemalle. Koska ensimmäiset 1–2 km saapuvaa linjaa on yleensä suojattu suoraan ukkojäristyksiä vastaan, alijäämäasemalle tulevat ukkojäristykset alkavat pääasiassa tämän suojatun osuuden ulkopuolelta. Alijäämäaseman ulkopuolisille ukkojäristyksille virta, joka tulee alijäämäasemalle ≤220 kV linjoja kautta, on yleensä ≤5 kA, ja ≤10 kA 330–500 kV linjoille, jolloin jyrkkyys on huomattavasti pienempi [15,17]. Nämä ehdot perusteella ukkojäristyksen aalto mallinnetaan tyypillisellä kaksikertaluontoisella funktiolla:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
missä a ja b ovat negatiivisia vakioita, ja k, a, b määräytyvät säteilyn amplitudista, etujäristyksen ajasta ja häipyajasta. Tässä käytetään huippuvirtana 5 kA ja standardina 20/50 μs eksponentiaalinen aalto.

3.1.2 Aseman laitteiden parametrien asetus

Ukkojäristykset sisältävät hyvin korkeataajuisten harmonisten; siksi alijäämäaseman linjaparametrit mallinnetaan jakautuneina parametreina. Kytkimet, katkaisimet, virtasensorit (CT:t) ja jännitesensorit (VT:t) alijäämäasemassa edustetaan ekvivalenttisin shuntti-kapasiteetein. Muuntimen ekvivalentti syöttökapasiteetti on Cₜ = kS⁰·⁵, missä S on kolmifaseinen muuntimen kapasiteetti. Jännitystasoille ≤220 kV, n=3, ja 110 kV muuntimille, k=540. Busbarin surgesuojaus valitaan YH1OWx-108/290, ja neutraalipisteen surgesuojaus YH1.5W-72/186.

3.1.3 Laskenta ja analyysi

Neutraalipisteeseen syntynyt ylivirta eroaa riippuen siitä, onko se paikallisesti maanjäristetty tai ei. Simulaatiot suoritetaan kolmelle skenaariolle: yhden linjan yhden vaiheen järistys, yhden linjan kahden vaiheen järistys, ja kahden linjan yhden vaiheen järistys, ottaen huomioon sekä neutraalipisteen surgesuojauksen olemassaolon että puutteen. Tulokset on esitetty taulukossa 2.

Taulukko 2 Huippuylivirta paikallisesti maanjäristetyissä / maastamoleillä olevissa neutraalipisteissä

3.1.4 Tulosten analyysi

Taulukosta 2 nähdään, että järjestelmissä, joissa muuntajan neutraali on paikallisesti maanjäristetty, busbarin surgesuoja rajoittaa tehokkaasti ylivolttia, joten maanjäristämättömän muuntajan neutraalipisteen ei kohdata korkeaa ylivolttia, eikä neutraalipisteen suojavaltimo yleensä toimi. Järjestelmissä, joissa neutraalipiste on paikallisesti maanjäristämätön, neutraalipisteen ylivoltti on erittäin korkea. Ilman surgesuojaa tämä muodostaa vakavan uhkan eristyskyvylle (110 kV:n tasoeristysten muuntajan salaman pistoskestävyys, turvamarginaalia ottaen huomioon, on 195 kV). Neutraalipisteen surgesuojan asentaminen vähentää huomattavasti ylivoltin huippuarvoa. Siksi linjoista leviävät salamaylivoltit eivät uhkaa suojatun neutraalipisteen eristyksen.

3.2 Aseman suora salamaisku

Vaikka asemilla on yleensä laaja-alainen salamasuojaus, suorat salamaiskut, vaikkakin harvat niiden monimutkaisuuden ja satunnaisuuden vuoksi, voivat silti tapahtua [2] ja aiheuttaa laitteistovahinkoja. Siksi on tarpeen tutkia suoran iskun aiheuttamaa neutraalipisteen ylivolttia ja vastaavia suojaustoimenpiteitä.

3.2.1 Salaman ja aseman parametrien valinta

Aseman parametrit pysyvät ennallaan. Laskelmat tehdään käyttäen standardisia salaman parametreja (1.2/50 μs) amplituudeilla 50, 100, 200 ja 250 kA. Salaman kanavan aaltovastusta otetaan 400 Ω.

3.2.2 Laskenta ja analyysi

Tulokset suoralta salamaiskulta yksifasiseen busbariin (kahden fasin iskut ovat harvinaisia) paikallisesti maanjäristetyillä ja maanjäristämättömillä neutraaleilla esitetään taulukossa 3 (I ja II edustavat tapauksia ilman ja neutraalipisteen surgesuojan kanssa).

Taulukko 3 Ylivoltin huippuarvot paikallisesti maanjäristetyillä / maanjäristämättömillä neutraaleilla (suora isku)

3.2.3 Tulosten analyysi

Kuten taulukossa 3 näkyy, kun ukkosisähkövirran amplitudi kasvaa, neutraalipisteen huippujännite kasvaa merkittävästi ja heilahtelut tulevat yhä selkeämmiksi. Jopa varojarrun avulla varajännite varajarrulla kasvaa. Paikallisesti maamattomissa neutraaleissa alustoissa ukkosisähkön aiheuttama neutraalipisteen ylijännite on erityisen vakava. Jopa varojarrun avulla ylijännite pysyy korkeana. Esimerkiksi 250 kA:n suora osuma aiheuttaa neutraalipisteen ylijännitteeksi 224.1 kV. Tällaisessa tapauksessa jopa neutraalipisteen varojarrun toiminnan ollessakin muuntaja voi silti vaurioitua.

3.2.4 Parannuskeinojen käsittely

(1) Asenna varojarru muuntajan terminaaliin (esim. lisää YH10Wx-108/290 maamattomiin muuntajiin) rajoittaaksesi ukkosisähkön aiheuttaman ylijännitteen.
(2) Lisää neutraalipisteen varojarrun purkujännitekyky. Nykyinen varajarru on kykenevä purkuvoimaan 1.5 kA jäännösjännitteellä 186 kV. Ehdotetaan, että tämä kapasiteetti lisätään 15 kA:aan.

Uudelleen simuloinnit suoritettiin paikallisesti maamattomissa neutraaleissa alustissa, kun busbariin kohdistui suora ukkosiosuma. Tulokset on esitetty taulukossa 4.

Taulukko 4 Huippuneutraalipisteen ylijännite varojarrulla (parannetut toimenpiteet)

Taulukoiden 3 ja 4 vertailun perusteella salamanvaimen asentaminen muuntajan terminaaliin ei ole tehokasta vähentääkseen neutraalipisteen salamaylilatausta. Kuitenkin iskutilavuuden lisääminen voimakkaasti parantaa ylilatauksen rajoittamista. Siksi tätä menetelmää suositellaan. Voimakkaasti suositellaan, että salamanvaimien valmistajat keskittyvät teknologisiin parannuksiin iskutilavuuden parantamiseksi.

4. Johtopäätös

a) Salamanvaimien asentaminen sekä johdonmaitaralle että muuntajan neutraalipisteeseen on tehokasta rajoittamaan neutraalipisteen ylilatausta, joka johtuu salamasyökeistä, jotka leviävät siirtolinjojen kautta.
b) Kun alijako kohtaa suoran salamaniskun, neutraalipisteessä voi kehittyä korkea ylilataus maadoitamattomassa muuntimessa. Tämä vaikutus on huomattavampi osittain maadoitettujen neutraalien järjestelmissä, ja nykyisten ylilataussuojien puitteissa neutraalipisteen eristys voi silti vahingoittua.
c) Salamanvaimen asentaminen muuntajan terminaaliin ei ole merkittävästi vaikuttavaa neutraalipisteen ylilatauksen rajoittamisessa; neutraalipisteen salamanvaimen iskutilavuuden lisääminen on tehokas menetelmä ylilatauksen rajoittamiseksi.