深溪溝水電站GIS電磁式VT鐵磁諧振處理對策

周 勇

(國電大渡河深溪溝水電有限公司，四川漢源 625304)

1 工程概述

大渡河深溪溝水電站位于四川省漢源縣和甘洛縣交界處，為大渡河干流規(guī)劃的第十八級電站，其上一梯級為已投運(yùn)的大渡河干流中游控制型水庫——瀑布溝水電站，下一級為正在建設(shè)中的枕頭壩水電站。壩址以上流域面積72 900 km2，多年平均流量1 350 m3/s，水庫正常蓄水位高程660 m，電站利用最大落差40 m，安裝4臺軸流轉(zhuǎn)槳式發(fā)電機(jī)，總?cè)萘繛?60 MW。與瀑布溝等電站聯(lián)合運(yùn)行時，多年平均年發(fā)電量32.35億kW·h，枯水期平均出力253 MW。電站樞紐建筑物主要由河床式發(fā)電廠房、左岸泄洪閘及右岸山體兩條泄洪沖沙洞等組成。

深溪溝水電站發(fā)電機(jī)與主變壓器組成兩組擴(kuò)大單元接線，發(fā)電機(jī)額定電壓為15.75 kV，主變壓器為成套的550 kV、額定容量375 MVA、強(qiáng)迫油循環(huán)水冷組合式三相油浸式雙卷銅線圈電力變壓器。發(fā)電機(jī)通過離相封閉母線引出與主變壓器低壓側(cè)連接，主變壓器高壓側(cè)直接與SF6管道母線連接，向上接布置在第三層的550 kV GIS開關(guān)設(shè)備，再采用GIS短段母線引到樓頂出線場接戶外敞開式出線設(shè)備。主變壓器位于主廠房下游側(cè)的副廠房內(nèi)，離相封閉母線層、主變壓器層、SF6管道母線層、550 kV GIS開關(guān)設(shè)備層、戶外敞開式出線設(shè)備層采用逐層上升的布置方式。550 kV設(shè)備采用角型接線方式，設(shè)計(jì)兩條出線，一條出線與上游已投運(yùn)的瀑布溝水電站連接，一條出線作為備用線路與下游建設(shè)中的枕頭壩水電站連接。深溪溝水電站主接線圖見圖1。

2 事故經(jīng)過和分析處理過程

2.1 事故發(fā)生經(jīng)過

2011年1月5日11時，瀑布溝水電站500 kV布坡線受冰雪雨凍災(zāi)害影響，瀑布溝至眉山東坡500 kV 變電站的布坡 I、II、III、IV 四回線路相繼跳閘，瀑布溝、深溪溝電站送出線路全部中斷，兩站與電網(wǎng)解列，進(jìn)入孤網(wǎng)狀態(tài)，隨后機(jī)組相繼停機(jī)。為滿足廠用電、保證下游供水及泄洪需要，啟動了深溪溝水電站2#機(jī)組，形成外來110 kV變電站電源和2#機(jī)組自供發(fā)電相互備用的廠用電運(yùn)行方式。

圖1 主接線示意圖

1月6日，瀑布溝至眉山東坡500 kV變電站的布坡Ⅰ、Ⅱ搶修完送電后，隨即對布深線充電，深溪溝站內(nèi)主接線設(shè)備中相應(yīng)滿足環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的隔離刀閘合閘、接地刀閘分閘、4組斷路器分閘，設(shè)備處于熱備用狀態(tài)。19時07分，合5004斷路器進(jìn)行最后的環(huán)網(wǎng)操作時，斷路器瞬間跳閘并伴有弧光產(chǎn)生，故障錄波報(bào):2#主變A套保護(hù)裝置差動保護(hù)跳閘、2#主變B套保護(hù)裝置差動保護(hù)跳閘、DL5004跳閘;故障時故障錄波錄得電壓有效值:A相:(一次值 =301.926 kV;二次值 =54.896 V);B 相:(一次值 =327.976 kV;二次值 =59.632 V);C 相:(一次值 =89.719 kV;二次值 =16.313 V);N 相(一次值 =378.37 kV;二次值 =68.794 V);故障時電流有效值:A相:(一次值=0.011 kA;二次值=0.004 A);B 相:(一次值 =0.003 kA;二次值=0.001 A);C 相:(一次值 =11.37 kA;二次值 =3.786 A);N 相(一 次 值 =11.37 kA;二 次 值 =3.79 A);故障后一周波電壓有效值A(chǔ)相:(一次值 =302.689 kV;二次值 =55.034 V);B 相:(一次值 =324.3 kV;二次值 =58.964 V);C 相:(一次值 =0.924 kV;二次值 =0.168 V);N 相(一次值 =340.842 kV;二次值 =61.971 V);故障后一周波電流有效值:A相:(一次值=0.01 kA;二次值 =0.003 A);B 相:(一次值 =0.005 kA;二次值=0.002 A);C 相:(一次值 =11.644 kA;二次值=3.881 A);N相(一次值=11.659 kA;二次值=3.886 A)。故障發(fā)生后，現(xiàn)場檢查各氣室氣壓正常，設(shè)備外表面無弧光灼燒痕跡，避雷器無動作記錄，查看故障錄波記錄及現(xiàn)場情況，初步斷定C相5003斷路器－5004斷路器－50036隔離刀閘間某點(diǎn)發(fā)生接地?fù)舸┈F(xiàn)象。

2.2 事故發(fā)生后采取的措施及處理措施

根據(jù)上述判定，決定采用氣體分析儀對懷疑氣室做氣體成分分析，判斷可能發(fā)生接地?fù)舸┑臍馐?，縮小打開氣室檢查的范圍。在對C相型號為JDQX8－500ZHA1(M)的電壓互感器氣室檢查時，SOF2氣體值:110 ppm;H2S氣體值:110 ppm;CO氣體值:785.6 ppm。C相電壓互感器氣室氣體明顯帶臭雞蛋氣味，初步判定該氣室氣體分解物含量偏高，內(nèi)部存在低能量放電或大于600℃的過熱性故障而引起的固體絕緣材料受熱分解，根據(jù)對氣體成分進(jìn)行分析的結(jié)果，決定對C相電壓互感器進(jìn)行整體更換。C相電壓互感器更換安裝后，絕緣電阻、直流電阻和變比等各項(xiàng)試驗(yàn)均合格，2011年2月23日合閘送電，對更換設(shè)備進(jìn)行遞升加壓的方法，當(dāng)機(jī)組升壓至537 kV時，2B差動保護(hù)動作跳開5003DL。經(jīng)查看，故障錄波A相電壓互感器發(fā)生同C相電壓互感器相同的故障。通過試驗(yàn)，檢查出B相電壓互感器也發(fā)生相同的故障。上述情況發(fā)生后，遂決定對三相互感器均重新制作、更換，投運(yùn)后設(shè)備運(yùn)行正常。

2.3 C相電壓互感器解體檢查情況

深溪溝水電站型號為JDQX8－500ZHA1(M)的三相電壓互感器安裝方式為倒裝?，F(xiàn)場對C相電壓互感器進(jìn)行了二次引線檢查，完好、無短路燒灼痕跡(圖2，照片1)。拆下盆式絕緣子，吊離外罩，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電桿頭部已部分燒蝕，絕緣盆子上有許多燒焦的粉狀物，但未發(fā)現(xiàn)放電痕跡(圖3，照片2)。

檢查互感器內(nèi)部沒有松動位移，高壓電極(屏蔽罩)與絕緣盆子連接處由于大電流而嚴(yán)重?zé)?，高壓電極與兩側(cè)屏蔽板(接地)也沒有明顯的放電痕跡(圖4，照片3;圖5，照片4)。

圖2 照片1

圖3 照片2

圖4 照片3

撥開高壓繞組到凸出部位時發(fā)現(xiàn)該線圈沿垂直方向線圈中心線已經(jīng)裂開，深度約10 cm，寬度約3 cm，裂開處的漆包線漆膜因發(fā)熱完全燒毀，漆包線燒糊粘結(jié)(圖6，照片5)，絕緣筒高壓繞組末端N端引出線處嚴(yán)重?zé)龎模琋端引出線燒斷(圖7，照片6)。低壓繞組未發(fā)現(xiàn)問題，只是引出線部分被熏黑。

2.4 C相電壓互感器故障分析

圖5 照片4

圖6 照片5

圖7 照片6

由于電壓互感器高壓繞組嚴(yán)重?zé)龎模岚€的漆膜和層間絕緣所使用的帶膠聚酯簿膜被燒毀，其燒焦的黑色粉末掉落在倒裝電壓互感器的絕緣盆子上，沒有因放電而產(chǎn)生大量SF6氣體的衍生物白色粉末，故電壓互感器高壓繞組是由于過熱而使線圈內(nèi)的帶膠聚酯簿膜和漆包線的漆膜燒焦、發(fā)熱膨脹致使線圈從中間部位裂開。根據(jù)這一現(xiàn)象，判斷此次故障的原因是電磁式電壓互感器鐵磁諧振、產(chǎn)生大電流造成的。

由于冰雪雨凍災(zāi)害天氣的影響，造成線路發(fā)生故障，使線路參數(shù)發(fā)生了改變，設(shè)備在開、合閘時，GCB斷口間的并聯(lián)電容、GIS母線的對地電容以及VT的非線性電感的影響造成線路和互感器諧振并產(chǎn)生諧振過電壓，鐵心嚴(yán)重磁飽和，勵磁電流急劇增大，流過高壓繞組的電流也急劇增大，使高壓線圈內(nèi)部嚴(yán)重發(fā)熱，最終使線圈受熱膨脹崩裂，導(dǎo)致高壓繞組對地?fù)舸?月5日系統(tǒng)故障時，三相電壓互感器均發(fā)生過鐵磁諧振，互感器鐵心產(chǎn)生磁飽和，磁飽和導(dǎo)致線圈流過大電流，大電流在線圈內(nèi)部產(chǎn)生熱量積聚損壞了線圈絕緣。事故發(fā)生時，隨鐵磁諧振產(chǎn)生的過電流使C相電壓互感器內(nèi)部高溫過熱，SF6氣體受熱發(fā)生氣體分解，A、B兩相互感器也因鐵磁諧振受損、絕緣降低，卻因勵磁電流較小未造成如C相一樣的嚴(yán)重程度，故在做SF6氣體成份分析時A、B相沒有發(fā)現(xiàn)異常，但在C相更換正常后對GIS設(shè)備遞升加壓至額定電壓時仍因絕緣受損擊穿而對地放電。

3 鐵磁諧振產(chǎn)生的原因分析和對策

550 kV GIS設(shè)備在斷路器斷口間一般配置有改善斷口電壓分布特性的并聯(lián)電容器。由GCB斷口間的均壓并聯(lián)電容、GIS母線的對地電容以及VT的非線性電感所構(gòu)成的串聯(lián)LC回路在某種特定的場合，如母線停電操作GCB、電網(wǎng)瞬時接地、造成系統(tǒng)沖擊擾動時，可能使母線上配置的電磁式VT的鐵心飽和，致使一相或兩相對地電壓瞬間升高，使電壓互感器的電壓、電流幅值從正常工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移到諧振狀態(tài)，產(chǎn)生諧振過電壓。產(chǎn)生鐵磁諧振時過電壓的幅值主要取決于電壓互感器鐵心電感的飽和程度，但勵磁電流很大，達(dá)到正常電流的幾百甚至上千倍，時間過長會燒毀線圈。由于鐵磁諧振具有自保持的特點(diǎn)，在激發(fā)因素消失后，鐵磁諧振過電壓仍然可以繼續(xù)長期存在，因此，鐵磁諧振是造成GIS設(shè)備損壞的最大因素。

3.1 鐵磁諧振發(fā)生的原因

以變電站的單母線接線(圖8)為例，當(dāng)斷路器GCB2、3相繼分閘、GCB1最后分閘時，電磁式電壓互感器VT就可能會發(fā)生鐵磁諧振。

GCB1斷口配置有均壓并聯(lián)電容器，其二次等價回路見圖9。

圖8 單母線接線示意圖

圖9 鐵磁諧振等價回路示意圖

現(xiàn)象產(chǎn)生過程:

(1)GCB1斷開的瞬時，GIS母線對地電容C2上殘留的電荷對 L進(jìn)行放電。通常情況下 ，C2一般很小(數(shù)千pF)，因此，其放電電壓是一種低頻振蕩衰減波形。在R/L/C組成的串聯(lián)回路中，當(dāng)滿足一定參數(shù)條件，即 R2＜4L/C時，其放電電壓見圖10。

圖10 靜電容量的放電(振蕩形式)電壓曲線圖

C2上的放電電壓和放電電流:

(2)VT的勵磁特性曲線(圖11)中，其電感表現(xiàn)為非線性，L1、L2分別為鐵心非飽和狀態(tài)、飽和狀態(tài)時的線圈電感。勵磁曲線中飽和區(qū)域的L相對非飽和區(qū)域變化很大(一般 L1約為L2的幾百倍)。C2放電時，L上的電流變化趨勢見圖12。VT的工作循環(huán)為:O→A→B→A→O→C→D→C→O。

圖11 VT的勵磁特性示意圖

圖12 C2放電時L上的電流示意圖

(3)GCB斷開后，L上會承受由電源 E產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，數(shù)值為E·C1/(C1+C2)，其與(1)中的振蕩衰減波形將進(jìn)行疊加并補(bǔ)償衰減的振蕩電壓，若該感應(yīng)電壓足夠大且其相位在某一時刻恰與衰減的低頻電壓相位相近時，就有可能使低頻電壓的幅值升高且持續(xù)存在，即 VT發(fā)生了鐵磁諧振。此時諧振表現(xiàn)為分頻諧振，諧振頻率一般為1/3、1/5、1/7倍工頻(圖13)，過電壓倍數(shù)較低，一般不超過2.5倍相電壓。但諧振過電流很大，可達(dá)正常額定電流幾百倍甚至更高，這也是造成(照片5)電壓互感器一次線圈燒損崩裂的原因。

圖13 分頻諧振圖

3.2 鐵磁諧振產(chǎn)生時的防范對策

(1)VT二次側(cè)接入可飽和電抗器。

如圖9所示，結(jié)合C1、C2的數(shù)值，合理設(shè)計(jì)其內(nèi)部電阻。當(dāng)GCB斷開后，附加電阻在低頻電壓時先于VT之前飽和，附加電阻消耗低頻電壓的能量，從而抑制鐵磁共振的發(fā)生。經(jīng)咨詢GIS設(shè)備生產(chǎn)廠家，目前，實(shí)際應(yīng)用中因在GIS母線的對地電容計(jì)算上存在著較大的問題，該方法還沒有應(yīng)用在實(shí)踐上。

(2)通過操作開關(guān)消除諧振。

發(fā)生鐵磁諧振的工況是屬于特殊類型的運(yùn)行方式。諧振發(fā)生時，將 VT近側(cè)的 DS開關(guān)分閘，相當(dāng)于在等價回路中接入一個非常小的C'，即可消除諧振。在實(shí)際操作中，基本采用操作隔離刀閘的分合進(jìn)行滅磁，以達(dá)到消除鐵磁諧振的目的(圖14)。

圖14 消諧操作示意圖

4 結(jié)語

電力系統(tǒng)500 kV設(shè)備運(yùn)行操作改變運(yùn)行方式時，應(yīng)選擇好合理的運(yùn)行方式和操作方式，注意倒閘操作中的操作步驟，特別是投入空母線中的電磁式電壓互感器時，應(yīng)從操作程序上防止斷路器斷口均壓電容與母線電壓互感器發(fā)生串聯(lián)鐵磁諧振過電壓。運(yùn)行操作電壓互感器時，應(yīng)密切監(jiān)視電壓的幅值變化，當(dāng)有諧振過電壓產(chǎn)生時，及時的分合相鄰的隔離刀閘進(jìn)行消諧，防止諧振過電壓的發(fā)生，避免造成絕緣薄弱環(huán)節(jié)擊穿、避雷器爆炸和母線電壓互感器過流燒毀等嚴(yán)重設(shè)備損壞事故。