抽水蓄能電站空載變壓器分閘過電壓的現場實測與仿真研究

夏斌強，施經緯

（國網新源集團有限公司，北京市 100052）

0 引言

抽水蓄能電站主要承擔電力系統的調峰、調頻、事故備用及黑啟動等，可以改善和平衡電力系統負荷，提高電力系統的供電質量和經濟效益，是確保電網安全、經濟、穩定運行的支柱。作為抽水蓄能主設備之一的主變壓器，其安全可靠運行對抽水蓄能電站充分發揮在新型電力系統中的“穩定器”“調節器”“平衡器”功能起到關鍵作用[1，2]。

與常規熱電廠或者變電站相比，抽水蓄能電站接線方式和設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站，一般通過1km左右的電纜直接相連。當地上開關站開斷連接著電纜的空載主變壓器時，可能會產生分閘過電壓現象[6-8]，其幅值或波形特征是否會對設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部的過電壓傳感器，在電站調試期間開展現場實測，獲得了斷路器開斷空載變壓器的過電壓水平和波形特征。進一步，通過在ATPEMTP中建模，對此過電壓波形進行了仿真計算，對波形特征進行了復現和敏感性分析。考慮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場實測

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號主變壓器的分閘，操作前Ⅰ段母線和Ⅱ段母線都帶電，3號主變壓器處于空載狀態，4號主變壓器上方的5004-6隔離開關、斷路器5021、隔離開關50212和50211都處于分閘狀態，其余隔離開關和斷路器都處于合閘位置。通過5023從合閘轉分閘時，由系統運行狀態的轉換，其過渡過程就是產生過電壓的過程。

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量系統及現場布置方案

1.2.1 過電壓測量系統

過電壓測量系統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、觸發系統等。內部測量系統包括過電壓傳感器、信號采集設備、供電模塊與屏蔽系統，系統示意圖如圖2所示。

圖2 過電壓測量系統示意圖Figure 2 Schematic diagram of overvoltage measurement system

同時，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深度。本文選擇使用示波器作為信號采集設備，完成對VFTO信號的采集記錄存儲。具體的備選型號有橫河公司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，它們都具有測量頻寬高、最大采樣率大、最大存儲深度大的特點，并且其測量帶寬、采樣率、存儲時間均可調。在測量VFTO波形時，可以選取適當的條件采樣率和存儲時間。兩種示波器的具體參數見表1。

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

圖3 試驗用示波器Figure 3 Oscilloscope for testing

由于現場操作時，傳導電磁干擾和空間輻射電磁干擾都比較嚴重，為了消除傳導和空間電磁干擾對測量系統的影響，確保準確地測量擊穿波形，需將測量系統放置于屏蔽箱內。試驗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換裝置，下層放置電池、逆變器及濾波器，屏蔽箱內部裝置和外部無電氣連接。屏蔽箱和測量系統隨GIS測點處的外殼電位浮動，因此消除了電位差對系統的影響。屏蔽箱試驗安裝圖如圖4所示。

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

1.2.2 過電壓測點的布置

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

圖5 抽水蓄能電站測點布置及測量示意圖Figure 5 Schematic diagram of measuring point layout and measurement of pumped storage power station

1.3 過電壓實測結果

斷路器5023分閘時，在測點3測量的波形如圖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，接近隔離開關分閘時重燃而產生的多次擊穿現象。對于斷路器來說，發生多次擊穿的過程是不可接受的，為此，尚需進一步對該現象進行仿真研究。

圖6 抽水蓄能電站實測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抽水蓄能電站的主變壓器進行了仿真，混合式變壓器模型參數如表2所示。

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

高壓電纜的結構分為單芯和三芯，大多數抽水蓄能電站采用單芯，這是因為電站裝機容量大，發電功率大，導致高壓電纜電流大。而單芯電纜三相分離，這種結構更有利于散熱，因此采用單芯電纜用于高壓電纜，其電壓等級為500kV，絕緣材料為交聯聚乙烯（XLPE），截面積為800mm2。電纜主要由導體線芯、導體屏蔽層、交聯聚乙烯主絕緣、絕緣屏蔽層、緩沖層、金屬鋁護套、外護套組成，不同部位的相對介電常數和滲透率不同，因此仿真模型應根據不同的材料性質進行建模。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模板模型參數如表3所示。

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

2.2 仿真計算結果與討論

根據上述分析，建立抽水蓄能電站主要設備的ATPEMTP仿真模型，ATP-EMTP軟件下的整個仿真模型如圖8所示。斷路器用于模擬開關的操作，此時斷路器開啟操作是在模擬開始后31ms，斷路器開斷時間為40ms，仿真計算的步長ΔT為1.0μs，計算時長Tmax為0.5s。

圖8 整個仿真模型在ATP-EMTP軟件中實現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去激勵的影響，計算結果如圖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

計算結果表明，斷路器開斷后，高壓電纜長度的增加引起了去激勵過程中的振蕩。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，振蕩次數增加到15次以上。振蕩可能因絕緣的累積效應導致變壓器和電纜故障。

3 結論

（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，其主變壓器側過電壓幅值為1.2倍額定電壓，一般不會對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擊穿或鐵磁諧振，而是電力變壓器的退磁現象。

（3）隨著高壓電纜長度的增加，振蕩次數也顯著增加。例如，使用2000m的高壓電纜，振蕩次數增加到15次以上，可能會對電纜、主變壓器絕緣因累計效應而產生影響。