500kV智能變電站GIS快速暫態(tài)過電壓仿真計算分析

王蔚然

(哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱 150001)

智能變電站作為智能電網(wǎng)最核心的一環(huán),為智能電網(wǎng)提供標(biāo)準(zhǔn)的、可靠的節(jié)點(diǎn)(包括一次、二次和系統(tǒng))支撐,具有可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能[1]。

目前國內(nèi)已經(jīng)建設(shè)的智能變電站多采用 SF6氣體絕緣開關(guān)(GIS),連接在 SF6氣體絕緣開關(guān)的電力變壓器等輸變電設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)耐受快速暫態(tài)過電壓(VFTO)的能力已成為電力運(yùn)行部門和設(shè)備制造部門十分關(guān)注的問題[2-8]。以往對VFTO的研究主要集中在常規(guī)變電站的繞組型設(shè)備,高陡度的 VFTO能夠使繞組匝間絕緣承受嚴(yán)重的過電壓。而超高壓智能變電站 GIS中的隔離開關(guān)操作時,由于其動作速度較低,會產(chǎn)生幅值較高、陡度很大、頻率很高的VFTO,嚴(yán)重時可能造成 GIS設(shè)備的損壞[9]。本文以國家電網(wǎng)公司首座 500 kV試點(diǎn)智能變電站為例,應(yīng)用EMT P仿真軟件仿真計算不同操作方式下VFTO對 GIS設(shè)備的影響,為系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供理論依據(jù)并提出相應(yīng)的解決措施。

1 VFTO對GIS的影響分析

VFTO是指波前時間在3～100 ns范圍內(nèi)的瞬態(tài)過電壓。GB 311.1— 2012《絕緣配合 第一部分 定義、原則和規(guī)則》中稱之為陡波前過電壓。

VFTO其上升時間通常為 2～20 ns;持續(xù)時間短;VFTO有頻率很高的高頻分量的特點(diǎn),一般在0.1～100 M Hz范圍內(nèi)。因此VFTO可能損害 GIS本體、帶繞組的設(shè)備和二次設(shè)備的絕緣。GIS采用SF6作為絕緣介質(zhì),比常壓下空氣絕緣恢復(fù)強(qiáng)度高十多倍,所以需要一定幅值的過電壓才能擊穿,另一方面 GIS對地電容比架空線路高 1～2個數(shù)量級,殘余電荷比較大,幅值較高的VFTO會對設(shè)備絕緣造成損傷。對于超高壓 GIS智能變電站,問題更加突出。因為與常規(guī)變電站相比,智能變電站全部采用電子式互感器,其互感器采集單元直接安裝在 GIS本體,受到V FTO的影響而出現(xiàn)失效,合并單元輸出不正確,保護(hù)告警并閉鎖不能正常工作等問題。

2 500kV智能變電站介紹

本文以某 500 kV智能變電站為仿真對象,變壓器容量為 2 000 MVA,500 kV側(cè)進(jìn)出線 4回,220 kV側(cè)進(jìn)出線 10回。 500 kV側(cè)采用 3/2接線方式,一次設(shè)備采用 HGIS;220 kV側(cè)采用雙母線雙分段,一次設(shè)備采用GIS;66 kV側(cè)采用單母線接線,一次設(shè)備采用罐式斷路器。這是第一座完整意義上的500 kV智能變電站,采用大量新技術(shù)、新設(shè)備、新材料,實現(xiàn)全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化,可自動完成順序控制、一次設(shè)備在線監(jiān)測、輔助系統(tǒng)智能聯(lián)動及變電站自動化系統(tǒng)高級應(yīng)用等先進(jìn)功能,從主系統(tǒng)到輔助系統(tǒng)全面實現(xiàn)智能化。

目前該變電站500 kV側(cè)為4線2變,組成2個完整串,2個不完整串,安裝 10臺斷路器;遠(yuǎn)期為 10線4變組成 7個完整串,安裝 21臺斷路器,采用 HGIS,3/2接線方式。該變電站的主接線如圖1所示。

圖1 某500kV智能變電站 500kV主接線圖

3 仿真分析

3.1 仿真模型建立

根據(jù)試點(diǎn)變電站的實際接線形式搭建模型如圖2所示。GIS管線段采用分布參數(shù)模型,斷路器采用分級電容模型,計算模擬隔離開關(guān)投切過程中的多次燃弧,GIS兩側(cè)用電源代替實際連接的變壓器及負(fù)載,在高壓引線、套管上部、套管末屏、隔離開關(guān)分別設(shè)置電壓探針,獲取VFTO波形信息。

為了獲取不同位置隔離開關(guān)分合閘操作產(chǎn)生的VFTO特性,考察極限工況下的VFTO分布,確定選取方式1:電源側(cè)帶電,斷路器出口帶電,斷路器在分位,合分隔離開關(guān);方式 2:負(fù)載側(cè)和電源側(cè)帶電,合分隔離開關(guān),進(jìn)行切合 500kV空母線試驗 2種系統(tǒng)運(yùn)行方式。

3.2 仿真結(jié)果分析

運(yùn)行方式1仿真結(jié)果見表1。從表1可以看出,方式1下拐臂處出現(xiàn)的V FTO峰值為 983 kV,頻率約為19 MHz。

表1 方式1仿真結(jié)果

運(yùn)行方式2仿真結(jié)果見表2。從表2可以看出,方式2下拐臂處出現(xiàn)的VFTO峰值為 1 074 kV,頻率約為 28 MHz。

表2 方式2仿真結(jié)果

2種運(yùn)行方式下記錄的最大 VFTO波形如圖3所示,圖中VFTO幅值為標(biāo)幺值。由圖3可以看出,隔離開關(guān)操作中觸頭間隙發(fā)生多次重燃,幅值較大的VFTO在觸頭間距較大時產(chǎn)生,這幾次重燃之間的間隔為毫秒級;最大 VFTO峰值出現(xiàn)在合閘過程中,兩觸頭慢慢靠近過程中會發(fā)生預(yù)擊穿,在工頻電壓峰值時出現(xiàn)首次擊穿,其間電流會給GIS中電容充電至電源電壓,觸頭間電位差下降,火花放電熄滅,造成幅值較高的VFTO。

圖2 按照某500 kV智能變電站實際主接線搭建的仿真模型

圖3 最大VFTO波形圖

4 結(jié)論

本文采用 EM TP軟件對超高壓智能變電站GIS中VFTO進(jìn)行仿真分析,得出以下結(jié)論:

a.通過對某 500 kV試點(diǎn)智能變電站 VFTO的仿真計算得到VFTO峰值為 1 074 kV,最高頻率為28 MHz。

b.在投切空母線時出現(xiàn)VFTO的最大值。此運(yùn)行方式為 GIS本體耐受 VFTO的最嚴(yán)重工況,日常運(yùn)行時應(yīng)盡量減少類似操作,減小對 GIS本體的危害。

[1]Q/GDW 383— 2009,智能變電站技術(shù)導(dǎo)則 [S].

[2]Meppelink J,Diederich K,Feser K,et al.Very fast transients in GIS[J].IEEE Trans. on Power Delivery,1989,4(1):223-233.

[3]谷定燮 ,修木洪,戴 敏,等.1 000 kV GIS變電所V FTO特性研究 [J].高電壓技術(shù),2007,33(11):27-32.

[4]曾昭華,林集明,班連庚,等.特快速暫態(tài)過電壓及研究實例 [J].電網(wǎng)技術(shù),1996,20(3):10-14.

[5]尹曉芳,于 力 ,劉廣維.封閉式組合電器隔離開關(guān)產(chǎn)生的過電壓[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2002,22(7):111-114.

[6]史保壯,李智敏,張文元,等.超高壓 GIS中快速暫態(tài)過電壓造成危害的原因分析[J].電網(wǎng)技術(shù),1998,22(1):1-3.

[7]項祖濤,劉衛(wèi)東,錢家驪,等.磁環(huán)抑制 GIS中特快速暫態(tài)過電壓的模擬試驗和仿真[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2005,25(19):101-105.

[8]郭 潔,劉 振,趙丹丹,等.750 kV GIS中運(yùn)行方式對快速暫態(tài)過電壓的影響 [J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(S2):233-235.

[9]Povh D,Schmitt H,Volcker O,et a1.Modeling and analysis guidelines for very fast transients[J].IEEE Trans.on Power Delivery,1996,11(4):2028-2034.