110 kV Transformer Neutral Point Lightning Overvoltage: ATP Simulation & Protection Solutions 110 kV Transformer Neutral Point Lightning Overvoltage: ATP Simulation & Protection Solutions ng IEE-Business

Mayroong malawak na literatura sa pag-aanalisa ng overvoltage sa mga neutral points ng transformer sa ilalim ng kondisyon ng lightning surge. Gayunpaman, dahil sa kumplikado at random na kalagayan ng mga lightning waves, ang eksaktong teoretikal na paglalarawan ay patuloy na hindi makuha. Sa praktikal na inhenyeriya, ang mga pagsasamantalang hakbang ay karaniwang itinataya batay sa mga power system codes sa pamamagitan ng pagpili ng angkop na lightning protection devices, na may sapat na dokumentasyon na sumusuporta dito.

Ang mga transmission lines o substations ay nasa panganib sa mga pag-atake ng kidlat. Ang lightning surges ay maaaring magpropaganda sa pamamagitan ng mga transmission lines patungo sa mga substation o direktang tumama sa mga equipment ng substation, na nagiging sanhi ng overvoltages sa neutral point ng transformer, na nagpapahina sa insulation ng neutral-point. Kaya, ang pag-aaral ng mga katangian ng overvoltage sa neutral-point sa ilalim ng kondisyon ng kidlat at ang pagtatasa ng voltage-limiting effectiveness ng mga protective device ay may praktikal na kahalagahan [1]. Ang papel na ito ay ipinapakita ang isang simulation study gamit ang Alternative Transients Program (ATP), ang pinaka-widely used na bersyon ng Electromagnetic Transients Program (EMTP), batay sa configuration ng isang tiyak na 110 kV substation. Sa pamamagitan ng pagsasama ng teorya ng lightning overvoltage at ang mga katangian ng insulation ng 110 kV transformer neutral points, ang papel ay nagsasimula ng mga overvoltages sa neutral-point sa iba't ibang kondisyon ng lightning wave. Ang mga resulta ng simulasyon ay kinukumpara at pinag-aaralan, at inirerekomenda ang mga hakbang upang mapababa ang overvoltage sa neutral-point.

1. Teoretikal na Analisis

1.1 Pag-atake ng Kidlat sa Transmission Lines

Kapag ang overhead transmission line ay tinamaan ng kidlat, ang isang traveling wave ay nagpopropaganda sa pamamagitan ng conductor [1]. Sa loob ng mga substation, ang maraming maikling connecting lines (halimbawa, ang mga koneksyon mula sa transformers patungo sa busbars o surge arresters) ay gumagana nang parang mga transmission lines sa ilalim ng napakamabilis na lightning impulse. Ang mga linya na ito ay nagpapakita ng mabilis na propagasyon, reflection, at refraction processes, na kadalasang nagpapadala ng transient overvoltages na may napakataas na peak amplitudes na maaaring sirain ang mga equipment.

1.2 Analisis ng Mga Parameter ng Y-Connected Transformer Windings sa Ilalim ng Lightning Surge

Ang mga three-phase transformer windings ay karaniwang konektado sa Y, Yo, o Δ configurations. Sa panahon ng operasyon, ang lightning surges ay maaaring pumasok sa pamamagitan ng isa, dalawa, o lahat ng tatlong phases [1]. Ang papel na ito ay nakatuon sa Y-connected windings, dahil tanging sa mga ganitong configuration lamang ang may accessible na neutral point. Kapag ang isang transformer ay konektado sa Yo at ang mutual coupling sa pagitan ng mga phase ay inignore, kahit na isa, dalawa, o tatlo ang phases na tinamaan, ang sistema ay maaaring analisin bilang tatlong independent na windings na may grounded terminals.

2. Katayuan ng Insulation ng 110 kV Transformer Neutral Points

Ang mga neutral points ng 110 kV transformers ay gumagamit ng graded insulation, na may classification na 35 kV, 44 kV, o 60 kV levels. Kasalukuyan, ang mga manufacturer ay pangunahing gumagawa ng mga transformers na may 60 kV neutral-point insulation. Ang iba't ibang insulation levels ay may iba't ibang dielectric withstand capabilities, tulad ng ipinapakita sa Table 1. Sa pag-consider ng praktikal na kondisyon, aging ng insulation, at safety margins para sa power-frequency voltage, ang mga correction factors ay ina-apply. Ang lightning impulse withstand margin factor na 0.6 at ang power-frequency withstand margin factor na 0.85 ay ina-adopt [1], na nagresulta sa reference withstand values sa Table 1.

Table 1 Insulation Withstand Levels / Reference Withstand Values para sa Neutral Points

3. Simulasyon at Pagkalkula

Isaalang-alang ang isang 110 kV substation na may dalawang transformer (Y/Δ) na gumagana nang parallel, dalawang 110 kV na pumasok na linya, at apat na 35 kV na lumabas na linya. Ang single-line diagram ay ipinapakita sa Figure 1. Upang limitahan ang single-phase grounding fault currents at bawasan ang komunikasyong interference, karaniwang iisa lamang ang transformer na may grounded na neutral point habang ang iba pa ay hindi grounded. Sa ilalim ng kondisyong lightning surge, maaaring makapagtamo ng napakataas na overvoltage sa neutral point ng ungrounded na transformer, na nagbabanta sa kanyang insulation. Ang mga sumusunod na seksyon ay nagpapakita ng mga analisis ng simulasyon gamit ang ATP program sa iba't ibang pangyayari.

Figure 1 Single-Line Diagram ng 110 kV Substation

3.1 Lightning Surge na Kumakalat mula sa Transmission Lines papunta sa Substation

3.1.1 Paggamit ng Lightning Wave Parameters

Ang pangunahing sanhi ng overvoltage sa mga substation ay ang lightning surges na kumakalat mula sa transmission lines. Ang pinakamataas na amplitude ng voltage sa linya ay hindi dapat lumampas sa U50% withstand level ng insulator string ng linya; kung hindi, magkakaroon ng flashover sa linya bago pa man pumasok ang surge sa substation. Dahil ang unang 1–2 km ng pumasok na linya ay karaniwang protektado laban sa direkta na lightning strikes, ang mga lightning waves na pumapasok sa substation ay pangunahing nanggagaling sa mga pagbato sa labas ng nasabing protektadong bahagi. Para sa mga lightning strikes sa labas ng substation, ang magnitude ng lightning current na pumapasok sa substation via lines ≤220 kV ay karaniwang ≤5 kA, at ≤10 kA para sa 330–500 kV lines, na may malaking pagbaba ng steepness [15,17]. Batay sa mga kondisyon na ito, ang lightning wave ay iminodelo gamit ang typical double-exponential function:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
kung saan a at b ay negative constants, at k, a, b ay matutukoy batay sa surge amplitude, front time, at tail time. Ginagamit dito ang peak current na 5 kA at standard 20/50 μs exponential wave.

3.1.2 Pagsasaayos ng Mga Parameter ng Substation Equipment

Ang lightning surges ay naglalaman ng napakataas na high-frequency harmonics; kaya, ang mga parameter ng linya ng substation ay iminodelo bilang distributed parameters. Ang mga switch, circuit breaker, current transformers (CTs), at voltage transformers (VTs) sa loob ng substation ay kinakatawan ng equivalent shunt capacitances. Ang equivalent input capacitance ng transformer ay ibinibigay ng Cₜ = kS⁰·⁵, kung saan S ang three-phase transformer capacity. Para sa voltage levels ≤220 kV, n=3, at para sa 110 kV transformers, k=540. Ang busbar surge arrester ay pinili bilang YH1OWx-108/290, at ang neutral-point surge arrester bilang YH1.5W-72/186.

3.1.3 Pagkalkula at Analisis

Ang overvoltage na nabuo sa neutral point ay magkaiba depende kung ito ay locally grounded o ungrounded. Ginawa ang mga simulasyon para sa tatlong scenario: single-circuit single-phase surge, single-circuit two-phase surge, at double-circuit single-phase surge, kasama ang pag-aaral kung mayroon o wala ang neutral-point surge arrester. Ipinalalabas ang mga resulta sa Table 2.

Table 2 Peak Overvoltage sa Locally Grounded / Ungrounded Neutral Conditions

3.1.4 Pagsusuri ng Resulta

Mula sa Table 2, sa mga sistema kung saan ang neutral ng transformer ay lokal na naka-ground, ang surge arrester ng busbar ay mabisa na limitado ang overvoltage, kaya ang neutral point ng hindi naka-ground na transformer ay hindi nakakaranas ng mataas na overvoltage, at ang neutral-point arrester sa pangkaraniwan ay hindi gumagana. Sa mga sistema kung saan ang neutral point ay lokal na hindi naka-ground, ang overvoltage sa neutral point ay napakataas. Kung wala ang surge arrester, ito ay nagbibigay ng malubhang banta sa insulation (ang lightning impulse withstand voltage ng 110 kV transformer na may graded insulation, kasama ang safety margin, ay 195 kV). Ang pag-install ng neutral-point surge arrester ay siyempre nagsisilbing pambawas ng peak overvoltage. Kaya, ang mga lightning surges na nagmumula sa mga linya ay hindi nagbabanta sa insulation ng isang neutral point na may surge arrester.

3.2 Direkta na Lightning Strike sa Substation

Bagaman ang mga substation ay karaniwang mayroong komprehensibong lightning protection, ang direkta na lightning strikes, bagama't mahihirap dahil sa kahalagahan at randomidad ng lightning, ay maaari pa ring mangyari [2] at magdulot ng pinsala sa kagamitan. Kaya, ang pag-aaral ng overvoltage sa neutral point na dulot ng direkta na lightning strikes at ang mga corresponding protective measures ay kinakailangan.

3.2.1 Pagpili ng Lightning at Substation Parameters

Ang mga parameter ng substation ay nananatiling pareho bilang naipinakilala. Ang mga kalkulasyon ay isinasagawa gamit ang standard lightning parameters (1.2/50 μs) na may amplitudes na 50, 100, 200, at 250 kA. Ang lightning channel wave impedance ay itinuturing na 400 Ω.

3.2.2 Pagsusuri at Pagkalkula

Ang mga resulta para sa direkta na lightning strike sa single-phase busbar (ang two-phase strikes ay mahihirap) sa ilalim ng lokal na naka-ground at hindi naka-ground na kondisyon ng neutral ay ipinapakita sa Table 3 (I at II ay kumakatawan sa mga kaso na walang at may neutral-point surge arrester, respectively).

Talaan 3 Peak Overvoltage sa Ilalim ng Lokal na Naka-Ground / Hindi Naka-Ground na Kondisyon ng Neutral (Direkta na Strike)

3.2.3 Pagsusuri ng Resulta

Tulad ng ipinapakita sa Balarila 3, habang tumataas ang lakas ng kuryente ng kidlat, ang tuktok na overvoltage sa neutral point ay lumalaki nang significante, at ang mga pag-oscillate ay naging mas malinaw. Kahit may surge arrester, ang natitirang voltage sa ibabaw ng arrester ay tumataas. Sa mga substation na may lokal na hindi naka-ground na neutral, ang overvoltage sa neutral point dahil sa kidlat ay lalo pang malubha. Kahit may surge arrester, ang overvoltage ay nananatiling mataas. Halimbawa, ang isang direktang pagsunggaban ng 250 kA ay nagpapabuo ng overvoltage sa neutral point na 224.1 kV. Sa kasong ito, kahit na gumana ang neutral-point arrester, maaari pa rin ang transformer na masira.

3.2.4 Paghahandog ng mga Paraan ng Pagpapabuti

(1) Mag-install ng surge arrester sa terminal ng transformer (halimbawa, idagdag ang YH10Wx-108/290 para sa mga hindi naka-ground na transformer) upang limitahan ang lightning surge overvoltage.
(2) Tangkilikin ang kapasidad ng discharge current ng neutral-point surge arrester. Ang umiiral na arrester ay may kapasidad ng discharge na 1.5 kA sa isang residual voltage na 186 kV. Inuudyukan ang pagtaas ng kapasidad na ito hanggang 15 kA.

Ang mga re-simulasyon para sa direktang pagsunggaban ng kidlat sa busbar sa isang lokal na hindi naka-ground na sistema ng neutral ay isinagawa, at ang mga resulta ay ipinapakita sa Balarila 4.

Balarila 4 Tuktok na Overvoltage sa Neutral Point kasama ang Surge Arrester (Napapabuting Paraan)

Sa paghahambing ng mga Bales 3 at 4, ang pag-install ng isang arrester sa terminal ng transformer ay hindi epektibo sa pagbawas ng lightning overvoltage sa neutral point. Gayunpaman, ang pagtaas ng discharge capacity ng surge arrester ay malaki ang naitutulong sa pag-i-improve ng overvoltage limitation. Kaya, inirerekomenda ang paraang ito. Inaasahan ang mga manufacturer ng surge arrester na mag-focus sa teknolohikal na improvement upang mapataas ang kapasidad ng discharge current.

4. Kasimpulan

a) Ang pag-install ng surge arrester sa busbar at sa neutral point ng transformer ay epektibo sa pag-limit ng overvoltage sa neutral point na dulot ng lightning surges mula sa transmission lines.
b) Kapag direktang tinamaan ng lightning ang isang substation, maaaring lumitaw ang mataas na overvoltage sa neutral point ng ungrounded transformer. Mas malinaw ang epekto na ito sa mga sistema na may partially ungrounded neutrals, at sa ilalim ng umiiral na overvoltage protection schemes, maaari pa ring masira ang insulasyon ng neutral-point.
c) Ang pag-install ng surge arrester sa terminal ng transformer ay walang mahalagang epekto sa pag-limit ng overvoltage sa neutral point; ang pagtaas ng discharge current capacity ng neutral-point surge arrester ay isang epektibong paraan para sa overvoltage limitation.