夏斌強(qiáng)，施經(jīng)緯

（國網(wǎng)新源集團(tuán)有限公司，北京市 100052）

0 引言

抽水蓄能電站主要承擔(dān)電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用及黑啟動(dòng)等，可以改善和平衡電力系統(tǒng)負(fù)荷，提高電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，是確保電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行的支柱。作為抽水蓄能主設(shè)備之一的主變壓器，其安全可靠運(yùn)行對(duì)抽水蓄能電站充分發(fā)揮在新型電力系統(tǒng)中的“穩(wěn)定器”“調(diào)節(jié)器”“平衡器”功能起到關(guān)鍵作用[1，2]。

與常規(guī)熱電廠或者變電站相比，抽水蓄能電站接線方式和設(shè)備存在一定的特殊性[3-5]。抽水蓄能電站的主變壓器與地上開關(guān)站，一般通過1km左右的電纜直接相連。當(dāng)?shù)厣祥_關(guān)站開斷連接著電纜的空載主變壓器時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生分閘過電壓現(xiàn)象[6-8]，其幅值或波形特征是否會(huì)對(duì)設(shè)備絕緣帶來危害存在一定爭議[9-11]。

本文通過安裝于抽水蓄能電站內(nèi)部的過電壓傳感器，在電站調(diào)試期間開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，獲得了斷路器開斷空載變壓器的過電壓水平和波形特征。進(jìn)一步，通過在ATPEMTP中建模，對(duì)此過電壓波形進(jìn)行了仿真計(jì)算，對(duì)波形特征進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)和敏感性分析?？紤]到抽水蓄能電站空載變壓器分閘過電壓幅值較低，一般不需要對(duì)其采取避雷器等限制措施。

1 抽水蓄能電站空載變壓器分閘過電壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

1.1 抽水蓄能電站主接線及操作方式

圖1所示為本文研究的抽水蓄能電站主接線圖，從圖中可以看出，該電站采用3/2接線方式。本次操作主要涉及3號(hào)主變壓器的分閘，操作前Ⅰ段母線和Ⅱ段母線都帶電，3號(hào)主變壓器處于空載狀態(tài)，4號(hào)主變壓器上方的5004-6隔離開關(guān)、斷路器5021、隔離開關(guān)50212和50211都處于分閘狀態(tài)，其余隔離開關(guān)和斷路器都處于合閘位置。通過5023從合閘轉(zhuǎn)分閘時(shí)，由系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，其過渡過程就是產(chǎn)生過電壓的過程。

圖1 某抽水蓄能電站主接線圖（部分）Figure 1 Main Connection of the pumped storage power plant （part）

1.2 抽水蓄能電站過電壓測(cè)量系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)布置方案

1.2.1 過電壓測(cè)量系統(tǒng)

過電壓測(cè)量系統(tǒng)是由眾多功能單元組成的整體，除手孔式傳感器外，還包括示波器、屏蔽箱、觸發(fā)系統(tǒng)等。內(nèi)部測(cè)量系統(tǒng)包括過電壓傳感器、信號(hào)采集設(shè)備、供電模塊與屏蔽系統(tǒng)，系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 過電壓測(cè)量系統(tǒng)示意圖Figure 2 Schematic diagram of overvoltage measurement system

同時(shí)，為了記錄完整的放電過電壓波形，要求示波器有較大的存儲(chǔ)深度。本文選擇使用示波器作為信號(hào)采集設(shè)備，完成對(duì)VFTO信號(hào)的采集記錄存儲(chǔ)。具體的備選型號(hào)有橫河公司Yokogawa-DLM2054示波器［見圖3（a）］和泰克公司Tektronix-DPO7254示波器［見圖3（b）］兩種，它們都具有測(cè)量頻寬高、最大采樣率大、最大存儲(chǔ)深度大的特點(diǎn)，并且其測(cè)量帶寬、采樣率、存儲(chǔ)時(shí)間均可調(diào)。在測(cè)量VFTO波形時(shí)，可以選取適當(dāng)?shù)臈l件采樣率和存儲(chǔ)時(shí)間。兩種示波器的具體參數(shù)見表1。

表1 適合測(cè)量使用的示波器的參數(shù)Table 1 Suitable for measuring the parameters of the oscilloscope

圖3 試驗(yàn)用示波器Figure 3 Oscilloscope for testing

由于現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，傳導(dǎo)電磁干擾和空間輻射電磁干擾都比較嚴(yán)重，為了消除傳導(dǎo)和空間電磁干擾對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響，確保準(zhǔn)確地測(cè)量擊穿波形，需將測(cè)量系統(tǒng)放置于屏蔽箱內(nèi)。試驗(yàn)中將屏蔽箱固定在蓋板上，和蓋板可靠電氣連接。屏蔽箱分為上、下兩層，上層放置示波器以及光電轉(zhuǎn)換裝置，下層放置電池、逆變器及濾波器，屏蔽箱內(nèi)部裝置和外部無電氣連接。屏蔽箱和測(cè)量系統(tǒng)隨GIS測(cè)點(diǎn)處的外殼電位浮動(dòng)，因此消除了電位差對(duì)系統(tǒng)的影響。屏蔽箱試驗(yàn)安裝圖如圖4所示。

圖4 屏蔽箱試驗(yàn)安裝示意圖Figure 4 Schematic diagram of shielding box test installation

1.2.2 過電壓測(cè)點(diǎn)的布置

為了測(cè)量斷路器5023分閘波形，分別在隔離開關(guān)5021-2旁布置測(cè)點(diǎn)1、在隔離開關(guān)5101-6旁布置測(cè)點(diǎn)2、在隔離開關(guān)5003-6旁布置測(cè)點(diǎn)3。具體布置方案如圖5所示。

圖5 抽水蓄能電站測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)量示意圖Figure 5 Schematic diagram of measuring point layout and measurement of pumped storage power station

1.3 過電壓實(shí)測(cè)結(jié)果

斷路器5023分閘時(shí)，在測(cè)點(diǎn)3測(cè)量的波形如圖6所示，其最大幅值約為1.2倍額定電壓，幅值較低。但從波形特征來看，接近隔離開關(guān)分閘時(shí)重燃而產(chǎn)生的多次擊穿現(xiàn)象。對(duì)于斷路器來說，發(fā)生多次擊穿的過程是不可接受的，為此，尚需進(jìn)一步對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行仿真研究。

圖6 抽水蓄能電站實(shí)測(cè)分閘空載主變過電壓波形Figure6 Measured no-load overvoltage waveform of pumped-storage power station

2 空載變壓器分閘過電壓仿真研究

2.1 仿真模型建立

主變壓器參數(shù)為ssp -36000 /500、YNd11、550-2×2.5%/18kV。采用ATP-EMTP軟件中的混合變壓器模型對(duì)抽水蓄能電站的主變壓器進(jìn)行了仿真，混合式變壓器模型參數(shù)如表2所示。

表2 ATP-EMTP軟件混合變壓器模型參數(shù)Table 2 Model parameters of ATP-EMTP software hybrid transformer

高壓電纜的結(jié)構(gòu)分為單芯和三芯，大多數(shù)抽水蓄能電站采用單芯，這是因?yàn)殡娬狙b機(jī)容量大，發(fā)電功率大，導(dǎo)致高壓電纜電流大。而單芯電纜三相分離，這種結(jié)構(gòu)更有利于散熱，因此采用單芯電纜用于高壓電纜，其電壓等級(jí)為500kV，絕緣材料為交聯(lián)聚乙烯（XLPE），截面積為800mm2。電纜主要由導(dǎo)體線芯、導(dǎo)體屏蔽層、交聯(lián)聚乙烯主絕緣、絕緣屏蔽層、緩沖層、金屬鋁護(hù)套、外護(hù)套組成，不同部位的相對(duì)介電常數(shù)和滲透率不同，因此仿真模型應(yīng)根據(jù)不同的材料性質(zhì)進(jìn)行建模。三段垂直于地面布置和電纜通道，相鄰兩段間距為0.5m。高壓電纜圖布置如圖7所示。

圖7 電纜通道內(nèi)高壓電纜布置圖Figure 7 High voltage cable layout in cable trough

采用ATP-EMTP軟件中的Line/Cable-LCC模板模型模擬單芯高壓電纜，Line/Cable-LCC模板模型參數(shù)如表3所示。

表3 ATP-EMTP軟件電纜模型參數(shù)Table 3 ATP-EMTP software cable model parameters

2.2 仿真計(jì)算結(jié)果與討論

根據(jù)上述分析，建立抽水蓄能電站主要設(shè)備的ATPEMTP仿真模型，ATP-EMTP軟件下的整個(gè)仿真模型如圖8所示。斷路器用于模擬開關(guān)的操作，此時(shí)斷路器開啟操作是在模擬開始后31ms，斷路器開斷時(shí)間為40ms，仿真計(jì)算的步長ΔT為1.0μs，計(jì)算時(shí)長Tmax為0.5s。

圖8 整個(gè)仿真模型在ATP-EMTP軟件中實(shí)現(xiàn)Figure 8 The whole simulation model is implemented in ATP-EMTP software

利用ATP-EMTP軟件研究了高壓電纜長度對(duì)去激勵(lì)的影響，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同長度電纜的空載主變分閘過電壓波形Figure 9 Overvoltage waveform of no-load main variator for cables of different lengths

計(jì)算結(jié)果表明，斷路器開斷后，高壓電纜長度的增加引起了去激勵(lì)過程中的振蕩。沒有長高壓電纜，波形的振幅迅速衰減為零。衰減時(shí)間小于10ms（功率周期的一半）。然而，使用2000m的高壓電纜，振蕩次數(shù)增加到15次以上。振蕩可能因絕緣的累積效應(yīng)導(dǎo)致變壓器和電纜故障。

3 結(jié)論

（1）抽水蓄能電站中，斷路器開斷與長電纜相連的空載變壓器時(shí)，其主變壓器側(cè)過電壓幅值為1.2倍額定電壓，一般不會(huì)對(duì)變壓器絕緣造成影響。

（2）斷路器分閘空載主變壓器波形中的振蕩不是斷路器的多次重?fù)舸┗蜩F磁諧振，而是電力變壓器的退磁現(xiàn)象。

（3）隨著高壓電纜長度的增加，振蕩次數(shù)也顯著增加。例如，使用2000m的高壓電纜，振蕩次數(shù)增加到15次以上，可能會(huì)對(duì)電纜、主變壓器絕緣因累計(jì)效應(yīng)而產(chǎn)生影響。