金華峰

(1.重慶大唐國(guó)際彭水水電開(kāi)發(fā)有限公司,重慶彭水 409600;2.重慶大學(xué),重慶 400044)

GIS以其占地面積小,運(yùn)行穩(wěn)定和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。但在斷路器合閘前,帶電側(cè)隔離開(kāi)關(guān)切合 GIS短管用時(shí)由于隔離開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)速度太慢、隔離開(kāi)關(guān)斷口間電弧不斷重燃和熄滅,可重復(fù)幾百次以上;另外被開(kāi)斷和合閘的GIS管道很短,行波的折反射很快,過(guò)電壓的頻率極高、波頭很陡,會(huì)形成納秒級(jí) (3～100 ns)的電壓突升或跌落,并在 GIS管線中產(chǎn)生行波,導(dǎo)致高頻振蕩的 VFTO產(chǎn)生。大多數(shù)情況下最高過(guò)電壓峰值在 1.5～2.5 p.u。

對(duì)于頻率很高的 VFTO,當(dāng)經(jīng)變壓器或線路供電的電源側(cè)管母線不長(zhǎng),隔離開(kāi)關(guān)投切過(guò)程中電弧重燃時(shí),產(chǎn)生的過(guò)電壓振蕩頻率在幾兆赫茲左右;電弧熄滅時(shí),振蕩頻率達(dá)幾十兆赫茲。由于過(guò)電壓的頻率高,陡度大,對(duì)與 GIS直接連接的變壓器繞組絕緣具有威脅,會(huì)引起繞組匝間或餅間電壓分布極不均勻而使繞組的絕緣損壞,由于上升速度極快的過(guò)電壓,避雷器保護(hù)范圍小,限壓作用較差。VFTO的波形中含有多個(gè)振蕩頻率,若 VFTO含有的振蕩頻率位于變壓器的某些頻率的諧振點(diǎn),還可能產(chǎn)生諧振過(guò)電壓。

文中通過(guò)建立 GIS系統(tǒng)仿真模型,利用電磁暫態(tài)仿真軟件 ATP-EMTP,研究計(jì)算隔離開(kāi)關(guān)在 3種不同操作方式時(shí)在主變壓器線圈上引起的VFTO,分析 GIS絕緣性能,可有效提高 GIS運(yùn)行可靠性。

1 仿真計(jì)算模型和基本數(shù)據(jù)

水電站 500 kV升壓站接線方案見(jiàn)圖 1。升壓站采用 GIS接線,接線方式為雙母線接線。工程建設(shè) 2條出線:水張一線和水張二線,設(shè)有 5臺(tái)變壓器:即 1～5號(hào)主變。2條 GIS母線采用母聯(lián)斷路器相連。

圖 1 水電站 500 kV升壓站主接線圖

文中基于電磁暫態(tài)仿真軟件 ATP-EMTP,系統(tǒng)分析建立 500k V升壓站 VFTO計(jì)算模型。計(jì)算中根據(jù)具體的操作方式,將升壓站內(nèi)部的變壓器、線路、母線、連接線和電氣設(shè)備作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)整體來(lái)考慮,這樣更加符合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。

1.1 計(jì)算模型

(1)變壓器

變壓器采用電感 -電容 -電阻所組成的鏈形回路,變壓器本體的模型見(jiàn)圖 2,參數(shù)如下:變壓器繞組與變壓器外殼之間:高壓對(duì)油箱 610 pF,低壓對(duì)鐵芯 9450p F;變壓器繞擊匝間電容:高壓124pF,低壓 3800pF;變壓器繞組間電容:2 130 pF;每相繞組有 2個(gè)線圈,高壓 917匝,低壓 52匝;高壓套管及其連接段的電感:10.5μH,高頻下等效電阻 4Ω。高壓線圈按 10個(gè)線餅考慮。

(2)母線

采用無(wú)損耗分布參數(shù)輸電線路,從實(shí)際的尺寸來(lái)計(jì)算波阻抗,波阻抗 Z為

式中 b為母線筒內(nèi)徑;a為母線導(dǎo)電桿外徑。

(3)斷路器

把斷路器分成許多段,因其開(kāi)斷,用分級(jí)電容來(lái)連接它們。也可用一個(gè)等效于全體分級(jí)電容串聯(lián)組合的電容器去連接母線,從斷路器的實(shí)際尺寸來(lái)計(jì)算各段的參數(shù)。

GIS管線段采用單相分布參數(shù)模型。斷路器為分級(jí)電容模型?？紤]了 GIS避雷器在高頻下的電容,以符合避雷器的陡波特性。

(4)隔離開(kāi)關(guān)

合閘狀態(tài)采用等長(zhǎng)母線的分布參數(shù)模擬,分閘狀態(tài)用斷口表示。對(duì)于操作中的隔離開(kāi)關(guān),通常用下式表示動(dòng)態(tài)的弧道電阻:

式中 Rs=0.5Ω,R0=1 012Ω,T=1 ns。

由式 (2)可知,在 25ns的時(shí)間內(nèi),弧道電阻已由百萬(wàn)歐姆級(jí)下降到 10Ω。

(5)架空線

采用分布參數(shù)模型,依據(jù)架空線型號(hào)選取波阻抗值,計(jì)算 VFTO時(shí)認(rèn)為架空線無(wú)限長(zhǎng),因此架空線終端用一個(gè)阻值等于線路波阻抗的電阻模擬,此時(shí)架空線的終端將不存在行波的折反射。

(6)套管、接地開(kāi)關(guān)、柱式絕緣子、電容式電壓互感器均簡(jiǎn)化為集中參數(shù)的等值對(duì)地電容。

計(jì)算中所采用的 MOA參數(shù)見(jiàn)表 1。母線、線路和變壓器側(cè)的 MOA的額定電壓均為 444kV。

表 1 MOA的伏安特性 p.u

圖 2 變壓器的模擬

1.2 VFTO的計(jì)算

GIS的隔離開(kāi)關(guān)有以下 3種操作方式會(huì)在變壓器的線圈餅間產(chǎn)生 VFTO,威脅變壓器的絕緣。

(1)母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)操作 (方式 1)

方式 1的隔離開(kāi)關(guān)操作電氣接線示意圖見(jiàn)圖3。母線經(jīng)線路帶電,變壓器側(cè)隔離開(kāi)關(guān) DS83已合上,斷路器 CB81處于斷開(kāi)位置,GIS斷路器至母線隔離開(kāi)關(guān)之間的管道有 1.0p.u的殘余電荷;避雷器按方式 2布置。

圖 3 方式 1隔離開(kāi)關(guān)操作電氣接線示意圖

方式 1下母線隔離開(kāi)關(guān) DS81閉合操作中多次重燃產(chǎn)生的 VFTO通過(guò)斷路器均壓電容傳遞到變壓器上。變壓器管線支路的 VFTO過(guò)電壓見(jiàn)表 2。計(jì)算出的變壓器繞組端部對(duì)地和匝間 VFTO分別見(jiàn)表3和表 4。變壓器繞組端部對(duì)地和繞組餅間的VFTO電壓波形分別見(jiàn)圖 4和圖 5。

(2)母線帶電,變壓器側(cè)的隔離開(kāi)關(guān)操作(方式 2)

圖 4 方式 1隔離開(kāi)關(guān)閉合操作,變壓器繞組端部對(duì)地 VFTO電壓波形

方式 2的隔離開(kāi)關(guān)操作電氣接線示意圖見(jiàn)圖6。母線Ⅰ經(jīng)線路帶電,母線Ⅰ側(cè)隔離開(kāi)關(guān) DS81已合上,斷路器 CB81處于斷開(kāi)位置,通過(guò)斷路器CB81斷口均壓電容供電,變壓器側(cè)的隔離開(kāi)關(guān)DS83閉合操作中多次重燃產(chǎn)生的 VFTO傳遞到變壓器上。計(jì)算時(shí)考慮 GIS斷路器至 DS83隔離開(kāi)關(guān)之間的管道有 1.0p.u的殘余電荷;避雷器按方式2布置。

隔離開(kāi)關(guān) DS83閉合操作中多次重燃產(chǎn)生的VFTO直接傳遞到變壓器上。變壓器管線支路的VFTO過(guò)電壓參見(jiàn)表 2。計(jì)算出的變壓器繞組端部對(duì)地和匝間 VFTO分別參見(jiàn)表 3和表 4。變壓器繞組端部對(duì)地和繞組餅間的 VFTO電壓波形分別見(jiàn)圖7和圖 8。

(3)變壓器帶電,變壓器側(cè)的隔離開(kāi)關(guān)操作(方式 3)

方式 3的隔離開(kāi)關(guān)操作電氣接線示意圖見(jiàn)圖9。發(fā)電機(jī)對(duì)變壓器單元充電,母線Ⅰ側(cè)隔離開(kāi)關(guān)DS81和斷路器 CB81處于斷開(kāi)位置,變壓器側(cè)的隔離開(kāi)關(guān) DS83閉合操作中多次重燃產(chǎn)生的 VFTO傳遞到變壓器上。計(jì)算時(shí)考慮 GIS斷路器 CB81至DS83隔離開(kāi)關(guān)之間的管道有 1.0 p.u的殘余電荷;避雷器按方式 2布置。

隔離開(kāi)關(guān) DS83閉合操作中多次重燃產(chǎn)生的VFTO直接傳遞到變壓器上。變壓器管線支路的VFTO過(guò)電壓見(jiàn)表 2。計(jì)算出的變壓器繞組端部對(duì)地和匝間 VFTO分別見(jiàn)表 3和表 4。變壓器繞組端部對(duì)地和繞組餅間的 VFTO電壓波形分別見(jiàn)圖 10和圖 11。

表 2 變壓器支路切合短管線過(guò)電壓 kV

2 VFTO計(jì)算結(jié)果的分析

隔離開(kāi)關(guān)閉合產(chǎn)生的納秒級(jí)的 VFTO,進(jìn)入變壓器作用在繞組上時(shí),計(jì)算出 3種方式下的振蕩頻率為 2.8 MHz。

3種運(yùn)行方式下計(jì)算出的變壓器繞組各餅對(duì)地過(guò)電壓和縱向 VFTO電壓,VFTO比較見(jiàn)圖 12和13。繞組最大對(duì)地過(guò)電壓為 2.56p.u,即 1 150 kV峰值;繞組的第一餅的 VFTO過(guò)電壓為 1.2 p.u,即 542k V,為全波雷電沖擊電壓 1 550 kV的 35%,均為方式 3下隔離開(kāi)關(guān) DS83閉合操作產(chǎn)生。方式2高于方式 1。方式 2的繞組最大對(duì)地過(guò)電壓為1.39 p.u,即 625 kV峰值;繞組的第一餅的 VFTO過(guò)電壓為 0.61 p.u,即 275 kV,為全波雷電沖擊電壓 1 550 kV的 17%。

方式 1和 2下避雷器均未動(dòng)作,避雷器的布置對(duì) VFTO的大小無(wú)影響;方式 3下避雷器若按方式1布置,線圈的 VFTO將增加。

500kV變壓器若采用一般的糾結(jié)式繞組結(jié)構(gòu),在 1 550 kV全波沖擊電壓作用下,高壓端 1～3個(gè)線餅的最大梯度電壓大約為 7%～9%左右,以 9%計(jì)為 139 kV,則 VFTO允許值為 417 kV。方式 1和2的 1～3個(gè)線餅的最大梯度電壓在允許范圍內(nèi),方式 3超過(guò)允許值,要避免方式 3的操作。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù) VFTO不超過(guò)雷電全波沖擊下線餅的雷電梯度電壓的 3倍的規(guī)定,操作方式 1和 2的1～3個(gè)線餅的最大梯度電壓均在允許范圍內(nèi)。方式 3超過(guò)允許值,因此要避免方式 3的操作,該條已寫入該水電站運(yùn)行規(guī)程。

(2)我國(guó)許多直接連接 GIS的變壓器運(yùn)行規(guī)程都明確規(guī)定禁止帶電投切隔離開(kāi)關(guān)。由于變壓器設(shè)備的重要性,水電站要盡量避免帶電投切變壓器支路的隔離開(kāi)關(guān)。確實(shí)無(wú)法避免的,可采取帶接入電阻的隔離開(kāi)關(guān),并經(jīng)實(shí)測(cè)后方可開(kāi)展。