Symulacje przepięć piorunowych na zaciskach transformatora

Wykonano symulacje przepięć powstających podczas wyładowań piorunowych narażających transformator pracujący w układzie, którego schemat przedstawiono na rysunku 3.5, stanowiącym fragment sieci elektrycznej rozdzielczej.

Układ zawiera:

­ transformator rozdzielczy Trz o mocy 250 kVA i napięciu znamionowym 15/0,4 kV, ­ linię napowietrzną ln zasilającą transformator Trz,

Rys. 3.5. Schemat fragmentu sieci rozdzielczej: ln – linia napowietrzna, op – ograniczniki przepięć z tlenków metali, Trz – transformator rozdzielczy, d – odległość między punktem zainstalowania

ograniczników przepięć a transformatorem

Scharakteryzowano wyżej wymienione elementy fragmentu sieci elektrycznej:

Linia napowietrzna l_n zasilająca transformator Tr_z

Parametry linii napowietrznej ln, zasilającej transformator rozdzielczy Trz,

zamieszczono w tabeli 3.1.

Tabela 3.1. Podstawowe parametry linii napowietrznej ln (Rys. 3.5)

parametr jednostka wartość

typ przewodów AFL6 70 mm²

przekrój części aluminiowej mm² 70

średnica części stalowej mm 3,75

rezystancja przewodu (20^oC) Ω 0,441

łączna długość linii km 4

liczba przęseł - 40

Transformator Tr_z

Podstawowe parametry elektryczne transformatora rozdzielczego Trz (Rys. 3.5) o mocy 250 kVA 15/0,4 kV, zamieszczono w tabeli 3.2.

Tabela 3.2. Podstawowe parametry elektryczne transformatora rozdzielczego Trz (Rys. 3.5) [121]

parametr Sn Un Uz ∆PFe ∆PCu I0

jednostka kVA kV % kW kW %

wartość 250 15/0,4 4,5 0,486 3,509 1,0

Ograniczniki przepięć op

Dane znamionowe ograniczników przepięć z tlenków metali, zastosowanych do ochrony transformatora 15 kV (Rys. 3.5), zamieszczono w tabeli 3.3.

Tabela 3.3. Napięcia obniżone ograniczników przepięć typu POLIM-D 12N i POLIM-D 18N, stosowanych w sieciach elektrycznych 15 kV [89]

typ ogranicznika

napięcie obniżone przy prądzie wyładowczym

U_r U_{c 1/2,5}µs 8/20µs 30/60µs 5 kA 10 kA 1 kA 2,5 kA 5 kA 10 kA 20 kA 125 A 500 A 1000 A kV POLIM– D12N 15 12 43,3 47,9 34,9 37,0 39,1 42 47,7 31,1 32,2 33,2 POLIM– D18N 22,5 18 64,9 74,9 52,3 55,5 58,6 63 71,6 46,7 48,2 49,8 d Tr_z op ln układ elektroenergetyczny

Do modelowania urządzeń elektrycznych pracujących w sieci elektrycznej z transformatorem rozdzielczym, przedstawionym na rysunku 3.5, zastosowano następujące modele w programie Electromagnetic Transients Program–Alternative Transients Program

(EMTP– ATP):

­ prąd kanału wyładowania atmosferycznego – model CIGRE), ­ transformator Trz – model BCTRAN,

­ linia napowietrzna ln – model JMARTI,

­ ograniczniki przepięć op – model przedstawiony na rysunku 2.2, ­ uziomy – model zapisany wzorem (3.8),

­ słupy – model słupa cylindrycznego (Rys. 3.4a, wzór (3.1)),

­ przeskok na izolatorach – zależność analityczna do obliczania napięcia przeskoku (wzór (3.10)).

Model cyfrowy fragmentu sieci, opracowany w programie EMTP-ATP zamieszczono na rysunku 3.6.

Rys. 3.6. Model fragmentu sieci elektrycznej przedstawionej na rysunku 3.5, opracowany w programie Electromagnetic Transients Program – Alternative Transients Program (EMTP– ATP)

Symulacje obejmowały przebiegi przepięć doziemnych na zaciskach transformatora Trz.

Symulacje wykonano przy następujących założeniach:

­ wartość szczytowa udaru prądowego piorunowego wynosi 20 kA, ­ linia zasilająca ln jest linią napowietrzną,

­ wyładowanie atmosferyczne następuje do przewodu fazy A linii zasilającej ln w odległości 100 m od transformatora,

­ obliczenia wykonano dla sieci, w której nie jest stosowane automatyczne wyłączanie zawarcia doziemnego (ograniczniki przepięć: U_c =18 kV) i sieci, w której zwarcie doziemne jest wyłączane automatycznie (ograniczniki przepięć: Uc = 12 kV),

­ odległości d między transformatorem Tr a ogranicznikami op: 12 m, 2 m, 0 m. Wyniki obliczeń przepięć narażających transformator pracujący w sieci bez automatycznego wyłączania zwarcia doziemnego przedstawiono na rysunku 3.7,

a przepięcia powstające na zaciskach transformatora w sieci z automatycznym wyłączaniem

zwarcia doziemnego na rysunku 3.8.

Rys. 3.7. Przebiegi napięć doziemnych na zaciskach transformatora w sieci 15 kV

bez automatycznego wyłączania zwarć doziemnych, podczas oddziaływania przepięcia

piorunowego dla różnych odległości d między ogranicznikami, a transformatorem: a) d = 12 m, b) d = 2 m, c) d = 0 m; 1 – faza A, 2 – faza B, 3 – faza C (Rys. 3.5)

b) a) c) 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 u,kV t,µs 20 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 u,kV t,µs 20 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 u,kV t,µs 20 1 2 3 1 2 3 1 2 3

Rys. 3.8. Przebiegi napięć fazowych na zaciskach jednej fazy transformatora w sieci 15 kV

z automatycznym wyłączaniem zwarć doziemnych, podczas oddziaływania przepięcia piorunowego

dla różnych odległości d między ogranicznikami a transformatorem: a) d = 12 m, b) d = 2 m, c) d = 0 m; 1 – faza A, 2 – faza B, 3 – faza C (Rys. 3.5)

Na podstawie wyników symulacji przebiegów przepięć doziemnych na zaciskach transformatora (Rys. 3.7, 3.8), wyznaczono zależności wartości maksymalnych napięć doziemnych w jednej fazie, od odległości d między ogranicznikami a chronionym transformatorem i przedstawiono na rysunku 3.9.

Rys. 3.9. Zależności wartości maksymalnych napięć doziemnych na zaciskach transformatora rozdzielczego 15 kV od odległości między ogranicznikami przepięć a transformatorem Umax=f(d): 1 – sieć bez automatycznego wyłączania zwarć doziemnych, 2 – sieć z automatycznym wyłączaniem

zwarć doziemnych 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 d,m 12 1 2 U _max,kV b) a) c) 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 u,kV t,µs 20 0 5 10 15 20 25 u,kV t,µs 0 5 10 15 20 25 u,kV t,µs 0 20 40 60 80 20 0 20 40 60 80 20 1 2 3 1 2 3 1 2 3

Wyniki symulacji przepięć piorunowych, zamieszczone na rysunkach 3.7, 3.8 i 3.9, potwierdzają że:

­ wartości maksymalne napięć przejściowych na transformatorach chronionych ogranicznikami przepięć, pracujących w sieciach elektrycznych bez automatycznego wyłączania zwarć doziemnych, są większe od wartości maksymalnych napięć przejściowych na transformatorach pracujących w sieciach, w których zwarcia doziemne są wyłączane,

­ zwiększenie odległości między punktem zainstalowania ograniczników przepięć a zaciskami transformatora powoduje zwiększenie wartości maksymalnych napięć narażających transformator podczas wyładowań piorunowych.

Większe wartości przepięć piorunowych narażających transformatory pracujące w sieciach rozdzielczych, w których zwarcia doziemne nie są wyłączanie są efektem stosowania w takich sieciach ograniczników przepięć, dla których wartości napięcia pracy ciągłej U_c są większe od wartości napięcia pracy ciągłej ograniczników stosowanych w sieciach, w których zwarcia doziemne są wyłączane automatycznie. Ograniczniki o większych wartościach napięcia Uc charakteryzują większe wartości napięcia obniżonego.

Dodatkowo, z przeprowadzonych symulacji wynika, że zjawiska przejściowe, zależne od długości odcinka linii łączącej transformator z ogranicznikami przepięć, wpływają na przepięcia na transformatorze. Ze wzrostem długości linii między transformatorem a ogranicznikami ulegają zwiększeniu wartości maksymalne napięć na transformatorze podczas wyładowań atmosferycznych. Na przykład w przypadku zainstalowania ograniczników beziskiernikowych w odległości 12 metrów od zacisków wejściowych transformatora przepięcia są większe o około 15 % od przepięć powstających wówczas, gdy ograniczniki są połączone bezpośrednio z zaciskami wejściowymi transformatora - zarówno w sieci, w której jednofazowe zwarcia nie są wyłączane, jak i w sieci, gdzie zwarcia doziemne są wyłączane automatycznie.

4. Analiza narażeń transformatorów