(大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)以其占地面積小、運行穩(wěn)定和維護方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中[1-5]。在GIS斷路器、隔離開關(guān)操作過程中會形成快速瞬態(tài)過電壓(very fast transient overvoltage,VFTO)，快速暫態(tài)過電壓的特點是幅值大、波頭陡、時間短[6-9]。

對于發(fā)電廠GIS升壓站，其封閉化程度更高，從變壓器高壓側(cè)至出線均采用GIS管道連接，因此GIS操作過程中所產(chǎn)生的暫態(tài)過程更加復(fù)雜[10-11]。對于GIS操作過程中出現(xiàn)的故障，在未獲得暫態(tài)過電壓信息的情況下，通常采用仿真手段進行事后分析。開展GIS升壓站暫態(tài)過程分析的關(guān)鍵在于建立等效分布參數(shù)模型[12-16]，尤其是GIS和變壓器的分布參數(shù)模型。

下面以某發(fā)電廠500 kV GIS升壓站主變壓器合閘時發(fā)生的變壓器高壓繞組絕緣擊穿事故為分析對象，采用電磁暫態(tài)分析軟件ATP-EMTP建立發(fā)電廠一次設(shè)備分布參數(shù)模型，對于GIS采用單芯電纜模擬，對于變壓器建立繞組梯形等值電路，對各種工況下的主變壓器合閘過電壓進行量化計算。分析表明該發(fā)電廠GIS合空載變壓器所產(chǎn)生的過電壓未超過主變壓器理論耐受值，且主變壓器繞組故障特征不符合VFTO擊穿現(xiàn)象，過電壓不是導(dǎo)致主變壓器絕緣事故的根本原因。

1 故障簡介

某發(fā)電廠在完成500 kV 4號主變壓器年度檢修和預(yù)防性試驗后，對4號主變壓器恢復(fù)送電。4號主變壓器合閘前1號機組運行，2、3、5號機組備用，500 kV Ⅰ、Ⅱ組母線運行，500 kV第一串、第三串合環(huán)運行，4號主變壓器兩側(cè)斷路器熱備用，兩回出線下網(wǎng)負(fù)荷為430 MW，40 Mvar，電廠一次設(shè)備主接線如圖1所示。

圖1 電廠一次設(shè)備接線

在合上2號斷路器時，4號主變壓器保護動作，斷路器跳閘。跳閘原因為合閘時刻4號主變壓器A相高壓繞組絕緣故障。4號主變壓器A相結(jié)構(gòu)如圖2所示，解體后4號主變壓器高壓繞組絕緣擊穿情況如圖3所示。

從圖3高壓繞組絕緣損壞情況可知：

1)高壓繞組發(fā)生絕緣貫穿性擊穿而非局部擊穿；

2)高壓繞組下半部分絕緣損壞較上半部分嚴(yán)重，其中尾端損壞最嚴(yán)重；

3)高壓繞組首端絕緣損壞程度較輕，最上端基本完好。

2 仿真模型的建立

建立變壓器合閘過電壓電磁暫態(tài)分析模型，首先是建立整體模型，該模型中變壓器采用集中參數(shù)加分布電容模擬；其次建立變壓器梯形等值電路，實現(xiàn)對變壓器內(nèi)部過電壓的模擬。

(a)變壓器外觀

(b)變壓器繞組和套管圖2 變壓器結(jié)構(gòu)

(a)高壓火線出頭往右第1-8檔內(nèi)側(cè)導(dǎo)線絕緣碳化情況

(b)下端部導(dǎo)線扭曲變形情況圖3 高壓繞組絕緣損壞情況

GIS由單芯電纜模擬，變壓器由單相雙繞組變壓器組合而成，變壓器高壓側(cè)入口電容為1070 pF(廠家提供數(shù)據(jù))；因快速瞬態(tài)過電壓分析中分布電容對分析結(jié)果的影響較大，在分析中充分考慮GIS母線、變壓器套管、繞組對地及繞組之間的電容分布；次要電容根據(jù)廠家提供參數(shù)(如表1所示)進行設(shè)置。

表1 次要電容值

為了對變壓器內(nèi)部波過程進行分析，需要建立繞組梯形等值電路。對于多繞組變壓器，應(yīng)對繞組分布電容參數(shù)進行提取[17-18]，建立的梯形等值電路[19-20]示意圖見圖4。

圖4 變壓器繞組梯形等值電路

圖4中，高壓繞組、低壓繞組單位長度的電感分別用L1、L2表示；高壓繞組、低壓繞組單位長度對地電容分別用C1、C2表示；編號相同的單位長度高壓、低壓繞組之間的互容用C3表示；編號相鄰的單位長度高壓、低壓繞組之間的互容用λC3表示。

用X表示高低壓繞組的高度，建立高壓繞組電感L高、低壓繞組電感L低、高壓繞組對地電容C高、低壓繞組對地電容C低、高壓繞組和低壓繞組互容C高-低、高壓繞組縱向電容K高、低壓繞組總的縱向電容K低，建立等式(1)如下：

(1)

根據(jù)變壓器出廠試驗結(jié)果，變壓器部分電容測試值如表2所示，根據(jù)實測值建立變壓器繞組梯形等值電路及升壓站過電壓仿真模型如圖5所示。

表2 4號主變壓器電容量測試值

圖5變壓器梯形等值電路中，在高壓繞組從上至下依次排列11個測試點，測試點1設(shè)置于高壓繞組的入口處，測試點11設(shè)置于高壓繞組尾端。

3 合閘時變壓器入口處的過電壓

在不同的合閘時刻(合閘時刻A相相角不同)，對應(yīng)的最大過電壓如表3所示。

表3 不同合閘時刻的過電壓

為了盡可能尋找合閘時刻最大過電壓幅值，在對A相相角[5，55]區(qū)間每隔5°細(xì)化，計算得到合閘過電壓如表4所示。

圖5 變壓器繞組梯形等值電路及升壓站過電壓仿真模型

表4 A相相角[5，55]區(qū)間的合閘過電壓

對應(yīng)表4中A相相角為35°時，合閘過電壓波形如圖6所示。

(a)三相電壓波形

(b)B相電壓波形放大圖6 A相相角為95°時的合閘過電壓波形

仿真分析小結(jié)：

1)當(dāng)變壓器合閘操作過程中未出現(xiàn)電弧時，產(chǎn)生的最大操作過電壓幅值為898 kV，小于變壓器操作沖擊耐受電壓1175 kV及其雷電過電壓耐受值1550 kV；

2)合閘過電壓波頭陡，上升時間約0.6 μs。

4 合閘時變壓器繞組內(nèi)部的過電壓

計算得到各個測試點及測試點間的電壓波形如圖7所示。

從變壓器繞組匝間承受電壓波形可知：

1)首端繞組承受電壓幅值最大，繞組間承受的過電壓幅值并非從上至下依次遞減，而是呈現(xiàn)先減小后增加的規(guī)律；

(a)各個測試點電壓波形

(b)兩測試點之間的電位差波形圖7 繞組內(nèi)部電壓分布

2)首端繞組承受電壓幅值高但是波頭陡，尾端繞組承受電壓相對較低但是波頭較緩；

3)變壓器首端和尾端繞組承受沖擊電壓時損壞概率大于中間繞組。

5 結(jié) 語

1)4號主變壓器合閘時未出現(xiàn)超過變壓器理論耐受能力的過電壓，過電壓不是造成變壓器事故的根本原因，僅是主變壓器繞組絕緣損壞的誘因。

2)從繞組內(nèi)部電壓分布來看，首端繞組匝間承受的過電壓高于繞組其他部分，但其為陡波，或許會造成繞組間匝間局部絕緣擊穿，但不會造成繞組絕緣貫穿性擊穿；變壓器尾端繞組承受的電壓幅值雖然較首端繞組低，但其波頭較平緩可造成更大面積的絕緣損壞。

3)變壓器繞組實際擊穿情況為首端完好、尾端損壞嚴(yán)重，可知變壓器繞組絕緣材料具備耐受高幅值陡波沖擊的能力，但已無法承受波頭平緩的低幅值過電壓，繞組材料存在絕緣缺陷。

4)電力設(shè)備在運行狀態(tài)改變時不可避免地存在電壓波動，電壓波動會造成電壓升高，但是任何一次設(shè)備均有承受一定幅值過電壓的能力，不應(yīng)將設(shè)備在運行狀態(tài)改變時發(fā)生的故障簡單歸因于過電壓。