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        發(fā)電廠500 kV GIS升壓站主變壓器合閘過電壓分析

        2020-03-31 00:58:36
        四川電力技術(shù) 2020年1期
        關(guān)鍵詞:測試點過電壓合閘

        (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(hù)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(jìn)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(jìn)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(hù)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(jìn)行設(shè)置。

        表1 次要電容值

        為了對變壓器內(nèi)部波過程進(jìn)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(jìn)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。

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