110 kV Transformer Neutral Point Lightning Overvoltage: ATP Simulation & Protection Solutions 110 kV Transformer Neutral Point Lightning Overvoltage: ATP Simulation & Protection Solutions ng IEE-Business

Mayroong malawak na literatura sa pag-aanalisa ng overvoltage sa neutral points ng mga transformer sa ilalim ng kondisyong lightning surge. Gayunpaman, dahil sa kumplikasyon at randomidad ng mga lightning waves, ang eksaktong teoretikal na paglalarawan ay nananatiling hindi maaabot. Sa praktikal na inhenyeriya, ang mga suporta ay karaniwang itinutukoy batay sa mga power system codes sa pamamagitan ng pagsang-ayon ng mga naaangkop na lightning protection devices, na may sapat na dokumentasyon na sumusuporta.

Ang mga transmission lines o substations ay nasa alamin ng lightning strikes. Ang lightning surges ay maaaring magpropagate sa pamamagitan ng mga transmission lines papunta sa substations o direkta na tumama sa mga kagamitang substation, na nagdudulot ng overvoltages sa neutral point ng transformer, na nagpapahiwatig ng banta sa insulation ng neutral-point. Kaya, ang pag-aaral ng mga katangian ng neutral-point overvoltage sa ilalim ng kondisyong lightning at ang pagtatasa ng voltage-limiting effectiveness ng mga protective devices ay may praktikal na kahalagahan [1]. Ang papel na ito ay nagpapakita ng isang simulation study gamit ang Alternative Transients Program (ATP), ang pinaka-widely used na bersyon ng Electromagnetic Transients Program (EMTP), batay sa configuration ng isang tiyak na 110 kV substation. Sa pamamagitan ng pagsasama ng lightning overvoltage theory at ang insulation characteristics ng 110 kV transformer neutral points, ang papel ay sumisimula ng neutral-point overvoltages sa iba't ibang kondisyong lightning wave. Ang mga resulta ng simulasyon ay ipinaparanas at kinokompara, at inirerekomenda ang mga hakbang para bawasan ang neutral-point overvoltage.

1. Teoretikal na Analisis

1.1 Lightning Strike sa Transmission Lines

Kapag ang overhead transmission line ay tinamaan ng lightning, ang isang traveling wave ay nagpopropagate sa pamamagitan ng conductor [1]. Sa loob ng mga substation, ang maraming maikling connecting lines (halimbawa, connections mula sa transformers hanggang sa busbars o surge arresters) ay gumagana nang parang mga transmission lines sa labis na maikling panahon ng lightning impulse. Ang mga linya na ito ay nagpapakita ng mabilis na wave propagation, reflection, at refraction processes, na madalas nagdudulot ng transient overvoltages na may napakataas na peak amplitudes na maaaring masira ang mga kagamitan.

1.2 Parameter Analysis ng Y-Connected Transformer Windings sa ilalim ng Lightning Surge

Ang three-phase transformer windings ay karaniwang konektado sa Y, Yo, o Δ configurations. Sa pag-operate, ang lightning surges ay maaaring pumasok sa pamamagitan ng isa, dalawa, o maging tatlong phases [1]. Ang papel na ito ay nakatuon sa Y-connected windings, dahil lamang ang ganitong configurations ang may accessible neutral point. Kapag ang transformer ay konektado sa Yo at ang mutual coupling sa pagitan ng phases ay inignore, kahit na isa, dalawa, o tatlong phases ang tinamaan, ang sistema ay maaaring i-analyze bilang tatlong independent na windings na may grounded terminals.

2. Insulation Condition ng 110 kV Transformer Neutral Points

Ang neutral points ng 110 kV transformers ay gumagamit ng graded insulation, na nakakategorya bilang 35 kV, 44 kV, o 60 kV levels. Sa kasalukuyan, ang mga manufacturer ay pangunahing gumagawa ng mga transformers na may 60 kV neutral-point insulation. Ang iba't ibang insulation levels ay may iba't ibang dielectric withstand capabilities, tulad ng ipinapakita sa Table 1. Sa pag-consider ng praktikal na kondisyon, insulation aging, at safety margins para sa power-frequency voltage, ang mga correction factors ay ina-apply. Ang isang lightning impulse withstand margin factor na 0.6 at power-frequency withstand margin factor na 0.85 ang ina-adopt [1], na nagdudulot sa reference withstand values sa Table 1.

Table 1 Insulation Withstand Levels / Reference Withstand Values para sa Neutral Points

3. Simulasyon at Pagkalkula

Isaalang-alang ang isang 110 kV substation na may dalawang transformer (Y/Δ) na nag-ooperate sa parallel, dalawang 110 kV incoming lines, at apat na 35 kV outgoing lines. Ang single-line diagram ay ipinapakita sa Figure 1. Upang limitahan ang single-phase grounding fault currents at bawasan ang komunikasyong interference, karaniwang ang iisang transformer lamang ang may grounded neutral point habang ang iba pa ay hindi grounded. Sa ilalim ng kondisyong lightning surge, maaaring mapagkamalan ang napakataas na overvoltage sa neutral point ng ungrounded transformer, na nagsisimula ng panganib sa insulation nito. Ang mga sumusunod na seksyon ay nagpapakita ng mga analisis ng simulasyon gamit ang ATP program sa iba't ibang scenario.

Figure 1 Single-Line Diagram ng 110 kV Substation

3.1 Lightning Surge na Nagpapalaganap mula sa Transmission Lines patungo sa Substation

3.1.1 Paggamit ng Lightning Wave Parameters

Ang pangunahing sanhi ng overvoltage sa mga substation ay ang lightning surges na nagpapalaganap mula sa transmission lines. Ang pinakamataas na voltage amplitude sa linya ay hindi dapat lumampas sa U50% withstand level ng insulator string ng linya; kung hindi, magkakaroon ng flashover sa linya bago pumasok ang surge sa substation. Dahil ang unang 1–2 km ng incoming line ay karaniwang protektado laban sa direct lightning strikes, ang mga lightning wave na pumapasok sa substation ay pangunahing nanggagaling sa mga strike malayo sa nasabing protektadong bahagi. Para sa mga lightning strike labas ng substation, ang lightning current magnitude na pumapasok sa substation via lines ≤220 kV ay pangkaraniwan ≤5 kA, at ≤10 kA para sa 330–500 kV lines, na may malaking pagbaba ng steepness [15,17]. Batay sa mga kondisyong ito, ang lightning wave ay inihanda gamit ang typical double-exponential function:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
kung saan a at b ay negative constants, at k, a, b ay matutukoy batay sa surge amplitude, front time, at tail time. Ginagamit dito ang peak current na 5 kA at standard 20/50 μs exponential wave.

3.1.2 Setting ng Parameter ng Substation Equipment

Ang lightning surges ay naglalaman ng napakataas na high-frequency harmonics; kaya, ang mga parameter ng linya ng substation ay inihanda bilang distributed parameters. Ang mga switch, circuit breakers, current transformers (CTs), at voltage transformers (VTs) sa loob ng substation ay kinakatawan ng equivalent shunt capacitances. Ang equivalent input capacitance ng transformer ay ibinibigay ng Cₜ = kS⁰·⁵, kung saan S ang three-phase transformer capacity. Para sa voltage levels ≤220 kV, n=3, at para sa 110 kV transformers, k=540. Ang busbar surge arrester ay pinili bilang YH1OWx-108/290, at ang neutral-point surge arrester bilang YH1.5W-72/186.

3.1.3 Pagkalkula at Analisis

Ang overvoltage na nabuo sa neutral point ay nag-iiba depende kung ito ay locally grounded o ungrounded. Ginawa ang mga simulasyon para sa tatlong scenario: single-circuit single-phase surge, single-circuit two-phase surge, at double-circuit single-phase surge, kasama ang pag-aaral ng parehong may at walang neutral-point surge arrester. Ipinapakita ang mga resulta sa Table 2.

Table 2 Peak Overvoltage sa Locally Grounded / Ungrounded Neutral Conditions

3.1.4 Pagsusuri ng Resulta

Batay sa Table 2, sa mga sistema kung saan lokal na nakakonekta ang neutral ng transformer, ang busbar surge arrester ay mabisa na limitado ang overvoltage, kaya ang neutral point ng hindi nakakonektang transformer ay hindi nagdudulot ng mataas na overvoltage, at karaniwan ay hindi gumagana ang neutral-point arrester. Sa mga sistema kung saan lokal na hindi nakakonekta ang neutral point, ang overvoltage sa neutral point ay napakataas. Walang surge arrester, ito ay isang malubhang banta sa insulation (ang lightning impulse withstand voltage ng 110 kV transformer na may graded insulation, kasama ang safety margin, ay 195 kV). Ang pag-install ng neutral-point surge arrester ay siyempre na binawasan ang peak overvoltage. Kaya, ang lightning surges na nagmumula sa mga linya ay hindi nagbabanta sa insulation ng neutral point na may surge arrester.

3.2 Direktang Lightning Strike sa Substation

Bagaman ang mga substation ay pangkalahatan ay may komprehensibong lightning protection, ang direktang lightning strikes, bagama't mahirap mangyari dahil sa kahalagahan at randomness ng lightning, ay maaari pa ring mangyari [2] at magdulot ng pinsala sa equipment. Kaya, ang pag-aaral ng overvoltage sa neutral point na dulot ng direktang lightning strike at ang mga corresponding protective measures ay kinakailangan.

3.2.1 Pagpili ng Lightning at Substation Parameters

Ang mga parameter ng substation ay nai-retain ang parehong definisyon. Ang mga kalkulasyon ay ginagawa gamit ang standard lightning parameters (1.2/50 μs) na may amplitudes ng 50, 100, 200, at 250 kA. Ang lightning channel wave impedance ay inuugnay bilang 400 Ω.

3.2.2 Kalkulasyon at Pagsusuri

Ang mga resulta para sa direktang lightning strike sa single-phase busbar (ang two-phase strikes ay mahirap mangyari) sa ilalim ng lokal na nakakonekta at hindi nakakonektang neutral conditions ay ipinapakita sa Table 3 (I at II ay kumakatawan sa mga kaso na walang at may neutral-point surge arrester, respectively).

Table 3 Peak Overvoltage sa Ilalim ng Lokal na Nakakonekta / Hindi Nakakonektang Neutral Conditions (Direktang Strike)

3.2.3 Pagsusuri ng Resulta

Tulad ng ipinapakita sa Balarila 3, habang tumataas ang amplitudo ng kurrente ng kidlat, ang tuktok na overvoltage sa neutral point ay lalo pang lumalaki, at ang mga pag-oscillate ay naging mas malinaw. Kahit may surge arrester, ang residual voltage sa ibabaw ng arrester ay tumataas. Sa mga substation na may lokal na hindi lupaing neutral, ang overvoltage sa neutral-point dahil sa kidlat ay partikular na matinding. Kahit may surge arrester, ang overvoltage ay nananatiling mataas. Halimbawa, ang isang direktang pagsipa ng 250 kA ay nagpapagawa ng isang overvoltage ng 224.1 kV sa neutral-point. Sa kasong ito, kahit na gumana ang neutral-point arrester, maaari pa rin ang transformer na masira.

3.2.4 Talakayan ng mga Paraan ng Pagpapabuti

(1) Mag-install ng surge arrester sa terminal ng transformer (halimbawa, idagdag ang YH10Wx-108/290 para sa mga di-lupaing transformers) upang limitahan ang lightning surge overvoltage.
(2) Palakihin ang capacity ng discharge current ng neutral-point surge arrester. Ang umiiral na arrester ay may discharge capacity ng 1.5 kA sa isang residual voltage ng 186 kV. Inirerekomenda ang pagtaas ng capacity na ito hanggang 15 kA.

Ang mga re-simulasyon para sa direktang pagsipa ng kidlat sa busbar sa isang lokal na hindi lupaing sistema ng neutral ay isinagawa, at ang mga resulta ay ipinapakita sa Balarila 4.

Balarila 4 Tuktok na Overvoltage ng Neutral-Point na may Surge Arrester (Mga Pinagpapabuting Paraan)

Sa paghahambing ng Table 3 at 4, ang pag-install ng surge arrester sa terminal ng transformer ay hindi epektibo sa pagbawas ng overvoltage sa neutral point dahil sa lightning. Gayunpaman, ang pagtaas ng kapasidad ng discharge ng surge arrester ay malaki ang naging epekto sa pag-iimprove ng pagsasanay ng overvoltage. Kaya, inirerekomenda ang pamamaraang ito. Inaasahan mula sa mga manufacturer ng surge arrester ang pagtuon sa teknolohikal na pag-unlad upang mapataas ang kapasidad ng discharge current.

4. Pagtatapos

a) Ang pag-install ng surge arrester sa busbar at sa neutral point ng transformer ay epektibong nagpapabawas ng overvoltage sa neutral point na dulot ng lightning surges mula sa transmission lines.
b) Kapag direktang tinamaan ng lightning ang isang substation, maaaring lumitaw ang mataas na overvoltage sa neutral point ng ungrounded transformer. Mas malinaw ang epekto na ito sa mga sistema na may partially ungrounded neutrals, at sa ilalim ng umiiral na mga skema ng overvoltage protection, maaari pa ring masira ang insulation ng neutral-point.
c) Ang pag-install ng surge arrester sa terminal ng transformer ay walang malaking epekto sa pagpapabawas ng overvoltage sa neutral point; ang pagtaas ng kapasidad ng discharge current ng neutral-point surge arrester ay isang epektibong paraan para sa pagpapabawas ng overvoltage.