Sovravoltaggio da fulmine al punto neutro del trasformatore 110 kV: simulazione ATP e soluzioni di protezione IEE-Business

Esiste un'ampia letteratura sull'analisi dei sovratensioni al punto neutro dei trasformatori in condizioni di impulsi di fulmine. Tuttavia, a causa della complessità e casualità delle onde di fulmine, una descrizione teorica accurata rimane difficile da ottenere. Nella pratica ingegneristica, le misure protettive sono generalmente determinate in base ai codici del sistema elettrico, selezionando dispositivi di protezione contro i fulmini appropriati, con abbondante documentazione di supporto disponibile.

Le linee di trasmissione o le stazioni di trasformazione sono suscettibili a colpi di fulmine. Gli impulsi di fulmine possono propagarsi lungo le linee di trasmissione entrando nelle stazioni di trasformazione o colpire direttamente l'equipaggiamento delle stazioni, inducendo sovratensioni al punto neutro del trasformatore, il che rappresenta una minaccia per l'isolamento del punto neutro. Pertanto, studiare le caratteristiche delle sovratensioni al punto neutro in condizioni di fulmine e valutare l'efficacia limitativa della tensione dei dispositivi di protezione ha un significato pratico [1]. Questo articolo presenta uno studio di simulazione utilizzando il Programma di Transitori Alternativi (ATP), la versione più diffusa del Programma di Transitori Elettromagnetici (EMTP), basato sulla configurazione di una specifica stazione di trasformazione da 110 kV. Combinando la teoria delle sovratensioni da fulmine con le caratteristiche d'isolamento dei punti neutrali dei trasformatori da 110 kV, l'articolo simula le sovratensioni al punto neutro in varie condizioni di onda di fulmine. I risultati della simulazione vengono analizzati comparativamente e vengono proposte misure per mitigare le sovratensioni al punto neutro.

1. Analisi Teorica

1.1 Colpo di Fulmine sulle Linee di Trasmissione

Quando una linea aerea di trasmissione è colpita da un fulmine, si propaga lungo il conduttore un'onda viaggente [1]. All'interno delle stazioni di trasformazione, numerose linee di connessione corte (ad esempio, connessioni tra trasformatori e barre o parafulguri) si comportano in modo simile alle linee di trasmissione sotto l'impulso di fulmine di durata estremamente breve. Queste linee mostrano processi di propagazione, riflessione e rifrazione dell'onda rapidi, spesso generando sovratensioni transitorie con ampiezze di picco molto elevate che possono danneggiare l'equipaggiamento.

1.2 Analisi dei Parametri degli Avvolgimenti di Trasformatore Connessi in Y sotto Impulso di Fulmine

Gli avvolgimenti dei trasformatori trifase sono generalmente connessi in configurazioni Y, Yo o Δ. Durante l'operazione, gli impulsi di fulmine possono entrare attraverso una, due o anche tutte e tre le fasi [1]. Questo articolo si concentra sugli avvolgimenti connessi in Y, poiché solo tali configurazioni hanno un punto neutro accessibile. Quando un trasformatore è connesso in Yo e si trascura l'accoppiamento reciproco tra le fasi, indipendentemente da quante fasi siano colpite, il sistema può essere analizzato come tre avvolgimenti indipendenti con terminali a terra.

2. Condizione d'Isolamento dei Punti Neutrali dei Trasformatori da 110 kV

I punti neutrali dei trasformatori da 110 kV utilizzano isolamento graduale, classificato a livelli di 35 kV, 44 kV o 60 kV. Attualmente, i produttori producono principalmente trasformatori con isolamento del punto neutro a 60 kV. Diversi livelli di isolamento hanno capacità di resistenza dielettrica variabili, come mostrato nella Tabella 1. Considerando le condizioni pratiche, l'invecchiamento dell'isolamento e i margini di sicurezza per la tensione a frequenza di rete, vengono applicati fattori di correzione. Vengono adottati un fattore di margine di resistenza all'impulso di fulmine di 0,6 e un fattore di margine di resistenza a frequenza di rete di 0,85 [1], portando ai valori di resistenza di riferimento nella Tabella 1.

Tabella 1 Livelli di Resistenza Isolante / Valori di Resistenza di Riferimento per i Punti Neutrali

3. Simulazione e Calcolo

Consideriamo una sottostazione da 110 kV con due trasformatori (Y/Δ) in parallelo, due linee in entrata da 110 kV e quattro linee in uscita da 35 kV. Il diagramma unifilare è mostrato nella Figura 1. Per limitare le correnti di cortocircuito monofase e ridurre le interferenze di comunicazione, solitamente solo un trasformatore ha il punto neutro collegato a terra mentre l'altro rimane isolato. In condizioni di impulso fulmineo, può essere indotto un sovratensione molto elevata al punto neutro del trasformatore non collegato a terra, minacciando la sua isolazione. Le sezioni seguenti presentano analisi di simulazione utilizzando il programma ATP in vari scenari.

Figura 1 Diagramma unifilare della sottostazione da 110 kV

3.1 Propagazione dell'impulso fulmineo dalle linee di trasmissione alla sottostazione

3.1.1 Selezione dei parametri dell'onda fulminea

La causa principale delle sovratensioni nelle sottostazioni sono gli impulsi fulminei che si propagano dalle linee di trasmissione. L'ampiezza massima della tensione sulla linea non deve superare il livello di resistenza U50% della catena di isolatori della linea; altrimenti, si verificherebbe un arco sulla linea prima che l'impulso raggiunga la sottostazione. Poiché i primi 1-2 km della linea in entrata sono solitamente protetti contro i colpi diretti di fulmine, le onde fulminee che entrano nella sottostazione provengono principalmente dai colpi oltre questa sezione protetta. Per i colpi di fulmine esterni alla sottostazione, la magnitudine della corrente di fulmine che entra nella sottostazione attraverso linee ≤220 kV è generalmente ≤5 kA, e ≤10 kA per linee da 330–500 kV, con una pendenza notevolmente ridotta [15,17]. Basandosi su queste condizioni, l'onda fulminea viene modellata utilizzando una funzione esponenziale doppia tipica:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
dove a e b sono costanti negative, e k, a, b sono determinati dall'ampiezza dell'impulso, dal tempo frontale e dal tempo di coda. Qui viene utilizzato una corrente picco di 5 kA e un'onda esponenziale standard 20/50 μs.

3.1.2 Impostazione dei parametri degli apparecchi della sottostazione

Gli impulsi fulminei contengono armoniche ad alta frequenza; pertanto, i parametri della linea della sottostazione vengono modellati come parametri distribuiti. Interruttori, interruttori automatici, trasformatori di corrente (TC) e trasformatori di tensione (TV) all'interno della sottostazione sono rappresentati da capacità equivalenti parallele. La capacità equivalente di ingresso del trasformatore è data da Cₜ = kS⁰·⁵, dove S è la capacità del trasformatore trifase. Per tensioni ≤220 kV, n=3, e per i trasformatori da 110 kV, k=540. Il parafulmine della barra di alimentazione è selezionato come YH1OWx-108/290, e il parafulmine del punto neutro come YH1.5W-72/186.

3.1.3 Calcolo e analisi

La sovratensione generata al punto neutro varia a seconda che sia collegato a terra localmente o no. Vengono eseguite simulazioni per tre scenari: impulso monofase su un circuito, impulso bifase su un circuito e impulso monofase su doppio circuito, considerando sia con che senza parafulmine del punto neutro. I risultati sono mostrati nella Tabella 2.

Tabella 2 Sovratensione picco in condizioni di punto neutro collegato a terra / non collegato a terra

3.1.4 Analisi dei risultati

Dalla tabella 2, nei sistemi in cui il neutro del trasformatore è collegato a terra localmente, il parafulmine della barra di distribuzione limita efficacemente l'overvoltage, quindi il punto neutro del trasformatore non collegato a terra non subisce un overvoltage elevato e il parafulmine del punto neutro tipicamente non si attiva. Nei sistemi in cui il punto neutro non è collegato a terra localmente, l'overvoltage del punto neutro è molto alto. Senza un parafulmine, ciò rappresenta una grave minaccia per l'isolamento (la tensione d'impulso di fulmine sopportata da un trasformatore a 110 kV con isolamento graduale, considerando un margine di sicurezza, è di 195 kV). L'installazione di un parafulmine al punto neutro riduce significativamente il picco di overvoltage. Pertanto, gli impulsi di fulmine che si propagano dalle linee non minacciano l'isolamento di un punto neutro dotato di parafulmine.

3.2 Colpo di fulmine diretto sulla sottostazione

Anche se le sottostazioni generalmente dispongono di una protezione completa contro i fulmini, i colpi di fulmine diretti, sebbene rari a causa della complessità e casualità dei fulmini, possono ancora verificarsi [2] e causare danni all'equipaggiamento. Pertanto, è necessario studiare l'overvoltage al punto neutro causato dai colpi diretti e le misure protettive corrispondenti.

3.2.1 Selezione dei parametri del fulmine e della sottostazione

I parametri della sottostazione rimangono gli stessi precedentemente definiti. I calcoli vengono eseguiti utilizzando parametri standard di fulmine (1.2/50 μs) con ampiezze di 50, 100, 200 e 250 kA. L'impedenza d'onda del canale del fulmine viene considerata pari a 400 Ω.

3.2.2 Calcolo e analisi

I risultati per il colpo di fulmine diretto su una barra monofase (i colpi bifasi sono rari) sotto condizioni di neutro collegato a terra localmente e non collegato a terra sono mostrati nella tabella 3 (I e II rappresentano i casi senza e con un parafulmine al punto neutro, rispettivamente).

Tabella 3 Overvoltage di picco in condizioni di neutro collegato a terra localmente / non collegato a terra (colpo diretto)

3.2.3 Analisi dei risultati

Come mostrato nella Tabella 3, con l'aumento dell'ampiezza della corrente di fulmine, il sovravoltaggio picco al punto neutro aumenta significativamente e le oscillazioni diventano più pronunciate. Anche con un parafulmine, la tensione residua attraverso il parafulmine aumenta. Nei centri di trasformazione con punti neutrali localmente non collegati a terra, il sovravoltaggio al punto neutro dovuto ai fulmini è particolarmente grave. Anche con un parafulmine, il sovravoltaggio rimane elevato. Ad esempio, un colpo diretto di 250 kA genera un sovravoltaggio al punto neutro di 224,1 kV. In questo caso, anche se il parafulmine al punto neutro si attiva, il trasformatore potrebbe comunque essere danneggiato.

3.2.4 Discussione delle misure di miglioramento

(1) Installare un parafulmine al terminale del trasformatore (ad esempio, aggiungere YH10Wx-108/290 per i trasformatori non collegati a terra) per limitare il sovravoltaggio d'onda di fulmine.
(2) Aumentare la capacità di scarica di corrente del parafulmine al punto neutro. Il parafulmine esistente ha una capacità di scarica di 1,5 kA ad una tensione residua di 186 kV. Si propone di aumentare questa capacità a 15 kA.

Sono state eseguite nuove simulazioni per un colpo diretto di fulmine sulla barra di distribuzione in un sistema con punto neutro localmente non collegato a terra, e i risultati sono mostrati nella Tabella 4.

Tabella 4 Sovravoltaggio picco al punto neutro con parafulmine (misure migliorate)

Confrontando le tabelle 3 e 4, l'installazione di un parafulmine al terminale del trasformatore è inefficace nella riduzione dell'sovratensione da fulmine al punto neutro. Tuttavia, aumentare la capacità di scarica del parafulmine migliora significativamente la limitazione dell'sovratensione. Pertanto, questo metodo è consigliato. Si consiglia ai produttori di parafulmini di concentrarsi sui miglioramenti tecnologici per aumentare la capacità di corrente di scarica.

4. Conclusione

a) L'installazione di parafulmini sia sulla barra di raccordo che sul punto neutro del trasformatore limita efficacemente l'sovratensione al punto neutro causata dalle onde impulsive provenienti dalle linee di trasmissione.
b) Quando una sottostazione subisce un colpo diretto di fulmine, può svilupparsi un'elevata sovratensione al punto neutro di un trasformatore non collegato a terra. Questo effetto è più pronunciato nei sistemi con punti neutrali parzialmente non collegati a terra, e con gli schemi di protezione contro le sovratensioni esistenti, l'isolamento del punto neutro potrebbe ancora essere danneggiato.
c) L'installazione di un parafulmine al terminale del trasformatore non ha un effetto significativo nella limitazione dell'sovratensione al punto neutro; aumentare la capacità di corrente di scarica del parafulmine al punto neutro è un metodo efficace per la limitazione dell'sovratensione.