110 kV-transformatorns neutralpunkts överspänning vid blixtnedslag: ATP-simulering & skyddslösningar

Det finns omfattande litteratur om analys av överspänning vid transformatorns neutralpunkt under blixtnedslagsförhållanden. På grund av komplexiteten och slumpmässigheten i blixtnedslagsvågor har dock en exakt teoretisk beskrivning fortfarande inte kunnat fastställas. I ingenjörspraxis bestäms skyddsåtgärder vanligtvis utifrån elsystemkoder genom att välja lämpliga blixtskyddsanordningar, med tillgänglig stödande dokumentation.

Förlossningslinjer eller ombordstationer är sårbara för blixtnedslag. Blixtnedslagsvågor kan spridas längs förlossningslinjerna in i ombordstationerna eller direkt träffa ombordstationsutrustningen, vilket inducerar överspänning vid transformatorns neutralpunkt, vilket utgör ett hot mot neutralpunktsisoleringen. Därför har det praktisk betydelse att studera egenskaperna hos neutralpunktsöverspänning under blixtnedslagsförhållanden och utvärdera spänningsbegränsande effektiviteten av skyddsanordningar [1]. Detta arbete presenterar en simuleringsstudie som använder Alternative Transients Program (ATP), den mest använda versionen av Electromagnetic Transients Program (EMTP), baserat på konfigurationen av en specifik 110 kV ombordstation. Genom att kombinera teorin om blixtnedslagsöverspänning med isoleringsegenskaperna för 110 kV transformatorns neutralpunkt simuleras neutralpunktsöverspänning under olika blixtnedslagsvågförhållanden. Simuleringsresultaten analyseras jämförande, och åtgärder för att minska neutralpunktsöverspänning föreslås.

1. Teoretisk analys

1.1 Blixtnedslag på förlossningslinjer

När en överbryggad förlossningslinje träffas av blixtnedslag sprider sig en resande våg längs ledaren [1]. Inuti ombordstationer beter sig många korta anslutningsledningar (till exempel anslutningar från transformer till busbarer eller blixtskydd) likt förlossningslinjer under extremt kortvariga blixtnedslagsimpulser. Dessa ledningar visar snabb vågpropagations-, reflektions- och refraktionsprocesser, vilket ofta genererar transitoriska överspänningar med mycket höga toppamplituder som kan skada utrustning.

1.2 Parameteranalys av Y-anslutna transformatorvindningar under blixtnedslagsvågor

Trefasstransformatorvindningar är generellt anslutna i Y, Yo eller Δ-konfigurationer. Under drift kan blixtnedslagsvågor inträda genom en, två eller till och med alla tre faser [1]. Detta arbete fokuserar på Y-anslutna vindningar eftersom endast sådana konfigurationer har en tillgänglig neutralpunkt. När en transformator är ansluten i Yo och samkoppling mellan faser försummas, oavsett om en, två eller tre faser träffas, kan systemet analyseras som tre oberoende vindningar med jordade ändar.

2. Isoleringsförhållanden för 110 kV transformatorns neutralpunkt

Neutralpunkter för 110 kV-transformatorer använder graderad isolering, indelade i 35 kV, 44 kV eller 60 kV-nivåer. För närvarande producerar tillverkare huvudsakligen transformer med 60 kV neutralpunktsisolering. Olika isoleringsnivåer har varierande dielektriska uthållighetsförmågor, som visas i tabell 1. Med hänsyn tagen till praktiska förhållanden, isoleringens åldring och säkerhetsmarginaler för nätspänning, tillämpas korrekturfaktorer. En blixtnedslagsuthållighetsmarginalfaktor på 0,6 och en nätspänningsuthållighetsmarginalfaktor på 0,85 antas [1], vilket leder till referensuthållighetsvärden i tabell 1.

Tabell 1 Isoleringens uthållighetsnivåer / Referensuthållighetsvärden för neutralpunkter

3. Simulering och beräkning

Betrakta en 110 kV understation med två transformatorer (Y/Δ) som fungerar parallellt, två inkommande linjer på 110 kV och fyra utgående linjer på 35 kV. Enkeltröskelns diagram visas i figur 1. För att begränsa ensidiga felslagna strömmar och minska kommunikationsstörningar har normalt sett endast en transformators neutralpunkt jordats, medan den andra förblir ojordad. Under blixtnedslagsvillkor kan ett mycket högt överspänning induceras vid den ojordade transformatorns neutralpunkt, vilket hotar dess isolering. Följande avsnitt presenterar simuleringar och analyser med ATP-programmet under olika scenarier.

Figur 1 Enkeltröskelns diagram för 110 kV-understationen

3.1 Blixtnedslagssvall som sprider sig från transmissionslinjer till understationen

3.1.1 Valf av blixtnedslagsvågsparametrar

Den primära orsaken till överspänning i understationer är blixtnedslagssvall som sprider sig från transmissionslinjer. Den maximala spänningsamplituden på linjen får inte överskrida U50% hållbarhetsnivån för linjens isolatorserie; annars skulle det uppstå en fläckövergång på linjen innan svallen når understationen. Eftersom de första 1–2 km av inkommande linjen vanligtvis skyddas mot direkta blixtnedslag kommer blixtnedslagsvågarna som når understationen huvudsakligen från nedslag utanför denna skyddade sektion. För blixtnedslag utanför understationen är den blixtnedslagsström som når understationen via linjer ≤220 kV generellt ≤5 kA, och ≤10 kA för 330–500 kV-linjer, med betydligt minskad brant [15,17]. Utifrån dessa villkor modelleras blixtnedslagsvågen med en typisk dubbel-exponentiell funktion:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
där a och b är negativa konstanter, och k, a, b bestäms av svallamplituden, fronttid och sluttid. En toppström på 5 kA och en standard 20/50 μs exponentiell våg används här.

3.1.2 Inställning av understationsutrustningsparametrar

Blixtnedslagsvågor innehåller mycket höga frekvensharmoniska; därför modelleras understationslinjeparametrar som fördelade parametrar. Brytare, strömbrytare, strömmättransformatorer (CTs) och spänningsmättransformatorer (VTs) inom understationen representeras av ekvivalenta sidokapacitanser. Transformatorns ekvivalenta ingångskapacitans ges av Cₜ = kS⁰·⁵, där S är trefasstransformatorns kapacitet. För spänningsnivåer ≤220 kV, n=3, och för 110 kV-transformatorer, k=540. Busbältesskyddet väljs som YH1OWx-108/290, och neutralpunktsbältesskyddet som YH1.5W-72/186.

3.1.3 Beräkning och analys

Den överspänning som genereras vid neutralpunkten skiljer sig beroende på om den är lokalt jordad eller ej. Simulationer utförs för tre scenarier: enkeltledsfasettoppsvall, enkeltledstvåfasettoppsvall och dubbeltledsfasettoppsvall, med hänsyn tagen både med och utan neutralpunktsbältesskydd. Resultaten visas i tabell 2.

Tabell 2 Toppöverspänning vid lokalt jordad / ojordad neutralpunkt

3.1.4 Resultatanalys

Enligt tabell 2, i system där transformatorns neutral är lokalt jordad, begränsar busbaröverspänningsmotståndet effektivt överspänning, så den ojordade transformatorns neutralpunkt upplever inte hög överspänning, och det neutralpunktsbaserade överspänningsmotståndet fungerar vanligtvis inte. I system där neutralpunkten är lokalt ojordad, är överspänningen vid neutralpunkten mycket hög. Utan ett överspänningsmotstånd utgör detta en allvarlig hot mot isoleringen (blixtimpulsladdningsförmågan för en 110 kV-transformator med gradvis isolering, med hänsyn till säkerhetsmarginal, är 195 kV). Installation av ett neutralpunktsöverspänningsmotstånd minskar signifikant toppen av överspänningen. Därför utgör blixtimpulser som sprider sig från linjer inget hot mot isoleringen av en neutralpunkt utrustad med överspänningsmotstånd.

3.2 Direkt blixtstöt på anläggningen

Även om anläggningar generellt har omfattande skydd mot blixt, kan direkt blixtstöt, trots sällsynta på grund av blixtens komplexitet och slumpmässighet, fortfarande inträffa [2] och orsaka skada på utrustning. Därför är det nödvändigt att studera överspänningen vid neutralpunkten orsakad av direkta stötar och motsvarande skyddsåtgärder.

3.2.1 Valf av blixt- och anläggningsparametrar

Anläggningsparametrar är desamma som tidigare definierade. Beräkningar utförs med standardblixtparametrar (1,2/50 μs) med amplituder på 50, 100, 200 och 250 kA. Blixtkanalens vågimpedans antas vara 400 Ω.

3.2.2 Beräkning och analys

Resultat för direkt blixtstöt på en enfasig busbar (tvåfasiga stötar är sällsynta) under lokalt jordade och ojordade neutralförhållanden visas i tabell 3 (I och II representerar fall utan respektive med neutralpunktsöverspänningsmotstånd).

Tabell 3 Toppöverspänning under lokalt jordade / ojordade neutralförhållanden (direkt stöt)

3.2.3 Resultatanalys

Enligt tabell 3 ökar spetsöverspanningen vid neutralpunkten betydligt med ökande blixtningsströmsamplitud, och svängningarna blir mer uttalade. Även med en överspänningsskyddare ökar restspänningen över skyddaren. I anläggningar med lokalt oförbundna neutraler är överspänningen vid neutralpunkten på grund av blixtningshändelser särskilt allvarlig. Även med en överspänningsskyddare förblir överspänningen hög. Till exempel genererar en direktträff på 250 kA en överspänning vid neutralpunkten på 224,1 kV. I detta fall kan transformatorn fortfarande skadas även om neutralpunktens skyddare aktiveras.

3.2.4 Diskussion om förbättringsåtgärder

(1) Installera en överspänningsskyddare vid transformatorns terminal (till exempel lägg till YH10Wx-108/290 för oförbundna transformatorer) för att begränsa blixtningsinducerad överspänning.
(2) Öka utsläppningsströmförmågan hos överspänningsskyddaren vid neutralpunkten. Den befintliga skyddaren har en utsläppningsförmåga på 1,5 kA vid en restspänning på 186 kV. Det föreslås att denna kapacitet ökas till 15 kA.

Ny simulering utfördes för en direkt blixtningshändelse på busbar i ett system med lokalt oförbundna neutraler, och resultaten visas i tabell 4.

Tabell 4 Spetsöverspanning vid neutralpunkt med överspänningsskyddare (förbättrade åtgärder)

Genom att jämföra tabeller 3 och 4 kan man se att installation av en överspänningsbrytare vid transformatorns terminal är ineffektiv för att reducera överspänning vid nollpunkten under blixtöverhöjningar. Ökning av överspänningsbrytarens släppström kapacitet förbättrar dock betydligt begränsningen av överspänning. Därför rekommenderas denna metod. Tillverkare av överspänningsbrytare uppmanas att fokusera på tekniska förbättringar för att öka släppströmskapaciteten.

4. Slutsats

a) Installation av överspänningsbrytare både på busbar och vid transformatorns nollpunkt begränsar effektivt överspänning vid nollpunkten orsakad av blixtöverhöjningar som sprider sig från överföringsledningar.
b) När en anläggning utsätts för en direkt blixt kan hög överspänning uppstå vid nollpunkten hos en jordfri transformator. Detta fenomen är mer uttalat i system med delvis jordfria nollpunkter, och under befintliga skyddsscheman kan isoleringen vid nollpunkten fortfarande skadas.
c) Installation av en överspänningsbrytare vid transformatorns terminal har ingen signifikant effekt på begränsningen av överspänning vid nollpunkten; ökning av släppströmskapaciteten för överspänningsbrytaren vid nollpunkten är en effektiv metod för begränsning av överspänning.