แรงดันไฟฟ้าเกินจากการลัดวงจรที่จุดกลางของหม้อแปลง 110 kV: การจำลอง ATP และวิธีการป้องกัน

มีวรรณกรรมอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการวิเคราะห์แรงดันเกินที่จุดกลางของหม้อแปลงภายใต้สภาวะพายุฟ้าผ่า อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความซับซ้อนและความไม่แน่นอนของคลื่นฟ้าผ่า การอธิบายเชิงทฤษฎีอย่างแม่นยำยังคงเป็นเรื่องยาก ในทางปฏิบัติทางวิศวกรรม มาตรการป้องกันมักถูกกำหนดตามรหัสระบบไฟฟ้าโดยเลือกใช้อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าที่เหมาะสม พร้อมด้วยเอกสารสนับสนุนที่มากมาย

สายส่งหรือสถานีไฟฟ้าย่อยมีความเสี่ยงต่อการถูกฟ้าผ่า คลื่นแรงดันจากการฟ้าผ่าอาจแพร่กระจายตามสายส่งเข้าสู่สถานีไฟฟ้าย่อยหรือกระทบตรงกับอุปกรณ์ในสถานีไฟฟ้าย่อย ทำให้เกิดแรงดันเกินที่จุดกลางของหม้อแปลง ซึ่งเป็นภัยคุกคามต่อฉนวนของจุดกลาง ดังนั้น การศึกษาลักษณะของแรงดันเกินที่จุดกลางภายใต้สภาวะฟ้าผ่าและการประเมินประสิทธิภาพในการจำกัดแรงดันของอุปกรณ์ป้องกันมีความหมายในทางปฏิบัติ [1] บทความนี้นำเสนอการศึกษาจำลองโดยใช้โปรแกรม Alternative Transients Program (ATP) ซึ่งเป็นเวอร์ชันที่ใช้งานอย่างกว้างขวางที่สุดของโปรแกรม Electromagnetic Transients Program (EMTP) บนพื้นฐานของการกำหนดค่าของสถานีไฟฟ้าย่อย 110 kV ที่เฉพาะเจาะจง โดยการรวมทฤษฎีแรงดันเกินจากฟ้าผ่ากับลักษณะฉนวนของจุดกลางหม้อแปลง 110 kV บทความนี้จำลองแรงดันเกินที่จุดกลางภายใต้สภาวะคลื่นฟ้าผ่าที่หลากหลาย ผลการจำลองถูกวิเคราะห์เปรียบเทียบ และเสนอมาตรการเพื่อลดแรงดันเกินที่จุดกลาง

1. การวิเคราะห์เชิงทฤษฎี

1.1 การฟ้าผ่าบนสายส่ง

เมื่อสายส่งเหนือศีรษะถูกฟ้าผ่า คลื่นเดินทางจะแพร่กระจายตามสายนำ [1] ภายในสถานีไฟฟ้าย่อย มีสายเชื่อมต่อสั้น ๆ จำนวนมาก (เช่น สายเชื่อมต่อจากหม้อแปลงไปยังบัสบาร์หรืออุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่า) ที่แสดงพฤติกรรมคล้ายคลึงกับสายส่งภายใต้แรงกระแทกฟ้าผ่าที่มีระยะเวลาสั้นมาก สายเหล่านี้มีกระบวนการแพร่กระจายสะท้อนและหักเหคลื่นอย่างรวดเร็ว ซึ่งมักจะสร้างแรงดันเกินชั่วขณะที่มีค่าสูงสุดสูงมาก ซึ่งสามารถทำลายอุปกรณ์ได้

1.2 การวิเคราะห์พารามิเตอร์ของขดลวดหม้อแปลง Y-Connected ภายใต้คลื่นฟ้าผ่า

ขดลวดหม้อแปลงสามเฟสโดยทั่วไปจะเชื่อมต่อในรูปแบบ Y, Yo หรือ Δ ระหว่างการทำงาน คลื่นฟ้าผ่าอาจเข้าสู่หนึ่งสองหรือทั้งสามเฟส [1] บทความนี้เน้นที่ขดลวด Y-Connected เนื่องจากมีจุดกลางที่สามารถเข้าถึงได้ เมื่อหม้อแปลงเชื่อมต่อในรูปแบบ Yo และละเลยการคู่ขนานระหว่างเฟส ไม่ว่าจะหนึ่งสองหรือทั้งสามเฟสที่ถูกฟ้าผ่า ระบบสามารถวิเคราะห์เป็นขดลวดอิสระสามขดที่มีปลายต่อลงดิน

2. สภาพฉนวนของจุดกลางหม้อแปลง 110 kV

จุดกลางของหม้อแปลง 110 kV ใช้ฉนวนแบบเกรด แบ่งออกเป็นระดับ 35 kV, 44 kV หรือ 60 kV ปัจจุบันผู้ผลิตส่วนใหญ่ผลิตหม้อแปลงที่มีฉนวนจุดกลาง 60 kV ระดับฉนวนที่แตกต่างกันมีความสามารถในการทนแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ดังแสดงในตาราง 1 ด้วยการพิจารณาสภาพจริง การเสื่อมสภาพของฉนวน และขอบเขตความปลอดภัยสำหรับแรงดันไฟฟ้ากำลัง ปัจจัยปรับปรุงถูกนำมาใช้ ปัจจัยความอดทนต่อแรงกระแทกฟ้าผ่า 0.6 และปัจจัยความอดทนต่อแรงดันไฟฟ้ากำลัง 0.85 ถูกนำมาใช้ [1] นำไปสู่ค่าความอดทนอ้างอิงในตาราง 1

ตาราง 1 ระดับความอดทนฉนวน / ค่าความอดทนอ้างอิงสำหรับจุดกลาง

3. การจำลองและการคำนวณ

พิจารณาสถานีไฟฟ้าแรงสูง 110 กิโลโวลต์ที่มีหม้อแปลงสองตัว (Y/Δ) ทำงานแบบขนาน สายไฟเข้า 110 กิโลโวลต์สองเส้น และสายไฟออก 35 กิโลโวลต์สี่เส้น แผนผังวงจรเดี่ยวแสดงในรูปที่ 1 เพื่อลดกระแสไฟฟ้าขั้วต่อเดี่ยวและลดการรบกวนในการสื่อสาร มักจะมีเพียงหม้อแปลงหนึ่งตัวเท่านั้นที่มีจุดกลางเชื่อมต่อกับดิน ในขณะที่อีกตัวหนึ่งไม่มีการเชื่อมต่อกับดิน ภายใต้เงื่อนไขของการเกิดฟ้าผ่า ความดันไฟฟ้าสูงมากสามารถถูกเหนี่ยวนำขึ้นที่จุดกลางของหม้อแปลงที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับดิน ซึ่งเป็นภัยคุกคามต่อฉนวนของหม้อแปลง ส่วนต่อไปนี้นำเสนอการวิเคราะห์จากการจำลองโดยใช้โปรแกรม ATP ภายใต้สถานการณ์ต่าง ๆ

รูปที่ 1 แผนผังวงจรเดี่ยวของสถานีไฟฟ้าแรงสูง 110 กิโลโวลต์

3.1 การแพร่กระจายคลื่นฟ้าผ่าจากสายส่งไฟฟ้าเข้าสู่สถานีไฟฟ้า

3.1.1 การเลือกพารามิเตอร์คลื่นฟ้าผ่า

สาเหตุหลักของความดันไฟฟ้าเกินในสถานีไฟฟ้าคือคลื่นฟ้าผ่าที่แพร่กระจายจากสายส่งไฟฟ้า ความสูงสุดของแรงดันบนสายไม่ควรเกินระดับความทนทาน U50% ของสายลวดฉนวน หากเกินกว่านั้น จะเกิดการกระชากไฟบนสายก่อนที่คลื่นจะเข้าสู่สถานีไฟฟ้า เนื่องจาก 1-2 กิโลเมตรแรกของสายส่งไฟฟ้ามักจะได้รับการป้องกันจากการถูกฟ้าผ่าโดยตรง คลื่นฟ้าผ่าที่เข้าสู่สถานีไฟฟ้าจึงมาจากบริเวณที่อยู่นอกเขตป้องกันนี้ สำหรับฟ้าผ่าที่เกิดขึ้นนอกสถานีไฟฟ้า ขนาดของกระแสฟ้าผ่าที่เข้าสู่สถานีไฟฟ้าผ่านสาย ≤220 กิโลโวลต์มักจะ ≤5 กิโลแอมแปร์ และ ≤10 กิโลแอมแปร์สำหรับสาย 330-500 กิโลโวลต์ โดยมีความชันลดลงอย่างมาก [15,17] ตามเงื่อนไขเหล่านี้ คลื่นฟ้าผ่าถูกจำลองโดยใช้ฟังก์ชันเอ็กซ์โพเนนเชียลคู่:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
โดยที่ a และ b เป็นค่าคงที่ลบ และ k, a, b ถูกกำหนดโดยขนาดของคลื่น ระยะเวลาหน้าคลื่น และระยะเวลาท้ายคลื่น ที่นี่ใช้กระแสสูงสุด 5 กิโลแอมแปร์และคลื่นเอ็กซ์โพเนนเชียลมาตรฐาน 20/50 ไมโครวินาที

3.1.2 การตั้งค่าพารามิเตอร์อุปกรณ์สถานีไฟฟ้า

คลื่นฟ้าผ่ามีฮาร์โมนิกความถี่สูงมาก ดังนั้น พารามิเตอร์สายไฟในสถานีไฟฟ้าถูกจำลองเป็นพารามิเตอร์กระจายสวิตช์ ตู้สวิตช์ ทรานส์ฟอร์เมอร์กระแส (CTs) และทรานส์ฟอร์เมอร์แรงดัน (VTs) ภายในสถานีไฟฟ้าถูกแทนที่ด้วยความจุทางด้านข้างที่เทียบเท่า ความจุทางเข้าที่เทียบเท่าของหม้อแปลงกำหนดโดย Cₜ = kS⁰·⁵ โดยที่ S คือกำลังของหม้อแปลงสามเฟส สำหรับระดับแรงดัน ≤220 กิโลโวลต์ n=3 และสำหรับหม้อแปลง 110 กิโลโวลต์ k=540 อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินที่บัสบาร์ถูกเลือกเป็น YH1OWx-108/290 และอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินที่จุดกลางเป็น YH1.5W-72/186

3.1.3 การคำนวณและการวิเคราะห์

แรงดันเกินที่สร้างขึ้นที่จุดกลางแตกต่างกันขึ้นอยู่กับว่ามันถูกเชื่อมต่อกับดินท้องถิ่นหรือไม่ เชิงจำลองถูกดำเนินการในสามสถานการณ์: คลื่นฟ้าผ่าเฟสเดียวในวงจรเดียว คลื่นฟ้าผ่าสองเฟสในวงจรเดียว และคลื่นฟ้าผ่าเฟสเดียวในวงจรคู่ โดยพิจารณาทั้งกรณีที่มีและไม่มีอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินที่จุดกลาง ผลลัพธ์แสดงในตารางที่ 2

ตารางที่ 2 แรงดันสูงสุดภายใต้สภาพที่จุดกลางเชื่อมต่อกับดิน/ไม่เชื่อมต่อกับดิน

3.1.4 การวิเคราะห์ผลลัพธ์

จากตารางที่ 2 ในระบบที่จุดกลางของหม้อแปลงถูกต่อลงดินในท้องถิ่น อุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้ากระชากบนบัสบาร์สามารถจำกัดแรงดันเกินได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้นจุดกลางของหม้อแปลงที่ไม่ได้ต่อลงดินจะไม่ประสบกับแรงดันเกินสูง และอุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้ากระชากที่จุดกลางโดยทั่วไปจะไม่ทำงาน ในระบบที่จุดกลางไม่ได้ต่อลงดิน แรงดันเกินที่จุดกลางจะสูงมาก หากไม่มีอุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้ากระชาก ความเสี่ยงต่อฉนวนจะรุนแรง (แรงดันทนไฟกระชากของหม้อแปลง 110 กิโลโวลต์ที่มีฉนวนหลายระดับ โดยคำนึงถึงระยะปลอดภัย คือ 195 กิโลโวลต์) การติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้ากระชากที่จุดกลางจะลดแรงดันเกินสูงสุดลงอย่างมาก ดังนั้นการกระชากไฟฟ้าที่แพร่กระจายมาจากสายส่งจะไม่เป็นภัยต่อฉนวนของจุดกลางที่มีอุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้ากระชาก

3.2 ฟ้าผ่าตรงที่สถานีไฟฟ้า

แม้ว่าสถานีไฟฟ้าโดยทั่วไปจะมีการป้องกันฟ้าผ่าอย่างครอบคลุม แต่ฟ้าผ่าตรงซึ่งเกิดขึ้นได้น้อยเนื่องจากความซับซ้อนและความไม่แน่นอนของฟ้าผ่า อาจเกิดขึ้น [2] และทำให้อุปกรณ์เสียหาย ดังนั้นการศึกษาแรงดันเกินที่จุดกลางที่เกิดจากฟ้าผ่าตรงและการป้องกันที่เหมาะสมจึงจำเป็น

3.2.1 การเลือกพารามิเตอร์ของฟ้าผ่าและสถานีไฟฟ้า

พารามิเตอร์ของสถานีไฟฟ้ายังคงเหมือนที่กำหนดไว้แล้ว การคำนวณดำเนินการโดยใช้พารามิเตอร์ฟ้าผ่ามาตรฐาน (1.2/50 μs) ด้วยขนาดความสูง 50, 100, 200, และ 250 kA ความต้านทานคลื่นของช่องฟ้าผ่าถูกกำหนดเป็น 400 Ω

3.2.2 การคำนวณและการวิเคราะห์

ผลลัพธ์จากการฟ้าผ่าตรงที่บัสบาร์เฟสเดียว (การฟ้าผ่าสองเฟสมีโอกาสเกิดขึ้นน้อย) ในสภาพที่จุดกลางต่อลงดินและไม่ต่อลงดินแสดงในตารางที่ 3 (I และ II แทนกรณีที่ไม่มีและมีอุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้ากระชากที่จุดกลาง ตามลำดับ)

ตารางที่ 3 แรงดันเกินสูงสุดภายใต้สภาพที่จุดกลางต่อลงดิน / ไม่ต่อลงดิน (ฟ้าผ่าตรง)

3.2.3 การวิเคราะห์ผลลัพธ์

ตามที่แสดงในตารางที่ 3 เมื่อความแรงของกระแสฟ้าผ่าเพิ่มขึ้น แรงดันสูงสุดที่จุดกลางจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก และการสั่นสะเทือนจะชัดเจนมากขึ้น แม้ว่าจะมีตัวป้องกันไฟกระชาก แรงดันตกค้างที่ตัวป้องกันไฟกระชากก็ยังเพิ่มขึ้น ในสถานีไฟฟ้าที่มีจุดกลางไม่ได้ต่อลงดิน แรงดันเกินที่จุดกลางเนื่องจากฟ้าผ่าจะรุนแรงเป็นพิเศษ แม้ว่าจะมีตัวป้องกันไฟกระชาก แรงดันเกินก็ยังคงสูง เช่น ฟ้าผ่าโดยตรงที่ 250 kA จะทำให้เกิดแรงดันเกินที่จุดกลาง 224.1 kV ในกรณีนี้ แม้ว่าตัวป้องกันไฟกระชากที่จุดกลางทำงาน เครื่องแปลงไฟฟ้าอาจเสียหายได้

3.2.4 การหารือเรื่องมาตรการปรับปรุง

(1) ติดตั้งตัวป้องกันไฟกระชากที่ปลายสายของเครื่องแปลงไฟฟ้า (เช่น เพิ่ม YH10Wx-108/290 สำหรับเครื่องแปลงไฟฟ้าที่ไม่ได้ต่อลงดิน) เพื่อจำกัดแรงดันเกินจากการฟ้าผ่า
(2) เพิ่มความสามารถในการปล่อยกระแสของตัวป้องกันไฟกระชากที่จุดกลาง ตัวป้องกันไฟกระชากที่มีอยู่มีความสามารถในการปล่อยกระแส 1.5 kA ที่แรงดันตกค้าง 186 kV มีข้อเสนอให้เพิ่มความสามารถนี้เป็น 15 kA

การจำลองใหม่สำหรับฟ้าผ่าโดยตรงที่บัสบาร์ในระบบจุดกลางไม่ได้ต่อลงดินถูกดำเนินการ และผลลัพธ์แสดงในตารางที่ 4

ตารางที่ 4 แรงดันสูงสุดที่จุดกลางพร้อมตัวป้องกันไฟกระชาก (มาตรการปรับปรุง)

เมื่อเปรียบเทียบตารางที่ 3 และ 4 การติดตั้งเครื่องป้องกันไฟฟ้ากระชากที่ปลายของหม้อแปลงไม่ได้มีประสิทธิภาพในการลดแรงดันเกินจากฟ้าผ่าที่จุดกลางกลาง อย่างไรก็ตาม การเพิ่มความสามารถในการปล่อยกระแสของเครื่องป้องกันไฟฟ้ากระชากจะช่วยปรับปรุงการจำกัดแรงดันเกินได้อย่างมาก ดังนั้น วิธีนี้ควรได้รับการแนะนำ ผู้ผลิตเครื่องป้องกันไฟฟ้ากระชากควรเน้นการพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อเพิ่มความสามารถในการปล่อยกระแส

4. สรุป

a) การติดตั้งเครื่องป้องกันไฟฟ้ากระชากทั้งที่บัสบาร์และจุดกลางของหม้อแปลงสามารถจำกัดแรงดันเกินที่จุดกลางได้อย่างมีประสิทธิภาพจากการแพร่กระจายของคลื่นไฟฟ้าจากสายส่ง
b) เมื่อมีการถูกฟ้าผ่าโดยตรงที่สถานีไฟฟ้า จะเกิดแรงดันเกินสูงที่จุดกลางของหม้อแปลงที่ไม่ได้ต่อกราวน์ ผลกระทบนี้จะเห็นได้ชัดเจนในระบบที่มีจุดกลางบางส่วนไม่ได้ต่อกราวน์ และภายใต้วิธีการป้องกันแรงดันเกินที่มีอยู่ ฉนวนที่จุดกลางอาจยังคงเสียหายได้
c) การติดตั้งเครื่องป้องกันไฟฟ้ากระชากที่ปลายของหม้อแปลงไม่มีผลสำคัญในการจำกัดแรงดันเกินที่จุดกลาง การเพิ่มความสามารถในการปล่อยกระแสของเครื่องป้องกันไฟฟ้ากระชากที่จุดกลางเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการจำกัดแรงดันเกิน