110 kV transformatora nulles punkta apgaismojuma pārslodze: ATP modelēšana un aizsardzības risinājumi

Ir ir vērojami daudz literatūras par pārsprieguma analīzi transformatoru neitrālajos punktos gaisa laukuma impulsu apstākļos. Tomēr, tā kā gaisa laukumu raksturo sarežģītība un nejaušums, precīzs teorētisks apraksts joprojām nav sasniedzams. Inženierpraksē aizsardzības pasākumi parasti tiek noteikti atbilstoši enerģētikas sistēmu kodeksiem, izvēloties piemērotus gaisa laukuma aizsardzības ierīces, ar pieejamu pilnīgu dokumentāciju.

Pārraides līnijas vai pārvadātavas ir neskaidri gaisa laukumu iedarbībai. Gaisa laukuma impulsus var izplatīties pa pārraides līnijām uz pārvadātavām vai tiekta iedarbinātas tieši pārvadātavas iekārtas, izraisojot pārspriegumu transformatoru neitrālajos punktos, kas rada draudu neitrālo punktu izolācijai. Tādēļ, pētījumi par neitrālo punktu pārspriegumu raksturojumiem gaisa laukuma apstākļos un aizsardzības ierīču sprieguma ierobežojuma efektivitātes novērtējums ir praktiski nozīmīgi [1]. Šajā rakstā tiek piedāvāts simulācijas pētījums, izmantojot Alternatīvo Transientu Programmu (ATP), visvairāk izmantoto Elektromagnētiskā Transientu Programmas (EMTP) versiju, balstoties uz konkrētas 110 kV pārvadātavas konfigurāciju. Savienojot gaisa laukuma pārsprieguma teoriju ar 110 kV transformatoru neitrālo punktu izolācijas raksturojumiem, raksts simuluē neitrālo punktu pārspriegumus dažādos gaisa laukuma impulsu apstākļos. Simulācijas rezultāti tiek salīdzinoši analizēti, un tiek piedāvāti pasākumi, lai samazinātu neitrālo punktu pārspriegumu.

1. Teorētiskā analīze

1.1 Gaisa laukuma iedarbība pārraides līnijām

Kad virsgrunts pārraides līnija tiek iedarbina gaisa laukumu, ceļojuma vāve izplatās pa vadām [1]. Pārvadātavās daudzas īssavienojumi (piemēram, savienojumi no transformatoriem uz šķidrprogrammām vai impulsu apstādinātājiem) rīkojas līdzīgi pārraides līnijām ļoti īsā gaisa laukuma impulsu laikā. Šie savienojumi izraisa ātru vāves izplatīšanos, atstarošanos un refrakcijas procesus, bieži veidojot tranzientus pārspriegumus ar ļoti augstu amplitūdu, kas var bojāt iekārtas.

1.2 Parametru analīze Y savienojumā esošajiem transformatoru vākiem gaisa laukuma impulsu apstākļos

Trifāzes transformatoru vāki parasti ir savienoti Y, Yo vai Δ konfigurācijā. Darbības laikā gaisa laukumu impulsus var iedot caur vienu, divām vai pat trim fāzēm [1]. Šis raksts koncentrējas uz Y savienojumā esošiem vākiem, jo tikai šādas konfigurācijas ir pieejamas neitrālie punkti. Ja transformators ir savienots Yo un fāžu savstarpējā savienojuma ietekme tiek ignorēta, tad neatkarīgi no tā, vai tiek iedarbina viena, divas vai trīs fāzes, sistēma var tikt analizēta kā trīs neatkarīgi vāki ar zemesgabaliem.

2. 110 kV transformatoru neitrālo punktu izolācijas stāvoklis

110 kV transformatoru neitrālie punkti izmanto gradveida izolāciju, kas iedalīta 35 kV, 44 kV vai 60 kV līmeņos. Pašlaik ražotāji galvenokārt ražo transformatorus ar 60 kV neitrālo punktu izolāciju. Dažādi izolācijas līmeņi ir ar dažādām dielektriskās noturības spējām, kā to parāda Tabula 1. Ņemot vērā prakses apstākļus, izolācijas novecošanu un drošības mārci enerģijas frekvences spriegumam, tiek piemēroti labojumu koeficienti. Tieši gaisa laukuma impulsa noturības mārka ir 0,6, bet enerģijas frekvences noturības mārka ir 0,85 [1], kas ved pie atsauces noturības vērtībām Tabulā 1.

Tabula 1 Izolācijas noturības līmeņi / Atsauces noturības vērtības neitrāliem punktiem

3. Modelēšana un aprēķini

Apsvērsim 110 kV pārvadātavu ar diviem transformatoriem (Y/Δ), kas darbojas paralēli, diviem 110 kV ieietiem un četriem 35 kV izietiem. Vienlinijas shēma ir atspoguļota 1. attēlā. Lai ierobežotu vienfazu uz zemi sliekošanas strāvas un samazinātu komunikācijas traucējumus, parasti tikai viens transformators ir savienots ar zemi, bet otrs paliek nesavienots. Gaisa spuldzes impulsu apstākļos nesavienotā transformatora neitrālā punkta var inducēties ļoti augsts pārslodze, kas draud tās izolācijai. Nākamajos posmos tiek veikti modelēšanas analīzes, izmantojot ATP programmu dažādos scenārijos.

Attēls 1 110 kV pārvadātavas vienlinijas shēma

3.1 Gaisa spuldzes impulss, kas pārsniedz no pārvades līnijām uz pārvadātavu

3.1.1 Gaisa spuldzes parametru izvēle

Pārvadātavās pārslodzes galvenā cēlonis ir gaisa spuldzes impulsus, kas pārsniedz no pārvades līnijām. Līnijas maksimālajai slodzei nedrīkst pārsniegt līnijas izolatoru virknes U50% izturības līmeni; pretējā gadījumā līnijā notiktu pārklāšanās, pirms impulss ienāktu pārvadātavā. Tā kā pirmie 1–2 km ieietā līnija parasti tiek aizsargāta pret tiešiem gaisa spuldzes triecieniem, gaisa spuldzes impulsus, kas ienāk pārvadātavā, galvenokārt rada triecieni aiz šī aizsargājamā posma. Gaisa spuldzes triecieni, kas notiek ārpus pārvadātavas, pārvadātavā ienākošo līniju ≤220 kV gadījumā parasti nepārsniedz 5 kA, bet 330–500 kV līniju gadījumā – 10 kA, ar būtiski samazinātu steptumu [15,17]. Šiem apstākļiem balstot, gaisa spuldzes impulss tiek modelēts, izmantojot tipisko divkāršu eksponenciālo funkciju:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
kur a un b ir negatīvi konstanti, un k, a, b tiek noteikti impulsa amplitūdē, priekšdaļas laikā un beigu laikā. Šeit tiek izmantots 5 kA maksimālais strāvas vērtība un standarta 20/50 μs eksponenciālais impulss.

3.1.2 Pārvadātavas iekārtu parametru iestatīšana

Gaisa spuldzes impulsos ir ietverti ļoti augstfrekvences harmoniskie signāli; tādēļ, pārvadātavas līnijas parametri tiek modelēti kā izplatītie parametri. Pārvadātavas iekšienē esošie slēdzieni, izslēgumi, strāvas transformatori (CT) un sprieguma transformatori (VT) tiek attēloti ar ekvivalentajām šķērsojošajām kapacitancēm. Transformatora ekvivalentā ieņemšanas kapacitance ir dota ar Cₜ = kS⁰·⁵, kur S ir trīsfazu transformatora jauda. Sprieguma līmeņiem ≤220 kV, n=3, un 110 kV transformatoriem, k=540. Autobusa impulssargu izvēle ir YH1OWx-108/290, bet neitrālā punkta impulssargs ir YH1.5W-72/186.

3.1.3 Aprēķins un analīze

Neitrālā punkta radītā pārslodze atšķiras atkarībā no tā, vai tas ir vietēji savienots ar zemi vai nesavienots. Veic tiek veiktas simulācijas trīs scenārijos: viena līnija vienfase impulss, viena līnija divfase impulss, un divas līnijas vienfase impulss, ņemot vērā gan ar, gan bez neitrālā punkta impulssarga. Rezultāti ir atspoguļoti 2. tabulā.

Tabula 2 Augstākā pārslodze vietēji savienotā / nesavienotā neitrālā punkta apstākļos

3.1.4 Rezultātu analīze

No Tabulas 2 izriet, ka sistēmās, kur transformatora neitrālais punkts tiek lokāli uzzemināts, šķidruma apstādinātājs efektīvi ierobežo pārspriegumu, tāpēc neatminēta transformatora neitrālā punkta nepieredz augstu pārspriegumu, un neitrālā punkta apstādinātājs parasti nedarbojas. Sistēmās, kur neitrālais punkts nav lokāli uzzemināts, neitrālā punkta pārspriegums ir ļoti augsts. Bez šķidruma apstādinātāja tas rada nopietnu draudu izolācijai (110 kV transformatoram ar gradveida izolāciju, ņemot vērā drošības mākoņu, laika impulsu izturējuma spriegums ir 195 kV). Neitrālā punkta šķidruma apstādinātāja instalēšana būtiski samazina maksimālo pārspriegumu. Tādēļ, šķidruma impulsus, kas pa ceļiem nonāk līdz transformatoram, neapdraud neitrālā punkta izolāciju, ja tas ir aprīkots ar šķidruma apstādinātāju.

3.2 Tiešs laikakmens uzplaksts uz pārvadātavu

Lai arī pārvadātavas vispārīgi ir aprīkotas ar visaptverošu laikakmena aizsardzību, tiešie laikakmens uzplaksti, neskatoties uz to retumu dēļ laikakmeņa sarežģītības un nejaušības, joprojām var notikt [2] un izraisīt iekārtu bojājumus. Tādēļ, ir nepieciešama pētījumi par pārspriegumu neitrālajā punktā, ko izraisa tiešie laikakmens uzplaksti, un atbilstošās aizsardzības pasākumi.

3.2.1 Laikakmena un pārvadātavas parametru izvēle

Pārvadātavas parametri paliek tādi paši, kā tos iepriekš definēja. Aprēķini tiek veikti, izmantojot standarta laikakmena parametrus (1.2/50 μs) ar amplitūdēm 50, 100, 200 un 250 kA. Laikakmena kanāla viļņa pretestība tiek pieņemta 400 Ω.

3.2.2 Aprēķinu un analīzes veikšana

Rezultāti tiešam laikakmens uzplakstam uz vienas fāzes šķidruma (divfāzes uzplaksti ir reti) lokāli uzzeminātā un neatminētā neitrālā punkta nosacījumos ir atspoguļoti Tabulā 3 (I un II attiecīgi atbilst gadījumiem bez un ar neitrālā punkta šķidruma apstādinātāju).

Tabula 3 Maksimālie pārspriegumi lokāli uzzeminātā / neatminētā neitrālā punkta nosacījumos (tiešs uzplaksts)

3.2.3 Rezultātu analīze

Kā redzams Tabulā 3, pieaugot vētrauksta strāvas amplitūdai, neutraļpunkta virsietensiona maksimums ievērojami palielinās, un svārstības kļūst acīmredzamākas. Pat ar impulsu aprobežotāju, atlikusī sprieguma vērtība pašā aprobežotājā palielinās. Pārveidotajos transformatoru stacijās ar vietēji neapgabaltiem neutraļpunktiem, vētrauksta dēļ radītais neutraļpunkta virsietensions ir īpaši smags. Pat ar impulsu aprobežotāju, virsietensions paliek augsts. Piemēram, 250 kA tiešais trāpums izraisa 224.1 kV lielu neutraļpunkta virsietensionu. Šajā gadījumā, pat ja darbojas neutraļpunkta aprobežotājs, transformators var būt bojāts.

3.2.4 Pasākumu uzlabošanas diskusija

(1) Instalēt impulsu aprobežotāju transformatora terminālā (piemēram, pievienot YH10Wx-108/290 neapgabaltiem transformatoriem), lai ierobežotu vētrauksta impulsu virsietensionu.
(2) Palielināt neutraļpunkta impulsu aprobežotāja izlādes strāvas jaudu. Esošais aprobežotājs pie atlikusī sprieguma vērtībā 186 kV nodrošina izlādes jaudu 1.5 kA. Ierosināts šo jaudu palielināt līdz 15 kA.

Tika veikti pārmērīgi simulācijas tiešam vētrauksta trāpumam mezglā pārveidotajā sistēmā ar vietēji neapgabaltu neutraļpunktu, un rezultāti ir parādīti Tabulā 4.

Tabula 4 Neutraļpunkta virsietensiona maksimums ar impulsu aprobežotāju (uzlabotie pasākumi)

Salīdzinot tabulas 3 un 4, aizsargspēka ievietošana transformatora terminālā nav efektīva, lai samazinātu nulles punkta spīduma pārsprogumu. Tomēr, palielinot impulsa aizsargspēka izplūdes jaudu, būtiski uzlabojas pārsprogumu ierobežojums. Tāpēc šis paņēmiens tiek ieteikts. Impulsa aizsargspēku ražotājiem ir ieteicams koncentrēties uz tehnoloģiskiem uzlabojumiem, lai palielinātu izplūdes strāvas jaudu.

4. Secinājumi

a) Impulsa aizsargspēku ievietošana gan šķidrvedē, gan transformatora nulles punktā efektīvi ierobežo nulles punkta pārsprogumus, ko rada spīduma impulsu izplatība no elektrosniedzēju līnijām.
b) Ja pārvadības stacija cieš tiešu spīduma trāpību, nulles punktā neiegabaltā transformatorā var attīstīties liels pārsprogums. Šis efekts ir vērojamāks sistēmās ar daļēji neiegabaltiem nulles punktiem, un sastopamajos pārsprogumu aizsardzības shēmos nulles punkta izolācija var tikt bojāta.
c) Aizsargspēka ievietošana transformatora terminālā nemazina nulles punkta pārsprogumu; palielinot nulles punkta impulsa aizsargspēka izplūdes strāvas jaudu, ir efektīvs veids, kā ierobežot pārsprogumus.