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        500 kV GIS母線PT諧振原因分析及預防

        2017-11-24 08:07:15張?zhí)?/span>任文韜
        電力安全技術 2017年10期
        關鍵詞:鐵磁分閘過電壓

        張?zhí)?,任文韜

        (神華神東電力重慶萬州港電有限責任公司,重慶 404027)

        500 kV GIS母線PT諧振原因分析及預防

        張?zhí)?,任文韜

        (神華神東電力重慶萬州港電有限責任公司,重慶 404027)

        介紹了某電廠500 kV GIS智能變電站概況,分析了該站首次倒送電過程中發(fā)生的500 kV母線PT鐵磁諧振的原因,提出了項目前期初設階段應開展500 kV升壓站仿真分析計算,并采取預防鐵磁諧振的措施,以避免發(fā)生PT鐵磁諧振。

        GIS智能變電站;母線;電壓互感器;鐵磁諧振

        0 引言

        某電廠2×1 050 MW燃煤汽輪發(fā)電機組,采用國內(nèi)首座火力發(fā)電廠戶內(nèi)式500 kV GIS智能變電站(簡稱“GIS站”)。GIS站內(nèi)斷路器、隔離開關、接地刀閘、電流互感器和電壓互感器均為西安西電高壓開關有限責任公司(簡稱“西開”)生產(chǎn)。斷路器型號為ZF8A-550 GIS,是西開融合日本三菱、瑞士ABB技術而開發(fā)的一種新型超高壓、大容量SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備。該設備采用臥式雙斷口結(jié)構(gòu),帶并聯(lián)均壓電容、無分合閘電阻,其電壓互感器型號為JDQX-500 V,為常規(guī)電磁式,有3個二次繞組(額定電壓100 V)、1個剩余電壓繞組(額定電壓100 V)。2014年7月,該廠GIS設備全部開始安裝調(diào)試,并按GB 50150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》,成功進行了耐壓試驗和局部放電試驗。2014年9月進行了500 kV GIS站倒送電。

        1 GIS站概況

        該廠GIS站按一次設備智能化、二次設備網(wǎng)絡化的原則設計。電流互感器和電壓互感器采用常規(guī)電磁式CT和PT,且PT高壓側(cè)無隔離開關,直接與母線GIS、線路/主變的GIL(gas insulated metal enclosed transmission line,氣體絕緣金屬封閉輸電線路)相連。其中母線PT采用單相,接于A相母線;線路/主變PT采用三相,分別接于A,B,C三相線路/主變GIL。

        該廠1,2號機組按單元制設計,發(fā)電機通過1,2號主變升壓后,經(jīng)2回500 kV神萬一線、神萬二線接入萬縣變電站。

        2 PT鐵磁諧振發(fā)生經(jīng)過

        2014-09-10,該廠按計劃由調(diào)試所組織了500 kV GIS站第1次倒送電倒閘操作。22:14,500 kVⅠ,Ⅱ母母線充電定相試驗結(jié)束后,在斷開5021斷路器時,網(wǎng)絡計算機監(jiān)控系統(tǒng)(NCS)畫面顯示500 kVⅠ母母線仍有電壓,且在186—275 kV跳變,PT內(nèi)部有電磁嗡嗡聲,伴隨有振動。從PT本體端子箱測量1a/1n,2a/2n,3a/3n二次繞組電壓為均46.3 V,da/dn剩余電壓繞組電壓為82 V、頻率為16.66 Hz。切除500 kVⅠ母空載母線后的主接線如圖1所示。

        圖1 切除500 kVⅠ母空載母線后的主接線示意

        23:51,值長將情況匯報市調(diào),市調(diào)令線路對側(cè)的萬縣變電站對神萬二線停電,該廠GIS站500 kVⅠ母母線PT振動、聲音異響及發(fā)熱現(xiàn)象消失,NCS顯示500 kVⅠ母電壓為0,就地測量該母線PT二次電壓為0,PT諧振消除。

        500 kVⅠ母鐵磁諧振波形如圖2所示。根據(jù)錄波數(shù)據(jù)可知,5021斷路器從22:14:30.109開始分閘,到22:14:30.749分閘成功,歷時630 ms。500 kV神萬二線線路三相電壓波形正常,但500 kVⅠ母母線電壓發(fā)生規(guī)則的波形變異。5021斷路器分閘成功后,母線電壓波形變?yōu)轭l率16.66 Hz、電壓186—275 kV的周期波,形成了穩(wěn)定的三分頻鐵磁諧振。直到23:51神萬二線停電,震蕩條件破壞,諧振徹底消除。

        圖2 鐵磁諧振波形

        3 PT鐵磁諧振的原因分析

        綜合故障錄波圖和測量數(shù)據(jù)分析,500 kVⅠ母發(fā)生了PT鐵磁諧振。造成諧振的原因為5021斷路器分閘過程中斷路器斷口電容與電壓互感器形成串聯(lián)回路,同時500 kVⅠ母母線電容與該PT電感并聯(lián)后呈感性,在5021斷路器分閘過程中電壓擾動,產(chǎn)生了鐵磁諧振。最后,長達1 h 40 min的飽和電流還導致了該PT罐體發(fā)熱。

        在對側(cè)變電站對神萬二線停電,將500 kVⅠ母及母線PT同時停電后,對母線PT的絕緣電阻、直流電阻、PT罐體氣室的SF6氣體壓力進行了測試,所得數(shù)據(jù)與故障前相比,無明顯變化。

        為避免該GIS站內(nèi)其他PT再次發(fā)生諧振,保證后期的調(diào)試以及GIS站運行安全,研究決定:首先對發(fā)生諧振的500 kVⅠ母母線PT進行更換,同時由西開委托西安交通大學對該公司GIS站進行鐵磁諧振仿真分析計算,并根據(jù)計算結(jié)果來設計消諧方案。

        3.1 PT鐵磁諧振的仿真分析計算

        西開提供該500 kV GIS站一次設備規(guī)格、型號、尺寸等初始參數(shù)和接線方式,委托西安交通大學進行鐵磁諧振仿真計算。西安交通大學確定了該500 kV GIS站可能引發(fā)鐵磁諧振的運行操作方式有4種,如表1所示。

        表1 500 kV GIS站可能引發(fā)鐵磁諧振的運行操作方式

        3.2 鐵磁諧振的仿真計算結(jié)果

        (1) 在500 kVⅠ母、Ⅱ母母線均投入運行的情況下,對任一斷路器和隔離開關進行分閘操作,GIS站不會發(fā)生鐵磁諧振。

        (2) 當用斷路器和隔離開關切除500 kVⅠ母、Ⅱ母空載母線時,GIS站會發(fā)生鐵磁諧振,且不同運行方式下諧振頻率不同。

        當系統(tǒng)單母線投入運行,斷路器分閘切除空載母線時,操作的母線會出現(xiàn)頻率為16.7 Hz的分頻鐵磁諧振,即三分頻諧振。此時,母線及其PT一次側(cè)最大過電壓峰值為600.6 kV,即1.34 p.u.,PT最大過電流峰值為98.0 mA。

        不同運行方式下,斷路器分閘切除空載母線時,GIS站均會發(fā)生分頻鐵磁諧振,持續(xù)振蕩的過電壓和過電流會引起運行中PT燒毀。

        4 PT鐵磁諧振的抑制方案

        (1) 改變GIS站母線及PT的停送電順序:停母線時,先停母線上的PT,后停母線;母線恢復送電時,先對空母線充電,后投入母線PT。此操作可避開諧振產(chǎn)生的條件,但是違反了母線停送電的正常操作程序,而且該廠GIS站母線PT無隔離開關,設備已安裝定型,方案無法實現(xiàn),不可行。

        (2) 增大GIS站母線對地電容,如將母線延長或在母線上并聯(lián)電容器組,但是該廠GIS站設備已安裝定型,方案無法實現(xiàn),不可行。

        (3) 取消該GIS站所有斷路器斷口均壓電容,從根本上消除產(chǎn)生諧振的條件,但是會使斷路器的開斷容量降低70 %,這是不允許的。

        (4) 根據(jù)GIS站的結(jié)構(gòu)特點,在該廠500 kVⅠ母、Ⅱ母母線PT剩余電壓繞組上并接阻尼電阻,抑制鐵磁諧振過電壓和過電流的幅值。阻尼電阻應依據(jù)母線PT剩余電壓繞組可耐受的電流值、電壓值和電阻的吸收能量綜合選擇。

        (5) 切除空載母線時,在斷路器分開后,盡快拉開該斷路器兩側(cè)的隔離開關,即實施方案(4)無法消諧時,再快速拉開該斷路器兩側(cè)的隔離開關。

        5 母線PT剩余電壓繞組并接阻尼電阻選擇

        融合方案(4)和方案(5),結(jié)合該廠GIS站的實際結(jié)構(gòu)特點和低頻諧振產(chǎn)生的條件,利用西安交通大學建立的該廠GIS站仿真模型,對母線PT剩余電壓繞組接入阻尼電阻的抑制效果和電阻值進行計算和驗證,結(jié)果如表2所示。

        表2 不同阻尼電阻的吸收能力

        計算分析表明,并接阻尼電阻可以迅速衰減振蕩幅值,即降低系統(tǒng)鐵磁諧振時的過電壓和過電流。阻尼電阻越小,鐵磁諧振衰減越快,對過電壓和過電流抑制效果越好;但電阻吸收能量越大,即對電阻的熱容量要求越高,阻尼電阻的制造難度越大,造價越高。

        當阻尼電阻為5 Ω時,0.5 s內(nèi)吸收能量為219.8 J,最大瞬功率為4 058 W,可以較好地抑制鐵磁諧振過電壓和過電流。阻尼電阻接入過程中承受的最大電壓峰值為188.0 V,最大電流峰值為37.6 A。阻尼電阻接入穩(wěn)定后承受的工頻電壓峰值為54.1 V,工頻電流峰值為10.7 A,5 min內(nèi)吸收能量為86.8 kJ,溫升73 ℃。

        經(jīng)查找資料和與廠商聯(lián)系,選取大功率、抗老化的碳素線性電阻作為阻尼電阻,在溫升不超過360 ℃時,可以多次承受短時兆瓦級大功率脈沖。碳素電阻的比熱約為2.0 J/cm3·℃,能量密度約為600 J/cm3,在低頻諧振中吸收的能量能滿足實際需要。

        因此,根據(jù)仿真計算結(jié)果,該廠選取電阻值為5 Ω的阻尼電阻,電阻的電壓耐受為188×2.5=470 V,電流耐受為37.6×2.5=94 A,5 min溫度耐受為73×2.5=182.5 ℃。

        綜上,為預防和控制該廠500 kV GIS站切除空載母線時發(fā)生的PT鐵磁諧振,GIS站Ⅰ母、Ⅱ母母線分別增設PT鐵磁諧振消諧裝置,2套消諧裝置完全相同。消諧裝置分為消諧電阻盒和消諧控制箱2部分,其中,消諧電阻盒置于母線PT支撐座內(nèi),消諧電阻經(jīng)2個小空開K1,K2接于母線PT剩余繞組上;消諧控制箱置于GIS站門口,遠離GIS元件,控制箱內(nèi)設有小空開K3。

        消諧裝置的電氣接線原理如圖3所示。

        圖3 消諧裝置電氣接線原理

        6 預防PT鐵磁諧振的措施

        6.1 加裝實現(xiàn)自動消諧的設備

        經(jīng)與廠家協(xié)調(diào),利用雙機全停機會,在GIS站500 kVⅠ母、Ⅱ母母線PT剩余電壓繞組二次側(cè)增加空開和非線性電阻,實現(xiàn)自動消諧。不過,采用此措施時應做好切除500 kV空載母線自動消諧失敗的事故預想和應急預案。

        6.2 完善運行規(guī)程

        應在運行規(guī)程中補充GIS站切除空載母線時手動投入消諧電阻的操作步序和注意事項。即在切除空載母線的倒閘操作前,進行GIS母線PT諧振危險點分析,并做好就地操作人員和NCS監(jiān)盤人員分工,明確母線電壓監(jiān)控和消諧裝置投停操作。分開待停母線最后一臺斷路器前,就地操作人員應先合上待停母線PT端子箱內(nèi)K1,K2空開,再到GIS站門口,打開待停母線消諧控制箱,做好合上控制箱內(nèi)K3空開,投入消諧電阻的準備。正式分開待停母線最后一臺斷路器時,通過NCS監(jiān)視待停GIS母線電壓;若母線電壓顯示到0,說明該母線沒有發(fā)生PT諧振;若母線電壓顯示不到0,且電壓波動,說明該母線發(fā)生了PT諧振。發(fā)生諧振時,應立即短時合上該母線消諧控制箱內(nèi)的K3空開,投入消諧電阻,抑制諧振(間斷3次分合K3空開)。若諧振仍不消失,則消諧失敗,應通過拉開該斷路器兩側(cè)隔離開關消除諧振。倒閘操作完畢,必須斷開該母線PT端子箱內(nèi)的K1,K2空開和母線消諧控制箱內(nèi)的K3空開,保證母線正常運行中消諧電阻可靠退出。

        7 結(jié)束語

        GIS站項目初始設計階段,一定要進行GIS站母線PT鐵磁諧振仿真分析計算,同時盡可能選用勵磁特性好的PT,以確保在合閘、分閘及單相接地事故等情況下其鐵芯不易飽和,從而在工程建設中消除GIS站PT鐵磁諧振的條件,從根本上避免PT鐵磁諧振的發(fā)生。

        1 劉繼軍.PT鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生原因與抑制措施[J].電氣開關,2011,49(1):4-6.

        2 賈紅琴.電磁式PT所致鐵磁諧振過電壓分析及抑制[J].高電壓技術,2000,26(1):69-70.

        3 丁志林,文 曹,賀星棋,等.500 kV大變比變壓器鐵磁諧振分析[J].電力自動化設備,2012,32(2):141-144.

        2017-01-07;

        2017-05-07。

        張?zhí)?1973—),男,高級工程師,主要從事運行管理方面的工作,email:gagsztl@163.com。

        任文韜(1983—),男,助理工程師,主要從事火電廠集控運行管理工作。

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