Vern av transformatorer i distribusjonsnettet mot lynoverspenninger

Abstract

Transformatorer i distribusjonsnettet er spesielt utsatt for lynoverspenninger, og havari på grunn av lyn er en hyppig avbruddsårsak. Det norske distribusjonsnettet består i stor grad av transformatorer med isolerte nullpunkt, noe det ikke har vært laget modeller for simulering av overspenningsforløp på. I forskningsprosjektet ProTrafo har Bjørn Gustavsen, sjefforsker ved SINTEF Energi, høsten 2019 utviklet en slik modell for en 11 kV- 0.23 kV transformator. Denne modellen ble brukt sammen med egenutviklede modeller av vern i simuleringer av et eksempelnett i ATPDraw. Oppgaven svarer på hvordan distribusjonstransformatorer bør vernes mot lynoverspenninger, ved å gjøre flere tilnærminger. Først ble det utført laboratorietester på gnistgap og nullpunktsikring fra El-Tjeneste. Gnistgapet ble testet med lynimpuls for gapavstander på 5, 6, 8, 10 og 11.4 cm. Deretter ble modeller for gnistgap og nullpunktsikring laget ved hjelp av kurvetilpassing, og modellene ble deretter validert. Til slutt ble ulike vernkombinasjoner sammenlignet i simuleringer for et 20 kA direkte lynnedslag i en høyspentlinje 200 meter unna en transformator.

Resultatene viste at en kombinasjon av HS-avledere og LS-avledere var nødvendig for å oppnå tilstrekkelig vern. Bruk av LS-avledere bør anbefales selv for transformatorer tilknyttet LS-kabelnett. Gnistgap i nabomast ble funnet å gi noe tilleggsbeskyttelse i kombinasjon med HS-avledere og LS-avledere, men var utilstrekkelig alene. Ved å plassere gnistgapet 3 eller 5 spenn unna transformatoren i stedet for i nabomasten, ble spenningen mellom HS-terminalene og transformatorkasse hhv. tilnærmet doblet og tredoblet. Dette gjaldt også dersom lynet slo ned lenger unna og passerte gnistgapet før transformatoren. Det er derfor svært viktig å plassere gnistgap i nærmeste mulige mast. Gnistgapåpningen ble funnet å ha neglisjerbar effekt på resultatene. Det ble funnet gunstig å ha flere nedjordinger i nett med gjennomgående høyspentjord. En nedjording gav tilsvarende beskyttelse som gnistgap dersom impulsjording monteres. Bruk av adskilte jordingssystem på kassejord og nullpunktsikring har vært anbefalt mot lynoverspenninger, men simuleringene viste at det vil oppstå svært store spenningsforskjeller mellom LS-terminalene og transformatorkassen som vil føre til overslag. Årsaken er potensialhevning av transformatorkassen som oppstår under lynoverspenningen.

Transformers in the distribution grid are particularly exposed for lightning overvoltages, and failure due to lightning is a common cause for power outages. The Norwegian distribution grid is mainly composed by transformers with isolated neutral points, which has not previously been modelled for simulation of overvoltages. In the research project ProTrafo, Bjørn Gustavsen, Chief Scientist at SINTEF Energy, has the fall 2019 made a model of an 11 KV-0.23 kV transformer with isolated neutral points. This model was used combined with models developed for simulation of an example grid in ATPDraw. This thesis shows how a distribution transformer should be protected from lightning overvoltages by several approaches. First, laboratory testing of a spark gap and a neutral point surge arrester from the company El-Tjeneste was done. The spark gap was tested with gap distances of 5, 6, 8, 10 and 11.4 cm. Then, models for spark gap and neutral point arrester were made by curve fitting and validated. Finally, different combinations of protection were compared in simulations for a 20 kA direct lightning stroke to a high voltage power line 200 m next to a transformer.

The results showed that a combination of HV- and LV-arresters was needed to gain sufficient protection. The use of LV-arresters should be recommended even for transformers connected to LV-cable networks. Spark gaps in the preceding tower gave some additional protection combined with HV- and LV-arresters, but was not sufficient by itself. The overvoltage between HV-terminals and the transformer case increased by approx. a twofold and a threefold, if the spark gap was placed 3 or 5 towers away, respectively. This was also the case when the lightning stroke passed through the spark gap before the transformer. Thus, it is of great importance to place the spark gap in the closest possible tower. The spark gap distance was found to have negligible influence on the results. Several earth connections was found favorable in grids with continuous HV-grounding. An earth connection gave similar protection as a spark gap if impulse grounding was applied. The use of separate grounding of transformer case and neutral point arrester has been recommended for lightning protection, but simulations showed that there will occur very large potential differences between the LV-terminals and the transformer case, which would cause flashover. This due to ground potential rise which occur during lightning impulse.