110 kV transformator neutralna točka prenapon od munje: ATP simulacija i zaštitna rješenja

Postoji obilan znanstveni materijal o analizi prenapona na neutralnim točkama transformatora u uvjetima udara munje. Međutim, zbog složenosti i nasumičnosti valova munje, precizan teorijski opis još uvijek nije dostupan. U inženjerskoj praksi, zaštite se obično određuju temeljem propisa električnih sustava, odabirom odgovarajućih uređaja za zaštitu od udara munje, uz obilnu podršku dokumentacije.

Prijenosne linije ili podstanice su osjetljive na udare munje. Valovi munje mogu se širiti duž prijenosnih linija do podstacija ili direktno pogoditi opremu podstacija, izazivajući prenapone na neutralnim točkama transformatora, što predstavlja prijetnju izolaciji neutralne točke. Stoga, proučavanje karakteristika prenapona na neutralnim točkama u uvjetima udara munje i procjena efikasnosti uređaja za ograničavanje napona ima praktičnu važnost [1]. Ovaj rad predstavlja simulacijsko proučavanje koristeći Alternative Transients Program (ATP), najšire korištenu verziju Electromagnetic Transients Program (EMTP), temeljeno na konfiguraciji specifične 110 kV podstanice. Kombinirajući teoriju prenapona od udara munje s karakteristikama izolacije neutralnih točaka 110 kV transformatora, rad simulira prenapone na neutralnim točkama u različitim uvjetima valova munje. Rezultati simulacije su usporedno analizirani, a predložene su mjere za smanjenje prenapona na neutralnim točkama.

1. Teorijska analiza

1.1 Udari munje na prijenosne linije

Kada je nadzemna prijenosna linija pogodjena munjom, talas putuje duž vodnika [1]. Unutar podstacija, mnoge kratke spojnice (npr., veze između transformatora i busbarova ili zaštitnih uređaja) ponašaju se slično prijenosnim linijama pod ekstremno kratkim trajanjem impulsa od udara munje. Ove linije pokazuju brzo širenje, refleksiju i refrakciju talasa, često generirajući privremene prenapone s vrlo visokim vrhunskim amplitudama koji mogu oštetiti opremu.

1.2 Analiza parametara Y-spojenih namotača transformatora pod udarem munje

Namotači trofaznih transformatora obično su spojeni u Y, Yo ili Δ konfiguracije. Tijekom rada, valovi munje mogu unijeti kroz jednu, dvije ili čak sve tri faze [1]. Ovaj rad fokusira se na Y-spojene namotače, jer samo takve konfiguracije imaju pristupačnu neutralnu točku. Kada je transformator spojen u Yo i zanemaren mutualni spajanje između faza, bilo da je pogodjena jedna, dvije ili sve tri faze, sustav se može analizirati kao tri neovisna namotača s zaključanim terminalima.

2. Stanje izolacije neutralnih točaka 110 kV transformatora

Neutralne točke 110 kV transformatora koriste stupnjevitu izolaciju, kategoriziranu na razine od 35 kV, 44 kV ili 60 kV. Trenutno, proizvođači uglavnom proizvode transformatore s izolacijom neutralne točke od 60 kV. Različite razine izolacije imaju različite sposobnosti otpornosti na dielektrične napone, kao što je prikazano u tablici 1. Uzimajući u obzir stvarne uvjete, starenje izolacije i sigurnosne margine za napone strujne frekvencije, primjenjuju se faktori ispravke. Faktor marža za otpornost na udar munje od 0.6 i faktor marža za otpornost na napone strujne frekvencije od 0.85 su primijenjeni [1], što dovodi do referentnih vrijednosti otpornosti u tablici 1.

Tablica 1 Razine otpornosti izolacije / Referentne vrijednosti otpornosti za neutralne točke

3. Simulacija i izračun

Razmotrimo 110 kV podstanicu s dva transformatora (Y/Δ) koji rade paralelno, dvije 110 kV ulazne linije i četiri 35 kV izlazne linije. Jednolinijski dijagram prikazan je na slici 1. Za ograničavanje strujnih krivina jednofaznih zemljanih grešaka i smanjenje interferencija u komunikaciji, obično se samo neutralna točka jednog transformatora gradi, dok ostaje drugi neograničen. Pod uvjetima bujnog udara može doći do vrlo visokog prenapona na neutralnoj točki neograničenog transformatora, što predstavlja prijetnju za njegovu izolaciju. U sljedećim odjeljcima predstavljene su simulacijske analize pomoću programa ATP u različitim scenarijima.

Slika 1 Jednolinijski dijagram 110 kV podstanice

3.1 Bujni udar koji se širi s prijenosnih linija u podstanicu

3.1.1 Odabir parametara vala bujnog udara

Primarni uzrok prenapona u podstanicama su bujni udarovi koji se šire s prijenosnih linija. Maksimalna amplituda napona na liniji ne smije premašiti razine otpornosti U50% nizova izolatora linije; inače bi došlo do iskretanja na liniji prije nego što bujni udar uđe u podstanicu. Budući da su prvih 1–2 km ulazne linije obično zaštićeni od direktnih bujnih udarova, valovi bujnog udara koji uđu u podstanicu uglavnom potječu od udarova izvan ovog zaštićenog dijela. Za bujne udare izvan podstanice, veličina bujne struje koja uđe u podstanicu putem linija ≤220 kV općenito ne prelazi 5 kA, a za 330–500 kV linije ≤10 kA, s značajno smanjenom strmom [15,17]. Na temelju tih uvjeta, val bujnog udara modelira se tipičnom dvostrukom eksponencijalnom funkcijom:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
gdje su a i b negativni konstante, a k, a, b određeni su amplitudom talasa, vremenom fronte i vremenom repa. Koriste se vrhovna struja od 5 kA i standardni eksponencijalni val 20/50 μs.

3.1.2 Postavljanje parametara opreme podstanice

Valovi bujnog udara sadrže vrlo visoke frekvencije harmonika; stoga se parametri linija podstanice modeliraju kao distribuirani parametri. Prekidači, aparati za prekid struje, transformatori struje (CT) i transformatori napona (VT) unutar podstanice predstavljaju se ekvivalentnim shunt kapacitetima. Ekvivalentni ulazni kapacitet transformatora daje se formulom Cₜ = kS⁰·⁵, gdje je S snaga trofaznog transformatora. Za naponske razine ≤220 kV, n=3, a za 110 kV transformatore, k=540. Izaberite arrester preko napona autobusa YH1OWx-108/290, a arrester neutralne točke YH1.5W-72/186.

3.1.3 Izračun i analiza

Generirani prenapon na neutralnoj točki razlikuje se ovisno o tome je li lokalno zemljen ili nezemljen. Simulacije provedene su za tri scenarija: jednofazni talas jedne petlje, dvofazni talas jedne petlje i jednofazni talas dvije petlje, uzimajući u obzir slučajeve sa i bez arrester neutralne točke. Rezultati prikazani su u tablici 2.

Tablica 2 Vrhovni prenapon pod uvjetima lokalno zemljenih / nezemljenih neutralnih točaka

3.1.4 Analiza rezultata

Iz tablice 2, u sustavima gdje je neutralni vod transformatora lokalno zemljen, ograničavajući prenapon na magistralnom vodu efikasno djeluje naprava za zaštitu od prenapona, stoga neutralna točka nezemljene transformacije ne iskazuje visok prenapon, a zaštitna naprava na neutralnoj točki obično ne radi. U sustavima gdje je neutralna točka lokalno nezemljena, prenapon na neutralnoj točki je vrlo visok. Bez naprave za zaštitu od prenapona, ovo predstavlja ozbiljan opasnost za izolaciju (udarni prenapon kojeg može podnijeti 110 kV transformator s razinom izolacije, uzimajući u obzir sigurnosnu margu, iznosi 195 kV). Instalacija zaštitne naprave na neutralnoj točki značajno smanjuje vrhunski prenapon. Stoga, udarni valovi koji se šire s linija ne predstavljaju opasnost za izolaciju neutralne točke opremljene zaštitnom napravom.

3.2 Direktni udar bljeska u podstanicu

Iako podstancice obično imaju kompleksnu zaštitu od bljeska, direktni udari bljeska, iako rijetki zbog složenosti i nasumičnosti bljeska, ipak se mogu dogoditi [2] te uzrokovati oštećenje opreme. Stoga, potrebno je proučiti prenapon na neutralnoj točki uzrokovan direktnim udarcima te odgovarajuće zaštitne mjere.

3.2.1 Odabir parametara bljeska i podstancice

Parametri podstancice ostaju isti kao ranije definirani. Izračuni su obavljeni koristeći standardne parametre bljeska (1.2/50 μs) s amplitudama od 50, 100, 200 i 250 kA. Valna impedanca kanala bljeska smatra se 400 Ω.

3.2.2 Izračun i analiza

Rezultati direktnih udaraca bljeska na jednofaznu magistralnu vodu (udarci dvije faze su rijetki) pri lokalno zemljenoj i nezemljenoj neutralnoj točki prikazani su u tablici 3 (I i II predstavljaju slučajeve bez i sa zaštitnom napravom na neutralnoj točki, redom).

Tablica 3 Vrhunski prenapon pri lokalno zemljenoj / nezemljenoj neutralnoj točki (direktni udar)

3.2.3 Analiza rezultata

Kao što je prikazano u tablici 3, s porastom amplituda strujnog udара bljeska, vrhunski preopterećenje na neutralnoj točki značajno raste, a oscilacije postaju izraženije. Čak i uz zaštitni uređaj, ostatna napona kroz zaštitni uređaj raste. U podstanicama s lokalno nezasićenim neutralima, preopterećenje na neutralnoj točki zbog bljeska je posebno teško. Čak i uz zaštitni uređaj, preopterećenje ostaje visoko. Na primjer, direktni udар od 250 kA generira preopterećenje na neutralnoj točki od 224,1 kV. U ovom slučaju, čak i ako operira zaštitni uređaj na neutralnoj točki, transformator može još uvijek biti oštećen.

3.2.4 Rasprava o mjera napredovanja

(1) Instalirati zaštitni uređaj na terminalu transformatora (npr., dodati YH10Wx-108/290 za nezasićene transformatore) kako bi se ograničilo preopterećenje napona uslijed udара bljeska.
(2) Povećati kapacitet otpusne struje zaštitnog uređaja na neutralnoj točki. Postojeći zaštitni uređaj ima kapacitet otpusne struje od 1,5 kA pri ostatnom naponu od 186 kV. Predlaže se povećanje ove kapacitete na 15 kA.

Ponovljene simulacije direktnog udара bljeska na busbaru u sustavu s lokalno nezasićenim neutralnim točkama su provedene, a rezultati su prikazani u tablici 4.

Tablica 4 Vrhunski preopterećenje na neutralnoj točki s zaštitnim uređajem (mjerama unapređenja)

Usporedbom tablica 3 i 4, instalacija ograničitelja na terminal transformatora ne učinkovito smanjuje prenapon na neutralnoj točki uzrokan nepromjenjivim naponima. Međutim, povećanje kapaciteta ograničitelja za otpus strujnog talasa značajno unaprijeđuje ograničenje prenapona. Stoga se ovaj postupak preporučuje. Proizvođači ograničitelja su savjetovani da se fokusiraju na tehnološka poboljšanja kako bi se povećao kapacitet strujnog talasa.

4. Zaključak

a) Instalacija ograničitelja na šinastu crtu i neutralnu točku transformatora učinkovito ograničava prenapon na neutralnoj točki uzrokan talasom nepromjenjivog naponskog udara koji se širi sa prijenosnih linija.
b) Kada se podstaci izravno pogodi bljeskom, visoki prenapon može nastati na neutralnoj točki nezasićenog transformatora. Ovaj efekt je izraženiji u sustavima s djelomično nezasićenim neutralnim točkama, i pod postojećim shemama zaštite od prenapona, izolacija neutralne točke može i dalje biti oštećena.
c) Instalacija ograničitelja na terminal transformatora nema značajnog utjecaja na ograničenje prenapona na neutralnoj točki; povećanje kapaciteta strujnog talasa ograničitelja na neutralnoj točki je učinkovit način ograničenja prenapona.