Transients During Energization of Unloaded Generator Step-Up Transformers

Abstract

En standard vannkraftstasjon i det norske kraftsystemet består av generator og transformator installert i fjellanlegg. Fra transformatoren går det kabler til et utendørs koblingsanlegg med effektbryter, samleskinne og linjeavganger. Kablene har en typisk lengde som kan variere fra noen få hundre meter til over en kilometer. I dagens kraftmarked er inn- og utkobling av vannkraftstasjonene avhengig av prisvariasjoner i markedet. Innkobling kan skje ved å lukke effektbryteren i koblingsanlegget, noe som gjør at transformatorterminalene spenningssettes fra nettet, som i denne oppgaven er 420 kV. Generatoren er ikke innkoblet på dette tidspunktet, noe som gjør at transformatoren står i tomgang.

En generatorstegtransformator er blant det viktigste og mest kostbare utstyret installert i et kraftsystem. Fet stilles derfor høye krav til transformatorens pålitelighet. Å spenningssette en generatortransformator fra strømnettet kan resultere i transiente overspenninger og strømmer, som begge kan være skadelige for transformatoren. Innkoblingsstrømmen inneholder flere harmoniske komponenter og kan i tillegg være av samme størrelsesorden som en kortslutningsstrøm. Høye spenninger i transformatoren bidrar til raskere nedbrytning av isolasjonsmaterialet, noe som øker sannsynligheten for kortslutning ved overslag.

Denne masteroppgaven forklarer først utfordringene ved å spenningssette en generatortransformator fra høyspenningssiden, med hovedfokus på de innkoblingsstrømmene og overspenningene som oppstår. Deretter gjøres det beregninger ved hjelp av et programvareverktøy utviklet for å beregne elektromagnetiske transienter. Det undersøkes hvordan ulike parametere som innkoblingstidspunkt, kortslutningsytelse i nettet og kabellengde påvirker de strømmene og spenningene som oppstår. Av de viktigste funnene i denne oppgaven er at de innkoblingstidspunktene som resulterer i lave innkoblingsstrømmer har en tendens til å gi høye innkoblingsspenninger, og omvendt. Likevel kan både strømmene og spenningene reduseres ved bruk av fasestyrt innkobling.

A typical hydropower station found in the Norwegian power system is composed of a generator and its step-up transformer installed in constructed caverns in a mountain hill. The step-up transformer is connected to an outdoors high voltage switchyard via cables having typical length of several hundred meters. The switchyard constitutes the connection to the rest of transmission grid. Hydropower stations are connected and disconnected from the power grid based on price variations in the electricity market. As connection occurs by the circuit breakers at the switchyard, the generator step-up transformer experiences a voltage change from zero voltage to system voltage in an instant. Because the generator is disconnected from the transformer at the time connection, the transformer is energized under no load conditions.

Generator step-up transformers are of the most important and costly equipment found in the transmission system, and they are expected to have a high level of availability. Energizing the transformers from their high voltage side may cause overvoltages and high inrush currents which are transient in nature. The transient inrush current is rich on harmonics and can have an amplitude in the same order of magnitude as the transformer short circuit current. It can therefore cause both severe dynamic stress on the transformer wingdings and cause protection systems to disconnect the transformer. The high overvoltages occurring at the transformer terminals are an important cause of insulation degradation, thus damaging the transformer over time.

This thesis report first presents the theory behind transformer inrush currents caused by energization from the switchyard. Then, overvoltages caused by interaction between the cable and the transformer are described. Several transformer energizing events are simulated using an Electromagnetic Transient Program (EMTP), where energizing times, energizing strategies, power grid configurations and feeding cable lengths are varied in order to analyze their impact on then transient inrush currents and terminal overvoltages. One of the main findings of this thesis, is that the energizing times resulting in low inrush currents tends to give high terminal voltages, and vice versa. Additionally, the high inrush currents and energizing voltages can be reduced by using point-on wave switching, most effective when residual flux of the generator step-up transformer core is known.