Tegangan Lebih Petir pada Titik Neutral Penjana 110 kV: Simulasi ATP & Penyelesaian Perlindungan

Terdapat literatur yang luas mengenai analisis tegangan berlebih pada titik neutral transformator dalam keadaan hantaran petir. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh kerumitan dan ketidakpastian gelombang petir, deskripsi teori yang tepat masih sukar dicapai. Dalam amalan kejuruteraan, langkah-langkah perlindungan biasanya ditentukan berdasarkan kod sistem kuasa dengan memilih peranti perlindungan petir yang sesuai, dengan dokumentasi sokongan yang melimpah ruah.

Laluan penghantaran atau stesen pengubah suai mudah terkena serangan petir. Gelombang hantaran petir mungkin merambat sepanjang laluan penghantaran ke stesen pengubah suai atau menyerang langsung peralatan stesen pengubah suai, menimbulkan tegangan berlebih pada titik neutral transformator, yang membawa ancaman kepada isolasi titik neutral. Oleh itu, mengkaji ciri-ciri tegangan berlebih titik neutral dalam keadaan petir dan menilai keberkesanan had-tegangan peranti perlindungan mempunyai makna praktikal [1]. Kertas kerja ini menyajikan kajian simulasi menggunakan Program Transient Alternatif (ATP), versi paling meluas digunakan dari Program Transient Elektromagnetik (EMTP), berdasarkan konfigurasi stesen pengubah suai 110 kV tertentu. Dengan menggabungkan teori tegangan berlebih petir dengan ciri-ciri isolasi titik neutral transformator 110 kV, kertas kerja ini mensimulasikan tegangan berlebih titik neutral dalam pelbagai keadaan gelombang petir. Hasil simulasi dianalisis secara berbanding, dan cadangan untuk mengurangkan tegangan berlebih titik neutral telah dibuat.

1. Analisis Teori

1.1 Serangan Petir pada Laluan Penghantaran

Apabila laluan penghantaran udara diserang petir, gelombang bergerak merambat sepanjang konduktor [1]. Di dalam stesen pengubah suai, banyak laluan sambungan pendek (seperti sambungan dari transformator ke busbar atau pemadam petir) bertindak serupa dengan laluan penghantaran di bawah impuls petir yang sangat singkat. Laluan-laluan ini menunjukkan proses rambatan, pantulan, dan bias yang cepat, sering kali menghasilkan tegangan berlebih sementara dengan amplitudo puncak yang sangat tinggi yang boleh merosakkan peralatan.

1.2 Analisis Parameter pada Penjeratan Transformator Y-Connected di Bawah Hantaran Petir

Penjeratan transformator tiga fasa biasanya disambung dalam konfigurasi Y, Yo, atau Δ. Semasa operasi, hantaran petir mungkin masuk melalui satu, dua, atau bahkan tiga fasa [1]. Kertas kerja ini memberi tumpuan pada penjeratan Y-connected, kerana hanya konfigurasi tersebut mempunyai titik neutral yang boleh diakses. Apabila transformator disambung dalam Yo dan penghubungan antara fasa diabaikan, sama ada satu, dua, atau tiga fasa diserang, sistem boleh dianalisis sebagai tiga penjeratan bebas dengan terminal yang di-grounded.

2. Keadaan Isolasi Titik Neutral Transformator 110 kV

Titik neutral transformator 110 kV menggunakan isolasi berperingkat, dikategorikan sebagai tahap 35 kV, 44 kV, atau 60 kV. Pada masa kini, pembuat-pembuat utamanya menghasilkan transformator dengan isolasi titik neutral 60 kV. Tahap isolasi yang berbeza mempunyai kebolehan tahanan dielektrik yang berbeza, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1. Mengambil kira keadaan praktikal, penuaan isolasi, dan margin keselamatan untuk voltan frekuensi kuasa, faktor-faktor pembetulan diterapkan. Faktor margin tahanan impuls petir 0.6 dan faktor margin tahanan frekuensi kuasa 0.85 digunakan [1], membawa kepada nilai-nilai tahanan rujukan dalam Jadual 1.

Jadual 1 Tahap Tahanan Isolasi / Nilai Tahanan Rujukan untuk Titik Neutral

3. Simulasi dan Pengiraan

Pertimbangkan sebuah stesen pengubah tegangan 110 kV dengan dua transformer (Y/Δ) beroperasi secara selari, dua laluan masuk 110 kV, dan empat laluan keluar 35 kV. Gambar rajah satu talian ditunjukkan dalam Rajah 1. Untuk menghadkan arus kesilapan fasa tunggal dan mengurangkan gangguan komunikasi, biasanya hanya satu transformer yang mempunyai titik neutralnya dikebumikan sementara yang lain kekal tidak dikebumikan. Di bawah keadaan lonjakan petir, voltan sangat tinggi boleh diinduksi pada titik neutral transformer yang tidak dikebumikan, membawa ancaman kepada isolasinya. Bahagian-bahagian berikut menyajikan analisis simulasi menggunakan program ATP di bawah pelbagai skenario.

Rajah 1 Gambar Rajah Satu Talian Stesen Pengubah Tegangan 110 kV

3.1 Lonjakan Petir Bergerak dari Laluan Transmisi ke Stesen Pengubah Tegangan

3.1.1 Pilihan Parameter Gelombang Petir

Penyebab utama voltan berlebihan di stesen pengubah tegangan adalah lonjakan petir yang bergerak dari laluan transmisi. Amplitud voltan maksimum pada laluan tidak boleh melebihi tahap ketahanan U50% tali insulator laluan; jika tidak, terjadi flashover pada laluan sebelum lonjakan masuk ke stesen pengubah tegangan. Karena 1-2 km pertama laluan masuk biasanya dilindungi daripada hantaman petir langsung, gelombang petir yang memasuki stesen pengubah tegangan kebanyakannya berasal dari hantaman di luar bahagian yang dilindungi. Untuk hantaman petir di luar stesen, magnitud arus petir yang memasuki stesen pengubah tegangan melalui laluan ≤220 kV biasanya ≤5 kA, dan ≤10 kA untuk laluan 330–500 kV, dengan kecuraman yang berkurangan secara signifikan [15,17]. Berdasarkan keadaan ini, gelombang petir dimodelkan menggunakan fungsi eksponensial berganda:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
di mana a dan b adalah pemalar negatif, dan k, a, b ditentukan oleh amplitud lonjakan, masa depan, dan masa ekor. Arus puncak 5 kA dan gelombang eksponensial piawai 20/50 μs digunakan di sini.

3.1.2 Tetapan Parameter Peranti Stesen Pengubah Tegangan

Lonjakan petir mengandungi harmonik frekuensi sangat tinggi; oleh itu, parameter laluan stesen pengubah tegangan dimodelkan sebagai parameter tersebar. Beralih, pemutus litar, transformer arus (CT), dan transformer voltan (VT) di dalam stesen pengubah tegangan diwakili oleh kapasitans shunt setara. Kapasitans input setara transformer diberikan oleh Cₜ = kS⁰·⁵, di mana S adalah kapasiti transformer tiga fasa. Untuk voltan ≤220 kV, n=3, dan untuk transformer 110 kV, k=540. Penahan lonjakan busbar dipilih sebagai YH1OWx-108/290, dan penahan lonjakan titik neutral sebagai YH1.5W-72/186.

3.1.3 Pengiraan dan Analisis

Voltan berlebihan yang dihasilkan pada titik neutral berbeza bergantung pada sama ada ia dikebumikan tempatan atau tidak dikebumikan. Simulasi dijalankan untuk tiga skenario: lonjakan fasa tunggal laluan tunggal, lonjakan dua fasa laluan tunggal, dan lonjakan fasa tunggal laluan berganda, dengan dan tanpa penahan lonjakan titik neutral. Keputusan ditunjukkan dalam Jadual 2.

Jadual 2 Voltan Puncak di Bawah Syarat Neutral Dikebumikan / Tidak Dikebumikan

3.1.4 Analisis Keputusan

Dari Jadual 2, dalam sistem di mana titik neutral transformator dipetik secara tempatan, pelindung lonjakan busbar secara berkesan menghadkan tegangan terlalu tinggi, maka titik neutral transformator yang tidak dipetik tidak mengalami tegangan terlalu tinggi yang tinggi, dan pelindung titik neutral biasanya tidak beroperasi. Dalam sistem di mana titik neutral tidak dipetik secara tempatan, tegangan terlalu tinggi pada titik neutral sangat tinggi. Tanpa pelindung lonjakan, ini membawa ancaman serius kepada isolasi (tegangan tahanan impuls petir bagi transformator 110 kV dengan pengasingan bertingkat, mempertimbangkan margin keselamatan, adalah 195 kV). Pemasangan pelindung lonjakan titik neutral menurunkan puncak tegangan terlalu tinggi secara signifikan. Oleh itu, lonjakan petir yang merambat dari laluan tidak mengancam isolasi titik neutral yang dilengkapi dengan pelindung lonjakan.

3.2 Petir Langsung Menyerang Stesen Penapisan

Walaupun stesen penapisan umumnya mempunyai perlindungan petir yang menyeluruh, serangan petir langsung, walaupun jarang berlaku disebabkan kompleksiti dan keacakan petir, masih boleh berlaku [2] dan menyebabkan kerosakan peralatan. Oleh itu, penting untuk mengkaji tegangan terlalu tinggi pada titik neutral akibat serangan langsung dan langkah-langkah perlindungan yang sesuai.

3.2.1 Pilihan Parameter Petir dan Stesen Penapisan

Parameter stesen penapisan kekal sama seperti yang ditentukan sebelumnya. Pengiraan dibuat menggunakan parameter petir piawai (1.2/50 μs) dengan amplitud 50, 100, 200, dan 250 kA. Impedans gelombang saluran petir diambil sebagai 400 Ω.

3.2.2 Pengiraan dan Analisis

Keputusan serangan petir langsung pada busbar fasa tunggal (serangan dua fasa jarang berlaku) di bawah keadaan titik neutral dipetik secara tempatan dan tidak dipetik ditunjukkan dalam Jadual 3 (I dan II mewakili kes-kes tanpa dan dengan pelindung lonjakan titik neutral).

Jadual 3 Tegangan Terlalu Tinggi Puncak di Bawah Keadaan Titik Neutral Dipetik Secara Tempatan / Tidak Dipetik (Serangan Langsung)

3.2.3 Analisis Keputusan

Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 3, dengan peningkatan amplitud arus petir, voltan puncak pada titik neutral meningkat secara signifikan, dan osilasi menjadi lebih ketara. Walaupun dengan pemegang surau, voltan sisa di seberang pemegang surau meningkat. Di dalam stesen transformasi dengan neutral tidak terbumikan tempatan, voltan berlebihan pada titik neutral akibat petir adalah sangat serius. Walaupun dengan pemegang surau, voltan berlebihan tetap tinggi. Sebagai contoh, sambaran langsung 250 kA menghasilkan voltan berlebihan pada titik neutral sebanyak 224.1 kV. Dalam kes ini, walaupun pemegang surau pada titik neutral beroperasi, transformer masih boleh rosak.

3.2.4 Perbincangan tentang Tindakan Peningkatan

(1) Pasang pemegang surau pada terminal transformer (contohnya, tambah YH10Wx-108/290 untuk transformer tidak terbumikan) untuk membatasi voltan berlebihan gelombang petir.
(2) Tingkatkan kapasiti arus pelepasan pemegang surau titik neutral. Pemegang surau sedia ada mempunyai kapasiti pelepasan 1.5 kA pada voltan sisa 186 kV. Cadangan untuk meningkatkan kapasiti ini kepada 15 kA telah dibuat.

Simulasi semula untuk sambaran petir langsung pada busbar dalam sistem neutral tidak terbumikan tempatan telah dilakukan, dan keputusan ditunjukkan dalam Jadual 4.

Jadual 4 Voltan Berlebihan Puncak Titik Neutral dengan Pemegang Surau (Tindakan Peningkatan)

Berdasarkan perbandingan Jadual 3 dan 4, pemasangan pelindung petir di terminal transformator tidak berkesan dalam mengurangkan overvoltan titik neutral akibat sambaran petir. Walau bagaimanapun, peningkatan kapasiti pembebasan pelindung petir secara signifikan meningkatkan had overvoltan. Oleh itu, kaedah ini disarankan. Pihak pembuat pelindung petir dinasihatkan untuk memberi tumpuan kepada penambahbaikan teknologi bagi meningkatkan kapasiti arus pembebasan.

4. Kesimpulan

a) Pemasangan pelindung petir pada busbar dan titik neutral transformator secara efektif membatasi overvoltan pada titik neutral yang disebabkan oleh gelombang petir yang merambat dari laluan penghantaran.
b) Apabila stesen transformator mengalami sambaran petir langsung, overvoltan tinggi boleh terjadi pada titik neutral transformator yang tidak ditanahkan. Kesan ini lebih ketara dalam sistem dengan titik neutral separuh ditanahkan, dan di bawah skema perlindungan overvoltan sedia ada, isolasi titik neutral masih mungkin rosak.
c) Pemasangan pelindung petir di terminal transformator tidak mempunyai kesan yang signifikan dalam membatasi overvoltan titik neutral; peningkatan kapasiti arus pembebasan pelindung petir titik neutral adalah kaedah yang berkesan untuk membatasi overvoltan.