110 kV трансформатор нулта точка на помолниот претход: ATP симулација & заштитни решенија

Постојат обилни literature за анализа на прекумурање во нултата точка на трансформатори под услови на громовски удар. Меѓутоа, поради комплексноста и случајноста на громовските волни, точно теоретско опишување все още е недостижливо. Во инженерската практика, заштитните мерки се одредуваат обично според кодовите за енергетски системи, избирајќи соодветни уреди за заштита од гром, со достапна богата документација.

Трансмисионите линии или подстанции се подложни на громовски удари. Громовските волни можат да се шират по трансмисионите линии до подстанциите или директно да ударуваат на опремата во подстанциите, што предизвикува прекумурање во нултата точка на трансформаторот, што претставува опасност за изолацијата на нултата точка. Затоа, студијата на карактеристиките на прекумурањето во нултата точка под услови на громовски удар и оцената на ефективноста на ограничување на напонот од страна на заштитните уреди има практичка значајност [1]. Овој труд прикажува симулација користејќи програмата за алтернативни транзиентни процеси (ATP), најшироко користената верзија на програмата за електромагнетни транзиентни процеси (EMTP), заснована на конфигурацијата на специфична 110 кВ подстанција. Сочетувајќи теоријата за громовско прекумурање со карактеристиките на изолацијата на нултата точка на 110 кВ трансформатор, трудот симулира прекумурање во нултата точка под различни услови на громовски волни. Резултатите од симулацијата се компаративно анализирани, и се предлажаат мери за намалување на прекумурањето во нултата точка.

1. Теоретска анализа

1.1 Удар на гром на трансмисионите линии

Кога надворешна трансмисиона линија е ударена од гром, тревлачка волна се шире по проводникот [1]. Внатре во подстанциите, многу кратки поврзувачки линии (на пример, поврзување од трансформатор до бар или уред за ограничување на напон) се однесуваат како трансмисиони линии под услови на краткотрајни громовски импулси. Овие линии покажуваат брзо ширење, рефлексија и рефракција на волни, често генерирајќи транзиентни прекумурања со многу високи врвни амплитуди кои можат да повредат опремата.

1.2 Анализа на параметри на Y-поврзаните трансформаторски виткања под услови на громовски удар

Трофазните трансформаторски виткања обично се поврзуваат во конфигурации Y, Yo или Δ. Во време на работа, громовските волни можат да влезат преку една, две или дури и три фази [1]. Овој труд се фокусира на Y-поврзаните виткања, бидејќи само таквите конфигурации имаат пристапна нулта точка. Кога трансформаторот е поврзан во конфигурација Yo и се занемарува мутуалната врска помеѓу фазите, не важно дали една, две или три фази се ударени, системот може да се анализира како три независни виткања со землишта на терминалите.

2. Состојба на изолацијата на нултата точка на 110 кВ трансформатори

Нултите точки на 110 кВ трансформатори користат градирана изолација, категоризирана како 35 кВ, 44 кВ или 60 кВ нивоа. Тековно, производителите главно произведуваат трансформатори со 60 кВ изолација на нултата точка. Различните нивоа на изолација имаат различни капацитети за диелектрична отпорност, како што е прикажано во Табела 1. Со оглед на практичките услови, стареењето на изолацијата и безбедносните марџини за силосната фреквенција, се применуваат корекциони фактори. Прифатен е фактор на марџин за отпорност на громовски импулси од 0,6 и фактор на марџин за отпорност на силосна фреквенција од 0,85 [1], што доведува до референтните вредности на отпорност прикажани во Табела 1.

Табела 1 Нивоа на отпорност на изолацијата / Референтни вредности на отпорност за нултите точки

3. Симулација и пресметка

Размислете за подстанција од 110 кВ со два трансформатори (Y/Δ) кои работат паралелно, две влезни линии од 110 кВ и четири излезни линии од 35 кВ. Еднолинискиот дијаграм е прикажан на Слика 1. За да се ограничат једнофазните земјишни грешки и да се намали комуникациската интерференција, обично само еден трансформатор има своја неутрална точка поврзана со земјата, додека другиот останува неповрзан. Под услови на градеж од молнја, во неутралната точка на неповрзаниот трансформатор може да се индуцира многу голема прекумерна напонска вредност, што запризора неговата изолација. Настојниот дел презентира симулациони анализи користејќи програмата ATP при различни сценарија.

Слика 1 Еднолиниски дијаграм на подстанцијата од 110 кВ

3.1 Продолжување на градежот од молнја од предавачките линии во подстанцијата

3.1.1 Избор на параметри на валната форма на молнјата

Основната причина за прекумерни напони во подстанциите е градежот од молнја кој продолжува од предавачките линии. Максималната амплитуда на напонот на линијата не може да надмине U50% ниво на издржливост на низата изолатори на линијата; во спротивно, би се случил пробој на линијата пред да градежот влезе во подстанцијата. Бидејќи првите 1-2 км на влезната линија обично се заштитени од директни удари од молнја, валните форми на молнјата кои влегуваат во подстанцијата главно потекнуваат од удари надвор од овој заштитен дел. За удари надвор од подстанцијата, величината на струјата од молнја која влегува во подстанцијата преку линии ≤220 кВ е обично ≤5 кА, а ≤10 кА за линии 330-500 кВ, со значително намалена стрмност [15,17]. На основа на овие услови, валната форма на молнјата е моделирана со типична двоекспоненцијална функција:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
каде што a и b се негативни константи, а k, a, b се определени од амплитудата на градежот, временската длабочина на фронтот и времето на опаѓање. Користено е врвно течење од 5 кА и стандардна експоненцијална вална форма 20/50 μs.

3.1.2 Параметри на опремата во подстанцијата

Градежите од молнја содржат многу високочестотни хармоници; затоа, параметрите на линиите во подстанцијата се моделираат како распределени параметри. Копчињата, прекинувачите, трансформаторите на течење (CTs) и трансформаторите на напон (VTs) во подстанцијата се претставени со еквивалентни капацитети во паралела. Еквивалентниот влезен капацитет на трансформаторот е даден со Cₜ = kS⁰·⁵, каде што S е капацитетот на трифазниот трансформатор. За напонски нивоа ≤220 кВ, n=3, а за трансформаторите од 110 кВ, k=540. Защитникот против градежите на главната шина е избран како YH1OWx-108/290, а защитникот против градежите на неутралната точка како YH1.5W-72/186.

3.1.3 Пресметка и анализа

Прекумерната напонска вредност генерирана во неутралната точка се разликува во зависност од тоа дали е локално поврзана со земјата или не. Симулации се извршуваат за три сценарија: еднофазен градеж на една линија, двофазен градеж на една линија и еднофазен градеж на две линии, земајќи ги во предвид случаите со и без защитник против градежите на неутралната точка. Резултатите се прикажани во Табела 2.

Табела 2 Врвни прекумерни напони при локално поврзана / неповрзана неутрална точка

3.1.4 Анализа на резултатите

Според Табела 2, во системите каде што нулата на трансформаторот е локално земјана, гасителот на превишени напони на магистралната жица ефективно ограничува превишени напони, така што нулата на нето земјан трансформатор не доживува високи превишени напони, и типичниот гасител на нулата обично не функционира. Во системите каде што нулата не е локално земјана, превишениот напон на нулата е многу висок. Без гасител на превишени напони, ова претставува сериозна опасност за изолацијата (ударниот импулс кој може да се издружи од страна на трансформатор со градирана изолација на 110 кВ, сознатрани безбедносен маргин, е 195 кВ). Инсталирањето на гасител на превишени напони на нулата значително го намалува врвниот превишени напон. Затоа, ударните импулси што се шират од линиите не претставуваат опасност за изолацијата на нулата опремена со гасител.

3.2 Директен грмеж на подстанцијата

Иако подстанциите обично имаат комплетна заштита од грмеж, директните грмежи, иако ретки поради комплексноста и случајноста на грмежите, все уште можат да се случат [2] и да предизвикаат повреди на опремата. Затоа, студијата на превишени напони на нулата предизвикани од директни грмежи и одговарачките мерки за заштита се неопходни.

3.2.1 Избор на параметри за грмеж и подстанција

Параметрите на подстанцијата остануваат истоветни како дефинирани претходно. Пресметките се извршуваат користејќи стандардни параметри за грмеж (1.2/50 μs) со амплитуди од 50, 100, 200 и 250 кА. Волната импеданса на каналот за грмеж е 400 Ω.

3.2.2 Пресметка и анализа

Резултатите од директен грмеж на једнофазна магистрална жица (двофазни грмежи се ретки) при локално земјана и нето земјана услови се прикажани во Табела 3 (I и II претставуваат случаи без и со гасител на превишени напони на нулата, соодветно).

Табела 3 Врвни превишени напони при локално земјана / нето земјана услови (Директен грмеж)

3.2.3 Анализа на резултатите

Како што е прикажано во Табела 3, со зголемување на амплитудата на молниевиот ток, врвната претруска на напонот во нултиот точка се зголемува значително, а осцилациите стануваат поизразени. Дури и со уред за заштита од претруски, остаточниот напон преку уредот се зголемува. Во преобразувачки станции со локално не-земани нулти точки, претрушката на напонот во нултиот точка поради молнии е особено тешка. Дури и со уред за заштита од претруски, претрушката на напонот останува висока. На пример, директен удар со 250 кА генерира претрушку на напонот во нултиот точка од 224,1 кВ. Во овој случај, дури и да функционира уредот за заштита на нултиот точка, преобразувачот може да биде повреден.

3.2.4 Расправа за мерки за подобрување

(1) Инсталирајте уред за заштита од претруски на терминалот на преобразувачот (на пример, додадете YH10Wx-108/290 за преобразувачи без земање) за ограничување на претрушката на напонот поради молнии.
(2) Зголемете капацитетот на отстранување на токот преку уредот за заштита од претруски во нултиот точка. Поседувањето на капацитет за отстранување на токот од 1,5 кА при остаточен напон од 186 кВ. Предлажа се да се зголеми овој капацитет до 15 кА.

Повторно симулации за директен удар со молнии на шина во систем со локално не-земана нулта точка беа изведени, а резултатите се прикажани во Табела 4.

Табела 4 Врвната претруска на напонот во нултиот точка со уред за заштита од претруски (Подобрени мерки)

Споредувајќи ги Табелите 3 и 4, инсталирањето на гасител на трансформаторскиот терминал е неефективно за намалување на прекумерната напонска висина на нултата точка. Меѓутоа, зголемувањето на капацитетот за одстреливанje на гасителя значајно подобрува ограничувањето на прекумерната напонска висина. Затоа, овој метод се препорачува. Производителите на гасители се советува да се фокусираат на технологички подобрувања за подобрување на капацитетот за одстреливачки струја.

4. Заклучок

a) Инсталирањето на гасители како на шинската мрежа, така и на нултата точка на трансформаторот ефективно ограничува прекумерната напонска висина на нултата точка предизвикана од блискавични импулси кои се шират од преносните линии.
b) Кога подстанцијата подлежи директен удар со блискавица, на нултата точка на нетронут трансформатор може да се развие висока прекумерна напонска висина. Овој ефект е по изразен во системите со делично нетронута нулта точка, и при постојаните шеми за заштита од прекумерни напони, изолацијата на нултата точка може да сè уште биде повредена.
c) Инсталирањето на гасител на трансформаторскиот терминал нема значаен ефект во ограничувањето на прекумерната напонска висина на нултата точка; зголемувањето на капацитетот за одстреливачки струја на гасителя на нултата точка е ефективен метод за ограничување на прекумерната напонска висина.