500kV GIS隔離開關操作產生 VFTO的研究

金華峰

(1.重慶大唐國際彭水水電開發有限公司,重慶彭水 409600;2.重慶大學,重慶 400044)

GIS以其占地面積小,運行穩定和維護方便等優點,被廣泛應用于電力系統中。但在斷路器合閘前,帶電側隔離開關切合 GIS短管用時由于隔離開關運動速度太慢、隔離開關斷口間電弧不斷重燃和熄滅,可重復幾百次以上;另外被開斷和合閘的GIS管道很短,行波的折反射很快,過電壓的頻率極高、波頭很陡,會形成納秒級 (3～100 ns)的電壓突升或跌落,并在 GIS管線中產生行波,導致高頻振蕩的 VFTO產生。大多數情況下最高過電壓峰值在 1.5～2.5 p.u。

對于頻率很高的 VFTO,當經變壓器或線路供電的電源側管母線不長,隔離開關投切過程中電弧重燃時,產生的過電壓振蕩頻率在幾兆赫茲左右;電弧熄滅時,振蕩頻率達幾十兆赫茲。由于過電壓的頻率高,陡度大,對與 GIS直接連接的變壓器繞組絕緣具有威脅,會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電壓,避雷器保護范圍小,限壓作用較差。VFTO的波形中含有多個振蕩頻率,若 VFTO含有的振蕩頻率位于變壓器的某些頻率的諧振點,還可能產生諧振過電壓。

文中通過建立 GIS系統仿真模型,利用電磁暫態仿真軟件 ATP-EMTP,研究計算隔離開關在 3種不同操作方式時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運行可靠性。

1 仿真計算模型和基本數據

水電站 500 kV升壓站接線方案見圖 1。升壓站采用 GIS接線,接線方式為雙母線接線。工程建設 2條出線:水張一線和水張二線,設有 5臺變壓器:即 1～5號主變。2條 GIS母線采用母聯斷路器相連。

圖 1 水電站 500 kV升壓站主接線圖

文中基于電磁暫態仿真軟件 ATP-EMTP,系統分析建立 500k V升壓站 VFTO計算模型。計算中根據具體的操作方式,將升壓站內部的變壓器、線路、母線、連接線和電氣設備作為一個網絡整體來考慮,這樣更加符合現場的實際情況。

1.1 計算模型

(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圖 2,參數如下:變壓器繞組與變壓器外殼之間:高壓對油箱 610 pF,低壓對鐵芯 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個線餅考慮。

(2)母線

采用無損耗分布參數輸電線路,從實際的尺寸來計算波阻抗,波阻抗 Z為

式中 b為母線筒內徑;a為母線導電桿外徑。

(3)斷路器

把斷路器分成許多段,因其開斷,用分級電容來連接它們。也可用一個等效于全體分級電容串聯組合的電容器去連接母線,從斷路器的實際尺寸來計算各段的參數。

GIS管線段采用單相分布參數模型。斷路器為分級電容模型。考慮了 GIS避雷器在高頻下的電容,以符合避雷器的陡波特性。

(4)隔離開關

合閘狀態采用等長母線的分布參數模擬,分閘狀態用斷口表示。對于操作中的隔離開關,通常用下式表示動態的弧道電阻:

式中 Rs=0.5Ω,R0=1 012Ω,T=1 ns。

由式 (2)可知,在 25ns的時間內,弧道電阻已由百萬歐姆級下降到 10Ω。

(5)架空線

采用分布參數模型,依據架空線型號選取波阻抗值,計算 VFTO時認為架空線無限長,因此架空線終端用一個阻值等于線路波阻抗的電阻模擬,此時架空線的終端將不存在行波的折反射。

(6)套管、接地開關、柱式絕緣子、電容式電壓互感器均簡化為集中參數的等值對地電容。

計算中所采用的 MOA參數見表 1。母線、線路和變壓器側的 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的計算

GIS的隔離開關有以下 3種操作方式會在變壓器的線圈餅間產生 VFTO,威脅變壓器的絕緣。

(1)母線側隔離開關操作 (方式 1)

方式 1的隔離開關操作電氣接線示意圖見圖3。母線經線路帶電,變壓器側隔離開關 DS83已合上,斷路器 CB81處于斷開位置,GIS斷路器至母線隔離開關之間的管道有 1.0p.u的殘余電荷;避雷器按方式 2布置。

圖 3 方式 1隔離開關操作電氣接線示意圖

方式 1下母線隔離開關 DS81閉合操作中多次重燃產生的 VFTO通過斷路器均壓電容傳遞到變壓器上。變壓器管線支路的 VFTO過電壓見表 2。計算出的變壓器繞組端部對地和匝間 VFTO分別見表3和表 4。變壓器繞組端部對地和繞組餅間的VFTO電壓波形分別見圖 4和圖 5。

(2)母線帶電,變壓器側的隔離開關操作(方式 2)

圖 4 方式 1隔離開關閉合操作,變壓器繞組端部對地 VFTO電壓波形

方式 2的隔離開關操作電氣接線示意圖見圖6。母線Ⅰ經線路帶電,母線Ⅰ側隔離開關 DS81已合上,斷路器 CB81處于斷開位置,通過斷路器CB81斷口均壓電容供電,變壓器側的隔離開關DS83閉合操作中多次重燃產生的 VFTO傳遞到變壓器上。計算時考慮 GIS斷路器至 DS83隔離開關之間的管道有 1.0p.u的殘余電荷;避雷器按方式2布置。

隔離開關 DS83閉合操作中多次重燃產生的VFTO直接傳遞到變壓器上。變壓器管線支路的VFTO過電壓參見表 2。計算出的變壓器繞組端部對地和匝間 VFTO分別參見表 3和表 4。變壓器繞組端部對地和繞組餅間的 VFTO電壓波形分別見圖7和圖 8。

(3)變壓器帶電,變壓器側的隔離開關操作(方式 3)

方式 3的隔離開關操作電氣接線示意圖見圖9。發電機對變壓器單元充電,母線Ⅰ側隔離開關DS81和斷路器 CB81處于斷開位置,變壓器側的隔離開關 DS83閉合操作中多次重燃產生的 VFTO傳遞到變壓器上。計算時考慮 GIS斷路器 CB81至DS83隔離開關之間的管道有 1.0 p.u的殘余電荷;避雷器按方式 2布置。

隔離開關 DS83閉合操作中多次重燃產生的VFTO直接傳遞到變壓器上。變壓器管線支路的VFTO過電壓見表 2。計算出的變壓器繞組端部對地和匝間 VFTO分別見表 3和表 4。變壓器繞組端部對地和繞組餅間的 VFTO電壓波形分別見圖 10和圖 11。

表 2 變壓器支路切合短管線過電壓 kV

2 VFTO計算結果的分析

隔離開關閉合產生的納秒級的 VFTO,進入變壓器作用在繞組上時,計算出 3種方式下的振蕩頻率為 2.8 MHz。

3種運行方式下計算出的變壓器繞組各餅對地過電壓和縱向 VFTO電壓,VFTO比較見圖 12和13。繞組最大對地過電壓為 2.56p.u,即 1 150 kV峰值;繞組的第一餅的 VFTO過電壓為 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下隔離開關 DS83閉合操作產生。方式2高于方式 1。方式 2的繞組最大對地過電壓為1.39 p.u,即 625 kV峰值;繞組的第一餅的 VFTO過電壓為 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下避雷器均未動作,避雷器的布置對 VFTO的大小無影響;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式繞組結構,在 1 550 kV全波沖擊電壓作用下,高壓端 1～3個線餅的最大梯度電壓大約為 7%～9%左右,以 9%計為 139 kV,則 VFTO允許值為 417 kV。方式 1和2的 1～3個線餅的最大梯度電壓在允許范圍內,方式 3超過允許值,要避免方式 3的操作。

3 結 論

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

(2)我國許多直接連接 GIS的變壓器運行規程都明確規定禁止帶電投切隔離開關。由于變壓器設備的重要性,水電站要盡量避免帶電投切變壓器支路的隔離開關。確實無法避免的,可采取帶接入電阻的隔離開關,并經實測后方可開展。