110 kV Transformatorneutrale Punt Bliksemoverspanning: ATP Simulatie & Beschermingsoplossingen

Er is uitgebreide literatuur beschikbaar over de analyse van overspanningen op transformatorneutrale punten onder blikseminslagomstandigheden. Echter, vanwege de complexiteit en willekeurigheid van bliksemgolven, blijft een nauwkeurige theoretische beschrijving moeilijk te verkrijgen. In de praktijk worden beschermingsmaatregelen meestal bepaald op basis van elektriciteitsnetcodes, door passende bliksembeschermingsapparaten te selecteren, waarbij er veel ondersteunende documentatie voorhanden is.

Hoogspanningslijnen of onderstations zijn gevoelig voor blikseminslagen. Bliksemschokken kunnen zich langs hoogspanningslijnen naar onderstations voortplanten of direct op onderstationsequipment inslaan, wat overspanningen op het neutrale punt van de transformatoren veroorzaakt, wat een bedreiging vormt voor de isolatie van het neutrale punt. Daarom heeft het bestuderen van de kenmerken van overspanningen op neutrale punten onder blikseminslagomstandigheden en het evalueren van de spanningbeperkende effectiviteit van beschermingsapparaten praktische betekenis [1]. Dit artikel presenteert een simulatiestudie met behulp van het Alternative Transients Program (ATP), de meest gebruikte versie van het Electromagnetic Transients Program (EMTP), gebaseerd op de configuratie van een specifiek 110 kV-onderstation. Door de theorie van blikseminslagoorsprong met de isolatiekenmerken van 110 kV-transformatorneutrale punten te combineren, simuleert het artikel overspanningen op neutrale punten onder verschillende bliksemgolfomstandigheden. De simulatieresultaten worden vergelijkend geanalyseerd en maatregelen om overspanningen op neutrale punten te verminderen worden voorgesteld.

1. Theoretische Analyse

1.1 Blikseminslag op Hoogspanningslijnen

Wanneer een luchtlijn wordt getroffen door bliksem, propageert een reizende golf langs de geleider [1]. Binnen onderstations gedragen vele korte verbindingslijnen (bijvoorbeeld verbindingen van transformatoren naar busbars of overspanningsbeveiligingen) zich op vergelijkbare wijze als hoogspanningslijnen onder de extreem korte duur van de bliksempuls. Deze lijnen vertonen snelle golfpropagatie, reflectie en refractieprocessen, die vaak tijdelijke overspanningen met zeer hoge piekamplituden genereren, die apparatuur kunnen beschadigen.

1.2 Parameteranalyse van Y-verbonden Transformatorwindingen onder Blikseminslag

Driefasige transformatorwindingen zijn meestal verbonden in Y, Yo of Δ-configuraties. Tijdens de werking kunnen bliksemschokken binnenkomen via één, twee of zelfs alle drie fasen [1]. Dit artikel richt zich op Y-verbonden windingen, omdat alleen deze configuraties een toegankelijk neutraal punt hebben. Wanneer een transformatie in Yo is verbonden en de wederzijdse koppeling tussen fasen wordt genegeerd, kan het systeem, ongeacht of één, twee of drie fasen worden getroffen, worden geanalyseerd als drie onafhankelijke windingen met aangesloten terminals.

2. Isolatieconditie van 110 kV Transformatorneutrale Punten

Neutrale punten van 110 kV-transformatoren gebruiken gegradueerde isolatie, ingedeeld als niveaus van 35 kV, 44 kV of 60 kV. Momenteel produceren fabrikanten voornamelijk transformatoren met 60 kV-isolatie op het neutrale punt. Verschillende isolatieniveaus hebben verschillende dielektrische weerstandsvermogens, zoals weergegeven in Tabel 1. Met inachtneming van de praktische omstandigheden, isolatieveroudering en veiligheidsmarges voor netfrequentie-spanning, worden correctiefactoren toegepast. Een bliksempulsweerstandsmargefactor van 0,6 en een netfrequentieweerstandsmargefactor van 0,85 worden aangenomen [1], wat leidt tot de referentieweerstandswaarden in Tabel 1.

Tabel 1 Isolatieweerstandsniveaus / Referentieweerstandswaarden voor Neutrale Punten

3. Simulatie en berekening

Overweeg een 110 kV onderstation met twee transformatoren (Y/Δ) die parallel werken, twee 110 kV inkomende lijnen en vier 35 kV uitgaande lijnen. Het enefasediagram wordt getoond in Figuur 1. Om stroomstoten bij eenfase aarding te beperken en communicatieinterferentie te verminderen, wordt doorgaans alleen het neutrale punt van één transformator aangesloten, terwijl de andere onaangesloten blijft. Onder blikseminslagomstandigheden kan er een zeer hoge overspanning op het neutrale punt van de onaangesloten transformator ontstaan, wat de isolatie bedreigt. De volgende secties presenteren simulatieanalyses met behulp van het ATP-programma in verschillende scenario's.

Figuur 1 Eenefasediagram van het 110 kV onderstation

3.1 Bliksemstoot die vanaf de transportlijnen naar het onderstation propageert

3.1.1 Selectie van bliksemgolfparameters

De primaire oorzaak van overspanningen in onderstations is bliksemstoten die vanaf transportlijnen propageren. De maximale spanningamplitude op de lijn mag niet de U50%-druksterkte van de insulatorreeks van de lijn overschrijden; anders zou er een doorbraak op de lijn optreden voordat de stoot het onderstation bereikt. Aangezien de eerste 1-2 km van de inkomende lijn doorgaans beschermd is tegen directe blikseminslagen, komen de bliksemstoten die het onderstation binnenkomen voornamelijk van slagen buiten deze beschermd sectie. Voor blikseminslagen buiten het onderstation is de grootte van de bliksemstroom die via lijnen ≤220 kV het onderstation binnenkomt meestal ≤5 kA, en ≤10 kA voor 330-500 kV lijnen, met een aanzienlijk verminderde steilheid [15,17]. Op basis van deze omstandigheden wordt de bliksemgolf gemodelleerd met behulp van een typische dubbelexponentiële functie:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
waarbij a en b negatieve constanten zijn, en k, a, b worden bepaald door de amplitude van de stoot, de fronttijd en de staarttijd. Hier wordt een piekstroom van 5 kA en een standaard 20/50 μs exponentiële golf gebruikt.

3.1.2 Instelling van apparatuurparameters in het onderstation

Bliksemstoten bevatten zeer hoge frequentie harmonischen; daarom worden de lijnparameters van het onderstation gemodelleerd als verdeelde parameters. Schakelaars, schakelapparaten, stroomtransformatoren (CT's) en spanningsvervormers (VT's) binnen het onderstation worden weergegeven door equivalente shuntcapaciteiten. De equivalente ingangscondensator van de transformator wordt gegeven door Cₜ = kS⁰·⁵, waarbij S de driefase transformatorcapaciteit is. Voor spanningenniveaus ≤220 kV is n=3, en voor 110 kV transformatoren is k=540. De busbar surge arrester wordt geselecteerd als YH1OWx-108/290, en de neutral-point surge arrester als YH1.5W-72/186.

3.1.3 Berekening en analyse

De overspanning die op het neutrale punt wordt gegenereerd, verschilt afhankelijk van of het lokaal aangesloten is of niet. Simulaties worden uitgevoerd voor drie scenario's: enkele-circuit enkele-fase stoot, enkele-circuit twee-fase stoot en dubbele-circuit enkele-fase stoot, rekening houdend met zowel met als zonder neutral-point surge arrester. De resultaten staan in Tabel 2.

Tabel 2 Piekopspanning onder lokaal aangesloten / onaangesloten neutrale omstandigheden

3.1.4 Resultaat Analyse

Uit Tabel 2 blijkt dat in systemen waarin de transformatorneutrale lokaal is aangesloten op aarde, het busbarbliksemafleider effectief overspanningen beperkt, zodat het neutraal punt van de niet-aangesloten transformator geen hoge overspanning ervaart, en de neutraalpuntbliksemafleider meestal niet werkt. In systemen waarin het neutraal punt lokaal niet is aangesloten, is de overspanning op het neutraal punt zeer hoog. Zonder bliksemafleider vormt dit een ernstig gevaar voor de isolatie (de bliksemimpulsaanvalsspanning van een 110 kV transformator met gestapelde isolatie, rekening houdend met veiligheidsmarge, bedraagt 195 kV). Het installeren van een neutraalpuntbliksemafleider vermindert aanzienlijk de piekoverspanning. Daarom vormen blikseminslagen die via lijnen worden doorgevoerd geen bedreiging voor de isolatie van een neutraal punt dat is uitgerust met een bliksemafleider.

3.2 Directe Blikseminslag op de Onderstation

Ondanks dat onderstations doorgaans een grondige bliksembescherming hebben, kunnen directe blikseminslagen, hoewel zeldzaam vanwege de complexiteit en willekeurigheid van bliksem, nog steeds optreden [2] en leiden tot schade aan apparatuur. Daarom is het nodig om de overspanning op het neutraal punt veroorzaakt door directe inslagen en de daaropvolgende beschermende maatregelen te bestuderen.

3.2.1 Selectie van Bliksem- en Onderstationsparameters

De parameters van het onderstation blijven hetzelfde als eerder gedefinieerd. Berekeningen worden uitgevoerd met standaard bliksemparameters (1.2/50 μs) met amplitudes van 50, 100, 200 en 250 kA. De golflengteimpedantie van de bliksemspoor wordt genomen als 400 Ω.

3.2.2 Berekening en Analyse

Resultaten voor directe blikseminslag op een enkelefasbusbar (tweefase inslagen zijn zeldzaam) onder lokaal aangesloten en niet-aangesloten neutrale omstandigheden staan in Tabel 3 (I en II vertegenwoordigen gevallen zonder en met een neutraalpuntbliksemafleider, respectievelijk).

Tabel 3 Piekopspanning onder Lokaal Aangesloten / Niet-Aangesloten Neutrale Omstandigheden (Directe Inslag)

3.2.3 Resultaat Analyse

Zoals weergegeven in Tabel 3, neemt de piekoverspanning op het neutraal punt significant toe met toenemende bliksemsnelheidstroomamplitude, en worden de oscillaties meer uitgesproken. Zelfs met een overvoltagebeveiliging neemt de restspanning over de beveiliging toe. In onderstations met lokaal on-geaarde neutraalpunten is de overvoltage op het neutraal punt door bliksem bijzonder ernstig. Zelfs met een overvoltagebeveiliging blijft de overvoltage hoog. Bijvoorbeeld, een directe inslag van 250 kA genereert een neutraal-punt overvoltage van 224,1 kV. In dit geval kan de transformatie zelfs beschadigd raken, ook al werkt de neutraal-punt beveiliging.

3.2.4 Bespreking van Verbeteringsmaatregelen

(1) Installeer een overvoltagebeveiliging aan de transformatorterminal (bijv. voeg YH10Wx-108/290 toe voor on-geaarde transformators) om de bliksemsnelheids-overvoltage te beperken.
(2) Verhoog de ontladingstroomcapaciteit van de neutraal-punt overvoltagebeveiliging. De bestaande beveiliging heeft een ontladingscapaciteit van 1,5 kA bij een restspanning van 186 kV. Het wordt voorgesteld deze capaciteit te verhogen naar 15 kA.

Er werden her-simulaties uitgevoerd voor een directe blikseminslag op de busbar in een lokaal on-geaard neutraal systeem, en de resultaten staan in Tabel 4.

Tabel 4 Piek Neutraal-Punt Overvoltage met Overvoltagebeveiliging (Verbeterde Maatregelen)

Door tabel 3 en 4 te vergelijken, blijkt het installeren van een bliksemafleider op de transformatorterminal niet effectief te zijn in het verminderen van de overspanning op het neutraal punt door bliksem. Echter, het verhogen van de ontladingcapaciteit van de bliksemafleider verbetert aanzienlijk de beperking van overspanningen. Daarom wordt deze methode aanbevolen. Bliksemafleiderfabrikanten worden geadviseerd om technologische verbeteringen te bewerkstelligen om de stroomcapaciteit te verhogen.

4. Conclusie

a) Het installeren van bliksemafleiders zowel op de busbar als op het neutraal punt van de transformator beperkt effectief de overspanning op het neutraal punt veroorzaakt door bliksemschokken die zich vanuit de hoogspanningslijnen voortplanten.
b) Wanneer een onderstation een directe blikseminslag krijgt, kan er een hoge overspanning ontstaan op het neutraal punt van een niet-gegronde transformator. Dit effect is sterker in systemen met gedeeltelijk niet-gegronde neutralen, en onder bestaande overspanningsbeveiligingsschema's kan de isolatie van het neutraal punt nog steeds beschadigd raken.
c) Het installeren van een bliksemafleider op de transformatorterminal heeft geen significant effect op de beperking van de overspanning op het neutraal punt; het verhogen van de ontladingstroomcapaciteit van de bliksemafleider op het neutraal punt is een effectieve methode voor de beperking van overspanningen.