110 кВ Трансформатор Нейтральная Точка Перенапряжение от Молнии: Симуляция ATP и Решения по Защите

Существует обширная литература по анализу перенапряжений на нейтральных точках трансформаторов при воздействии грозовых импульсов. Однако из-за сложности и случайности грозовых волн точное теоретическое описание остается недостижимым. В инженерной практике защитные меры обычно определяются на основе кодексов электроэнергетических систем путем выбора соответствующих устройств защиты от грозы, с обилием поддерживаемой документации.

Линии электропередачи или подстанции подвержены удару молнии. Грозовые импульсы могут распространяться вдоль линий электропередачи в подстанцию или напрямую поражать оборудование подстанции, вызывая перенапряжения на нейтральной точке трансформатора, что представляет угрозу для изоляции нейтральной точки. Поэтому изучение характеристик перенапряжений на нейтральной точке при грозовых условиях и оценка эффективности ограничения напряжения защитными устройствами имеют практическое значение [1]. В данной работе представлено моделирование с использованием программы альтернативных переходных процессов (ATP), наиболее широко используемой версии программы электромагнитных переходных процессов (EMTP), на основе конфигурации конкретной подстанции 110 кВ. Объединяя теорию грозовых перенапряжений с характеристиками изоляции нейтральных точек трансформаторов 110 кВ, в работе моделируются перенапряжения на нейтральной точке при различных условиях грозовых волн. Результаты моделирования сравниваются, и предлагаются меры по снижению перенапряжений на нейтральной точке.

1. Теоретический анализ

1.1 Удар молнии по линиям электропередачи

Когда воздушная линия электропередачи поражена молнией, бегущая волна распространяется по проводнику [1]. Внутри подстанций множество коротких соединительных линий (например, соединения от трансформаторов к шинам или ограничителям перенапряжений) ведут себя аналогично линиям электропередачи при крайне коротком грозовом импульсе. Эти линии демонстрируют быстрое распространение, отражение и преломление волн, часто генерируя переходные перенапряжения с очень высокими пиковыми амплитудами, которые могут повредить оборудование.

1.2 Анализ параметров обмоток трансформатора с Y-соединением при грозовом импульсе

Обмотки трехфазных трансформаторов обычно соединяются в конфигурациях Y, Yo или Δ. Во время работы грозовые импульсы могут входить через одну, две или все три фазы [1]. В данной работе акцент сделан на обмотках с Y-соединением, так как только такие конфигурации имеют доступную нейтральную точку. Когда трансформатор соединен в конфигурации Yo и взаимное сопряжение между фазами игнорируется, будь то одна, две или три фазы поражены, система может быть проанализирована как три независимые обмотки с заземленными выводами.

2. Состояние изоляции нейтральных точек трансформаторов 110 кВ

Нейтральные точки трансформаторов 110 кВ используют градуированную изоляцию, классифицируемую как уровни 35 кВ, 44 кВ или 60 кВ. В настоящее время производители в основном выпускают трансформаторы с изоляцией нейтральной точки 60 кВ. Различные уровни изоляции имеют разную способность выдерживать диэлектрические нагрузки, как показано в таблице 1. Учитывая практические условия, старение изоляции и запасы безопасности для сетевого напряжения, применяются коэффициенты корректировки. Принимаются коэффициент запаса прочности на грозовой импульс 0,6 и коэффициент запаса прочности на сетевое напряжение 0,85 [1], что приводит к справочным значениям выносливости, приведенным в таблице 1.

Таблица 1 Уровни выносливости изоляции / Справочные значения выносливости для нейтральных точек

3. Моделирование и расчет

Рассмотрим подстанцию 110 кВ с двумя трансформаторами (Y/Δ), работающими параллельно, двумя входящими линиями 110 кВ и четырьмя исходящими линиями 35 кВ. Однолинейная схема показана на рисунке 1. Для ограничения токов однофазного заземления и уменьшения помех связи обычно заземляется только нейтральная точка одного трансформатора, в то время как другая остается незаземленной. При воздействии грозовых перенапряжений в нейтральной точке незаземленного трансформатора может возникнуть очень высокое перенапряжение, что представляет угрозу для его изоляции. В следующих разделах приведены результаты моделирования с использованием программы ATP в различных сценариях.

Рисунок 1 Однолинейная схема подстанции 110 кВ

3.1 Распространение грозовых перенапряжений от линий электропередачи в подстанцию

3.1.1 Выбор параметров грозовой волны

Основной причиной перенапряжений на подстанциях является распространение грозовых перенапряжений от линий электропередачи. Максимальное напряжение на линии не должно превышать уровень выдерживаемого напряжения U50% цепочки изоляторов линии; в противном случае, пробой произойдет на линии до того, как перенапряжение достигнет подстанции. Поскольку первые 1-2 км входящей линии обычно защищены от прямых ударов молнии, грозовые волны, поступающие на подстанцию, в основном происходят от ударов за пределами этой защищенной секции. Для ударов молнии вне подстанции величина тока молнии, поступающего на подстанцию через линии ≤220 кВ, обычно ≤5 кА, а для линий 330-500 кВ — ≤10 кА, с значительно уменьшенным крутизной [15,17]. На основе этих условий грозовая волна моделируется с помощью типичной двойной экспоненциальной функции:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
где a и b — отрицательные константы, а k, a, b определяются амплитудой всплеска, временем фронта и временем хвоста. Здесь используется пиковый ток 5 кА и стандартная экспоненциальная волна 20/50 мкс.

3.1.2 Настройка параметров оборудования подстанции

Грозовые всплески содержат гармоники очень высокой частоты; поэтому параметры линий подстанции моделируются как распределенные параметры. Переключатели, выключатели, трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН) внутри подстанции представлены эквивалентными шунтирующими емкостями. Эквивалентная входная емкость трансформатора задается формулой Cₜ = kS⁰·⁵, где S — мощность трехфазного трансформатора. Для напряжений ≤220 кВ, n=3, а для трансформаторов 110 кВ, k=540. Грозовой разрядник шины выбирается как YH1OWx-108/290, а разрядник нейтральной точки — как YH1.5W-72/186.

3.1.3 Расчет и анализ

Перенапряжение, возникающее в нейтральной точке, различается в зависимости от того, заземлена она локально или нет. Проводятся моделирования для трех сценариев: одиночная фаза одиночной цепи, две фазы одиночной цепи и одна фаза двух цепей, с учетом наличия и отсутствия разрядника нейтральной точки. Результаты показаны в таблице 2.

Таблица 2 Пиковые значения перенапряжения при локальном заземлении / незаземлении нейтральной точки

3.1.4 Анализ результатов

Из таблицы 2 видно, что в системах, где нейтраль трансформатора заземлена локально, грозотрос на шинах эффективно ограничивает перенапряжение, поэтому нейтральная точка незаземленного трансформатора не испытывает высокого перенапряжения, и аррестор на нейтральной точке обычно не работает. В системах, где нейтральная точка не заземлена, перенапряжение на нейтральной точке очень высокое. Без грозотроса это представляет серьезную угрозу для изоляции (ударный импульс напряжения, который может выдержать трансформатор с постепенной изоляцией на 110 кВ, с учетом запаса безопасности, составляет 195 кВ). Установка грозотроса на нейтральной точке значительно снижает пиковое перенапряжение. Поэтому ударные волны молнии, распространяющиеся по линиям, не угрожают изоляции нейтральной точки, оснащенной грозотросом.

3.2 Прямое попадание молнии в подстанцию

Хотя подстанции обычно имеют всестороннюю защиту от молний, прямые попадания молний, хотя и редки из-за сложности и случайности молний, все же могут произойти [2] и вызвать повреждение оборудования. Следовательно, необходимо изучить перенапряжение на нейтральной точке, вызванное прямыми попаданиями, и соответствующие защитные меры.

3.2.1 Выбор параметров молнии и подстанции

Параметры подстанции остаются такими же, как были определены ранее. Расчеты выполняются с использованием стандартных параметров молнии (1.2/50 мкс) с амплитудами 50, 100, 200 и 250 кА. Волновое сопротивление канала молнии принимается равным 400 Ом.

3.2.2 Расчет и анализ

Результаты для прямого попадания молнии на однофазную шину (двухфазные попадания редки) при локально заземленной и незаземленной нейтрали показаны в таблице 3 (I и II представляют случаи без и с грозотросом на нейтральной точке соответственно).

Таблица 3 Пиковые значения перенапряжения при локально заземленной / незаземленной нейтрали (прямое попадание)

3.2.3 Анализ результатов

Как показано в таблице 3, с увеличением амплитуды молниевого тока значительно возрастает пиковая перенапряжение на нейтральной точке, и колебания становятся более выраженными. Даже при наличии грозозащитного устройства, остаточное напряжение на нем увеличивается. В подстанциях с локально незаземленной нейтралью, перенапряжение на нейтральной точке из-за молнии особенно сильно. Даже при наличии грозозащитного устройства, перенапряжение остается высоким. Например, прямое попадание молнии силой 250 кА создает перенапряжение на нейтральной точке 224,1 кВ. В этом случае, даже если грозозащитное устройство на нейтральной точке сработает, трансформатор может быть поврежден.

3.2.4 Обсуждение мер по улучшению

(1) Установить грозозащитное устройство на выводах трансформатора (например, добавить YH10Wx-108/290 для незаземленных трансформаторов), чтобы ограничить перенапряжение от молнии.
(2) Увеличить емкость разрядного тока грозозащитного устройства на нейтральной точке. Существующее устройство имеет емкость разрядного тока 1,5 кА при остаточном напряжении 186 кВ. Предлагается увеличить эту емкость до 15 кА.

Повторные моделирования прямого удара молнии по шинам в системе с локально незаземленной нейтралью были проведены, и результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4 Пиковые значения перенапряжения на нейтральной точке с грозозащитным устройством (улучшенные меры)

Сравнивая таблицы 3 и 4, можно сделать вывод, что установка ограничителя перенапряжений на выводе трансформатора неэффективна для снижения грозового перенапряжения в нейтральной точке. Однако значительное увеличение пропускной способности ограничителя перенапряжений значительно улучшает ограничение перенапряжений. Поэтому данный метод рекомендуется. Производителям ограничителей перенапряжений следует сосредоточиться на технологических усовершенствованиях для повышения пропускной способности разрядного тока.

4. Заключение

a) Установка ограничителей перенапряжений как на шину, так и на нейтральную точку трансформатора эффективно ограничивает перенапряжение в нейтральной точке, вызванное распространением грозовых импульсов по линиям электропередачи.
b) При прямом ударе молнии в подстанцию может возникнуть высокое перенапряжение в нейтральной точке незаземленного трансформатора. Этот эффект более выражен в системах с частично незаземленными нейтралями, и при существующих схемах защиты от перенапряжений изоляция нейтральной точки может быть повреждена.
c) Установка ограничителя перенапряжений на выводе трансформатора не оказывает значительного влияния на ограничение перенапряжения в нейтральной точке; увеличение пропускной способности разрядного тока ограничителя перенапряжений в нейтральной точке является эффективным методом ограничения перенапряжений.