Przeciążenie napięciem spowodowane przez piorun w punkcie neutralnym transformatora 110 kV: Symulacja ATP i rozwiązania ochronne

Istnieje obszerna literatura na temat analizy przepięć w punktach neutralnych transformatorów w warunkach uderzeń piorunowych. Jednak ze względu na złożoność i losowość fal piorunowych dokładny opis teoretyczny pozostaje nieuchwytny. W praktyce inżynieryjnej środki ochronne są zwykle określane na podstawie przepisów systemu elektroenergetycznego poprzez dobór odpowiednich urządzeń ochrony przed piorunami, przy czym dostępna jest obfita dokumentacja wsparcia.

Linie przesyłowe lub stacje przekształcające są narażone na uderzenia piorunowe. Fale piorunowe mogą rozprzestrzenić się wzdłuż linii przesyłowych do stacji przekształcających lub bezpośrednio uderzyć w urządzenia stacji, indukując przepięcia w punkcie neutralnym transformatora, co stanowi zagrożenie dla izolacji punktu neutralnego. Dlatego badanie charakterystyk przepięć w punkcie neutralnym w warunkach uderzeń piorunowych oraz ocena skuteczności ograniczania napięć przez urządzenia ochronne ma praktyczne znaczenie [1]. Niniejszy artykuł przedstawia studium symulacyjne wykorzystujące Program Alternatywnych Przejściowych (ATP), najbardziej rozpowszechnioną wersję Programu Elektromagnetycznych Przejściowych (EMTP), na podstawie konfiguracji konkretnej stacji przekształcającej 110 kV. Łącząc teorię przejściowych napięć piorunowych z cechami izolacji punktów neutralnych transformatorów 110 kV, artykuł symuluje przepięcia w punkcie neutralnym w różnych warunkach fal piorunowych. Wyniki symulacji są porównawczo analizowane, a proponowane są środki zmniejszające przepięcia w punkcie neutralnym.

1. Analiza teoretyczna

1.1 Uderzenie pioruna w linie przesyłowe

Gdy nadziemna linia przesyłowa zostanie trafiona przez piorun, fala biegnąca rozprzestrzenia się wzdłuż przewodnika [1]. Wewnątrz stacji przekształcających liczne krótkie połączenia (np. połączenia od transformatorów do szyn lub zabezpieczeń przeciwprzepięciowych) zachowują się podobnie do linii przesyłowych pod wpływem ekstremalnie krótkotrwałego impulsu piorunowego. Te linie pokazują szybkie procesy rozprzestrzeniania, odbicia i załamania fal, często generując przejściowe przepięcia o bardzo wysokich amplitudach szczytowych, które mogą uszkodzić urządzenia.

1.2 Analiza parametrów zwinięć transformatora połączonych w gwiazdę pod wpływem uderzenia piorunowego

Zwinięcia transformatora trójfazowego są ogólnie połączone w konfiguracjach Y, Yo lub Δ. Podczas działania impulsy piorunowe mogą wejść przez jedną, dwie lub nawet wszystkie trzy fazy [1]. Ten artykuł skupia się na zwinięciach połączonych w Y, ponieważ tylko takie konfiguracje mają dostępny punkt neutralny. Gdy transformator jest połączony w Yo i pomijając wzajemne sprzężenie między fazami, niezależnie od tego, czy jedna, dwie czy trzy fazy są trafione, system można analizować jako trzy niezależne zwinięcia z uziemionymi końcówkami.

2. Stan izolacji punktów neutralnych transformatorów 110 kV

Punkty neutralne transformatorów 110 kV wykorzystują stopniowaną izolację, podzieloną na poziomy 35 kV, 44 kV lub 60 kV. Obecnie producenci głównie produkują transformatory z izolacją punktu neutralnego 60 kV. Różne poziomy izolacji mają różne zdolności wytrzymywania pola elektrycznego, jak pokazano w Tabeli 1. Biorąc pod uwagę warunki praktyczne, starzenie się izolacji oraz marginesy bezpieczeństwa dla częstotliwości sieciowej, stosuje się współczynniki korekcyjne. Wprowadzono współczynnik marginesu wytrzymałości na impuls piorunowy 0,6 i współczynnik marginesu wytrzymałości na częstotliwość sieciową 0,85 [1], co prowadzi do wartości odniesienia wytrzymałości w Tabeli 1.

Tabela 1 Poziomy wytrzymałości izolacji / Wartości odniesienia wytrzymałości dla punktów neutralnych

3. Symulacja i obliczenia

Rozważmy stację przekształcającą 110 kV z dwoma transformatorami (Y/Δ) działającymi równolegle, dwoma liniami przychodzących 110 kV i czterema liniami wychodzącymi 35 kV. Diagram jednoliniowy przedstawiony jest na Rysunku 1. Aby ograniczyć prądy ziemne jednofazowe i zmniejszyć zakłócenia komunikacyjne, zazwyczaj tylko jeden transformator ma uziemiony punkt neutralny, podczas gdy drugi pozostaje bez uziemienia. W warunkach impulsu piorunowego może być indukowane bardzo wysokie przepięcie w punkcie neutralnym transformatora bez uziemienia, co stanowi zagrożenie dla jego izolacji. Poniższe sekcje przedstawiają analizy symulacyjne wykorzystujące program ATP w różnych scenariuszach.

Rysunek 1 Diagram jednoliniowy stacji przekształcającej 110 kV

3.1 Impuls piorunowy rozprzestrzeniający się z linii przesyłowych do stacji

3.1.1 Dobór parametrów fali piorunowej

Główną przyczyną przepięć w stacjach przekształcających jest impuls piorunowy rozprzestrzeniający się z linii przesyłowych. Maksymalna amplituda napięcia na linii nie może przekroczyć poziomu wytrzymałości U50% ciągu izolatorów linii; w przeciwnym razie nastąpiłby przebicie na linii przed wejściem impulsu do stacji. Ponieważ pierwsze 1–2 km linii przychodzącej jest zwykle chronione przed bezpośrednią uderzeniami piorunowymi, fale piorunowe wchodzące do stacji pochodzą głównie z uderzeń poza tą chronioną sekcją. Dla uderzeń piorunowych poza stacją, natężenie prądu piorunowego wchodzącego do stacji przez linie ≤220 kV jest zazwyczaj ≤5 kA, a ≤10 kA dla linii 330–500 kV, z istotnie zmniejszoną nachyleniem [15,17]. Na podstawie tych warunków, fala piorunowa jest modelowana za pomocą typowej funkcji podwójnie wykładniczej:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
gdzie a i b to stałe ujemne, a k, a, b są określone przez amplitudę impulsu, czas narastania i czas spadku. Wykorzystano tu szczytowy prąd 5 kA i standardową falę wykładniczą 20/50 μs.

3.1.2 Ustawienie parametrów urządzeń stacji

Impulsy piorunowe zawierają bardzo wysokie harmoniczne częstotliwości; dlatego parametry linii stacji są modelowane jako parametry rozłożone. Wewnątrz stacji przełączniki, wyłączniki, transformatory prądowe (CT) i transformatory napięciowe (VT) są reprezentowane przez równoważne pojemności szeregowe. Równoważna pojemność wejściowa transformatora wynosi Cₜ = kS⁰·⁵, gdzie S to pojemność transformatora trójfazowego. Dla napięć ≤220 kV, n=3, a dla transformatorów 110 kV, k=540. Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe szyny jest wybierane jako YH1OWx-108/290, a zabezpieczenie przeciwprzepięciowe punktu neutralnego jako YH1.5W-72/186.

3.1.3 Obliczenia i analiza

Przepięcie generowane w punkcie neutralnym różni się w zależności od tego, czy jest on lokalnie uziemiony, czy nie. Symulacje są wykonane dla trzech scenariuszy: pojedynczy impuls jednofazowy, pojedynczy impuls dwufazowy i podwójny impuls jednofazowy, uwzględniając zarówno z, jak i bez zabezpieczenia przeciwprzepięciowego punktu neutralnego. Wyniki przedstawiono w Tabeli 2.

Tabela 2 Szczytowe przepięcia w warunkach lokalnego uziemienia / bez uziemienia punktu neutralnego

3.1.4 Analiza wyników

Zgodnie z Tabelą 2, w systemach, gdzie punkt neutralny transformatora jest lokalnie uziemiony, zabezpieczenie przeciwprzepięciowe szyny efektywnie ogranicza przepięcia, więc punkt neutralny transformatora bez uziemienia nie doświadcza wysokich przepięć, a zabezpieczenie przeciwprzepięciowe punktu neutralnego zazwyczaj nie działa. W systemach, gdzie punkt neutralny jest lokalnie bez uziemienia, przepięcie w punkcie neutralnym jest bardzo wysokie. Bez zabezpieczenia przeciwprzepięciowego stanowi to poważne zagrożenie dla izolacji (wytrzymałość na impuls piorunowy transformatora 110 kV z stopniowaną izolacją, uwzględniając margines bezpieczeństwa, wynosi 195 kV). Instalacja zabezpieczenia przeciwprzepięciowego punktu neutralnego znacznie redukuje szczytowe przepięcie. Dlatego impulsy piorunowe rozprzestrzeniające się z linii nie stanowią zagrożenia dla izolacji punktu neutralnego wyposażonego w zabezpieczenie przeciwprzepięciowe.

3.2 Bezwzględne uderzenie piorunowe w stację

Chociaż stacje przekształcające ogól