110 kV transformatorjev neutralni točki prekomerna napetost zaradi strela: ATP simulacija & rešitve za varnost

Obstaja obsežna literatura o analizi prenapetosti na neutralnih točkah transformatorjev pod pogoji nevihtne napetosti. Vendar zaradi kompleksnosti in naključnosti nevihtnih valov točen teoretični opis ostaja nedosegljiv. V inženirskem praktičnem delu se zaščitne ukrepe običajno določajo glede na kode električnih sistemov z izbiro ustreznih naprav za zaščito pred nevihtami, pri čemer je na voljo obilje podpornih dokumentov.

Presežnice ali pretvorovalne postaje so občutljive na udare nevihte. Nevihtne valove se lahko širijo vzdolž presežnic do pretvorovalnih postaj ali neposredno udarjajo opremo pretvorovalnih postaj, s tem inducirajo prenapetosti na neutralnih točkah transformatorjev, kar predstavlja grožnjo za izolacijo neutralnih točk. Zato ima študij lastnosti prenapetosti na neutralnih točkah pod pogoji neviht in ocena učinkovitosti omejevalnih naprav praktično pomen [1]. Ta članek predstavlja simulacijsko študijo, uporabljeno program Alternative Transients Program (ATP), najpogostejšo različico programa Electromagnetic Transients Program (EMTP), na osnovi konfiguracije specifične 110 kV pretvorovalne postaje. Z združevanjem teorije nevihtnih prenapetosti s lastnostmi izolacije neutralnih točk 110 kV transformatorjev, članek simuliira prenapetosti na neutralnih točkah pod različnimi pogoji nevihtnih valov. Rezultati simulacij so primerjalno analizirani, predlagani pa so tudi ukrepi za zmanjšanje prenapetosti na neutralnih točkah.

1. Teoretična analiza

1.1 Udar nevihte na presežnici

Ko udari nevihta nadzemno presežnico, se po vodniku širi hodni val [1]. V notranjosti pretvorovalnih postaj veliko kratkih povezovalnih vodov (npr. povezave od transformatorjev do busbarjev ali zaščitnih naprav) v ekstremno kratkem času nevihtnega impulza delujejo podobno kot presežnice. Ti vodi kažejo hitro širjenje, odboj in lom valov, pogosto generirajo premenljive prenapetosti z zelo visokimi vrhunskimi amplitudami, ki lahko poškodujejo opremo.

1.2 Analiza parametrov Y-povezanih transformatorjev pod pogoji nevihtne napetosti

Trofazne transformatorje običajno povežemo v konfiguraciji Y, Yo ali Δ. Med delovanjem lahko nevihtne valove vstopijo skozi eno, dve ali celo tri faze [1]. Ta članek se osredotoča na Y-povezane navije, saj le takšne konfiguracije imajo dostopno neutralno točko. Ko je transformator povezan v Yo in se zanemari vzajemna medfazna povezanost, ali je udarjen ena, dva ali tri faze, sistem lahko analiziramo kot tri neodvisne navije z zazemljenimi terminali.

2. Stanje izolacije neutralnih točk 110 kV transformatorjev

Neutralne točke 110 kV transformatorjev uporabljajo gradirano izolacijo, razdeljeno na ravni 35 kV, 44 kV ali 60 kV. Trenutno proizvajalci prednostno izdelujejo transformatorje z 60 kV izolacijo neutralne točke. Različne razine izolacije imajo različne zmogljivosti za odpor proti dielektričnim napetostim, kot je prikazano v Tabeli 1. Ob upoštevanju praktičnih pogojev, starenja izolacije in varnostnih marž za napetost omrežne frekvence, se uporabljajo popravki. Za maržo odpornosti proti nevihtnim impulzom se uporablja faktor 0,6, za maržo odpornosti proti napetostim omrežne frekvence pa faktor 0,85 [1], kar vodi do referenčnih vrednosti odpornosti v Tabeli 1.

Tabela 1 Razine odpornosti izolacije / Referenčne vrednosti odpornosti za neutralne točke

3. Simulacija in računanje

Razmislite o 110 kV podnapetostni postaji z dvema transformatorjema (Y/Δ), ki delujeta vzporedno, dvema vhodnima 110 kV vodoma in štirimi izhodnimi 35 kV vodi. Enofazni diagram je prikazan na Sliki 1. Za omejevanje enofaznih strmiščnih tokov in zmanjšanje motenj v komunikaciji je običajno zgolj ena transformatorja zemljite, medtem ko ostane druga nezemljita. Pod pogoji gromovih valov se lahko v točki neutrala nezemljenega transformatorja inducira zelo visok presežen napon, ki ogroža njegovo izolacijo. Naslednji odseki predstavljajo analize simulacij s programom ATP v različnih scenarijih.

Slika 1 Enofazni diagram 110 kV podnapetostne postaje

3.1 Gromovi valovi, ki se širijo iz prenosnih vodov v podnapetostno postajo

3.1.1 Izbor parametrov gromovih valov

Glavni vzrok preseženega napona v podnapetostnih postajah so gromovi valovi, ki se širijo iz prenosnih vodov. Maksimalna amplituda napona na vodu ne sme presegati raven trdnosti U50% vrste izolatorjev voda; sicer bi se na vodi pojavila prebojnost preden bi val vstopil v podnapetostno postajo. Ker je prva 1–2 km vhodne vode običajno zaščitena pred neposrednimi gromovimi udari, gromovi valovi, ki vstopijo v podnapetostno postajo, glavno izvirajo iz udarov izven te zaščitene območja. Za gromove udare izven podnapetostne postaje je velikost gromovih tokov, ki vstopijo v podnapetostno postajo preko vod ≤220 kV, običajno ≤5 kA, in ≤10 kA za vode 330–500 kV, z znatno zmanjšano strmostjo [15,17]. Na osnovi teh pogojev je gromov val modeliran s tipično dvoeksponentno funkcijo:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
kjer so a in b negativni konstanti, k, a, b pa so določeni z amplitudo vala, časom fronte in repom. Tukaj se uporablja vrhovni tok 5 kA in standardni eksponencialni val 20/50 μs.

3.1.2 Nastavitev parametrov opreme podnapetostne postaje

Gromovi valovi vsebujejo zelo visoke frekvence harmonik, zato so parametri vodov v podnapetostni postaji modelirani kot distribuirani parametri. Klopdi, lokomi, merilne transformatorje (MT) in napetostne transformatorje (NT) znotraj podnapetostne postaje so predstavljeni z ekvivalentnimi shunt kapacitancami. Ekvivalentna vhodna kapacitanca transformatorja je dana z Cₜ = kS⁰·⁵, kjer je S zmogljivost trofaznega transformatorja. Za napetostne ravni ≤220 kV je n=3, za 110 kV transformatorje pa je k=540. Varovalnik za presežen napon na busbar je izbran kot YH1OWx-108/290, varovalnik za presežen napon v točki neutrala pa kot YH1.5W-72/186.

3.1.3 Računanje in analiza

Presežen napon, ki se generira v točki neutrala, se razlikuje glede na to, ali je lokalno zemljita ali nezemljita. Simulacije so izvedene za tri scenarije: enofazni val ene petlje, dva enofazna vala ene petlje in enofazni val dveh petlj, z upoštevanjem tudi zemljenega in nezemljenega varovalnika za presežen napon v točki neutrala. Rezultati so prikazani v Tabeli 2.

Tabela 2 Vrhovni presežen napon pod pogoji lokalno zemljene / nezemljene točke neutrala

3.1.4 Analiza rezultatov

Iz tabele 2 je razvidno, da v sistemih, kjer je neutralna točka transformatorja lokalno zazemljena, ograničilnik prepadov na busbarskih učinkovito omejuje prepadne napetosti, tako da neutralna točka nezazemljenega transformatorja ne doživi visokih prepadnih napetosti in ograničilnik na neutralni točki običajno ne deluje. V sistemih, kjer je neutralna točka lokalno nezazemljena, so prepadne napetosti na neutralni točki zelo visoke. Brez ograničilnika bi to predstavljalo resno grožnjo za izolacijo (udarno trdnost transformatorja na 110 kV s stopnjasto izolacijo, upoštevajoč varnostni zamik, znaša 195 kV). Namestitev ograničilnika na neutralni točki bistveno zmanjša vrhunsko prepadno napetost. Torej, prepadne napetosti, ki se širijo po vodih, ne predstavljajo grožnje za izolacijo neutralne točke, opremljene z ograničilnikom.

3.2 Neposreden udarec svetlobe na podstanicu

Čeprav imajo podstanice običajno celosten sistem zaščite pred svetlobami, lahko neposredni udarci svetlobe, čeprav redki zaradi kompleksnosti in naključnosti svetlob, še vedno nastanejo [2] in povzročijo poškodbe opreme. Zato je potrebno raziskati prepadne napetosti na neutralni točki, povzročene neposrednimi udarci svetlob, in ustrezne zaščitne mere.

3.2.1 Izbor parametrov svetlobe in podstanice

Parametri podstanice ostajajo enaki, kot so bili prej definirani. Računi so izvedeni z standardnimi parametri svetlobe (1.2/50 μs) z amplitudami 50, 100, 200 in 250 kA. Valovno upornost kanala svetlobe je vzeta 400 Ω.

3.2.2 Izračun in analiza

Rezultati neposrednega udarca svetlobe na enofazni busbar (udarci dveh faz so redki) pod pogoji lokalno zazemljene in nezazemljene neutralne točke so prikazani v tabeli 3 (I in II predstavljata primere brez in z ograničilnikom na neutralni točki).

Tabela 3 Vrhunska prepadna napetost pod pogoji lokalno zazemljene / nezazemljene neutralne točke (neposreden udarec)

3.2.3 Analiza rezultatov

Kot je prikazano v tabeli 3, s povečanjem amplitude naboja naboja se vrhunsko presežna napetost na neutralni točki znatno poveča, in nihanja postanejo bolj izrazita. Tudi z uporabo varilnega elementa se presežna napetost skozi varilni element poveča. V preobrazovalnih postajah z krajevno nezazemljenimi neutralnimi točkami je zaradi naboja naboja presežna napetost na neutralni točki zlasti huda. Tudi z varilnim elementom ostane presežna napetost visoka. Na primer, neposredni udarec moči 250 kA generira presežno napetost na neutralni točki 224,1 kV. V tem primeru lahko tudi, če operira varilni element na neutralni točki, transformator še vedno pride do poškodbe.

3.2.4 Razprava o ukrepih za izboljšanje

(1) Namestite varilni element na terminal transformatorja (na primer, dodajte YH10Wx-108/290 za nezazemljene transformatorje), da omejite presežno napetost zaradi naboja naboja.
(2) Povečajte kapaciteto izbočne struje varilnega elementa na neutralni točki. Obstojeci varilni element ima izbočno kapaciteto 1,5 kA pri presežni napetosti 186 kV. Predlagana je povečitev te kapacitete na 15 kA.

Ponovno so bile izvedene simulacije neposrednega udarca naboja naboja na busbar v sistemu z krajevno nezazemljenimi neutralnimi točkami, rezultati so prikazani v tabeli 4.

Tabela 4 Vrhunska presežna napetost na neutralni točki z varilnim elementom (izboljšani ukrepi)

Pri primerjavi tabel 3 in 4 je namestitev zaščitnega napravnika na terminalu transformatorja neustrezna za zmanjševanje presežnega napetosti v sredisku zaradi negativnih udarnih valov. Vendar pa povečanje odpornosti zaščitnega napravnika na razpoložljivost odvoda močno izboljša omejevanje presežne napetosti. Zato se ta metoda priporoča. Proizvajalcem zaščitnih napravnikov se sveti, da se osredotočijo na tehnološke izboljšave za izboljšanje kapacitete odvoda toka.

4. Zaključek

a) Namestitev zaščitnih napravnikov na območni vodilnik in na sredisko transformatorja učinkovito omejuje presežno napetost v sredisku, ki jo povzročajo negativni udarni valovi, ki se širijo iz prenosnih vod.
b) Ko postaja trpi neposredni negativni udar, lahko v sredisku nezazemljenega transformatorja nastane visoka presežna napetost. Ta učinek je bolj izrazit v sistemih z delno nezazemljenim srediskom, in pod obstoječimi shemi zaščite pred presežno napetostjo lahko še vedno pride do poškodbe izolacije srediska.
c) Namestitev zaščitnega napravnika na terminalu transformatorja nima bistvenega učinka na omejevanje presežne napetosti v sredisku; povečanje kapacitete odvoda toka zaščitnega napravnika v sredisku je učinkovita metoda za omejevanje presežne napetosti.