核電主變啟動試驗異常放電原因分析及處理

朱興文,衣蘭妹,原　玉

(華能山東石島灣核電有限公司,山東 榮成 264312)

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核電主變啟動試驗異常放電原因分析及處理

朱興文,衣蘭妹,原玉

(華能山東石島灣核電有限公司,山東 榮成 264312)

以某核電站在進行主變啟動試驗時發生高壓套管末屏異常放電現象為例,介紹了主變啟動試驗異常放電的發生過程,以及從快速暫態過電壓和變壓器高壓套管末屏結構角度,查找異常放電原因,評估了異常放電帶來的風險,并提出了相應的處理措施。

核電主變;啟動試驗;套管末屏;異常放電;暫態過電壓

主變壓器是核電廠最重要的設備之一,在核電站安全運行中發揮著不可或缺的作用。某單機容量百萬千瓦核電站3號主變為保定天威保變電氣股份有限公司生產的3臺單相變壓器,高壓側經GIC(氣體絕緣封閉式輸電管道)與500 kV開關站GIS(氣體絕緣封閉式組合開關)設備相連接,中性點采用直接接地方式。根據《GB 50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》規定要求,主變啟動試驗的主要內容是變壓器5次沖擊合閘試驗,以驗證變壓器的相關性能,并進行相關參數的測試。本文以該主變啟動試驗為例,分析了高壓套管末屏放電現象產生的原因及帶來的風險,并提出了相應的處理措施。

1　試驗過程

2014年8月24日19時,按照試驗程序進行3號主變啟動試驗。為收集相關信息,在主變沖擊合閘試驗的同時,測量A、B、C三相的操作過電壓和激磁電流,測量方式是從主變A、B、C三相高壓套管末屏抽取電壓、電流信號。主變充電一次簡圖如圖1所示。

圖1　3號主變充電一次簡圖

當程序執行到合GEW441JS隔離開關時(GEW420JA斷路器處于斷位,見圖1),3號主變C相高壓套管根部(法蘭處)發生異常放電聲響,遂懷疑高壓套管末屏處發生異常放電,于是停止下一步合GEW420JA斷路器操作,并啟動程序往回退,拉開GEW441JS隔離開關,并觀察套管末屏狀態。

當拉開GEW441JS隔離開關時,調試人員聽到主變A、B、C三相高壓套管發出放電聲響,其中C相高壓套管末屏處可看到有清晰的藍色放電火花,同時接在高壓套管末屏的現場試驗儀器測到的一次過電壓最高峰值為1069 kV。

2　異常放電原因分析

由試驗過程可知,當試驗執行到合GEW441JS隔離開關時,A、B、C三相高壓套管末屏處產生異常放電,而此時GEW420JA斷路器并未合閘,主變并未真正充電,與此同時連接在高壓套管末屏處的試驗儀器檢測到有過電壓產生。因此,分析其原因應從過電壓產生機制和高壓套管末屏結構兩個方面著手。

2.1過電壓產生原因分析

主變高壓側連接GIC與500 kV開關站GIS設備,各帶電體對外殼的分布電容無所不在,開關斷口間也有電容耦合,GIS斷路器分布電容如圖2所示。

圖2　GEW420JA分布電容示意圖

GEW420JA斷路器雖然未合閘,但電壓已通過分布電容進行了分配,也就是常說的感應電壓。由于GIC和GIS的結構緊湊,且GEW441JS隔離開關到主變高壓套管出口距離較長(約500 m),因此這一感應電壓的強度要遠高于AIS(空氣絕緣的敞開式開關設備)。在穩態時,不會產生過電壓,但當帶電側隔離開關切合其與斷路器之間的GIS短管道時,會形成ns級的電壓突升或跌落,并在GIS管線中產生行波,導致高頻振蕩的特快速瞬態過電壓(VFTO)[1]。

暫態過電壓產生的主要原因:一是GIS管道的泄露電阻幾乎無窮大,殘余電壓較高,而隔離開關操作速度較慢(約7～10個周波)[2],在GIS斷路器處于開斷狀態下,當隔離開關合、切很小的容性電流時,隨著隔離開關動、靜觸頭間隙距離逐漸縮短,當觸頭間電壓差值超過隔離開關斷口間耐受電壓時,隔離開關就會發生間隙擊穿并形成電弧,因隔離開關的分合速度太慢,所以導致電弧重燃和熄滅在隔離開關的每一次操作過程中將發生數百次之多;二是被開斷和合閘的GIS管道很短,行波折、反射進程很快,過電壓的頻率極高,波頭很陡,范圍在3～100 ns。

隔離開關的合、分閘都會產生快速瞬態過電壓,由于SF6絕緣的極性效應,隔離開關分閘操作的VFTO幅值一般要大于其合閘操作產生的VFTO[3]。多數情況下,最高過電壓峰值在1.5～2.5 p.u,極少可能超過3.0 p.u。

開、合GEW441JS隔離開關產生的快速暫態過電壓波形圖如圖3、圖4所示。

圖3　隔離開關GEW441JS分閘VFTO波形圖

圖4　隔離開關GEW441JS合閘VFTO波形圖

在開、合GEW442JS隔離開關時,都有暫態過電壓產生,且該電壓都會施加到主變高壓套管和繞組上。VFTO過電壓以行波的形式在GIS中傳播,因高頻電流的集膚效應使VFTO電磁波起初被限制在內部導體的外表面和GIS外殼的內表面傳播。當傳播到終端套管等外殼斷連處時,由于波的耦合、折反射、諧振等作用,因此在GIS外殼上引起暫態的電位升高[4]。

2.2套管末屏處異常放電分析

通過前面的分析可知:開、合441JS相當于給連接到主變高壓套管的這段GIS的分布電容充、放電,從而產生快速暫態過電壓(VFTO),這一電壓會施加到主變高壓套管和高壓繞組上。盡管GIS外殼已接地,但其暫態過程頻率很高,接地引下線和地網呈現出高阻抗特性,故不能有效地保持外殼的零電位,而會呈現一個相當可觀數值的外殼電位。GIS內部暫態在GIS筒體間斷處可反映到筒體外殼,若外殼通過引下線接地,則暫態波將在接地處進行折反射;另一方面進入地線的暫態波到達參考零點產生負反射,返回到外殼接地點亦將使波幅上升,因此在GIS 外殼上瞬間也會快速產生暫態過電壓(VFTO)。下面結合主變套管末屏結構特點對異常放電發生在套管末屏處的原因逐一進行解析。

主變高壓套管結構如圖5所示。圍繞套管芯柱(導體)包著一層層電容屏(鋁箔),每兩層電容屏之間是浸膠絕緣紙,因而稱為膠紙電容型套管。靠近外殼的最后一層電容屏稱之為末屏[5]。末屏上有一導線,通過末屏小套管引出。正常運行時,末屏通過專用的末屏金屬帽與套管法蘭相連接地,末屏電位與法蘭電位一致稱為地電位,如圖6所示。

圖5　主變高壓套管結構示意圖

圖6　高壓套管末屏結構

2.2.1末屏測量回路連接接觸不良

由于要測量操作過電壓和激磁電流,因此沖擊試驗前把A、B、C三相的高壓套管末屏打開,接入了一個測量阻抗,以便抽取電壓、電流信號。末屏接入電壓電流信號抽取裝置,相當于末屏與地之間串入一個外加的阻抗,而且信號抽取裝置內部的連接虛實和外部連線的接觸不良,都將導致末屏開路或不穩定開路,以及末屏電位懸浮。在開、合GEW441JS時,產生的暫態過電壓可使末屏產生過高的電位,造成末屏對地(末屏護套)放電,或引起測量阻抗接觸不良點發生懸浮電位放電。但從圖6所示的末屏芯線連接方式可見,末屏測量回路接觸不良或斷開的概率很小,且在發生異常放電時,試驗儀器完整地錄下了開、合GEW441JS隔離開關時產生的暫態過電壓波形和幅值(見圖3、圖4),這在一定程度上反證了末屏測量回路連接良好,所以基本排除末屏測量回路連接接觸不良的原因。

2.2.2避雷器放電

主變出口連接GIS系統,高壓套管上半部封閉在GIS氣室中,外殼接地點在GEW(主開關站系統),高壓套管下半部浸在主變絕緣油中,主變外殼接地點在GEV(輸變電系統)。因此,高壓套管外部法蘭上半節和下半節的接地點不同,上、下法蘭間有一層絕緣墊,并接有保護避雷器,如圖7所示。

圖7　高壓套管外部法蘭結構

當GEW441JS隔離開關開、合時,產生前沿很陡的暫態電壓波,GIS采用同軸圓筒式結構,具有良好高頻傳輸特性,當母線上流過前沿很陡的暫態電流時,則會以波的形式傳播。暫態電流的等值頻率很高,強烈的集膚效應使電流波僅沿母線的外表層以及外殼的內表層傳輸,并不反映到筒體外壁,只在GIS筒體發生間斷處才可通過折射反映到筒體外壁,從而引起暫態地電位升高。由于上、下法蘭暫態過電壓都能感應出較高電壓,以及高壓套管外部法蘭上半節和下半節的接地點不同,因此造成了上、下法蘭的地電位升高值不同,從而產生電位差,以致造成上、下法蘭間的保護避雷器放電。所以說避雷器放電是末屏處“異常放電”的原因之一。

不過從圖7可清楚的看到,避雷器的放電閥片密封在外殼中,即使放電也不會有閃光和發出聲響,因此避雷器放電這個因素可以排除。

2.2.3末屏外護套對芯線放電

當開、合GEW441JS隔離開關時,下法蘭因暫態過電壓將感應出較高電壓,套管外殼地電位升高,瞬時可達幾萬至十幾萬伏。末屏因為要進行過電壓測量而打開,末屏芯線電位被測量阻抗限定,只有幾十伏,基本上可認為是零電位。而末屏護套與下法蘭是一體的,所以末屏護套電位與下法蘭一致,高達幾萬伏,因而造成末屏外護套對芯線放電,這種現象稱之為“反擊”[6]。

測量裝置的連接方式雖然保證了連接的可靠性,但也使原本不大的空氣間隙變小了,芯線連接的固定螺絲最近處離末屏護套只有幾毫米,極易被較高電壓擊穿。因此,高壓套管末屏處可見放電閃光的異常放電的原因應是套管法蘭地電位升高對末屏芯線的“反擊”而造成。

3　異常放電風險評估及處理

3.1異常放電風險評估

合GEW441JS隔離開關時,發現異常放電,但感應電壓能量有限,因此瞬時放電可將其能量釋放。若合GEW420JA斷路器時出現過電壓,且系統的電流較大,則會出現連續不斷的放電。瞬時一次低能量的放電也許不足以打壞末屏,但多次高能量放電將會大大增加末屏絕緣被擊穿的概率,測量裝置本身的放電二極管保護也會被輕易擊穿,從而損壞測量裝置。

通過以上分析,可得出末屏異常放電的主要風險有:

1) 能造成末屏擊穿,導致高壓套管報廢。

2) 放電二極管保護被擊穿,測量儀器損壞。

3.2異常放電處理措施

通過以上風險分析可知:風險的產生是由于末屏打開帶來的,即不管末屏測量回路連接是否可靠,由于“反擊”的存在,在沖擊合閘時,末屏放電和被擊穿的風險總是存在。因此,GIS出口的主變在全電壓合閘的情況下,打開末屏進行任何測量都是不可取的。當然,在常規試驗時,電壓從零升起的情況下(如局放測量),從末屏取信號是可行的,因為沒有暫態過程。

為避免異常放電風險,在重新進行主變啟動試驗前,應采取以下措施:

1) 取消從末屏取信號的操作過電壓測量,并把高壓套管末屏按安裝規范接地。

2) 進行A、B、C三相高壓套管末屏介損和絕緣電阻測量,確認末屏無損傷。

4　結　語

對于核電站安裝的帶有GIS出口的變壓器,不允許在全電壓合閘的工況下打開高壓套管末屏進行任何參數測量。如電網要求主變送電時必須進行相關測量,為避免變壓器高壓套管末屏放電,可采取以下方式:

1) 通過電容式電壓互感器(如有安裝的話)或另接專用的電容分壓器。

2) 在末屏處裝配合適、可靠的放電保護間隙。

3) 在接線時用絕緣材料包裹套管末屏。

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(責任編輯郭金光)

Analysis and solution of abnormal discharge in energizing test for main transformer in nuclear power station

ZHU Xingwen, YI Lanmei, YUAN Yu

(Huaneng Shandong ShidaoBay Nuclear Power Company,Rongcheng 264312,China)

Taking the example of abnormal discharge of high voltage bushing end screen in energizing test for main transformer in nuclear substation, this paper introduced the process of abnormal discharge occurring during the energizing test for main transformer, analyzed the reason for abnormal discharge from the angle of the very fast transient over-voltage (VFTO) and the structure of high voltage bushing end screen of main transformer, evaluated the risk of abnormal discharge, and proposed the treatment strategy.

main transformer; energizing test; bushing end screen; abnormal discharge; VFTO

2016-08-09;

2015-10-19。

朱興文(1986—),男,助理工程師,目前從事核電廠電氣調試工作。

TM406

A

2095-6843(2016)04-0339-04