Điểm Trung Tính Biến áp 110 kV Quá Điện Áp Sét: Mô phỏng ATP & Giải pháp Bảo vệ

Có rất nhiều tài liệu về phân tích quá áp tại điểm trung tính của biến áp trong điều kiện sét đánh. Tuy nhiên, do tính phức tạp và ngẫu nhiên của sóng sét, một mô tả lý thuyết chính xác vẫn chưa thể đạt được. Trong thực tế kỹ thuật, các biện pháp bảo vệ thường được xác định dựa trên các quy chuẩn hệ thống điện bằng cách chọn thiết bị bảo vệ chống sét phù hợp, với nhiều tài liệu hỗ trợ sẵn có.

Đường dây truyền tải hoặc trạm biến áp dễ bị sét đánh. Sóng sét có thể lan truyền dọc theo đường dây truyền tải vào trạm biến áp hoặc trực tiếp đánh vào thiết bị trạm biến áp, gây ra quá áp tại điểm trung tính của biến áp, đe dọa đến cách điện của điểm trung tính. Do đó, việc nghiên cứu đặc tính của quá áp điểm trung tính trong điều kiện sét đánh và đánh giá hiệu quả hạn chế điện áp của các thiết bị bảo vệ có ý nghĩa thực tiễn [1]. Bài viết này trình bày một nghiên cứu mô phỏng sử dụng chương trình Alternative Transients Program (ATP), phiên bản được sử dụng rộng rãi nhất của chương trình Electromagnetic Transients Program (EMTP), dựa trên cấu hình của một trạm biến áp 110 kV cụ thể. Bằng cách kết hợp lý thuyết về quá áp sét đánh với đặc tính cách điện của điểm trung tính biến áp 110 kV, bài viết mô phỏng quá áp điểm trung tính trong các điều kiện sóng sét khác nhau. Kết quả mô phỏng được so sánh và phân tích, và đề xuất các biện pháp giảm quá áp điểm trung tính.

1. Phân tích Lý thuyết

1.1 Sét đánh vào Đường dây Truyền tải

Khi đường dây truyền tải trên không bị sét đánh, một sóng đi qua lan truyền dọc theo dây dẫn [1]. Bên trong trạm biến áp, nhiều đoạn nối ngắn (ví dụ, kết nối từ biến áp đến thanh cái hoặc bộ hạn chế sét) hoạt động tương tự như đường dây truyền tải dưới tác động của xung sét cực ngắn. Các đoạn này cho thấy quá trình lan truyền, phản xạ và khúc xạ sóng nhanh chóng, thường tạo ra quá áp tạm thời với biên độ đỉnh rất cao có thể làm hỏng thiết bị.

1.2 Phân tích Tham số của Cuộn dây Biến áp Kết nối Y dưới Xung sét

Cuộn dây biến áp ba pha thường được kết nối theo các cấu hình Y, Yo, hoặc Δ. Trong quá trình vận hành, xung sét có thể vào qua một, hai, hoặc cả ba pha [1]. Bài viết này tập trung vào cuộn dây kết nối Y, vì chỉ các cấu hình này có điểm trung tính có thể tiếp cận. Khi biến áp được kết nối theo cấu hình Yo và bỏ qua sự liên kết giữa các pha, dù một, hai, hay ba pha bị đánh, hệ thống có thể được phân tích như ba cuộn dây độc lập với đầu cuối nối đất.

2. Điều kiện Cách điện của Điểm Trung tính Biến áp 110 kV

Điểm trung tính của biến áp 110 kV sử dụng cách điện bậc thang, được phân loại thành các mức 35 kV, 44 kV, hoặc 60 kV. Hiện nay, các nhà sản xuất chủ yếu sản xuất biến áp với cách điện điểm trung tính 60 kV. Các mức cách điện khác nhau có khả năng chịu điện áp khác nhau, như được thể hiện trong Bảng 1. Cân nhắc điều kiện thực tế, lão hóa cách điện và biên độ an toàn cho điện áp tần số công nghiệp, các hệ số điều chỉnh được áp dụng. Hệ số biên độ chịu điện áp xung sét là 0,6 và hệ số biên độ chịu điện áp tần số công nghiệp là 0,85 được sử dụng [1], dẫn đến các giá trị chịu điện áp tham chiếu trong Bảng 1.

Bảng 1 Mức Cách điện / Giá trị Chịu Điện áp Tham chiếu cho Điểm Trung tính

3. Mô phỏng và Tính toán

Xem xét một trạm biến áp 110 kV với hai biến áp (Y/Δ) hoạt động song song, hai đường dây truyền tải 110 kV vào và bốn đường dây truyền tải 35 kV ra. Sơ đồ đường đơn được hiển thị trong Hình 1. Để hạn chế dòng điện ngắn mạch một pha và giảm nhiễu thông tin, thường chỉ một biến áp có điểm trung tính được nối đất trong khi biến áp còn lại không được nối đất. Trong điều kiện xung sét, một quá áp rất cao có thể được tạo ra tại điểm trung tính của biến áp không được nối đất, đe dọa cách điện của nó. Các phần sau đây trình bày các phân tích mô phỏng sử dụng chương trình ATP trong các kịch bản khác nhau.

Hình 1 Sơ đồ Đường đơn của Trạm biến áp 110 kV

3.1 Xung sét Lan truyền từ Đường dây Truyền tải vào Trạm biến áp

3.1.1 Chọn Tham số Sóng sét

Nguyên nhân chính gây quá áp trong trạm biến áp là xung sét lan truyền từ đường dây truyền tải. Biên độ điện áp tối đa trên đường dây không được vượt quá mức chịu điện áp U50% của chuỗi cách điện của đường dây; nếu không, chập điện sẽ xảy ra trên đường dây trước khi xung sét vào trạm biến áp. Do 1-2 km đầu tiên của đường dây truyền tải thường được bảo vệ khỏi sét đánh trực tiếp, các sóng sét vào trạm biến áp chủ yếu bắt nguồn từ những cú đánh ngoài khu vực được bảo vệ. Đối với sét đánh bên ngoài trạm biến áp, cường độ dòng sét vào trạm biến áp qua đường dây ≤220 kV thường ≤5 kA, và ≤10 kA cho đường dây 330-500 kV, với độ dốc giảm đáng kể [15,17]. Dựa trên các điều kiện này, sóng sét được mô hình hóa bằng hàm mũ kép điển hình:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
trong đó a và b là hằng số âm, và k, a, b được xác định bởi biên độ xung, thời gian tiền và thời gian hậu. Một cường độ đỉnh 5 kA và sóng mũ chuẩn 20/50 μs được sử dụng ở đây.

3.1.2 Thiết lập Tham số Thiết bị Trạm biến áp

Sóng sét chứa các谐波非常高，因此变电站线路参数被建模为分布参数。变电站内的开关、断路器、电流互感器（CT）和电压互感器（VT）由等效并联电容表示。变压器的等效输入电容为 *C*ₜ = *kS*⁰·⁵，其中 *S* 是三相变压器容量。对于电压等级≤220 kV，*n=3*，对于110 kV变压器，*k=540*。母线避雷器选择为YH1OWx-108/290，中性点避雷器选择为YH1.5W-72/186。 ### 3.1.3 计算与分析 中性点产生的过电压取决于其是否接地。模拟了三种情况：单回路单相冲击、单回路两相冲击和双回路单相冲击，并考虑有无中性点避雷器的情况。结果如表2所示。 ### 表2 接地/未接地中性点条件下的峰值过电压 | 入侵冲击条件 | 中性点接地状态 | 无避雷器时的峰值过电压 (kV) | 有避雷器时的峰值过电压 (kV) | |--------------|-----------------|------------------------------|------------------------------| | 单回路单相 | 局部接地 | 138.5 | 138.5 | | | 局部不接地 | 224.1 | 186.0 | | 单回路两相 | 局部接地 | 165.2 | 165.2 | | | 局部不接地 | 248.7 | 186.0 | | 双回路单相 | 局部接地 | 156.3 | 156.3 | | | 局部不接地 | 237.8 | 186.0 | ### 3.1.4 结果分析 从表2可以看出，在变压器中性点局部接地的系统中，母线避雷器有效地限制了过电压，因此未接地变压器的中性点不会经历高过电压，中性点避雷器通常不会动作。在中性点局部未接地的系统中，中性点过电压非常高。如果没有避雷器，这将对绝缘造成严重威胁（考虑安全裕度后的110 kV分级绝缘变压器的雷电冲击耐受电压为195 kV）。安装中性点避雷器显著降低了峰值过电压。因此，从线路传播的雷电冲击不会威胁装有避雷器的中性点绝缘。 ### 3.2 变电站直接雷击 尽管变电站通常具有全面的防雷保护，但由于雷电的复杂性和随机性，直接雷击仍然可能发生[2]，并导致设备损坏。因此，研究直接雷击引起的中性点过电压及相应的保护措施是必要的。 ### 3.2.1 雷电和变电站参数的选择 变电站参数保持不变。使用标准雷电参数（1.2/50 μs），幅值分别为50、100、200和250 kA进行计算。雷电通道波阻抗取为400 Ω。 ### 3.2.2 计算与分析 单相母线（两相打击很少见）在局部接地和未接地中性点条件下直接受到雷击的结果如表3所示（I和II分别表示无避雷器和有避雷器的情况）。 ### 表3 直接雷击下接地/未接地中性点条件下的峰值过电压 | 雷电流幅值 (kA) | 中性点接地状态 | I (无避雷器) 峰值过电压 (kV) | II (有避雷器) 峰值过电压 (kV) | |-----------------|-----------------|------------------------------|------------------------------| | 50 | 局部接地 | 112.3 | 105.6 | | | 局部不接地 | 187.4 | 186.0 | | 100 | 局部接地 | 145.7 | 138.2 | | | 局部不接地 | 213.6 | 186.0 | | 200 | 局部接地 | 178.9 | 170.5 | | | 局部不接地 | 221.8 | 186.0 | | 250 | 局部接地 | 192.4 | 183.7 | | | 局部不接地 | 224.1 | 224.1 | ### 3.2.3 结果分析 如表3所示，随着雷电流幅值的增加，中性点的峰值过电压显著增加，振荡也更加明显。即使有避雷器，避雷器两端的残余电压也会增加。在局部未接地中性点的变电站中，由于雷电引起的中性点过电压特别严重。即使有避雷器，过电压仍然很高。例如，250 kA的直接雷击会产生224.1 kV的中性点过电压。在这种情况下，即使中性点避雷器动作，变压器仍可能损坏。 ### 3.2.4 改进措施讨论 (1) 在变压器端子处安装避雷器（例如，为未接地变压器添加YH10Wx-108/290）以限制雷电冲击过电压。
(2) 增加中性点避雷器的放电电流容量。现有避雷器在186 kV残余电压下的放电容量为1.5 kA。建议将其容量增加到15 kA。 重新模拟了局部未接地中性点系统的母线直接雷击情况，结果如表4所示。 ### 表4 有避雷器时的中性点峰值过电压（改进措施） | 雷电流幅值 (kA) | 改进措施 | 峰值过电压 (kV) | |-----------------|----------|-----------------| | 250 | 在变压器端子处安装避雷器 | 224.1 | | 250 | 放电容量增加到15 kA | 186.0 | 比较表3和表4，发现仅在变压器端子处安装避雷器对降低中性点雷电过电压效果不明显。然而，增加避雷器的放电电流容量可以显著改善过电压限制。因此，建议采用这种方法。避雷器制造商应专注于技术改进以提高放电电流容量。 ### 4. 结论 a) 在母线和变压器中性点上安装避雷器可以有效限制由传输线路传播的雷电冲击引起的中性点过电压。
b) 当变电站受到直接雷击时，未接地变压器的中性点可能会产生高过电压。这种效应在部分未接地中性点系统中更为明显，且在现有的过电压保护方案下，中性点绝缘仍可能损坏。
c) 在变压器端子处安装避雷器对限制中性点过电压没有显著效果；增加中性点避雷器的放电电流容量是有效的过电压限制方法。 请注意，严格按照语种翻译要求的书写体进行翻译输出。若没有语种书写体要求，且存在多种书写体的语种，则按目标语种的书写体输出使用人数最多的字体输出，若是有字体差不多选择最为官方权威的标准书写体进行翻译输出。禁止出现任何解释说明，只输出最终翻译结果，不得多语种混合特别是不能夹杂中文。必须完整翻译内容，完整输出译文，禁止省略、总结。 【输出规范】 - 输出仅为纯译文，无任何前缀、后缀、标点（除非原文自带）、解释或注释。 - 仅输出翻译结果，无任何前缀、后缀、解释、注释、思考过程或多余字符。 - 保持原文结构完整有序：换行、段落、列表、样式等必须100%保留。 - 语句通顺、术语准确、风格专业，符合电力科技行业语境，不得省略输出，内容必须输出完整翻译内容。 - 严格遵守格式与结构，禁止输出任何与译文无关的任何字符，仅输出最终译文，严禁任何附加内容，严禁输出多余无关的字、字符，只输出译文不得加以描述。 请继续翻译剩余部分。