110 kV transformator nøytralpunkt lynovervoltage: ATP-simulering & beskyttelsesløsninger

Det finnes omfattende litteratur om analyse av overvoltage ved transformatorers nøytralpunkter under lynbølgeforhold. Imidlertid, på grunn av den kompleksitet og tilfeldigheten i lynbølger, er en nøyaktig teoretisk beskrivelse fremdeles utenfor rekkevidde. I ingeniørpraksis fastsettes beskyttelsesforanstaltninger typisk basert på strømsystemkoder ved å velge passende lynbeskyttelsesenheter, med mye støttdokumentasjon tilgjengelig.

Overføringslinjer eller spenningsstasjoner er utsatt for lynnedslag. Lynbølger kan propagere langs overføringslinjer inn i spenningsstasjoner eller angripe spenningsstasjonens utstyr direkte, noe som inducerer overvoltage ved transformatorens nøytralpunkt, som utgjør en trussel mot nøytralpunktisoleringen. Derfor har studiet av egenskapene til nøytralpunktsovervoltage under lynforhold, samt vurderingen av spænningsbegrensende effektiviteten av beskyttelsesenheter, praktisk betydning [1]. Denne artikkelen presenterer en simuleringstudie ved hjelp av Alternative Transients Program (ATP), den mest brukte versjonen av Electromagnetic Transients Program (EMTP), basert på konfigurasjonen av en spesifikk 110 kV spenningsstasjon. Ved å kombinere lynovervoltage-teori med isoleringsegenskapene til 110 kV transformatornøytralpunkter, simulerer artikkelen nøytralpunktsovervoltage under ulike lynbølgeforhold. Simuleringsresultatene analyseres sammenlignende, og forslag til tiltak for å redusere nøytralpunktsovervoltage foreslås.

1. Teoretisk analyse

1.1 Lynnedslag på overføringslinjer

Når en overhengeoverføringslinje blir rammet av lyn, propagerer en reisende bølge langs ledningen [1]. Innenfor spenningsstasjoner oppfører mange korte koblingslinjer (f.eks. koblinger fra transformatorer til busbarer eller lynspenner) likt overføringslinjer under den ekstremt kortvarige lynimpulsen. Disse linjene viser hurtig bølgepropagasjon, refleksjon og refraksjonsprosesser, ofte genererer transiente overvoltage med svært høye toppamplituder som kan skade utstyr.

1.2 Parameteranalyse av Y-koblede transformatorvindinger under lynbølge

Tre-fase transformatorvindinger er vanligvis koblet i Y, Yo, eller Δ konfigurasjoner. Under drift kan lynbølger treffe ett, to, eller enda alle tre faser [1]. Denne artikkelen fokuserer på Y-koblede vindinger, da kun slike konfigurasjoner har et tilgjengelig nøytralpunkt. Når en transformator er koblet i Yo og feltsammekoblingen mellom fasene ignoreres, kan systemet analysere som tre uavhengige vindinger med jordede terminaler, uansett om ett, to, eller tre faser blir rammet.

2. Isoleringsforhold for 110 kV transformatornøytralpunkter

Nøytralpunkter for 110 kV transformatorer bruker gradert isolering, kategorisert som 35 kV, 44 kV, eller 60 kV nivåer. For øyeblikket produserer produsenter primært transformatorer med 60 kV nøytralpunktisolering. Forskjellige isoleringsnivåer har ulik dielektrisk standevne, som vist i tabell 1. Med tanke på praktiske forhold, isoleringsaldring, og sikkerhetssoner for nettspenning, brukes korreksjonsfaktorer. En lynimpulsstandevnesikkerhetssonefaktor på 0.6 og en nettspenningstandevnesikkerhetssonefaktor på 0.85 benyttes [1], noe som fører til referansestandeverdier i tabell 1.

Tabell 1 Isoleringsstandenivåer / Referansestandeverdier for nøytralpunkter

3. Simulering og beregning

Betragt en 110 kV spenningsstasjon med to transformatorer (Y/Δ) som opererer parallelt, to 110 kV inngående linjer, og fire 35 kV utgående linjer. Ett-linjeskissen er vist i figur 1. For å begrense énfasestruflstrømmer og redusere kommunikasjonshindring, er typisk bare én transformator sin nøytralpunkt jordet, mens den andre forblir ujordet. Under lynbølgeforhold kan en svært høy overvoltage induceres ved nøytralpunktet til den ujordede transformator, noe som utgjør en trussel mot dens isolering. De følgende seksjonene presenterer simuleringanalyser ved hjelp av ATP-programmet under ulike scenarier.

Figur 1 Ett-linjeskisse av 110 kV spenningsstasjonen

3.1 Lynbølge som propagerer fra overføringslinjer inn i spenningsstasjonen

3.1.1 Valg av lynbølgeparametre

Den primære årsaken til overvoltage i spenningsstasjoner er lynbølger som propagerer fra overføringslinjer. Maksimal spenningamplitude på linjen kan ikke overstige U50%-standenivået for linjens isolatorsnurre; ellers vil det oppstå flashover på linjen før bølgen kommer inn i spenningsstasjonen. Siden de første 1–2 km av inngående linjen vanligvis er beskyttet mot direkte lynnedslag, kommer lynbølgene som kommer inn i spenningsstasjonen hovedsakelig fra nedslag utenfor denne beskyttede sektionen. For lynnedslag utenfor spenningsstasjonen er lynstrømmens størrelse som kommer inn i spenningsstasjonen via linjer ≤220 kV vanligvis ≤5 kA, og ≤10 kA for 330–500 kV linjer, med betydelig redusert steepness [15,17]. Basert på disse forholdene, modelleres lynbølgen ved hjelp av en typisk dobbelt-eksponensiell funksjon:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
der a og b er negative konstanter, og k, a, b bestemmes av impulsertoppen, fronttid og halvtid. En toppstrøm på 5 kA og en standard 20/50 μs eksponensiell bølge brukes her.

3.1.2 Innstillinger for spenningsstasjonsutstyrparametre

Lynbølger inneholder svært høyfrekvente harmoniske; derfor modelleres spenningsstasjonslinjeparametre som distribuerte parametre. Brytere, strømbrytere, strømtransformatorer (CTs) og spenningstransformatorer (VTs) i spenningsstasjonen representeres ved ekvivalente shunt kapasitanser. Transformatorens ekvivalente inngangskapasitans er gitt av Cₜ = kS⁰·⁵, hvor S er tre-fasetransformatorens kapasitet. For spenningsnivåer ≤220 kV, n=3, og for 110 kV transformatorer, k=540. Busbarlynspenner er valgt som YH1OWx-108/290, og nøytralpunktlynspenner som YH1.5W-72/186.

3.1.3 Beregning og analyse

Overvoltage generert ved nøytralpunktet varierer avhengig av om det er lokalt jordet eller ujordet. Simuleringer utføres for tre scenarier: én-linje én-fase-bølge, én-linje to-fase-bølge, og to-linje én-fase-bølge, med og uten nøytralpunktlynspenner. Resultater er vist i tabell 2.

Tabell 2 Toppovervoltage under lokalt jordet / ujordet nøytralpunktforhold

3.1.4 Resultatanalyse

Fra tabell 2, i systemer der transformatornøytralpunktet er lokalt jordet, begrenser busbarlynspennere effektivt overvoltage, så nøytralpunktet til den ujordede transformatoren opplever ikke høy overvoltage, og nøytralpunktlynspenner opererer typisk ikke. I systemer der nøytralpunktet er lokalt ujordet, er nøytralpunktsovervoltage svært høy. Uten lynspenner, utgjør dette en alvorlig trussel mot isolering (den fullbølget lynimpulsstandenivået for en 110 kV transformator med gradert isolering, med sikkerhetssone, er 195 kV). Installering av en nøytralpunktlynspenner reduserer signifikant toppovervoltage. Derfor utgjør ikke lynbølger som propagerer fra linjer noen trussel mot isoleringen av et nøytralpunkt utstyrt med lynspenner.

3.2 Direkte lynnedslag på spenningsstasjonen

Selv om spenningsstasjoner generelt har omfattende lynbeskyttelse, kan direkte lynnedslag, selv om de er sjeldne på grunn av lynets kompleksitet og tilfeldighet, fremdeles forekomme [2] og forårsake utstyrsskader. Derfor er det nødvendig å studere overvoltage ved nøytralpunktet som skyldes direkte nedslag og tilsvarende beskyttelsesforanstaltninger.

3.2.1 Valg av lyn- og spenningsstasjonsparametre

Spenningsstasjonsparametre forbli de samme som tidligere definert. Beregninger utføres ved hjelp av standard lynparametre (1.2/50 μs) med amplituder på 50, 100, 200, og 250 kA. Lynkanalens bølgeimpedans tas som 400 Ω.

3.2.2 Beregning og analyse

Resultater for direkte lynnedslag på én-fase busbar (to-fase nedslag er sjeldne) under lokalt jordet og ujordet nøytralpunktforhold er vist i tabell 3 (I og II representerer tilfeller uten og med nøytralpunktlynspenner, henholdsvis).

Tabell 3 Toppovervoltage under lokalt jordet / ujordet nøytralpunktforhold (direkte nedslag)

3.2.3 Resultatanalyse

Som vist i tabell 3, med økende lynstrømamplitude, øker toppovervoltage ved nøytralpunktet signifikant, og oskulasjoner blir mer markerte. Selv med en lynspenner, øker restspenningen over lynspenner. I spenningsstasjoner med lokalt ujordete nøytralpunkter, er nøytralpunktsovervoltage på grunn av lyn spesielt alvorlig. Selv med en lynspenner, forblir overvoltage høy. For eksempel, genererer et 250 kA direkte nedslag en nøytralpunktsovervoltage på 224.1 kV. I dette tilfellet, selv om nøytralpunktlynspenner opererer, kan transformatoren fremdeles bli skadet.

3.2.4 Diskusjon av forbedringsforanstaltninger

(1) Installer en lynspenner ved transformatorterminalen (f.eks. legg til YH10Wx-108/290 for ujordede transformatorer) for å begrense lynbølgeovervoltage.
(2) Øk utledningsstrømkapasiteten til nøytralpunktlynspenner. Den eksisterende lynspenner har en utledningskapasitet på 1.5 kA ved en restspenning på 186 kV. Det foreslås å øke denne kapasiteten til 15 kA.

Omsimuleringer for direkte lynnedslag på busbar i et lokalt ujordet nøytralpunkt-system ble utført, og resultater er vist i tabell 4.

Tabell 4 Toppnøytralpunktsovervoltage med lynspenner (forbedrede foranstaltninger)

Lynstrømamplitude (kA)	Forbedringsforanstaltning	Toppovervoltage Støtt oss​ Støtt oss​ Gi en tips og oppmuntre forfatteren Emner: Transformator Overvoltagebeskytter Overspenning Nøytralpunkt ATP Strømcapasitet for utlading Om eksperter Felix Spark China Ekspertiseområde Failure and maintenance Fagartikkel 162 Kontakt​​ Støtt oss​ Kontakt​​ Støtt oss​ Anbefalt Mer Hvordan identifisere innvendige feil i en transformator Mål DC-resistansen: Bruk en bro for å måle DC-resistansen i hver høy- og lavspenningsvinding. Sjekk om resistansverdiene mellom faser er balansert og samsvarer med leverandørens opprinnelige data. Hvis fase-resistansen ikke kan måles direkte, kan isteden linje-resistansen måles. DC-resistansverdiene kan indikere om vindingene er intakte, om det er kortslutninger eller åpne kretser, og om kontaktresistansen til tapendelser er normal. Hvis DC-resistansen endrer seg betydelig etter at tap-posisjon Felix Spark 11/04/2025 Hva er kravene for inspeksjon og vedlikehold av en transformators tomgående tapforandrer? Tapendestillingskontrollhåndtaket skal være utstyrt med et beskyttelsesdeksel. Flanken på håndtaket skal være godt tettet uten oljelækasje. Låseskruer skal fastgjøre både håndtaket og drevmekanismen sikkert, og roteringen av håndtaket skal være glatt uten friksjon. Posisjonsindikatoren på håndtaket skal være klar, nøyaktig og i overensstemmelse med spenningsreguleringsområdet for viklingen. Begrensere skal være til stede i begge ytterposisjoner. Isolerende sylinder for tapendestillingen skal væ Leon 11/04/2025 Hvordan overhale en transformatorkonservator (oljeppute)? Overhaul Items for Transformer Conservator:1. Vanlig konservatortype Fjern dekkene på begge sider av konservatoren, rengjør rust og oljeavsetninger fra innsiden og utsiden, og anbring isolerende vernlakk på indre vegg og maling på ytre vegg; Rengjør komponenter som støvfang, oljenivåmåler og oljeskru; Sjekk at røret mellom eksplosjonssikringen og konservatoren er ubelasted; Erstatt alle tettelementer for å sikre godt tettet uten tap; må holde trykk på 0,05 MPa (0,5 kg/cm²) uten tap; Sjekk at rør Felix Spark 11/04/2025 Hvorfor er det vanskelig å øke spenningenivået? Solid-state transformer (SST), også kjent som en strømtransformator (PET), bruker spenningnivået som et viktig indikator for dens teknologiske modenhet og anvendelsesscenarier. For tiden har SST-er nådd spenningnivåer på 10 kV og 35 kV på mediumspenningssiden, mens de på høyspenningssiden fremdeles er i fasen med laboratorieforskning og prototypvalidering. Tabellen nedenfor viser klart statusen for spenningnivåer i ulike anvendelsesscenarier: Anvendelsesscenario Spenningnivå Teknisk sta Echo 11/03/2025 Om eksperter Felix Spark China Ekspertiseområde Feil og vedlikehold Fagartikkel 162 Kontakt​​ Støtt oss​ Søk etter krafteksperter og partnere for å utforske nett- og energiløsninger Send forespørsel Ditt navn Ditt telefon Din e-post Ditt land Din melding Send Now Last ned Hent IEE Business-applikasjonen Bruk IEE-Business-appen for å finne utstyr få løsninger koble til eksperter og delta i bransjesamarbeid hvor som helst når som helst fullt støttende utviklingen av dine energiprojekter og forretning