АНАЛИЗА НА АТМОСФЕРСКИ ПРЕНАПОНИ ВО ТС АЕРОДРОМ СО ПРОГРАМОТ EMTP

Transcript

1 ПЕТТО СОВЕТУВАЊЕ Охрид, 7 9 октомври 2007 Дарко Котевски, дипл.ел.инж. А.Д. Табак осигурување, Скопје проф. др. Ристо Ачковски Факултет за Eлектротехника и Информациски Технологии, Скопје АНАЛИЗА НА АТМОСФЕРСКИ ПРЕНАПОНИ ВО ТС АЕРОДРОМ СО ПРОГРАМОТ EMTP КУСА СОДРЖИНА На заштитата на разводните постројки од атмосферски празнења се посветува многу повеќе внимание отколку на водовите. Ударите на молња во близина на електроенергетските објекти предизвикуваат упадни напонски бранови кои се опасни за изолацијата во нив. Задача за координација на изолацијата е да се направи соодветен избор на диелектрична цврстина на опремата спрема напоните кои се појавуваат во системот, со што испадите би се довеле до некоја прифатлива вредност за соодветното напонско ниво. За таа цел треба да се направи анализа за големината и обликот на пренапоните кои можат да се појават во тој дел од системот. Најпогодна алатка за тоа е EMTP (Electro-Мagnetic Transient Program). Во првиот дел од трудот е претставен моделот на ТС Аеродром изработен во овој програм, а во вториот графички и нумерички се дадени резултатите од симулациите. На крај се врши споредба со избраното изолационо ниво и се даваат препораки за подобра заштита на опремата во разводната постројка. Клучни зборови: атмосферски пренапони, моделирање, EMTP ABSTRACT As the demand for power quality and reliability increases, more attention is paid to protection of high voltage substations. Lightning strikes in the vicinity of substation can create overvoltage surges that can be dangerous to the insulation of electrical apparatus. Process of coordination insulation is to select dielectric strength of equipment in relation of the voltages which appear in the system. For this purpose analysis of overvoltage shape and amplitude is needed, so widely used EMTP (Electromagnetic transient program) is chosen as the most appropriate tool. A model of TS Aerodrom is presented in the first part of the paper, with the results of the simulations given in the second part. Based on the calculated data, recommendations for better protection of equipment are presented in the conclusion of the paper. Keywords: lightning overvoltages, modeling, EMTP 1 Вовед На заштитата на разводните постројки (РП) од атмосферски празнења се посветува многу повеќе внимание отколку на водовите. Ударите на молња во близина на електроенергетските објекти предизвикуваат упадни напонски бранови кои се опасни за изолацијата во нив. Пробој на изолација на опремата во РП претставува куса врска во непосредна близина на собирниците што дури и со денешната софистицирана заштита може да предизвика сериозни пречки по нормалното функционирање на системот. При прескоци на надворешната изолација, осцилациите на напонот создаваат значителни напрегања на надолжната изолација на намотките кај енергетските трансформатори. Пробојот на внатрешната изолација претставува неповратен процес, кој доведува до откажување на апаратот од погон. Задача за координација на изолација е да се направи соодветен избор на диелектрична цврстина на опремата спрема напоните кои се појавуваат во системот C4-01R 1/9

2 MAKO CIGRE 2007 C4-01R 2/9 вклучувајќи ги карактеристиките на околината и на расположливите заштитни уреди, со што испадите би се довеле до некоја прифатлива вредност за напонското ниво на системот. За таа цел треба да се направи анализа за големината и обликот на пренапоните кои се предвидуваат да се појават во погон. За потребите на овој труд, се користи програмот EMTP (ATP), кој ќе ни помогне да ги утврдиме највисоките атмосферски пренапони што можат да се појават во избраната 110 kv разводна постројка. Слика 1: Карактеристики на пренапони според IEC 71-1 Пренапоните кои се појавуваат во разводните постројки зависат од: амплитудата и стрмнината на струјата на молња, карактеристиките на водот преку кој упаѓа бранот, конфигурацијата на РП, бројот на далекуводите приклучени на неа итн. Притоа, разликите во амплитудата и обликот на пренапоните може да биде значителна на различни локации во постројката. Покрај избор и проверка на соодветното стандардно изолационо ниво, од особен интерес за координација на изолацијата е правилно да се одредат бројот и локацијата на одводниците на пренапони, како и растојанието до разводната постројка на кое ударите на молњата можат да бидат опасни за изолацијата. 2 Запознавање со програмот EMTP-ATP EMTP е кратенка од ElectroMagnetic Transient Program, а ATP или Alternative Transient Program е неговата некомерцијална варијанта. Создаден е во седумдесетите години од минатиот век под капа на Boneville Power Administration (USA), а од 1984 година егзистира и како ATP. Програмот претставува алатка за симулација на транзиентните процеси од електромагнетна и електромеханичка природа во електроенергетските системи. Со него можат да се моделираат и симулираат: атмосферски и комутациони пренапони, куси врски, ротациони машини, релејна заштита, енергетска електроника итн. Всушност, покрај самото пресметување на транзиентите со него можат да се изработуваат разни студии: систематски и статистички пренапонски студии, координација на изолација, анализа на хармоници, стабилност на ЕЕС, квалитет на електрична енергија, резонанца и ферорезонаца Сите овие можности го прават ATP да биде најкористен програм во светот за симулации на преодни електромагнетни процеси. 3 Моделирање на ТС Аеродром во ATP За анализа е одбрана 110/10 kv/kv разводна постројка ТС Аеродром во Скопје. На слика 2 е дадена нејзината еднополна шема, а на слика 3 се додадени капацитивностите на елементите и нивните меѓусебни растојанија.

3 MAKO CIGRE 2007 C4-01R 3/9 кон ТС Исток кон ТС Скопје 4 Слика 2: Еднополна шема на ТС Аеродром 7 m 4 m 10 m ODV C NMT = 1000 pf C SMT = 400 pf 14 C SMT = 400 pf 9 m 6 m 6.5 m ODV C TR =2000 pf Слика 3: Капацитети на некои од елементите и нивни меѓусебни растојанија Моделирањето на елементите на системот е изведено според препораките во IEC 71-4 [5] и литературата од [2], [3], [7], [8], [9]: За симулации на пренапони со голема стрмнина (сл.1), опремата во разводната постројка се моделира со нивните влезни капацитивности. Според [3] за типска шема на РП на 110 kv ниво доволно е да се земат во предвид капацитивностите на напонските мерни трансформатори (NMT), струјните напонски трансформатори (SMT) и енергетските трансформатори, со што грешката останува помала од 10%. Вредностите на капацитетите се дадени на сл. 3. Водовите, собирниците и столбовите се моделирани со константни параметри, пресметани за фреквенција од 500 khz [7], [8], [9]; распоните се со должина од L=250 m, а од последниот столб до порталот на РП L=15 m.

4 MAKO CIGRE 2007 C4-01R 4/9 Проводниците и собирниците внатре во разводната постројка се транспонирани (Clark модел) [6], [7]. Како нетранспонирани (KC Lee модел) се претставени четири столбови и распонот од последниот столб до влезот на РП [6], [7]. Двата далекуводи се оставени отворени на краевите, но е избрана доволна должина (6 км) за да се избегне рефлексијата на напонскиот бран во разгледуваниот временски интервал [7]. За столбот усвоен е модел на единечен вертикален проводник без загуби, поделен на три дела со иста бранова импеданса [5], [7]. Заземјувањето е моделирано со константна отпорност, за столбовите R z =8.5 Ω, а на заштитното заземјување на постројката R zp =1 Ω, [5], [7]. Изолаторскиот синџир е претставен со напонски-контролиран прекинувач кој се вклучува кога потенцијалот на конзолата на столбот ќе достигне вредност од 650 kv (50%-ен прескочен напон), со што се симулира повратен прескок на врвот на влезниот столб S5 [7]. Струјниот извор е прикажан на слика 6 со експоненцијален облик на струјниот бран 2.8/50 μs и амплитуда I=120 ka (Heidler model), во [3] стои податок дека експериментите покажале само 2% веројатност да се надминат овие параметри на струјата на молња. Работниот напон не е земен во обзир, бидејќи за ова напонско ниво неговата вредност во моментот на ударот нема многу да влијае на амплитудата на напонскиот бран [2]. Карактеристиките на одводникот на пренапони (производство на ABB) се дадени во табела 1. За анализата е битен податокот за преостанатиот напон U pl. Табела 1: Карактеристики на метал-оксиден одводник на пренапони Ознака на одводникот Um Ur Uc Upl In EXLIM R90 CM kv 90 kv 72 kv 234 kv 10 ka На слика 5 е дадена шемата за анализа на атмосферски пренапони во ТС Аеродром изработена во ATPDraw кој претставува графички предпроцесор на ATP. Влезот на трафостаницата е означен со јазелот Ј5. Одводниците на пренапони се поставени во јазлите Ј6, Ј19 и Ј13; трансформаторите се приклучени во Ј14 и JTR, мерните напонски трансформатори во јазлите Ј7 и Ј18, струјните трансформатори во Ј8 и Ј17. Врвовите на столбовите се означени со JS13, JS9, JS1, JS5 (краен столб). Со JRP е означен врвот на првиот портал на разводната постројка. Во јазелот JI се инјектира струјата на атмосферско празнење. Јазелот Ј11 во некои од анализираните варијанти е отворен прекинувач према вториот трансформатор.

5 MAKO CIGRE 2007 C4-01R 5/9 Слика 5: Модел за анализа на атмосферски пренапони во ТС Аеродром изработен со помош на ATP Draw 4 Резултати од пресметките Анализата е спроведена со детерминистички метод, значи треба да се одреди најголемиот можен напон што ќе се појави во некој јазел од разводната постројка при повратен прескок на најблискиот далекуводен столб. Имајќи ја во предвид избраната импулсна и краткотрајна електрична цврстина на изолацијата, 550 kv односно 230 kv според проектната документација, треба да се провери дали и колку напонот во јазлите на РП го надминува ова изолационо ниво. Со тоа ќе се одреди и заштитната зона на одводниците на пренапони, како и евентуалната потреба за поставување на уште два на влезот во РП. Се разгледуваат четири варијанти: Најнеповолна конфигурација на разводната постројка: исклучен втор далекувод и трансформатор TR1 Вклучен далекувод и исклучен трансформатор TR1 Вообичена конфигурација со два трансформатори во паралелна работа и одводници на пренапони во Ј11 и Ј13 Дополнително поставени одводници на влезовите на РП (комплетна шема како на слика 5) Се мери напонот во следните јазли: Ј7 (напонски мерен трансформатор); Ј8 (струен трансформатор); Ј11 (отворен прекинувач во варијанта 1,2); ЈTR (трафо 1); Ј13 (трафо 2); Ј18 (напонски мерен трансформатор); Ј17 (отворен раставувач во варијанта 1).

6 MAKO CIGRE 2007 C4-01R 6/9 Слика 6: Облик и амплитуда на струја на молња Слика 7: Упаден напонски бран мерен на влез на РП

7 MAKO CIGRE 2007 C4-01R 7/9 Слика 8: Облик и амплитуда на упаден напонски бран за варијанта 1 Слика 9: Облик и амплитуда на упаден напонски бран за варијанта 2

8 MAKO CIGRE 2007 C4-01R 8/9 Слика 10: Облик и амплитуда на упаден напонски бран за варијанта 3 Слика 11: Облик и амплитуда на упаден напонски бран за варијанта 4

9 MAKO CIGRE 2007 C4-01R 9/9 Табела 12: Максимална амплитуда на напонот по јазли Јазел Ј7 Ј8 Ј11 Ј14 ЈTR Ј17 Ј18 Случај kv 865 kv 795 kv 328 kv / 672 kv / Случај kv 741 kv 680 kv 309 kv / 533 kv 627 kv Случај kv 387 kv 227 kv 233 kv 310 kv 287 kv 333 kv Случај kv 267 kv 202 kv 197 kv 223 kv 201 kv 209 kv 5 Коментар на резултатитe Првата разгледувана варијанта е најнеповолна за изолацијата во постројката, но и најмалку веројатна да се случи, знаејќи дека вториот далекувод е постојано во погон. Таква конфигурација може да се добие само при хавариски испад на водот или негова реконструкција. Втората разгледувана варијанта е можна во одредени месеци во годината, кога има мали оптоварувања во системот, а перидот е таков да има зголемена појава на атмосферски празнења, на пример месеците мај и јуни. Во таков случај, во повеќето јазли во РП се јавуваат напони поголеми од оние за кои е димензионирана изолацијата. Во третиот случај (стандардна конфигурација на постројката), само напонскиот трансформатор е изложен на зголемени електрични напрегања. Меѓутоа, пред него се наоѓа раставувачот на далекуводното поле, што значи дека и неговата изолација ќе биде доведена во опасност. Анализата укажува дека кога разводната постројка работи само со еден трансформатор (варијанта 2), при атмосферски празнења во нејзина близина одводникот не може ефикасно да ги заштити сите нејзини елементи. Евидентно е од сл. 11 дека со инсталирање на одводници на пренапони на влезот на РП значително се намалуваат електричните напрегања на изолацијата, односно со релативно мало еднократно вложување долгорочно се штити голема инвестиција. Во ТС Аеродром уште со проектот се поставени одводници на влезот на постројката, а препорака е за сите слични трафостаници со напонско ниво 110/10 kv да се постават заштитни уреди на тоа место, со што би се зголемила доверливоста на постројките во периоди на интензивни атмосферски празнења. 6 ЛИТЕРАТУРА [1] Ристо Миновски, Атмосферски Пренапони, ЕТФ, Скопје 1996 год. [2] Ристо Миновски, Бранови процеси во разводни постројки, ЕТФ, Скопје 1982 год. [3] Милан Савиќ, Техника високог напона - Атмосферски пренапони, ЕТФ Београд, 1996 год. [4] Ристо Ачковски, Надземни и кабелски водови, ЕТФ, Скопје 1995 год. [5] IEC 71-1, IEC 71-2, IEC 71-4, Insulation coordination, 1993 [6] EMTP Rule Book [7] Juan A. Martinez Velasco, Ferley Castro Aranda, Modeling of overhead transmission lines for lightning studies, IPST Conference, Montreal, 2005 [8] Juan A. Martinez Velasco, Ferley Castro Aranda, Parametric analysis of the lightning performance of overhead transmission lines using EMTP, IPST Conference, New Orleans, 2003 [9] J.W. Woo, J.S. Kwak, The analysis results of lightning overvoltages bu EMTP for lightning protection design of 500 kv substation, IPST Conference, Montreal, 2005 [10] Application guide for ABB Surge arresters, 2006