110kV 변압기 중성점 번개과전압: ATP 시뮬레이션 및 보호 솔루션

변압기 중성점에서의 과전압에 대한 분석에 관한 문헌은 매우 많습니다. 그러나 번개 파동의 복잡성과 임의성으로 인해 정확한 이론적 설명은 여전히 어렵습니다. 공학 실무에서는 전력 시스템 코드를 기반으로 적절한 번개 보호 장치를 선택함으로써 보호 조치가 결정되며, 이를 뒷받침하는 충분한 문서가 있습니다.

송전선이나 변전소는 번개에 취약합니다. 번개 파동은 송전선을 따라 변전소로 전파되거나 직접 변전소 장비를 타격하여 변압기 중성점에서 과전압을 유발할 수 있으며, 이는 중성점 절연에 위협이 됩니다. 따라서 번개 조건 하에서의 중성점 과전압 특성과 보호 장치의 전압 제한 효과를 평가하는 것은 실제적인 의미가 있습니다 [1]. 본 논문은 특정 110 kV 변전소 구성을 기반으로 Electromagnetic Transients Program (EMTP)의 가장 널리 사용되는 버전인 Alternative Transients Program (ATP)을 사용한 시뮬레이션 연구를 제시합니다. 110 kV 변압기 중성점의 절연 특성과 번개 과전압 이론을 결합하여 다양한 번개 파동 조건 하에서 중성점 과전압을 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 결과를 비교 분석하며 중성점 과전압을 완화하기 위한 조치를 제안합니다.

1. 이론적 분석

1.1 송전선에 대한 번개 타격

공중 송전선이 번개에 의해 타격되면 여행파가 도체를 따라 전파됩니다 [1]. 변전소 내에서는 많은 짧은 연결선(예: 변압기와 모선 또는 서지 방지기 사이의 연결)이 극단적으로 짧은 시간 동안의 번개 임펄스 아래에서 송전선과 유사하게 작용합니다. 이러한 선들은 빠른 파동 전파, 반사 및 굴절 과정을 나타내며, 종종 장비를 손상시키는 매우 높은 피크 진폭의 일시적 과전압을 생성합니다.

1.2 Y-접속 변압기 감속선의 번개 임펄스 하에서의 매개변수 분석

3상 변압기 감속선은 일반적으로 Y, Yo, 또는 Δ 구성으로 연결됩니다. 운영 중에는 번개 임펄스가 하나, 두 개, 또는 세 개의 상을 통해 들어올 수 있습니다 [1]. 본 논문은 중성점을 접근할 수 있는 Y-접속 감속선에 초점을 맞춥니다. 변압기가 Yo로 연결되고 상 간 상호 결합을 무시할 때, 하나, 두 개, 또는 세 개의 상이 타격되더라도, 시스템은 접지된 단자를 가진 세 개의 독립된 감속선으로 분석될 수 있습니다.

2. 110 kV 변압기 중성점의 절연 상태

110 kV 변압기 중성점은 35 kV, 44 kV, 또는 60 kV 수준으로 등급별 절연을 채택합니다. 현재 제조업체는 주로 60 kV 중성점 절연을 가진 변압기를 생산하고 있습니다. 다른 절연 수준은 각각 다른 유전 강도를 가지며, 표 1에 나열되어 있습니다. 실제 조건, 절연 노화, 그리고 전력 주파수 전압에 대한 안전 여유를 고려하여 수정 계수가 적용됩니다. 번개 임펄스 견딜 수 있는 여유 계수 0.6과 전력 주파수 견딜 수 있는 여유 계수 0.85가 채택되었습니다 [1], 이로 인해 표 1의 참조 견딜 수 있는 값이 도출됩니다.

표 1 중성점의 절연 견딜 수 있는 수준 / 참조 견딜 수 있는 값

3. 시뮬레이션 및 계산

두 대의 변압기(Y/Δ)가 병렬로 운전되고, 두 개의 110 kV 입선과 네 개의 35 kV 출선을 갖춘 110 kV 변전소를 고려합니다. 단일선도는 그림 1에 표시되어 있습니다. 단상 접지 고장 전류를 제한하고 통신 간섭을 줄이기 위해, 일반적으로 한 변압기만 중성점을 접지하고 다른 변압기는 비접지 상태로 유지됩니다. 번개 임펄스 조건 하에서, 비접지 변압기의 중성점에서 매우 높은 과전압이 유발될 수 있어 절연에 위협이 됩니다. 다음 섹션에서는 ATP 프로그램을 사용하여 다양한 시나리오에 대한 시뮬레이션 분석을 제시합니다.

그림 1 110 kV 변전소의 단일선도

3.1 송전선에서 변전소로 전파되는 번개 임펄스

3.1.1 번개 파동 매개변수 선택

변전소에서의 과전압의 주요 원인은 송전선에서 전파되는 번개 임펄스입니다. 선路上的雷电冲击波的最大电压幅值不能超过线路绝缘子串的U50%耐受水平；否则，在冲击波进入变电站之前，线路上就会发生闪络。由于进线的前1-2公里通常受到直接雷击保护，进入变电站的雷电波主要来自这一保护段之外的雷击。对于变电站外部的雷击，通过≤220 kV线路进入变电站的雷电流一般≤5 kA，而对于330-500 kV线路则≤10 kA，并且陡度显著降低[15,17]。基于这些条件，雷电波采用典型的双指数函数建模：
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
其中 a 和 b 是负常数，k, a, b 由冲击波幅值、波前时间和波尾时间决定。这里使用5 kA的峰值电流和标准20/50 μs指数波。 **3.1.2 变电站设备参数设置** 雷电冲击波包含非常高的频率谐波，因此变电站线路参数被建模为分布参数。变电站内的开关、断路器、电流互感器（CT）和电压互感器（VT）用等效并联电容表示。变压器的等效输入电容由 Cₜ = kS⁰·⁵ 给出，其中 S 是三相变压器容量。对于电压等级≤220 kV，n=3，对于110 kV变压器，k=540。母线避雷器选择为YH1OWx-108/290，中性点避雷器为YH1.5W-72/186。 **3.1.3 计算与分析** 在不同接地条件下，中性点产生的过电压有所不同。对三种情况进行仿真：单回路单相冲击、单回路两相冲击和双回路单相冲击，考虑有无中性点避雷器的情况。结果如表2所示。 **表2 本地接地/未接地中性点条件下的峰值过电压** | 来波条件 | 中性点接地状态 | 无避雷器时峰值过电压 (kV) | 有避雷器时峰值过电压 (kV) | | --- | --- | --- | --- | | 单回路单相 | 本地接地 | 138.5 | 138.5 | | | 本地未接地 | 224.1 | 186.0 | | 单回路两相 | 本地接地 | 165.2 | 165.2 | | | 本地未接地 | 248.7 | 186.0 | | 双回路单相 | 本地接地 | 156.3 | 156.3 | | | 本地未接地 | 237.8 | 186.0 | **3.1.4 结果分析** 从表2可以看出，在变压器中性点本地接地的系统中，母线避雷器有效地限制了过电压，因此未接地变压器的中性点不会经历高过电压，中性点避雷器通常不会动作。在中性点本地未接地的系统中，中性点过电压非常高。如果没有避雷器，这将对绝缘构成严重威胁（考虑到安全裕度，具有分级绝缘的110 kV变压器的雷电冲击耐受电压为195 kV）。安装中性点避雷器可以显著降低峰值过电压。因此，从线路传播的雷电冲击不会威胁到装有避雷器的中性点的绝缘。 **3.2 直接雷击变电站** 尽管变电站通常具有全面的防雷保护，但由于雷电的复杂性和随机性，直接雷击仍可能发生[2]，并导致设备损坏。因此，研究直接雷击引起的中性点过电压及其相应的保护措施是必要的。 **3.2.1 雷电和变电站参数选择** 变电站参数保持与先前定义相同。计算使用标准雷电参数（1.2/50 μs），幅值分别为50、100、200和250 kA。雷电通道波阻抗取为400 Ω。 **3.2.2 计算与分析** 在本地接地和未接地中性点条件下，单相母线直击雷的结果如表3所示（I和II分别代表无避雷器和有避雷器的情况）。 **表3 本地接地/未接地中性点条件下的峰值过电压（直击雷）** | 雷电流幅值 (kA) | 中性点接地状态 | I（无避雷器）峰值过电压 (kV) | II（有避雷器）峰值过电压 (kV) | | --- | --- | --- | --- | | 50 | 本地接地 | 112.3 | 105.6 | | | 本地未接地 | 187.4 | 186.0 | | 100 | 本地接地 | 145.7 | 138.2 | | | 本地未接地 | 213.6 | 186.0 | | 200 | 本地接地 | 178.9 | 170.5 | | | 本地未接地 | 221.8 | 186.0 | | 250 | 本地接地 | 192.4 | 183.7 | | | 本地未接地 | 224.1 | 224.1 | **3.2.3 结果分析** 如表3所示，随着雷电流幅值的增加，中性点峰值过电压显著增加，振荡更加明显。即使有避雷器，避雷器上的残余电压也会增加。在中性点本地未接地的变电站中，雷电引起的中性点过电压尤为严重。即使有避雷器，过电压仍然很高。例如，250 kA的直接雷击会产生224.1 kV的中性点过电压。在这种情况下，即使中性点避雷器动作，变压器仍可能受损。 **3.2.4 改进措施讨论** (1) 在变压器端安装避雷器（例如，为未接地变压器添加YH10Wx-108/290）以限制雷电冲击过电压。
(2) 提高中性点避雷器的放电电流容量。现有的避雷器在186 kV残余电压下放电容量为1.5 kA。建议将其容量提高到15 kA。 对本地未接地中性点系统中的母线直击雷重新进行仿真，结果如表4所示。 **表4 带避雷器的峰值中性点过电压（改进措施）** | 雷电流幅值 (kA) | 改进措施 | 峰值过电压 (kV) | | --- | --- | --- | | 250 | 变压器端安装避雷器 | 224.1 | | 250 | 放电容量增加到15 kA | 186.0 | 比较表3和表4，发现仅在变压器端安装避雷器并不能有效降低中性点雷电过电压。然而，增加避雷器的放电电流容量能显著改善过电压限制效果。因此，建议采用这种方法。避雷器制造商应专注于技术改进，以提高放电电流容量。 **4. 结论** a) 在母线和变压器中性点上安装避雷器可以有效限制由传输线传播的雷电冲击引起的中性点过电压。
b) 当变电站遭受直接雷击时，未接地变压器的中性点会产生高过电压。这种效应在部分未接地系统中更为明显，现有过电压保护方案下，中性点绝缘仍可能受损。
c) 在变压器端安装避雷器对限制中性点过电压没有显著效果；增加中性点避雷器的放电电流容量是有效的过电压限制方法。