110 kV変圧器中性点雷過電圧：ATPシミュレーション&保護ソリューション

変圧器の中性点における雷サージ条件での過電圧の分析について、多くの文献が存在します。しかし、雷波の複雑さとランダム性により、正確な理論的説明はまだ困難です。エンジニアリングの実践では、適切な雷保護装置を選択することで、通常は電力システムコードに基づいて保護措置が決定され、豊富なサポートドキュメントが利用可能です。

送電線や変電所は雷に打たれやすく、雷サージは送電線を伝って変電所に入り込むか、または直接変電所の設備に雷が落ちることで、変圧器の中性点に過電圧を引き起こし、中性点絶縁に脅威を与えます。そのため、雷条件下での中性点過電圧の特性を研究し、保護装置の電圧制限効果を評価することは実際的な意義があります[1]。本論文では、特定の110 kV変電所の構成に基づいて、最も広く使用されている電磁一時変動プログラム（EMTP）のバージョンである代替一時変動プログラム（ATP）を使用してシミュレーション研究を行っています。110 kV変圧器の中性点の絶縁特性と雷過電圧理論を組み合わせて、さまざまな雷波条件下での中性点過電圧をシミュレーションしています。シミュレーション結果を比較分析し、中性点過電圧を軽減するための措置を提案しています。

1. 理論的分析

1.1 送電線への雷の直撃

架空送電線が雷に打たれた場合、導体に沿って進行波が伝播します[1]。変電所内では、多数の短い接続線（例えば、変圧器から母線や避雷器への接続）が非常に短時間の雷インパルス下で送電線と同様に動作します。これらの線路では、急速な波の伝播、反射、屈折過程が発生し、しばしば非常に高いピーク振幅を持つ瞬間的な過電圧を生成し、設備に損傷を与えることがあります。

1.2 雷サージ下でのY接続変圧器巻線のパラメータ解析

三相変圧器の巻線は一般的にY、Yo、またはΔ接続で行われます。運転中に雷サージは1相、2相、または3相すべてを通じて侵入することがあります[1]。本論文では、アクセス可能な中性点を持つY接続に焦点を当てています。変圧器がYo接続であり、相間の相互結合を無視した場合、1相、2相、または3相が打たれても、接地端子を持つ3つの独立した巻線としてシステムを分析することができます。

2. 110 kV変圧器の中性点の絶縁状態

110 kV変圧器の中性点は、35 kV、44 kV、または60 kVレベルに分類される段階絶縁を使用しています。現在、製造業者は主に60 kVの中性点絶縁を持つ変圧器を生産しています。異なる絶縁レベルは異なる電気強度耐え能力を持ち、表1に示されています。実際の条件、絶縁の劣化、および商用周波数電圧の安全余裕を考慮に入れ、補正係数が適用されます。雷インパルス耐え余裕係数0.6と商用周波数耐え余裕係数0.85が採用され[1]、表1の参照耐え値が得られます。

表1 中性点の絶縁耐えレベル / 参照耐え値

3. シミュレーションと計算

110 kVの変電所を考えると、2つのトランスフォーマー（Y/Δ）が並列で動作し、2本の110 kVの入力線路と4本の35 kVの出力線路があります。単一線図は図1に示されています。単相接地障害電流を制限し、通信干渉を減らすため、通常は1つのトランスフォーマーのみの中性点が接地され、もう1つは未接地のままです。雷衝撃条件下では、未接地トランスフォーマーの中性点に非常に高い過電圧が誘導され、その絶縁を脅かします。以下のセクションでは、さまざまなシナリオでのATPプログラムを使用したシミュレーション分析を提示します。

図1 110 kV変電所の単一線図

3.1 雷衝撃が送電線から変電所へ伝播する

3.1.1 雷波パラメータの選択

変電所における過電圧の主な原因は、送電線から伝播する雷衝撃です。線路上の最大電圧振幅は、線路の絶縁子列のU50%耐えうるレベルを超えてはなりません。それ以外の場合、衝撃が変電所に入る前に線路上でフラッシュオーバーが発生します。通常、入力線路の最初の1〜2 kmは直撃雷から保護されているため、変電所以外からの雷波がこの保護区間を超えて変電所に入ります。変電所以外からの雷による、≤220 kVの線路を通じて変電所に入る雷電流の大きさは一般に≤5 kAであり、330〜500 kVの線路では≤10 kAで、急峻度は大幅に減少します[15,17]。これらの条件に基づいて、雷波は典型的な二重指数関数でモデル化されます：
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
ここでaおよびbは負の定数であり、k、a、bは衝撃振幅、フロント時間、テール時間によって決定されます。ここでは、ピーク電流5 kAと標準的な20/50 μsの指数波を使用します。

3.1.2 変電所設備パラメータ設定

雷衝撃には非常に高周波の高調波が含まれているため、変電所の線路パラメータは分布パラメータとしてモデル化されます。変電所内のスイッチ、遮断器、電流変換器（CT）、電圧変換器（VT）は等価の並列容量によって表現されます。トランスフォーマーの等価入力容量はCₜ = kS⁰·⁵で与えられます。ここでSは三相トランスフォーマーの容量です。電圧レベルが≤220 kVの場合、n=3であり、110 kVのトランスフォーマーの場合、k=540です。バスバー用サージアレスタはYH1OWx-108/290を選択し、中性点用サージアレスタはYH1.5W-72/186を選択します。

3.1.3 計算と分析

中性点で生成される過電圧は、それが局所的に接地されているかまたは未接地であるかによって異なります。シングルサーキット単相衝撃、シングルサーキット二相衝撃、ダブルサーキット単相衝撃の3つのシナリオについて、中性点サージアレスタの有無を考慮してシミュレーションを行います。結果は表2に示されています。

表2 局所接地 / 未接地中性点条件でのピーク過電圧

3.1.4 結果分析

表2から、変圧器の中性点が地に接続されているシステムでは、バスバーのサージアレスタは過電圧を効果的に制限するため、接地されていない変圧器の中性点は高い過電圧を経験せず、中性点アレスタは通常動作しない。一方、中性点が地に接続されていないシステムでは、中性点の過電圧は非常に高い。サージアレスタがない場合、これは絶縁（安全余裕を考慮した110 kVのグレーディング絶縁を持つ変圧器の雷衝撃耐電圧は195 kV）に対して深刻な脅威となる。中性点サージアレスタを設置することで、ピーク過電圧が大幅に減少する。したがって、線路から伝播する雷サージは、サージアレスタを装備した中性点の絶縁には脅威にならない。

3.2 変電所への直撃雷

変電所は一般的に包括的な雷保護を持っているが、雷の複雑さとランダム性により、直接雷による打撃は稀であるものの発生することがあり[2]、設備の損傷を引き起こす可能性がある。そのため、直接雷による中性点の過電圧と対応する保護措置について研究することは必要である。

3.2.1 雷および変電所パラメータの選択

変電所パラメータは以前に定義されたものと同じである。標準的な雷パラメータ（1.2/50 μs）を使用し、振幅は50、100、200、250 kAで計算を行う。雷チャネル波インピーダンスは400 Ωとする。

3.2.2 計算と分析

単相バスバーへの直接雷（二相への打撃はまれ）に対する結果を、地に接続されている中性点と地に接続されていない中性点の条件で示す（表3）。IとIIはそれぞれ中性点サージアレスタなしと有りの場合を表している。

表3 地に接続されている/されていない中性点条件でのピーク過電圧（直接雷）

3.2.3 結果分析

表3に示すように、落雷電流の振幅が増加すると、中性点でのピークオーバーボルテージが大幅に上昇し、振動も顕著になります。サージアレスタを使用していても、アレスタ間の残存電圧は増加します。局所的に接地されていない中性点を持つ変電所では、落雷による中性点のオーバーボルテージは特に深刻です。サージアレスタがあっても、オーバーボルテージは高く維持されます。例えば、250 kAの直撃雷の場合、中性点でのオーバーボルテージは224.1 kVになります。この場合、中性点アレスタが動作しても、変圧器が損傷する可能性があります。

3.2.4 改善措置の検討

(1) 変圧器端子にサージアレスタを設置する（例：接地されていない変圧器に対してYH10Wx-108/290を追加）ことで、落雷サージオーバーボルテージを制限する。
(2) 中性点サージアレスタの放電電流容量を増加させる。既存のアレスタは、残存電圧186 kVで1.5 kAの放電容量を持っています。これを15 kAに増加させることが提案されています。

局所的に接地されていない中性点システムにおけるバスバーへの直接落雷に対する再シミュレーションを行い、結果は表4に示されています。

表4 サージアレスタを使用した中性点ピークオーバーボルテージ（改善措置後）

表3と表4を比較すると、変圧器端子に避雷器を設置しても中性点の雷過電圧を減らす効果はほとんどないことがわかります。しかし、サージアレスタの放電容量を増加させることで、過電圧制限が大幅に改善されます。したがって、この方法が推奨されます。サージアレスタ製造業者には、放電電流容量を向上させるための技術改良に注力することをお勧めします。

4. 結論

a) バスバーと変圧器の中性点にサージアレスタを設置することで、送電線から伝播する雷サージによって生じる中性点の過電圧を効果的に制限することができます。
b) 配電所が直接雷に打たれた場合、接地されていない変圧器の中性点では高過電圧が発生することがあります。これは部分的に接地されていない中性点を持つシステムにおいて特に顕著であり、既存の過電圧保護スキーム下でも中性点絶縁が損傷する可能性があります。
c) 変圧器端子にサージアレスタを設置しても、中性点の過電圧制限には大きな影響はありません。中性点サージアレスタの放電電流容量を増加させることは、過電圧制限の有効な方法です。