110 kV Trafo Nötr Nokta Yıldırım Gerilimi: ATP Simülasyon & Koruma Çözümleri

Yüksek gerilim altında transformatör nötr noktalarının analizine dair geniş bir literatür mevcuttur. Ancak, yıldırım dalgalarının karmaşıklığı ve rastgele doğası nedeniyle, doğru bir teorik açıklama hala zor olmaktadır. Mühendislik uygulamalarında, koruyucu önlemler genellikle güç sistem standartlarına dayanarak uygun yıldırım koruma cihazlarının seçilmesiyle belirlenir ve bu konuda bol miktarda destek belgesi bulunmaktadır.

İletim hatları veya dağıtım merkezleri yıldırım vuruşlarına karşı hassas haldedir. Yıldırım dalgaları, iletim hatları boyunca dağıtım merkezlerine yayılabilir veya dağıtım merkezi ekipmanlarına doğrudan vurabilir, bu da transformatör nötr noktasında aşırı gerilimlere yol açar ve nötr-nokta yalıtımına tehdit oluşturur. Bu nedenle, yıldırım koşullarındaki nötr-nokta aşırı gerilimin özellikleri üzerinde çalışmak ve koruyucu cihazların gerilim sınırlama etkinliğini değerlendirmek pratik bir önem taşır [1]. Bu makale, belirli bir 110 kV dağıtım merkezinin yapılandırmasına dayalı olarak, Elektromanyetik Geçici Program (EMTP)'nin en yaygın kullanılan versiyonu olan Alternatif Geçici Program (ATP) kullanılarak yapılan bir simülasyon çalışmasını sunmaktadır. Yıldırım aşırı gerilimi teorisi ile 110 kV transformatör nötr noktalarının yalıtım özelliklerini birleştirerek, çeşitli yıldırım dalga koşulları altında nötr-nokta aşırı gerilimlerini simüle eder. Simülasyon sonuçları karşılaştırmalı olarak analiz edilir ve nötr-nokta aşırı gerilimini azaltma önlemleri önerilir.

1. Teorik Analiz

1.1 İletim Hatlarına Yıldırım Vuruşu

Bir havadan hat yıldırıma uğradığında, bir dalga iletken boyunca yayılır [1]. Dağıtım merkezlerinde, birçok kısa bağlantı hattı (örneğin, transformatörlerden ana hatlara veya yıldırım yakalayıcılara olan bağlantılar), çok kısa süren yıldırım darbesi altında iletim hatlarına benzer şekilde davranır. Bu hatlar, hızlı dalga yayılımı, yansıma ve kırılma süreçlerini gösterir ve genellikle ekipmanları zarara ugratabilecek çok yüksek zirve amplitudlu geçici aşırı gerilimler oluşturur.

1.2 Yıldırım Darbesi Altında Y-Connected Transformatör Bobinlerinin Parametre Analizi

Üç fazlı transformatör bobinleri genellikle Y, Yo veya Δ yapılandırmalarında bağlanır. İşlem sırasında, yıldırım dalgaları bir, iki veya hatta üç fazdan girebilir [1]. Bu makale, sadece erişilebilir bir nötr noktası olan Y-bağlı bobinlere odaklanır. Bir transformatör Yo ile bağlı olduğunda ve fazlar arası karşılıklı kuvvet ihmal edildiğinde, bir, iki veya üç fazın vurulması durumunda, sistemin üç bağımsız bobin olarak analiz edilebileceği, bitişik terminalleri yerleştikçe kabul edilir.

2. 110 kV Transformatör Nötr Noktalarının Yalıtım Durumu

110 kV transformatör nötr noktaları, 35 kV, 44 kV veya 60 kV seviyelerine ayrılmış graduel yalıtım kullanır. Şu anda, üreticiler çoğunlukla 60 kV nötr-nokta yalıtımı olan transformatörler üretmektedir. Farklı yalıtım seviyeleri, değişken dielektrik dayanım yeteneklerine sahiptir, Bảng 1'de gösterildiği gibidir. Pratik koşulları, yalıtım yaşlanmasını ve güç frekansı gerilim için güvenli marjları göz önünde bulundurarak, düzeltme faktörleri uygulanır. Yıldırım darbesi dayanım marj faktörü 0.6 ve güç frekansı dayanım marj faktörü 0.85 kabul edilir [1], bu da Bảng 1'deki referans dayanım değerlerine yol açar.

Bảng 1 Nötr Noktalar İçin Yalıtım Dayanım Seviyeleri / Referans Dayanım Değerleri

3. Simülasyon ve Hesaplama

110 kV bir transformatör istasyonunu düşünün, bu istasyonda paralel olarak çalışan iki dönüştürücü (Y/Δ), iki 110 kV gelen hat ve dört 35 kV giden hat bulunmaktadır. Tek çizgili şema Şekil 1'de gösterilmiştir. Tek faz topraklama arızası akımlarını sınırlamak ve iletişim interferansını azaltmak için genellikle sadece bir dönüştürücünün nötr noktasına topraklanırken diğerinin nötr noktası topraksız kalır. Yıldırım darbesi koşulları altında, topraksız dönüştürücünün nötr noktasında çok yüksek bir aşırı gerilim oluşabilir, bu da yalıtımını tehdit edebilir. Aşağıdaki bölümlerde, çeşitli senaryolarda ATP programı kullanılarak simülasyon analizleri sunulmaktadır.

Şekil 1 110 kV Transformatör İstasyonunun Tek Çizgili Şeması

3.1 Hatlardan İstasyona Yayılan Yıldırım Darbesi

3.1.1 Yıldırım Dalgası Parametrelerinin Seçimi

İstasyonlarda aşırı gerilimin temel nedeni, hatlardan yayılan yıldırım darbeleridir. Hat üzerindeki maksimum gerilim amplitudu, hat yalıtıcı zincirinin U50% dayanma seviyesini aşmamalıdır; aksi takdirde, dalga istasyona girmeden önce hat üzerinde patlama olur. Gelen hatın ilk 1-2 km'si genellikle doğrudan yıldırım darbelerine karşı korunur, bu nedenle istasyona giren yıldırım dalgaları çoğunlukla bu korunan bölgenin dışındaki darbelere kaynaklanır. İstasyon dışındaki yıldırım darbeleri için, ≤220 kV hatları üzerinden istasyona giren yıldırım akımı genellikle ≤5 kA, 330-500 kV hatları için ise ≤10 kA olup, keskinliği önemli ölçüde azalmıştır [15,17]. Bu koşullara göre, yıldırım dalgası tipik bir çift üstel fonksiyon ile modellenmiştir:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
burada a ve b negatif sabitlerdir, ve k, a, b değerleri, darbenin amplitudesi, ön zamanı ve kuyruk zamanı tarafından belirlenir. Burada 5 kA zirve akımı ve standart 20/50 μs üstel dalga kullanılmıştır.

3.1.2 İstasyon Ekipmanı Parametre Ayarları

Yıldırım darbeleri çok yüksek frekanslı harmonikleri içerir; bu nedenle, istasyon hattı parametreleri dağıtılmış parametreler olarak modellenir. İstasyon içindeki anahtarlardan, devre kesicilerden, akım dönüşüm cihazlarından (CT'ler) ve gerilim dönüşüm cihazlarından (VT'ler) eşdeğer paralel kapasitanslarla temsil edilir. Dönüştürücünün eşdeğer giriş kapasitansı Cₜ = kS⁰·⁵ formülüyle verilir, burada S üç fazlı dönüştürücü kapasitesidir. ≤220 kV gerilim seviyeleri için n=3, 110 kV dönüştürücüler için ise k=540 olur. Anahtarlık aşırı gerilim koruyucusu YH1OWx-108/290, nötr nokta aşırı gerilim koruyucusu ise YH1.5W-72/186 olarak seçilmiştir.

3.1.3 Hesaplama ve Analiz

Nötr noktada oluşan aşırı gerilim, yerel toprağa bağlı olup olmadığına bağlıdır. Üç senaryo için simülasyonlar yapılmıştır: tek devreli tek fazlı darbe, tek devreli iki fazlı darbe ve çift devreli tek fazlı darbe, hem yerel toprağa bağlanmış hem de bağlanmamış durumlar göz önünde bulundurularak. Sonuçlar Tablo 2'de gösterilmiştir.

Tablo 2 Yerel Toprağa Bağlı / Bağlanmamış Nötr Koşullar Altında Zirve Aşırı Gerilim

3.1.4 Sonuç Analizi

Tablo 2'den, transformatör nötrali yerel olarak bağlı sistemlerde, anahtar kavşak dalgası savarıcı etkili bir şekilde aşırı gerilimi sınırladığı için, yerel olarak bağlanmamış transformatörün nötral noktasında yüksek aşırı gerilim yaşanmaz ve nötral nokta savarıcı genellikle çalıştırılmaz. Nötral noktası yerel olarak bağlanmamış sistemlerde, nötral nokta aşırı gerilimi çok yüksektir. Dalgası savarıcı olmadan, bu durum yalıtım için ciddi bir tehdit oluşturur (güvenlik marjını dikkate alarak, dereceli yalıtım olan 110 kV transformatörünün yıldırım darbe dayanım gerilimi 195 kV'dır). Nötral nokta dalgası savarıcısının monte edilmesi, zirve aşırı gerilimini önemli ölçüde azaltır. Bu nedenle, hatlardan yayılan yıldırım dalgaları, dalgası savarıcı ile donatılmış nötral noktanın yalıtımına tehdit oluşturmaz.

3.2 Tesis Üzerine Doğrudan Yıldırım Darbesi

Tesisler genellikle kapsamlı yıldırım korumasına sahip olmakla birlikte, yıldırımın karmaşıklığı ve rastgeleliği nedeniyle doğrudan yıldırım darbeleri nadir olsa da meydana gelebilir [2] ve ekipman hasarına neden olabilir. Bu nedenle, doğrudan darbelerin nötral noktada oluşan aşırı gerilime ve buna karşılık alınabilecek koruma önlemlerinin incelenmesi gerekmektedir.

3.2.1 Yıldırım ve Tesis Parametrelerinin Seçimi

Tesis parametreleri daha önce tanımlandığı gibi kalır. Standart yıldırım parametreleri (1.2/50 μs) kullanılarak hesaplamalar yapılmaktadır, amplitüdü 50, 100, 200 ve 250 kA'dır. Yıldırım kanal dalga impedansı 400 Ω olarak kabul edilmiştir.

3.2.2 Hesaplama ve Analiz

Yerel olarak bağlı ve bağlanmamış nötral koşulları altında tek fazlı anahtar kavşağına (iki fazlı darbeler nadirdir) doğrudan yıldırım darbesi sonucu elde edilen sonuçlar Tablo 3'te gösterilmiştir (I ve II, sırasıyla nötral nokta dalgası savarıcı olmadan ve ile donatılmış vakalardır).

Tablo 3 Yerel Olarak Bağlı / Bağlanmamış Nötral Koşullarında Zirve Aşırı Gerilim (Doğrudan Darbe)

3.2.3 Sonuç Analizi

Tablo 3'te gösterildiği gibi, yıldırım akımının amplitudunun artmasıyla, nötr noktadaki zirve aşırı gerilim önemli ölçüde artmaktadır ve titreşimler daha belirgin hale gelmektedir. Hatta bir füze koruyucu varsa, koruyucunun iki ucundaki kalan gerilim artmaktadır. Yerel olarak yerleştirilmemiş nötr sistemlerde, yıldırım nedeniyle nötr nokta aşırı gerilimi özellikle şiddetlidir. Hatta bir füze koruyucu varsa, aşırı gerilim yüksek kalabilmektedir. Örneğin, 250 kA doğrudan darbe, nötr noktada 224.1 kV aşırı gerilime neden olmaktadır. Bu durumda, nötr nokta koruyucusu çalışsada, transformator hala hasar görmeye devam edebilir.

3.2.4 İyileştirme Önlemleri Üzerine Tartışma

(1) Transformatör terminaline bir füze koruyucu kurun (örneğin, yerleştirilmemiş transformatörlere YH10Wx-108/290 ekleyin) yıldırım dalgası aşırı gerilimini sınırlamak için.
(2) Nötr nokta füze koruyucunun boşaltma akım kapasitesini artırın. Mevcut koruyucunun 186 kV kalan gerilimde 1.5 kA boşaltma kapasitesi vardır. Bu kapasitenin 15 kA'ya artırılması önerilmektedir.

Yerel olarak yerleştirilmemiş nötr sistemde ana hat üzerinde doğrudan yıldırım vuruşu için simülasyonlar tekrar yapıldı ve sonuçlar Tablo 4'te gösterilmiştir.

Tablo 4 Füze Koruyucu ile Zirve Nötr Nokta Aşırı Gerilimi (Geliştirilmiş Önlemler)

Tablo 3 ve 4'ü karşılaştırdığımızda, dönüştürücü terminale bir yıldırım koruyucusu kurmak, nötr nokta yıldırım aşırı gerilimini azaltmada etkili değildir. Ancak, ani yıldırım koruyucusunun boşaltma kapasitesini artırmak, aşırı gerilim sınırlamasında önemli iyileştirmeler sağlar. Bu nedenle, bu yöntem önerilmektedir. Ani yıldırım koruyucusu üreticilerine, boşaltma akımı kapasitesini artırmak için teknolojik geliştirmelere odaklanması tavsiye edilir.

4. Sonuç

a) Ana hat ve dönüştürücü nötr noktasına ani yıldırım koruyucular kurulması, iletim hatlarından yayılan yıldırım sarsıntıları nedeniyle nötr noktadaki aşırı gerilimi etkili bir şekilde sınırlar.
b) Bir alt istasyona doğrudan yıldırım vuruşu olduğunda, yerleştirilmemiş bir dönüştürücünün nötr noktasında yüksek aşırı gerilim oluşabilir. Bu etki, kısmen yerleştirilmemiş nötr sistemlerde daha belirgindir ve mevcut aşırı gerilim koruma şemaları altında, nötr nokta yalıtımı hala hasar görebilir.
c) Dönüştürücü terminale bir ani yıldırım koruyucusu kurmak, nötr nokta aşırı gerilimini sınırlamada önemli bir etkiye sahip değildir; nötr nokta ani yıldırım koruyucusunun boşaltma akımı kapasitesini artırmak, aşırı gerilim sınırlaması için etkili bir yöntemdir.