110 кВ Трансформатор Нейтральна точка Перенапруга від блискавки: Моделювання ATP та Рішення захисту

Існує обширна література щодо аналізу перенапруги на нейтральних точках трансформаторів умовах грозових відбоїків. Однак через складність та випадковість грозових хвиль, точне теоретичне опис залишається недосяжним. У інженерній практиці захищальні заходи зазвичай визначаються на основі кодів електроенергетичних систем шляхом вибору відповідних пристроїв захисту від грозових відбоїків, при чому доступна велика кількість підтримуючої документації.

Лінії передачі або підстанції підвержені ударах грози. Грозові відбоїки можуть поширюватися вздовж ліній передачі до підстанцій або безпосередньо ударяти обладнання підстанцій, викликаючи перенапруги на нейтральній точці трансформатора, що становить загрозу ізоляції нейтральної точки. Тому вивчення характеристик перенапруги на нейтральній точці умовах грози та оцінка ефективності обмеження напруги захищальними пристроями має практичне значення [1]. Ця стаття представляє симуляційне дослідження, проведене за допомогою програми ATP (Alternative Transients Program), найпоширенішої версії програми EMTP (Electromagnetic Transients Program), на основі конфігурації певної підстанції 110 кВ. Поступово комбінуючи теорію грозових перенапруг з характеристиками ізоляції нейтральних точок трансформаторів 110 кВ, стаття моделює перенапруги на нейтральних точках у різних умовах грозових хвиль. Результати симуляції аналізуються порівняльно, і пропонуються заходи для зниження перенапруги на нейтральній точці.

1. Теоретичний аналіз

1.1 Удар грози на лініях передачі

Коли надземна лінія передачі подірятається грозою, хвиля поширюється вздовж провідника [1]. Всередині підстанцій, багато коротких з'єднуючих ліній (наприклад, з'єднання від трансформаторів до шин або грозозахисних пристроїв) поводять себе подібно до ліній передачі під час надзвичайно короткої грозової імпульсу. Ці лінії демонструють швидкі процеси поширення, відбиття та заломлення хвиль, часто генеруючи трансієнтні перенапруги з дуже високою амплітудою піку, які можуть пошкодити обладнання.

1.2 Аналіз параметрів в’язок трансформатора, підключених в Y-конфігурації, під час грозових відбоїків

Трьохфазні в'язки трансформатора зазвичай підключаються в Y, Yo або Δ конфігурації. Під час роботи, грозові відбоїки можуть входити через одну, дві або навіть всі три фази [1]. Ця стаття зосереджується на в'язках, підключених в Y-конфігурації, оскільки лише такі конфігурації мають доступну нейтральну точку. Коли трансформатор підключений в Yo і взаємне зв'язування між фазами ігнорується, незалежно від того, чи одна, чи дві, чи три фази подірятаються, система може бути проаналізована як три незалежні в'язки з заземленими кінцями.

2. Стан ізоляції нейтральних точок трансформаторів 110 кВ

Нейтральні точки трансформаторів 110 кВ використовують градуйовану ізоляцію, яка класифікується як 35 кВ, 44 кВ або 60 кВ рівні. Наразі, виробники переважно виготовляють трансформатори з ізоляцією нейтральної точки 60 кВ. Різні рівні ізоляції мають різні властивості стійкості до диелектричного пробою, як показано в таблиці 1. враховуючи практичні умови, старіння ізоляції та запаси безпеки для напруги мережевої частоти, застосовуються поправочні коефіцієнти. Приймається коефіцієнт запасу стійкості до грозового імпульсу 0,6 та коефіцієнт запасу стійкості до напруги мережевої частоти 0,85 [1], що призводить до вказаних в таблиці 1 значень стійкості.

Таблиця 1 Рівні стійкості ізоляції / Значення стійкості для нейтральних точок

3. Моделювання та розрахунки

Розглянемо підстанцію напруги 110 кВ з двома трансформаторами (Y/Δ), що працюють паралельно, двома вхідними лініями 110 кВ та чотирма вихідними лініями 35 кВ. Однолінійна схема показана на рисунку 1. Для обмеження струму однофазного заземлення та зменшення інтерференції зв'язку, зазвичай лише один трансформатор має заземлений нейтральний пункт, тоді як інший залишається без заземлення. При умовах грозових перехресних напруг, на нейтральному пункті незаземленого трансформатора може виникнути дуже висока перевищена напруга, що загрожує його ізоляції. Наступні розділи представляють аналізи моделювання за допомогою програми ATP у різних сценаріях.

Рисунок 1 Однолінійна схема підстанції 110 кВ

3.1 Поширення грозових перехресних напруг з ліній передачі до підстанції

3.1.1 Вибір параметрів грозових хвиль

Основною причиною перевищеної напруги на підстанціях є грозові перехресні напруги, що поширюються з ліній передачі. Максимальна амплітуда напруги на лінії не повинна перевищувати рівень витривалості U50% ізоляторів лінії; інакше, пробій відбудеться на лінії до того, як перехресна напруга потрапить на підстанцію. Оскільки перші 1-2 км вхідної лінії зазвичай захищені від прямого удару блискавки, грозові хвилі, що потрапляють на підстанцію, в основному походять з ударів за межами цього захищеного відрізка. Для ударів блискавок за межами підстанції, величина грозового струму, що потрапляє на підстанцію через лінії ≤220 кВ, зазвичай ≤5 кА, а для ліній 330-500 кВ - ≤10 кА, зі значною зменшеною крутизною [15,17]. На основі цих умов, грозова хвиля моделюється за допомогою типової подвійно-експоненціальної функції:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
де a та b — це від'ємні константи, а k, a, b визначаються амплітудою перехресної напруги, часом фронту та часом спаду. Тут використовуються піковий струм 5 кА та стандартна експоненціальна хвиля 20/50 мкс.

3.1.2 Встановлення параметрів обладнання підстанції

Грозові перехресні напруги містять дуже високочастотні гармоніки; тому, параметри ліній підстанції моделюються як розподілені параметри. Перемикачи, вимикачі, трансформатори струму (CTs) та напруги (VTs) в підстанції представлені еквівалентними шунт-ємностями. Еквівалентна вхідна ємність трансформатора задається формулою Cₜ = kS⁰·⁵, де S — це потужність трифазного трансформатора. Для напруги ≤220 кВ, n=3, а для трансформаторів 110 кВ, k=540. Грозозахисний пристрій шини вибирається як YH1OWx-108/290, а грозозахисний пристрій нейтрального пункту — як YH1.5W-72/186.

3.1.3 Розрахунок та аналіз

Перевищена напруга, що виникає на нейтральному пункті, відрізняється в залежності від того, чи він заземлений місцево, чи ні. Проводяться моделювання для трьох сценаріїв: однолінійна однофазна перехресна напруга, однолінійна двофазна перехресна напруга та дволінійна однофазна перехресна напруга, враховуючи наявність та відсутність грозозахисного пристрою нейтрального пункту. Результати показані в таблиці 2.

Таблиця 2 Пікова перевищена напруга при місцевому заземленні / незаземленому нейтральному пункті

3.1.4 Аналіз результатів

Згідно з таблицею 2, у системах, де нейтральний провід трансформатора заземлений місцево, грозозахисний пристрій на шинопроводі ефективно обмежує перенапругу, тому нейтральна точка нетерезованого трансформатора не досить велика перенапруга, і грозозахисний пристрій в нейтральній точці зазвичай не працює. У системах, де нейтральна точка не заземлена, перенапруга в нейтральній точці дуже висока. Без грозозахисного пристрою це становить серйозну загрозу для ізоляції (громовий імпульс стійкості напруги трансформатора на 110 кВ з розподіленою ізоляцією, враховуючи запас безпеки, становить 195 кВ). Встановлення грозозахисного пристрою в нейтральній точці значно знижує пікову перенапругу. Тому громові імпульси, які поширюються по лініях, не загрожують ізоляції нейтральної точки, оснащеної грозозахисним пристроєм.

3.2 Пряме удар грози в підстанцію

Хоча підстанції зазвичай мають всебічну захист від гроз, прямі удари грози, хоч і рідкісні через складність та випадковість гроз, все ж можуть відбуватися [2] і завдають шкоди обладнанню. Тому необхідне вивчення перенапруги в нейтральній точці, спричиненої прямим ударом, та відповідних захисних заходів.

3.2.1 Вибір параметрів грози та підстанції

Параметри підстанції залишаються такими самими, як було визначено раніше. Обчислення виконуються за стандартними параметрами грози (1.2/50 μs) з амплітудами 50, 100, 200 та 250 кА. Хвильове опору каналу грози приймається 400 Ω.

3.2.2 Обчислення та аналіз

Результати прямих ударів грози по одній фазі шинопроводу (двофазні удари є рідкісними) при місцево заземленій та не заземленій нейтралі представлені в таблиці 3 (I та II представляють випадки без та з грозозахисним пристроєм в нейтральній точці відповідно).

Таблиця 3 Пікова перенапруга при місцево заземленій / не заземленій нейтралі (прямий удар)

3.2.3 Аналіз результатів

Як показано в таблиці 3, зі збільшенням амплітуди блискавкового струму, пікове наднапруга в нейтральній точці значно зростає, а коливання стають більш вираженими. Навіть при наявності грозозахисного пристрою, залишкова напруга на пристрої зростає. У підстанціях з місцево не заземленими нейтральними точками, наднапруга в нейтральній точці через блискавку є особливо серйозною. Навіть при наявності грозозахисного пристрою, наднапруга залишається високою. Наприклад, прямий удар блискавки зі струмом 250 кА викликає наднапругу в нейтральній точці 224,1 кВ. В такому випадку, навіть якщо працює грозозахисний пристрій нейтральної точки, трансформатор може бути пошкоджений.

3.2.4 Обговорення заходів покращення

(1) Встановити грозозахисний пристрій на терміналі трансформатора (наприклад, додати YH10Wx-108/290 для трансформаторів без заземлення) для обмеження наднапруги від грозового супутника.
(2) Збільшити потужність розряду грозозахисного пристрою нейтральної точки. Поточний пристрій має потужність розряду 1,5 кА при залишковій напрузі 186 кВ. Пропонується збільшити цю потужність до 15 кА.

Було проведено повторне моделювання прямого удари блискавки по шині в системі з місцево не заземленою нейтральною точкою, і результати представлені в таблиці 4.

Таблиця 4 Пікова наднапруга в нейтральній точці з грозозахисним пристроєм (покращені заходи)

Порівнюючи таблиці 3 і 4, встановлення грозозахисного пристрою на кінцевій клемі трансформатора неефективно для зменшення перенапруги від блискавки на нейтральній точці. Однак значне збільшення струмової ємності грозозахисного пристрою значно покращує обмеження перенапруги. Тому цей метод рекомендується. Виробникам грозозахисних пристроїв радиться зосередитися на технологічних вдосконаленнях для підвищення струмової ємності.

4. Висновок

a) Встановлення грозозахисних пристроїв як на шинопровод, так і на нейтральну точку трансформатора ефективно обмежує перенапругу на нейтральній точці, спричинену поширенням блискавкових сур’їг з ліній передачі.
b) Коли підстанція страждає від безпосереднього удару блискавки, на нейтральній точці незаземленого трансформатора може утворитися велика перенапруга. Цей ефект більш виражений в системах з частково незаземленими нейтральними точками, і за наявних схемах захисту від перенапруги, ізоляція нейтральної точки все ще може бути пошкоджена.
c) Встановлення грозозахисного пристрою на кінцевій клемі трансформатора не має значного впливу на обмеження перенапруги на нейтральній точці; збільшення струмової ємності грозозахисного пристрою на нейтральній точці є ефективним методом для обмеження перенапруги.