110 kV Transformer Neutral Point Fulgur Overvoltage: ATP Simulatio & Protectiones Solutions IEE-Business

Est extensa litteratura de analysi superuoltus ad punctis neutris transformatorum sub conditionibus impulsi fulminis. Tamen, propter complexitatem et fortuitatem undarum fulminis, descriptio theoria accurata manet elusiva. In usu ingeniorum, mensurae protectivae solent determinari secundum codices systematis electricitatis per selectionem dispositivorum protectionis fulminis appropriatorum, cum abundantia documentationis supportantis.

Lineae transmissionis vel substationes sunt susceptibiles ictibus fulminis. Impulsi fulminis possunt propagari per lineas transmissionis in substationes vel directe ictibus apparatuum substationum, inducendo superuoltus ad puncto neutro transformatoris, quod minatur insulationi puncti neutri. Ergo, studium characteristicarum superuoltus puncti neutri sub conditionibus fulminis et evaluatio efficacitatis limitans uoltus dispositivorum protectionis habet significatum practicum [1]. Hoc scriptum praebet studium simulationis usque ad Programma Transitoriarum Alternativorum (ATP), versionem maximam usitatam Programmi Transitoriarum Electromagneticorum (EMTP), basatum in configuratione specifica substationis 110 kV. Combinando theoriam superuoltus fulminis cum characteristicis insulationis puncti neutri transformatoris 110 kV, scriptum simulat superuoltus puncti neutri sub variis conditionibus undarum fulminis. Resultata simulationis comparantur, et mensurae mitigantes superuoltus puncti neutri proponuntur.

1. Analyse Theorica

1.1 Ictus Fulminis in Lineis Transmissionis

Cum linea transmissionis aerea icta est fulmine, unda progressiva propagatur per conductor [1]. In substationibus, numerosae lineae breves coniunctivae (sicut connexiones ab transformatoribus ad busbaros vel arrestores impulsus) similiter se gessere ut lineae transmissionis sub impulso fulminis brevis durantis. Hae lineae exhibent processus rapidos propagationis, reflectionis, et refractionis, saepe generantes superuoltus transientes cum amplitudinibus cuspide valde altis, quae possunt damnum facere apparatu.

1.2 Analyse Parametrica Windincium Transformatoris Y-Connectivi sub Impulso Fulminis

Windincia transformatoris triphasici generaliter connectuntur in Y, Yo, vel Δ configurationibus. In operatione, impulsus fulminis possunt intrare per unam, duas, vel omnes tres phases [1]. Hoc scriptum foci in windinciis Y-connectivis, quoniam solum hae configurationes habent punctum neutrum accessibile. Cum transformator connectitur in Yo et coupling mutuale inter phases negligitur, sive una, sive duae, sive tres phases ictae sunt, systema potest analyzari ut tres windincia independenter cum terminis terratis.

2. Condicio Insulationis Puncti Neutri Transformatoris 110 kV

Puncta neutra transformatorum 110 kV utuntur insulatione graduata, categorizata ut niveles 35 kV, 44 kV, vel 60 kV. Presentiter, manufactorae principale producunt transformatores cum insulatione puncti neutri 60 kV. Diversae niveles insulationis habent diversas capacitates sustinendi dielectricas, ut ostenditur in Tabula 1. Considerando conditiones practicas, senectutem insulationis, et margines tutionis uoltus frequentiae potentiae, factores correctionis applicantur. Factor tutionis marginis impulsi fulminis 0.6 et factor tutionis marginis frequentiae potentiae 0.85 adoptantur [1], ducens ad valores tutionis referentes in Tabula 1.

Tabula 1 Niveles Sustinendi Insulationis / Valores Tutionis Referentes pro Punctis Neutris

3. Simulatio et Calculatio

Considera substationem 110 kV cum duobus transformatoribus (Y/Δ) operantibus in parallelo, duobus lineis 110 kV incoming, et quattuor lineis 35 kV outgoing. Diagramma unilineare monstratur in Figura 1. Ut currentes defectus uniphasici limitentur et interférentia communicativa reducantur, saepe tantum unus transformator habet punctum neutrum territum, alter vero non territur. Sub conditionibus fulminis, valde alta overvoltage potest induci ad puncto neutro transformatoris nonterriti, minans eius insulationem. Sectiones sequentes praebent analyses simulationis usante programmatum ATP sub variis scenariis.

Figura 1 Diagramma Unilineare Substationis 110 kV

3.1 Propagatio Fulminis ab Lineis Transmissionis in Substationem

3.1.1 Selectio Parametrorum Ondae Fulminis

Causa principalis overvoltage in substationibus est propagatio fulminis ab lineis transmissionis. Amplitudo maxima voltage in linea non debet excedere U50% sustinendi gradum insulatorum catenae lineae; aliter, flashover accidet in linea antequam surge intrat substationem. Quoniam primi 1–2 km lineae incominge solent protegi contra ictus fulminis directos, ondae fulminis intrantes substationem prorsus origine sunt ictus ultra hanc partem protectam. Pro ictibus extra substationem, magnitudo currentis fulminis intrantis substationem via lineas ≤220 kV est generaliter ≤5 kA, et ≤10 kA pro lineis 330–500 kV, cum diminuta steepness [15,17]. Basate in his conditionibus, onda fulminis modelatur ut function typica bini exponentialis:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
ubi a et b sunt constantes negativae, et k, a, b determinantur per amplitudinem surgi, tempus frontis, et tempus caudae. Usatur hic peak current 5 kA et standard 20/50 μs wave exponentialis.

3.1.2 Settamenta Parametrorum Aparatorum Substationis

Surges fulminis continent harmonicas frequensissimas; ergo, parametri lineae substationis modelantur ut parametri distributi. Commutatores, circuit breakers, current transformers (CTs), et voltage transformers (VTs) intra substationem repraesentantur per capacitances equivalentes shunt. Capacitance input equivalentis transformatoris datur per Cₜ = kS⁰·⁵, ubi S est capacitas transformatoris triphasici. Pro niveis voltage ≤220 kV, n=3, et pro transformatoribus 110 kV, k=540. Surge arrester busbar selectus est YH1OWx-108/290, et surge arrester puncti neutralis YH1.5W-72/186.

3.1.3 Calculatio et Analysatio

Overvoltage generata ad puncto neutro differt secundum an sit localiter territum vel nonterritum. Simulationes perficiuntur pro tribus scenariis: surge uniphasicus unicircuitalis, surge biphasicus unicircuitalis, et surge uniphasicus bicircuitalis, considerando simul cum et sine surge arrester puncti neutralis. Resultata ostenduntur in Tabula 2.

Tabula 2 Peak Overvoltage sub Conditionibus Puncti Neutralis Localiter Territi / Nonterriti

3.1.4 Analyse Resultatum

Ex Tabula 2, in systematibus ubi neutrum transformatoris est localiter ad terram conductum, parator fulminis busbar efficaciter limitat supra-tensionem, ita ut punctum neutrum transformatoris non-terreni non experiat altam supra-tensionem, et parator puncti neutri raro operatur. In systematibus ubi punctum neutrum est localiter non-terrenum, supra-tensio puncti neutri valde alta est. Sine paratore fulminis, hoc severum periculum insulae praebet (impetus fulminis tolerandae tensionis transformatoris 110 kV cum insulatione graduata, considerante marginem securitatis, est 195 kV). Installatio paratoris fulminis puncti neutri significanter reducit cuspitem supra-tensionis. Propterea, impetus fulminis propagantes ab lineis non minantur insulam puncti neutri munitum paratore fulminis.

3.2 Fulmen Directum in Stationem Transformationis

Quamquam stationes transformationis generaliter habent protectionem fulminis compendiosam, ictus fulminis directi, licet rari propter complexitatem et casualitatem fulminis, tamen possunt accidere [2] et causare damnum apparatorum. Ergo, studium supra-tensionis puncti neutri causatae ictu directo et correspondens praesidia protectiva necessaria sunt.

3.2.1 Selectio Parametrorum Fulminis et Stationis Transformationis

Parametri stationis transformationis manent eadem sicut iam definiti. Calculi perficiuntur usque ad parametris standard fulminis (1.2/50 μs) cum amplitudinibus 50, 100, 200, et 250 kA. Impedentia undarum canalis fulminis accepta est 400 Ω.

3.2.2 Calculatio et Analyse

Resultata ictus fulminis directi in unipolare busbar (bipolares ictus sunt rari) sub conditionibus localiter terrenis et non-terrenis neutri demonstrantur in Tabula 3 (I et II repraesentant casus sine et cum paratore fulminis puncti neutri, respectiviter).

Tabula 3 Cuspis Supra-tensionis sub Conditionibus Localiter Terrenis / Non-terrenis Neutri (Ictus Directus)

3.2.3 Analyse Resultatum

Ut Tabula 3 monstrat, cum crescente amplitudine fulminis, acus super-voltus in puncto neutro significanter crescunt, et oscillationes magis pronunciatae fiunt. Etiam cum parafulmine, residuum voltus trans parafulmen crescit. In substationibus cum neutralibus localiter non-terrae-fixis, super-voltus in puncto neutro ex fulmine est praecipue gravis. Etiam cum parafulmine, super-voltus remanet altus. Exempli gratia, ictus directus de 250 kA generat super-voltum in puncto neutro de 224.1 kV. In hoc casu, etiamsi parafulmen operatur, transformator adhuc potest laedi.

3.2.4 Discussio de Melioramentis

(1) Installa parafulmen in terminale transformatoris (exempli gratia, adde YH10Wx-108/290 pro transformatoribus non-terrae-fixis) ut limites super-voltum ex fulmine.
(2) Auge capacitem discursus currentis parafulminis in puncto neutro. Parafulmen existens habet capacitem discursus de 1.5 kA ad residuo voltu de 186 kV. Propositum est hanc capacitem augere ad 15 kA.

Simulatio iterata facta est pro ictu directo fulminis in busbar in systemate cum neutrale localiter non-terrae-fixo, et resultata ostensa sunt in Tabula 4.

Tabula 4 Acus Super-Voltus in Puncto Neutro cum Parafulmine (Melioramenta)

Comparando tabulas III et IV, installare fulminifugum in termino transformatoris inefficax est in reducendo superlativam tensionem puncti neutri. Tamen, augendo capacitem deperditionis fulminifugi, significanter melioratur limitatio superlativae tensionis. Proinde, huiusmodi methodus commendatur. Fabricantes fulminifugorum monentur ut concentrentur in technologicis meliorationibus ad potentiandum capacitem deperitionis currentis.

4. Conclusio

a) Installare fulminifugos tam in busbar quam in puncto neutro transformatoris efficaciter limitat superlativam tensionem puncti neutri causatam per fluctus fulminales propagantes ex lineis transmissionis.
b) Quando substationem directe fulgur percussit, alta superlativa tensio potest ori in puncto neutro transformatoris non terrae iuncti. Hoc effectus magis manifestus est in systematis cum partialiter non iunctis neutralibus, et sub existentibus schematibus protectionis superlativae tensionis, insulatio puncti neutri adhuc laedi potest.
c) Installare fulminifugum in termino transformatoris nullum significativum effectum habet in limitando superlativam tensionem puncti neutri; augmentando capacitem deperitionis currentis fulminifugi neutri, efficiens methodus est ad limitationem superlativae tensionis.