110 kV transzformátor központi pontjának villámló túlramenet: ATP szimuláció & védelmi megoldások

Részletes irodalom létezik a villámlás során fellépő túlramenetek elemzéséről a transzformátorok neutrális pontjain. Azonban a villám hullámok összetettsége és véletlenszerűsége miatt pontos elméleti leírás továbbra is elkerülhetetlen. A mérnöki gyakorlatban a védő intézkedések általában a villámvédelmi eszközök megfelelő kiválasztásán alapulnak, az energiarendszeri szabályzatok figyelembevételével, amelyhez gazdag dokumentációs támogatás áll rendelkezésre.

A hajtóművek vagy a telepek könnyen érintettek lehetnek a villámlásoknak. A villámhullámok terjedhetnek a hajtóműveken keresztül a telepekbe, vagy közvetlenül találhatják a telepi felszereléseket, ami túlrameneteket okozhat a transzformátor neutrális pontján, ez pedig fenyegetést jelent a neutrális pont izolációja számára. Ezért a neutrális ponton fellépő túlramenetek jellemzőinek vizsgálata és a védőeszközök hatékonyságának kiértékelése gyakorlati jelentőséggel bír [1]. Ez a tanulmány szimulációs vizsgálatot mutat be az Elektromágneses Transzienst Program (EMTP) legelterjedtebb változatát, az Alternative Transients Program (ATP) használatával, egy adott 110 kV telep konfigurációján alapulva. A villámhullámok alatti neutrális ponton fellépő túlramenetek szimulálása a 110 kV transzformátor neutrális pontjának izolációs jellemzőivel együtt. A szimulációs eredmények összehasonlító elemzését végzik, és javaslatokat tesznek a neutrális ponton fellépő túlramenet csökkentésére.

1. Elméleti elemzés

1.1 Villámhullám a hajtóműveken

Amikor villám talál egy fekvő hajtóműt, utazó hullám terjed a vezetéken [1]. A telepekben a rövid kapcsolóvezetékek (pl. a transzformátorok és a buszsorok vagy villámmentesítők közötti kapcsolatok) hasonlóan viselkednek a hajtóművekhez hasonlóan a nagyon rövid idejű villámimpulzus hatására. Ezek a vezetékek gyors hullámterjedést, tükrözést és törési folyamatokat mutatnak, gyakran nagy csúcsamplitúdójú átmeneti túlrameneteket generálva, amelyek károsíthatják a felszerelést.

1.2 Paramétereinek elemzése Y-kapcsolású transzformátor tekercsekre a villámhullám hatására

A háromfázisú transzformátor tekercsei általában Y, Yo vagy Δ konfigurációban vannak kapcsolva. A működés során a villámhullámok bármelyik, két vagy akár az összes három fázison keresztül is beléphetnek [1]. Ez a tanulmány a Y-kapcsolású tekercsekre összpontosít, mivel csak ilyen konfigurációknál van elérhető neutrális pont. Ha egy transzformátor Yo-kapcsolásban van, és a fázisok közötti kölcsönhatást hanyagoljuk, bármelyik, kettő vagy három fázis találhat, a rendszert független tekercsekkel és földelő végpontokkal lehet elemezni.

2. A 110 kV transzformátor neutrális pontjának izolációs állapota

A 110 kV transzformátorok neutrális pontjai lépcsőzetes izolációt használnak, 35 kV, 44 kV vagy 60 kV szinteken. Jelenleg a gyártók főleg 60 kV neutrális pontú izolációjú transzformátorokat gyártanak. Különböző izolációs szintek különböző dielektrikus tűrőképességgel rendelkeznek, ahogy az táblázat 1-ben látható. A gyakorlati feltételek, az izoláció öregedése és a huzamos feszültség biztonsági margója figyelembevételével korrekciós tényezőket alkalmaznak. Egy 0,6-os villámimpulzus tűrőképességi margó és egy 0,85-ös huzamos feszültség tűrőképességi margó kerül alkalmazásra [1], ami a táblázat 1-ben látható referencia tűrőértékeket eredményezi.

Táblázat 1 Izolációs tűrőképességek / Referencia tűrőértékek a neutrális pontokhoz

3. Szimuláció és számítás

Vegyünk egy 110 kV átmeneti telephelyet, amelyben két transzformátor (Y/Δ) párhuzamosan működik, két 110 kV bejövő vezeték és négy 35 kV kimenő vezeték található. Az egyvonal-diagram a 1. ábrán látható. Az egyfázisú talajkapcsolódási hibákat és a kommunikációs zavarokat korlátozandó, általában csak az egyik transzformátor neutrál pontja van földbe kötve, míg a másik nem. Villámlési hullám esetén nagyon magas túlterhelés alakulhat ki a földre nincs kötött transzformátor neutrál pontján, ami fenyegetést jelent az izolációnak. A következő szakaszokban szimulációs elemzéseket mutatunk be különböző forgatókönyvek mellett az ATP program segítségével.

1. ábra 110 kV átmeneti telephely egyvonal-diagramja

3.1 Villámlési hullám terjedése a hálózati vezetékből az átmeneti telephez

3.1.1 Villámlési hullám paramétereinek kiválasztása

Az átmeneti telepekben fellépő túlterhelés fő oka a hálózati vezetékből terjedő villámlési hullám. A vezetéken lévő maximális feszültségamplitúdusa nem haladhatja meg a vezeték izolációs lánc U50% tűrőszintjét, különben a villámlési hullám előtt már a vezetéken történne vízzelés. Mivel a bejövő vezeték első 1–2 km-je általában közvetlen villámlésvédettel rendelkezik, a telephez bejutó villámlési hullámok főleg a védett szakaszon kívüli villámlések eredményeként jelennek meg. A telep külső részén fellépő villámlések esetén a ≤220 kV vezetéken keresztül a telephez bejutó villámlési áram értéke általában ≤5 kA, a 330–500 kV vezetékek esetén pedig ≤10 kA, jelentősen csökken a meredekség [15,17]. Ezek alapján a villámlési hullámot egy tipikus dupla-exponenciális függvény modellezi:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
ahol a és b negatív konstansok, és k, a, b meghatározott a hullám amplitúdusa, előtéri idő és utótéri idő szerint. Itt 5 kA csúcsmértékű árammal és szabványos 20/50 μs exponenciális hullámmal dolgozunk.

3.1.2 Átmeneti telepi berendezések paramétereinek beállítása

A villámlési hullámok nagyon magas frekvenciájú harmonikus összetevőket tartalmaznak, ezért az átmeneti telepi vezetékek paramétereit osztott paraméterekkel modellezzük. A kapcsolók, átkapcsolók, áramerőmérők (CT-k) és feszültemérők (VT-k) a telepen belül ekvivalens párhuzamos kapacitásként vannak ábrázolva. A transzformátor ekvivalens beviteli kapacitása Cₜ = kS⁰·⁵-ként adható meg, ahol S a háromfázisú transzformátor teljesítménye. A ≤220 kV feszültségi szinten n=3, 110 kV transzformátoroknál pedig k=540. A buszbiztosító választjuk YH1OWx-108/290-t, a neutrál pont biztosítóját pedig YH1.5W-72/186-os típusúnak.

3.1.3 Számítás és elemzés

A neutrál ponton keletkező túlterhelés mértéke attól függ, hogy helyileg földre van-e kötve vagy sem. Szimulációkat végeztek három esetben: egyvezetős egyfázisú hullám, egyvezetős két-fázisú hullám, és kétvezetős egyfázisú hullám, mindkét esetben neutrál pont biztosítóval és anélkül. Az eredmények a 2. táblázatban láthatók.

2. táblázat Csúcsfeszültség helyi földbe kötés / nincs földbe kötés esetén

3.1.4 Eredményelemzés

A Táblázat 2-ből látható, hogy olyan rendszerekben, ahol a transzformátor közepes pontja helyben kapcsolódik a földre, a buszbár védőkölcsönző hatékonyan korlátozza a túlfeszültséget, így a nem földre kapcsolt transzformátor közepes pontja nem éri el magas túlfeszültséget, és a közepes-ponti védőkölcsönző általában nem működik. Olyan rendszerekben, ahol a közepes pont helyben nincs földre kapcsolva, a közepes-ponti túlfeszültség nagyon magas. Védőkölcsönző nélkül ez súlyos fenyegetést jelent az izolációnak (egy szintenként izolált 110 kV-os transzformátor villámpéldány-ellenállás-voltamérete, biztonsági margó becslése alapján, 195 kV). A közepes-ponti védőkölcsönző telepítése jelentősen csökkenti a túlfeszültség csúcsértékét. Így a vezetékből terjedő villámimpulzusok nem fenyegetik a védőkölcsönzővel felszerelt közepes pont izolációját.

3.2 A telep közvetlen villámlési találatának hatása

Bár a telepek általában teljes villámvédéssel rendelkeznek, a közvetlen villámlési találatok, bár ritkák a villámok összetettsége és véletlenszerűsége miatt, még mindig bekövetkezhetnek [2] és károsíthatják a berendezéseket. Ezért szükséges tanulmányozni a közvetlen találatok által okozott közepes-ponti túlfeszültséget és a hozzá tartozó védelmi intézkedéseket.

3.2.1 Villám- és teleparaméterek kiválasztása

A teleparaméterek ugyanazok, mint korábban meghatározottak. A számításokat standard villámparaméterekkel (1.2/50 μs) végezzük, amplitúdók 50, 100, 200, illetve 250 kA mellett. A villámcsatorna hullámtápegysége 400 Ω.

3.2.2 Számítás és elemzés

Egyfázisú buszbár (két fázisú találatok ritkák) közvetlen villámlési találatának eredményei helyben földre kapcsolt és nemszemleges közepes pont mellett a Táblázat 3-ban láthatók (I és II jelöli a közepes-ponti védőkölcsönző nélküli és védőkölcsönzővel ellátott eseteket).

Táblázat 3 Csúcsfüggőleges túlfeszültség helyben földre kapcsolt / nemszemleges közepes pont mellett (közvetlen találat)

3.2.3 Eredményelemzés

A Táblázat 3-ban láthatóan, a villámáram amplitúdójának növekedésével jelentősen emelkedik a főponti csúcspáratárs, és a rezgés erősebbé válik. Még villanyellenedéllyel is, az ellenédelyen átmenő maradék feszültség növekszik. Helyben nem kapcsolt főponttal rendelkező alátárgyűjtők esetén a villám miatti főponti túlfeszültség különösen súlyos. Még a villanyellenedéllyel is, a túlfeszültség magas marad. Például egy 250 kA-os közvetlen találat 224,1 kV-os főponti túlfeszültséget generál. Ilyen esetekben, még ha a főponti ellenédely működik is, a transzformátor továbbra is sérülhet.

3.2.4 Fejlesztési intézkedések megbeszélése

(1) Villanyellenédély telepítése a transzformátor végpontra (pl., YH10Wx-108/290 hozzáadása a nem kapcsolt transzformátorokhoz) a villámúttal kapcsolatos túlfeszültség korlátozására.
(2) A főponti villanyellenédély kiáramlási kapacitásának növelése. Az aktuális ellenédélynél a kiáramlási kapacitás 1,5 kA 186 kV-es maradék feszültségnél. Javasolt, hogy ezt a kapacitást 15 kA-ra növeljük.

Újraszimulációkat végeztek helyben nem kapcsolt főpontú rendszerben a buszban történő közvetlen villámtalálat esetén, és az eredmények a Táblázat 4-ben láthatók.

Táblázat 4 Főponti csúcspáratár a villanyellenédély (fejlesztett intézkedések) mellett

Az asztalak 3 és 4 összehasonlításával kiderül, hogy a transzformátor végpontján történő ütőkészülék telepítése nem hatékony a nullaponti villámléses túlfeszültség csökkentésében. Azonban az ütőkészülék kiütési kapacitásának jelentős növelése erősen javítja a túlfeszültség korlátozását. Ezért ezt a módszert ajánljuk. Az ütőkészülék gyártókat arra szólítjuk fel, hogy koncentráljanak a technológiai fejlesztésekre, hogy megnöveljék a kiütési áramkapacitást.

4. Következtetés

a) Az ütőkészülékek telepítése a buszlejáron és a transzformátor nullapontján hatékonyan korlátozza a nullaponti túlfeszültséget, amely a hajtóvonalakból származó villámléses hullámok terjedésének köszönhetően keletkezik.
b) Amikor egy átalakítóállomás közvetlen villámléses találatot szenved, magas túlfeszültség alakulhat ki egy függőlegesen nem kapcsolt transzformátor nullapontján. Ez a hatás kifejezettebb a részlegesen függőlegesen nem kapcsolt neutrális rendszerek esetén, és a jelenlegi túlfeszültségvédelmi eljárások mellett a nullaponti izoláció továbbra is sérülhet.
c) A transzformátor végpontján történő ütőkészülék telepítése nem jár jelentős hatással a nullaponti túlfeszültség korlátozására; a nullaponti ütőkészülék kiütési áramkapacitásának növelése hatékony módja a túlfeszültség korlátozásának.