تخمین اثر صاعقه برگشتی بر روی ریسک عایقی ترانسفورماتورهای قدرت در پست‌های فشارقوی با در نظر گرفتن اثر آلودگی

نوع مقاله : مقاله برق

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 دانشیار گروه آموزشی قدرت ، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

چکیده

این مقاله به تخمین اثر صاعقه برگشتی و ارائه معیار ارزیابی ریسک عایقی ترانسفورماتور در پست فشارقوی ناشی با استفاده از روش پارامتر محدودکننده بهبودیافته مونت کارلو می­باشد. بطوریکه ضمن در نظر گرفتن شرایط محیطی حاکم بر پست فشارقوی، برای جلوگیری از بار محاسباتی شبیه­سازی حالت گذرا، روش شبیه­سازی مونت‌کارلو با روش پارامتر محدودکننده ترکیب شده است. درنتیجه این روش، محاسبات را فقط بر اساس تنش­های محتمل وارد به ترانسفورماتور انجام خواهد داد. از طرف دیگر، هر تنش ناشی از اضافه ولتاژ با توجه به دامنه و زمان ماندگاری‌اش اثرات مخرب ساختاری ایجاد می­کند. بطوریکه ممکن است رفتار عایقی بعد و قبل از اعمال تنش متفاوت گردد. همچنین بررسی رفتار آلودگی بر دامنه اضافه ولتاژ صاعقه برگشتی و پیری عایقی در سیستم‌های قدرت ضروری است. برای مثال در رابطه با خطوط انتقال قدیمی مازندران شامل (خطوط ناریوران، جلال و خطوط پست فشارقوی 230 کیلوولت قائم‌شهر) و با طول عمر حدود 20 سال از قدیمی‌ترین خطوط آن منطقه می‌باشند و تعدد مسائل و مشکلاتی که در این خطوط وجود دارد نشان‌دهنده کاهش قابلیت اطمینان خطوط مذکور می‌باشد. در این مقاله، با توجه به رفتار غیرخود-ترمیم ترانسفورماتور در برابر تنش­های عایقی مختلف، مشخصه استقامتی تجمیعی ولتاژ-زمان توسعه داده شده است. روش ناحیه محدود- مونت کارلو پیشنهادی با انتخاب صحیح توزیع آماری ضربات محتمل و لحاظ کردن اثر آلودگی بر روی مقره­ها، ریسک عایقی ترانسفورماتور را بر مبنای اضافه ولتاژ گذرای ظاهر شده در سر ترانسفورماتور تخمین می­زند. علاوه بر این، رابطه بین صاعقه برگشتی و وضعیت آلودگی سطح عایق تحت تنش‌های ناشی از ضربات صاعقه مورد بحث قرار می‌گیرد. نتایج شبیه­سازی حاصل از این مقاله، مبتنی بر اطلاعات میدانی و آزمایشگاهی بوده و در دو شبکه نمونه واقعی انجام شده است. نتایج نشان می­دهد با لحاظ نمودن اثر عوامل محیطی بر پست فشار قوی، میزان ریسک عایقی تا 18 درصد افزایش می­یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Analysis of Transformer Insulation Risk Due to Back Flashover Lightning on High Voltage Substations by Considering the Effect of Environmental Pollution

نویسندگان [English]

  • Faridoddin Safaei 1
  • Mohsen Niasati 2
1 PhD Student, Faculty of Electrical and Computer Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
2 Associate Professor of Electrical Engineering Department, Semnan University, Semnan, Iran
چکیده [English]

The improved limiting parameter method of Monte Carlo is used in this study to estimate the impact of back-flashover (BF) due to lightning and provide an evaluation criterion for the insulation risk of the transformer in the high-voltage substation. In order to avoid the computational burden of the transient-state simulation, the Monte Carlo (MC) simulation method is combined with the limiting parameter method while taking into account the environmental conditions governing the high-voltage substation. On the other hand, depending on its amplitude and duration, any stress brought on by an excess of voltage causes destructive structural effects. Insulating behavior may be different before or after applying stress. Additionally, it is necessary to consider how the presence of environmental pollutants affects on BF lightning overvoltage amplitude. Therefore, the voltage-time-dependent strength accumulation characteristic has been developed in this study based on the transformer's non-self-healing behavior when exposed to various insulation stresses. By selecting appropriate distribution of expected strokes to estimate insulation risk, the finite area MC method that is being proposed calculates the insulation risk of the transformer based on the transient overvoltage that appears at the transformer terminals. Also discussed is the relationship between BF lightning and the contamination level of the insulation surface under the stresses brought on by lightning strikes. In this manner, the insulation coordination of the transformer can be known with the least number of calculations by using the structural data of the substation, the lines connected to it, and the transformer. The simulation results presented in this study were performed in a real sample network using the field and experimental data. The results showed an 18 percent increase in  insulation risk considering the effect of environmental condition.
.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Insulation coordination of substation
  • Power transformer
  • bf lightning over-voltages
  • Insulation risk Pollution

مراجع

[1] A. Golami, and M. Niasati. "Overvoltages and insulation coordination in power networks." First edition, Semnan University Press, (2015). (in Persian)
[2] F. Deyhim, and R. Ghanizdeh. "Insulation risk assessment of controlled switching considering pre‐strike voltage and line trapped charge." IET Science, Measurement & Technology 13, no. 2 (2019): 139-148.
[3] A. Rahiminejad, and B. Vahidi. "LPM-based shielding performance analysis of high-voltage substations against direct lightning strokes." IEEE transactions on power delivery 32, no. 5 (2016): 2218-2227.
[4] A. Said. "Analysis of 500 kV OHTL polluted insulator string behavior during lightning strokes." International Journal of Electrical Power & Energy Systems 95 (2018): 405-416.
[5] M.S. Savić. "Engineering method for high-voltage substations lightning performance estimation." IEE Proceedings C (Generation, Transmission and Distribution). IET Digital Library 136, no. 4 (1989).
[6] IEC 60071‐2, “Insulation co‐ordination part2: application guidelines.” International Standard, (2018).
[7] M. Qais, , and U. Khaled. "Evaluation of V–t characteristics caused by lightning strokes at different locations along transmission lines." Journal of King Saud University-Engineering Sciences 30, no. 2 (2018): 150-160.
[8] S. Okabe. "Voltage-time and voltage-number characteristics of insulation elements with oil-filled transformers in EHV and UHV classes." IEEE transactions on dielectrics and electrical insulation 13, no. 2 (2006): 436-444.
[9] S. Okabe, T. Tsuboi, and J. Takami. "Reliability evaluation with Weibull distribution on AC withstand voltage test of substation equipment." IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 15, no. 5 (2008): 1242-1251.
[10] Y. Shu, and W. Chen. "Research and application of UHV power transmission in China." High voltage 3, no. 1 (2018): 1-13.
[11] IEEE Std. 998, "IEEE Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations.” (Revision of IEEE Std. 998-1996), (2013):1-227.
[12] F.A. Rizk. "Modeling of substation shielding against direct lightning strikes." IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility 52, no. 3 (2010): 664-675.
[13] R.G. Deshagoni. Design and Analysis of Earthing System for Wind Turbine Generators from Lightning Discharge Currents. Diss. Open Access Te Herenga Waka-Victoria University of Wellington, 2020.
[14] J.A. Martinez-Velasco, ed. Transient analysis of power systems: solution techniques, tools and applications. John Wiley & Sons, 2014.
[15] M.S. Savic, and A.M. Savic. "Substation lightning performance estimation due to strikes into connected overhead lines." IEEE Transactions on Power Delivery 30, no. 4 (2015): 1752-1760.
[16] S.A. Hosseini, M. Mirzaie, and T. Barforoshi. "The Effects of Surge Arrester Location and Tower Footing Resistance on 230/63 kV Substation Under Lightning Overvoltage."
[17] M.S. Savic, and A.M. Savic. "Substation lightning performance estimation due to strikes into connected overhead lines." IEEE Transactions on Power Delivery 30, no. 4 (2015): 1752-1760.
[18] U. Schubert, A. Shirvani, U. Schmidt, S. Kornhuber, and E. Kynast. "Proposal for a general atmospheric correction method of breakdown and withstand voltages of air-gap insulated configurations based on a streamer–leader differentiated model of the breakdown process." Energies 11, no. 4 (2018): 776.
[19] A.S. Meliopoulos, and G.J. Cokkinides. "Substation lightning shielding and risk assessment." European transactions on electrical power 13, no. 6 (2003): 407-412.
[20] H. Hirose. "A method to estimate the lifetime of solid electrical insulation." IEEE transactions on electrical insulation 6 (1987): 745-753.
[21] A.A. Salem, R. Abd-Rahman, W. Rahiman, S.A. Al-Gailani, S.M. Al-Ameri, M.T. Ishak, and U.U. Sheikh. "Pollution flashover under different contamination profiles on high voltage insulator: Numerical and experiment investigation." IEEE Access 9 (2021): 37800-37812..
[22] M. Ikeda, H. Okubo, and T. Yanari. PD and BD probability distribution and equiprobabilistic VT characteristic of oil-filled transformer insulation. Toshiba Corp. Kawasaki, 1982.
[23] F. Safaei, and M. Niasati. "Calculation of UHV transformer insulation risk by extended Monte Carlo method." Electric Power Systems Research 218 (2023): 109219.
[24] B. Thomas, and U. Savadamuthu. "Impulse breakdown characteristics of aged oil impregnated paper." IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 24, no. 4 (2017): 2354-2361.
 
مدل سازی در مهندسی
دوره 22، شماره 76
اردیبهشت 1403
صفحه 123-139

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 05 مرداد 1402
  • تاریخ بازنگری: 13 شهریور 1402
  • تاریخ پذیرش: 14 مهر 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار