Sobrecorrente de raios no punto neutro do transformador de 110 kV: Simulación ATP & Solucións de protección

Existe unha ampla literatura sobre a análise de sobretensións nos puntos neutros dos transformadores en condicións de descargas atmosféricas. No entanto, debido á complexidade e aleatoriedade das ondas de raio, unha descripción teórica precisa permanece elusiva. Na práctica de enxeñaría, as medidas protectoras son xeralmente determinadas baseándose nos códigos do sistema eléctrico, seleccionando dispositivos de protección contra raios adecuados, coa disponibilidade de abundante documentación de soporte.

As liñas de transmisión ou subestacións son susceptibles a golpes de raio. As sobretensións de raio poden propagarse ao longo das liñas de transmisión ata as subestacións ou golpear directamente o equipo da subestación, inducindo sobretensións no punto neutro do transformador, que supón unha ameaza para o aislamento do punto neutro. Polo tanto, estudar as características das sobretensións no punto neutro baixo condicións de raio e avaliar a eficacia limitadora de tensión dos dispositivos protectores ten significado práctico [1]. Este artigo presenta un estudo de simulación utilizando o Programa Alternativo de Transitorios (ATP), a versión máis utilizada do Programa de Transitorios Electromagnéticos (EMTP), baseado na configuración dunha subestación específica de 110 kV. Combinando a teoría de sobretensións de raio cos caracteres de aislamento dos puntos neutros de transformadores de 110 kV, o artigo simula sobretensións no punto neutro baixo varias condicións de ondas de raio. Os resultados da simulación son analizados comparativamente, e propóñense medidas para mitigar as sobretensións no punto neutro.

1. Análise Teórica

1.1 Golpe de Raio nas Liñas de Transmisión

Cando unha liña aérea de transmisión é golpeada por un raio, unha onda viaxante propaga ao longo do conductor [1]. Dentro das subestacións, numerosas liñas de conexión curta (por exemplo, conexións dende os transformadores ós barramentos ou aos pararrayos) comportanse de xeito semellante ás liñas de transmisión baixo o impulso de raio de duración extremadamente curta. Estas liñas exhiben procesos de propagación, reflexión e refracción rápidos, xerando frecuentemente sobretensións transitorias con amplitudes de pico moi altas que poden danar o equipo.

1.2 Análise de Parámetros das Bobinas de Transformador Conectadas en Y baixo Descarga de Raio

As bobinas de transformador trifásico xeralmente están conectadas en configuracións Y, Yo ou Δ. Durante a operación, as sobretensións de raio poden entrar por unha, dúas ou incluso tres fases [1]. Este artigo centrase nas bobinas conectadas en Y, xa que só tales configuracións teñen un punto neutro accesible. Cando un transformador está conectado en Yo e se desprecia o acoplamento mútuo entre fases, independentemente de que unha, dúas ou tres fases sexan golpeadas, o sistema pode ser analizado como tres bobinas independentes con terminais aterradas.

2. Condición de Aislamento dos Puntos Neutros de Transformadores de 110 kV

Os puntos neutros de transformadores de 110 kV empregan aislamento graduado, categorizado en niveis de 35 kV, 44 kV ou 60 kV. Actualmente, os fabricantes producen principalmente transformadores con aislamento de punto neutro de 60 kV. Diferentes niveis de aislamento teñen capacidades de resistencia dieléctrica variadas, como se mostra na Táboa 1. Considerando as condicións prácticas, o envelecemento do aislamento e as margens de seguridade para a tensión de frecuencia de rede, aplícanse factores de corrección. Adoptanse un factor de margem de resistencia a impulsos de raio de 0,6 e un factor de margen de resistencia a tensión de frecuencia de rede de 0,85 [1], levando aos valores de referencia de resistencia na Táboa 1.

Táboa 1 Niveis de Resistencia de Aislamento / Valores de Referencia de Resistencia para Puntos Neutros

3. Simulación e cálculo

Considera unha subestación de 110 kV con dous transformadores (Y/Δ) en paralelo, dúas liñas de entrada de 110 kV e catro liñas de saída de 35 kV. O diagrama de unha liña amósase na Figura 1. Para limitar as correntes de fallo de terra monofásico e reducir a interferencia de comunicación, xeralmente só un transformador ten o seu punto neutro aterrado mentres que o outro permanece sen aterrar. Ba condicións de sobretensión por raio, pode inducirse unha sobretensión moi alta no punto neutro do transformador sen aterrar, ameazando a súa aislación. As seguintes seccións presentan análise de simulación usando o programa ATP ba diversos escenarios.

Figura 1 Diagrama de unha liña da subestación de 110 kV

3.1 Propagación da sobretensión por raio desde as liñas de transmisión á subestación

3.1.1 Selección dos parámetros da onda de raio

A causa principal da sobretensión nas subestações é a propagación de sobretensiones por raio desde as liñas de transmisión. A amplitude máxima de tensión na liña non debe superar o nivel de resistencia U50% da cadea de aisladores da liña; caso contrario, ocorrería un flashover na liña antes de que a sobretensión entre na subestación. Como os primeiros 1-2 km da liña de entrada están xeralmente protexidos contra descargas directas de raios, as ondas de raio que entran na subestación orixinanse principalmente de descargas máis allá desta sección protexida. Para descargas fora da subestación, a magnitude da corrente de raio que entra na subestación via liñas ≤220 kV é xeralmente ≤5 kA, e ≤10 kA para liñas de 330-500 kV, coa pendente significativamente reducida [15,17]. Basándose nestas condicións, a onda de raio modela-se usando unha función exponencial dobre típica:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
onde a e b son constantes negativas, e k, a, b determinanse pola amplitude da sobrecorrente, o tempo de fronte e o tempo de cola. Utilízase aquí unha corrente pico de 5 kA e unha onda exponencial estándar de 20/50 μs.

3.1.2 Configuración de parámetros de equipos da subestación

As sobretensiones por raio contén harmónicos de frecuencia moi alta; polo tanto, os parámetros de liña da subestación modelan como parámetros distribuídos. Os interruptores, disxuntadores, transformadores de corrente (TC) e transformadores de tensión (TT) dentro da subestación representan por capacitancias equivalentes en paralelo. A capacitancia de entrada equivalente do transformador dáse por Cₜ = kS⁰·⁵, onde S é a capacidade do transformador trifásico. Para niveis de tensión ≤220 kV, n=3, e para transformadores de 110 kV, k=540. O protector de sobretensión da barra selecciona como YH1OWx-108/290, e o protector de sobretensión do punto neutro como YH1.5W-72/186.

3.1.3 Cálculo e análise

A sobretensión xerada no punto neutro difire dependendo de se está aterrado localmente ou non. Realízanse simulacións para tres escenarios: sobretensión monofásica en circuito único, sobretensión bifásica en circuito único e sobretensión monofásica en dous circuitos, considerando tanto con como sen protector de sobretensión no punto neutro. Os resultados amósanse na Táboa 2.

Táboa 2 Sobretensión pico ba condicións de punto neutro aterrado / non aterrado

3.1.4 Análise de resultados

A partir da Táboa 2, nos sistemas onde o neutro do transformador está terra localmente, o para-raios da barra efectivamente limita a sobretensión, polo que o punto neutro do transformador non terra non experimenta alta sobretensión, e o para-raios do punto neutro xeralmente non se activa. Nos sistemas onde o punto neutro está localmente non terra, a sobretensión no punto neutro é moi alta. Sen un para-raios, isto supón unha ameaza grave para o aislamento (a tensión de impulso de raio que pode soportar un transformador de 110 kV con aislamento graduado, tendo en conta a margen de seguridade, é de 195 kV). A instalación dun para-raios no punto neutro reduce significativamente a sobretensión máxima. Polo tanto, os impulsos de raio que se propagan desde as liñas non ameazan o aislamento dun punto neutro equipado cun para-raios.

3.2 Raio directo na subestación

Aínda que as subestações xeralmente teñen protección contra raios abrangente, os raios directos, aínda que son raros debido á complexidade e aleatoriedade dos raios, aínda poden ocorrer [2] e causar danos no equipo. Polo tanto, é necesario estudar a sobretensión no punto neutro causada por raios directos e as medidas protectoras correspondentes.

3.2.1 Selección de parámetros de raio e subestación

Os parámetros da subestación permanecen iguais aos definidos previamente. As cálculos realizanse usando parámetros de raio estándar (1,2/50 μs) con amplitudes de 50, 100, 200 e 250 kA. A impedancia de onda do canal de raio toma como 400 Ω.

3.2.2 Cálculo e análise

Os resultados para o raio directo nunha barra monofásica (os raios bifásicos son raros) baixo condicións de neutro terra local e non terra mostranse na Táboa 3 (I e II representan casos sen e con para-raios no punto neutro, respectivamente).

Táboa 3 Sobretensión máxima baixo condicións de neutro terra local / non terra (Raio directo)

3.2.3 Análise dos resultados

Como se mostra na Táboa 3, co aumento da amplitude da corrente de raio, o sobretensión máxima no punto neutro aumenta significativamente e as oscilacións son máis pronunciadas. Aínda cun pararrayos, a tensión residual a través do pararrayos aumenta. Nas subestacións con neutros localmente desacoplados, a sobretensión no punto neutro debido ao raio é particularmente grave. Aínda cun pararrayos, a sobretensión permanece alta. Por exemplo, un raio directo de 250 kA xera unha sobretensión no punto neutro de 224,1 kV. Neste caso, mesmo que o pararrayos do punto neutro funcione, o transformador pode ser danado.

3.2.4 Discusión das medidas de mellora

(1) Instalar un pararrayos no terminal do transformador (por exemplo, engadir YH10Wx-108/290 para transformadores desacoplados) para limitar a sobretensión de impulsos de raio.
(2) Aumentar a capacidade de descarga de corrente do pararrayos do punto neutro. O pararrayos existente ten unha capacidade de descarga de 1,5 kA a unha tensión residual de 186 kV. Propóñese aumentar esta capacidade a 15 kA.

Realizáronse novas simulacións para un raio directo na barra de distribución nun sistema de neutro localmente desacoplado, e os resultados amósanse na Táboa 4.

Táboa 4 Sobretensión máxima no punto neutro cun pararrayos (medidas melloradas)

Comparando as táboas 3 e 4, instalar un pararrayos no terminal do transformador é ineficaz para reducir a sobretensión por raio no punto neutro. No entanto, aumentar a capacidade de descarga do pararrayos mellora significativamente a limitación da sobretensión. Polo tanto, recoméndase este método. Aconséllase aos fabricantes de pararrayos que se centren nas melloras tecnolóxicas para aumentar a capacidade de corrente de descarga.

4. Conclusión

a) Instalar pararrayos na barra de conmutación e no punto neutro do transformador limita eficazmente a sobretensión no punto neutro causada polas ondas de choque de raios que se propagan desde as liñas de transmisión.
b) Cando unha subestación sufre un impacto directo de raio, pode xurdir unha alta sobretensión no punto neutro dun transformador non aterrado. Este efecto é máis pronunciado en sistemas con neutros parcialmente aterrados, e baixo os esquemas de protección existentes, o aislamento do punto neutro pódese danar aínda así.
c) Instalar un pararrayos no terminal do transformador non ten un efecto significativo na limitación da sobretensión no punto neutro; aumentar a capacidade de corrente de descarga do pararrayos no punto neutro é un método eficaz para a limitación da sobretensión.