Применение ограничителей перенапряжения для снижения переходного восстанавливающегося напряжения выключателя

Переходное восстанавливающееся напряжение (TRV) автоматического выключателя — это разность потенциалов, измеренная между каждой стороной автоматического выключателя и землей.Наиболее серьезное TRV с точки зрения амплитуды следует за прерыванием первой фазы для устранения незаземленного трехфазного КЗ.Смещение нейтрали системы приводит к высокой амплитуде TRV.Хотя вероятность этой неисправности мала, она является основой для оценки способности автоматического выключателя TRV.

TRV следует измерять на клеммах всех автоматических выключателей на исследуемой подстанции, а рядом с выключателями следует применять трехфазное незаземленное (LLL), трехфазное заземленное (LLLG) и короткое замыкание (SLF).Должно быть несколько мест неисправности, чтобы определить наихудшее TRV системы на выключателях, чтобы проверить возможности TRV выключателя.Короткие замыкания на линии следует применять на линиях электропередачи вблизи исследуемой подстанции, при этом основанием для них является одиночное замыкание на землю (SLG).В этих исследованиях следует применять условия N, N-1 и N-2.

Автоматический выключатель, отключающий батарею конденсаторов, также подвержен повторному срабатыванию из-за TRV.Линии электропередач и оборудование, подключенное к станционной шине, воздействуют на TRV для проверки трехфазного замыкания на землю.При изучении переходного восстанавливающегося напряжения необходимо убедиться, что все подходящие линии, трансформаторы и шинное оборудование представлены в моделировании переходного процесса.Рекомендуется включить сосредоточенный конденсатор для заземления каждой фазы шинопровода станции, чтобы охватить все вводы, обмотки и паразитные емкости, которые могут существовать на станции.Используемое значение будет приблизительным и зависит от количества трансформаторов и другого оборудования, подключенного к шине.

Симуляционные исследования

Выбор системных параметров

Симулятор системного исследования должен оценивать емкости на подстанции.Емкости трансформатора (HG, LG и HL) и остаточные емкости на шине должны быть представлены как емкость относительно земли.Конденсаторные трансформаторы напряжения (CVT) и шинопроводы имеют преобладающую емкость по отношению к земле.Применяйте различные типы неисправностей на стороне линии выключателя.Откройте прерыватель.Наблюдайте за напряжением на клеммах выключателя (на первой фазе, которая должна разомкнуться).Вычислите dV/dt и сравните с номиналами TRV выключателя.Нанесите на график напряжение на выключателе и убедитесь, что оно ниже выдерживаемого напряжения TRV выключателя.В качестве эталона следует использовать стандарты IEEE или IEC.

Размыкание выключателя на линии передачи, ведущей к станции, в худшем случае, если к шине подключены только трансформаторы.Если есть какие-либо другие линии, рассмотрите возможность их открытия и проведения исследования в непредвиденных условиях, чтобы получить наихудший случай.Кроме того, проверьте, есть ли на клеммах выключателя выравнивающий конденсатор, и если да, включите его в модель.Выберите системный временной шаг таким образом, чтобы можно было получить несколько точек начальной скорости нарастания напряжения выключателя TRV.

Большая часть этой работы состоит из разработки системных моделей (частотно-зависимые модели линий, трансформаторы с насыщением и правильными соединениями трансформаторов и заземлением).

Шаг по времени и время моделирования

На точность цифрового моделирования может повлиять использование слишком большого или слишком маленького временного шага.Выбор временного шага зависит от крутизны переходного восстанавливающегося напряжения.

Диапазон временного шага = от 0,5 до 10 мкс;типичный = 0,5 мкс

Диапазон продолжительности моделирования = от 0,20 до 0,50 секунд;типичное = 0,25 секунды.

Руководство по исследованиям TRV

А. Линии передачи

Линии и кабели электропередачи в электроэнергетических системах имеют нелинейный характер из-за частотной зависимости в проводниках (скин-эффект) и пути заземления и заземления.В имитационных исследованиях следует использовать частотно-зависимую модель.Размеры и данные необходимы для каждой линии передачи, представленной на схеме сети.Это может быть дано на башне и должно включать провес проводника.Также должны быть указаны размеры и сопротивление экранирующего провода.Для некоторых коротких линий, где время прохождения электромагнитной волны мало по сравнению с временным шагом моделирования, необходимо использовать представление сосредоточенных пи-схем.Для более длинных линий с большим временем распространения волны используется модель линии с распределенными параметрами.

Б. Силовые трансформаторы

Моделирование трансформаторов требует понимания некоторых их основных свойств, включая конфигурацию сердечника и обмотки.Это осложняется тем фактом, что сердечник трансформатора склонен к насыщению, что приводит к явлениям пускового тока, остаточной намагниченности, эффектам геомагнитного тока и феррорезонансу.Представление насыщения трансформатора должно быть включено в моделирование.Трансформаторная модель должна иметь возможность установки переключателя ответвлений.Должны быть представлены емкости связи трансформатора (HG, LG и HL).

Каждый трансформатор, подключенный к исследуемой шине подстанции, оказывает сильное влияние на TRV из-за преобладающих емкостей вводов и обмоток.Магнитная связь и индуктивность обмотки должны быть включены в исследования TRV.Передача перенапряжения через трансформатор зависит от паразитных емкостей трансформатора.Таким образом, требуется знание емкостей трансформаторов.Путем объединения емкости ввода в емкости обмоток модель трансформатора с двумя обмотками представляется индуктивностью обмотки плюс эквивалентной схемой из трех емкостей связи: CH – емкость стороны высокого напряжения относительно земли;CL – емкость низкого напряжения относительно земли;и CHL – емкость стороны высокого напряжения относительно стороны низкого напряжения.

С. Автоматические выключатели

Выключатели моделируются как простые переключатели с временным управлением в исследованиях электромагнитных переходных процессов.Должна быть представлена ​​емкость связи автоматического выключателя.

Д. Моделирование энергосистемы подстанции

Первым шагом в проведении исследования TRV в цифровом моделировании является построение модели энергосистемы объекта исследования.Это требует подробного представления подстанции и близлежащей энергосистемы.Будут рассчитаны и исследованы изменяющиеся во времени напряжения на рассматриваемых выключателях.Рекомендуется посещение объекта для сбора данных о расположении подстанции.Также необходимо получить файл необработанных данных потока нагрузки в формате данных PSS/E.Необработанный файл полезен для определения эквивалентной схемы внешней сети питания.Специальный инструмент под названием E-TRAN используется для преобразования файла необработанных данных потока мощности PSS/E в файл случая PSCAD.Он также выполняет преобразование системы и находит эквивалентную схему для указанной части энергосистемы.

Э. Описание системы питания

Подстанция состоит из двух ЛЭП 138 кВ через два выключателя на общую шину.Два трансформатора преобразуют 138 кВ в 13,8 кВ распределительного уровня и обеспечивают электроснабжение жилого района.Подстанция подключена к электрической сети через системы электропередачи 138 кВ.Сети дальше от подстанции представлены эквивалентными схемами.В следующих разделах приведены подробности расчета данных и настройки модели исследования.

Модель опорных изоляторов и воздушных переключателей

Данное оборудование представлено паразитной емкостью 100 пФ.

Конденсаторный трансформатор напряжения (CVT) Модель

CVT представлен CN = 8000 пФ на основе стандарта IEEE C37.011.

Модель подземных кабелей 25 кВ

При моделировании используется представление Cable Bergeron Model.Модель Бержерона представляет собой простую модель с постоянной частотой, основанную на бегущих волнах, и удобна для исследований, где важно получить правильный импеданс/адмиттанс линии или кабеля в установившемся режиме на основной частоте.

Модель компоновки станции

Подробная схема компоновки станции представлена ​​в PSCAD/EMTDC, которая содержит физическую длину каждой секции сборных шин между станционным оборудованием, автоматическими выключателями, трансформаторами, емкостным трансформатором напряжения, длиной проводов и подземными кабелями.Форма сигнала TRV измеряется вольтметром на клеммах выключателя.

Модель разрядника перенапряжения

Вольт-амперные характеристики металлооксидных разрядников зависят от крутизны входящего перенапряжения.Защитные характеристики ОПН, показывающие пиковое напряжение разряда в зависимости от времени до пикового напряжения разряда, можно получить у производителей.Разрядники можно смоделировать как нелинейные резисторы с максимальными вольтамперными характеристиками 8 x 20 мкс.

Когда необходимо исследовать TRV, представление ограничителя перенапряжения MOV значительно отличается от исследований коммутации и временных перенапряжений.В рекомендуемой модели разрядника для защиты от перенапряжения используются две секции нелинейного сопротивления, обозначенные как A0 и A1, разделенные фильтром RL.Нелинейные резисторы A0 и A1 можно смоделировать в PSCAD как кусочно-линейную кривую VI с характеристиками, определенными по точкам.Количество точек, выбранных для представления нелинейного сопротивления, зависит от желаемой гладкости.Затем параметры модели разрядника для защиты от перенапряжений калибруются путем сравнения характеристик зависимости напряжения от тока (VxI) от поставщика разрядника.Этот метод моделирования разрядников задокументирован в IEEE и в литературе.На рис. 1 показано представление модели.

Рис. 1: Модель ОПН.

Эквивалентная сеть

Когда изучаются переходные процессы, обычно нет необходимости моделировать всю сеть, как это делается при исследованиях устойчивости переходных процессов (где переходные процессы происходят намного медленнее и могут проникать дальше в сеть).Требуется осторожность при выборе источников, представляющих импеданс короткого замыкания, и места расположения источника.Поскольку программы электромагнитных переходных процессов, как правило, не могут решать очень большие сети (<3000 шин), исследования следует проводить путем введения сетевых эквивалентов в клиентскую модельную систему, чтобы представить сеть за пределами границ исследования.Симулятор энергосистемы должен идентифицировать часть сети для прямого преобразования в программную модель электромагнитных переходных процессов.Эквивалентом является многопортовый, что означает, что представление будет правильным для устойчивого состояния, а также для условий разомкнутой цепи и короткого замыкания, и содержит источники напряжения, чтобы соответствовать потоку PQ (чистая активная и реактивная мощность) и представлять генерацию. в эквивалентной сети.

Тематические исследования – результаты TRV

A. Имитационные испытания TRV

TRV измеряется на клеммах выключателей 145 кВ и 15 кВ.Трехфазные незаземленные (LLL) замыкания и трехфазные замыкания на землю (LLLG) применяются вблизи выключателей 145 кВ и 15 кВ.Для определения наихудшего TRV системы на выключателях 145 кВ и 15 кВ применяется несколько мест повреждения, чтобы проверить возможности TRV выключателей.

Нанесите на график напряжение на выключателе и убедитесь, что оно ниже выдерживаемого напряжения TRV выключателя (огибающая кривая) в соответствии со стандартами IEEE и IEC.

Короткие замыкания на линии (КЗЛ) применяются на линиях электропередачи, расположенных на небольшом расстоянии от клемм выключателя 145 кВ.Эти SLF представляют собой одиночные замыкания на землю (SLG).

Выключатель считается «ПРОЙДЕННЫМ», если TRV, измеренное при моделировании, не превышает огибающую кривую TRV.В противном случае.прерыватель считается «НЕИСПРАВНЫМ» при моделировании.Если прерыватель не проходит, необходимо предпринять действия по смягчению последствий.

Различные кривые огибающей TRV (100 %, 60 %, 30 %) автоматического выключателя выбираются на основе тока короткого замыкания, измеренного во время повреждения.

Б. Места неисправности

На рис. 2 показаны места сбоев в исследованиях моделирования TRV.

Рис. 2: Место неисправности (FL).

C. Огибающие кривые TRV

Огибающая кривая IEC 62271-100 используется при моделировании и сравнивается с измеренными значениями TRV на клеммах полюса автоматических выключателей.На рис. 3 показана кривая огибающей IEC, а в таблице 1 приведены данные огибающей IEEE и IEC TRV для автоматических выключателей на 15 кВ.

Рис. 3: Стандартная кривая огибающей TRV IEC 62271-100 — выключатели 145 кВ T100 и T60 (100 % и 60 % способности к короткому замыканию).

Таблица 1. Огибающие кривые IEC и IEEE TRV для выключателей на 15 кВ

D. Снижение TRV

Согласно IEEE C37.011, когда присущая системе TRV превышает стандарты, у пользователя есть три основных альтернативы, помимо перенастройки системы:

а) использование автоматического выключателя с более высоким номинальным напряжением или модифицированного автоматического выключателя;
b) Добавление емкости к клемме(ам) автоматического выключателя для снижения скорости нарастания TRV;
c) Консультации с производителем по поводу применения.

Пока автоматический выключатель применяется в пределах его симметричных номинальных токов и напряжений, один из этих методов должен привести к удовлетворительному применению.

E. Альтернативное решение по смягчению последствий

Размещение ограничителя перенапряжения из оксида цинка на клеммах автоматического выключателя является альтернативным решением для снижения TRV, как показано на рис. 4.

Рис. 4: Ограничитель перенапряжения ZnO – альтернативный способ снижения перенапряжения.

F. Результаты TRV

Для уменьшения TRV, измеренного на клеммах полюса автоматических выключателей в условиях N-1, применяется несколько решений по смягчению последствий.К ним относятся конденсаторы перенапряжения на землю, выравнивающие конденсаторы на контактах выключателя, разрядники для защиты от перенапряжений и гладкие дроссели.Моделирование применяется с ОПН и без него на стороне высоковольтных силовых трансформаторов.Когда измеренное TRV превышает огибающую кривую TRV, компонент PSCAD/EMTDC моделируется для отображения флажка «FAIL» (нет сбоя = 0/сбой = 1).Рис.На рисунках 5 и 6 показан результат моделирования TRV, когда трехфазное замыкание на землю (LLL), обычно наиболее серьезное условие TRV, применяется рядом с выключателем CB 138-2 на стороне подстанции, с отключенным CB 138-1 - оба без с разрядником и с разрядником перенапряжения номинального напряжения 132 кВ (106 MCOV) на клеммах соответственно.На рис. 7 показано, что кривая поглощенной разрядником энергии моделирования TRV (всего 20,5 кДж), что мало по сравнению с его номинальной способностью выдерживать энергию (т.е. 3,4 кДж/кВ MCOV).

Рис. 5: Неисправность LLL на стороне подстанции 138 кВ, без ОПН на клеммах выключателя. Рис. 6: Неисправность LLL на стороне подстанции 138 кВ с ОПН 132 кВ на клеммах выключателя. Рис. 7: Поглощение энергии разрядником.

Огибающая Т60 используется при моделировании, когда к подстанции подключена только одна из линий электропередачи 138 кВ (условие N-1).Максимальный ток короткого замыкания при моделировании составляет менее 15 кА (среднеквадратичное значение), что составляет менее 60 % номинального тока короткого замыкания выключателя (31,5 кА).

Выводы из моделирования TRV

Критическими факторами при моделировании TRV являются: емкость на шине;другие линии передачи, подключенные к шине;выбор и локализация устраняемых неисправностей;и индуктивности трансформатора и паразитные емкости.

Эти исследования подробно представили изучаемую подстанцию ​​- в частности, была использована модель, обычно используемая для исследований молний (где представлены отдельные компоненты шинопровода, паразитная емкость), которая является более точной, чем простое сложение общей емкости всех элементов на шине. и объединить его в одну емкость в моделировании.Данные для критических элементов (таких как емкости трансформаторов и вариаторов) доступны и используются в исследованиях.Кроме того, используется достаточно малый временной шаг, чтобы можно было наблюдать быстрое нарастание напряжения.Данные и методы моделирования, использованные в этих исследованиях, соответствуют общепринятой практике.

Результаты моделирования TRV напрямую сравниваются с IEC/IEEE и кривыми TRV выключателя.Если напряжение на клемме выключателя превышает огибающую IEC, генерируется индикатор неисправности.Сбой имитации TRV сообщается для нескольких случаев (устранение неисправностей LLLG и LLL), когда напряжение выключателя сравнивается с допустимой кривой для устранения неисправности с током короткого замыкания.

Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, а только для технического обучения и общения.