某核電站改造工程設(shè)備快速暫態(tài)過電壓評估

黃旭丹，林 睿，肖煥輝

(中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

某核電站改造工程設(shè)備快速暫態(tài)過電壓評估

黃旭丹，林 睿，肖煥輝

(中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

某核電站原來#1、#2 號聯(lián)絡(luò)變因快速暫態(tài)過電壓導(dǎo)致變壓器線圈被燒損，在新增#3聯(lián)絡(luò)變改造項(xiàng)目時，設(shè)計(jì)需充分考慮快速暫態(tài)過電壓 對新聯(lián)絡(luò)變壓器的影響，避免再次發(fā)生類似事故。本文采用ATP電磁暫態(tài)計(jì)算程序，建立了電站中各GIS設(shè)備的電氣模型，對420 kV/525 kV GIS中擴(kuò)建聯(lián)絡(luò)變間隔內(nèi)隔離開關(guān)操作引起的快速暫態(tài)過電壓進(jìn)行仿真計(jì)算，通過對10種典型操作方式進(jìn)行計(jì)算和評估，結(jié)果表明設(shè)備的絕緣等級等參數(shù)具備承受快速暫態(tài)過電壓的能力。

快速暫態(tài)過電壓；氣體絕緣組合電器；聯(lián)絡(luò)變；絕緣等級。

氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear, GIS) 因具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在超高壓系統(tǒng)和核電站得到廣泛應(yīng)用。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，GIS 中斷路器(Circuit Breaker, CB)和隔離開關(guān)(Disconnecting Switch, DS)操作時會產(chǎn)生波前極陡、高頻振蕩的快速暫態(tài)過電壓(Very Fast Transient Overvolitage, VFTO)。斷路器有滅弧裝置，不易發(fā)生重燃，因此在VFTO 造成的事故中以隔離開關(guān)的操作尤為常見。VFTO 不僅危及GIS 內(nèi)部設(shè)備的絕緣，還會以行波的形式傳播并耦合到外部，威脅二次設(shè)備及相連的高壓設(shè)備的絕緣，尤其是有繞組的設(shè)備，如變壓器、電抗器等。從已有的研究成果可知，VFTO 的幅值、頻率、波形與GIS 的接線方式、結(jié)構(gòu)尺寸、設(shè)備參數(shù)、變壓器和GIS 的連接方式以及被操作線路的殘余電荷等因素有關(guān)。另外，VFTO與隔離開關(guān)操作方式，包括系統(tǒng)運(yùn)行方式、被操作開關(guān)的位置、操作順序等密切相關(guān)， 因此研究隔離開關(guān)操作方式對VFTO的影響有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

本文結(jié)合國內(nèi)某核電站改造工程的實(shí)例，采用電磁暫態(tài)計(jì)算程序(Altemative Transient Program, ATP)，對電站內(nèi)420/525 kV GIS中聯(lián)絡(luò)變間隔內(nèi)隔離開關(guān)操作引起的的快速暫態(tài)過電壓(VFTO)進(jìn)行仿真計(jì)算，并評估VFTO對設(shè)備絕緣的威脅。

1 工程概況

為提高聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和供電可靠性，國內(nèi)某核電站的改造工程擬增加一臺525/420 kV聯(lián)絡(luò)變壓器，即在原有開關(guān)站的500 kV與400 kV側(cè)分別新增一個不完整串GIS，聯(lián)絡(luò)變壓器兩側(cè)通過GIL分別接入兩側(cè)新增GIS，形成新的互聯(lián)。該站原來#1、#2 號聯(lián)絡(luò)變曾因VFTO 導(dǎo)致變壓器線圈被燒損的故障，因此在新增#3聯(lián)變改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮VFTO 對新聯(lián)變變壓器的影響，避免再次發(fā)生類似事故。

1.1 電氣主接線圖

某核電站GIS主接線方案見圖1。接線方式為3/2 斷路器接線。本期工程建設(shè)在400 kV和500 kV各設(shè)一個不完整串，1 組900 MVA聯(lián)絡(luò)變，出線為預(yù)留；前期工程由4回出線和2組主變、2組聯(lián)絡(luò)變組成。

圖1 420/525 kV GIS建設(shè)主接線圖

1.2 電站設(shè)備相關(guān)參數(shù)

本期工程電站設(shè)備相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 變電站內(nèi)設(shè)備等值參數(shù)

2 計(jì)算研究內(nèi)容

本文采用ATP電磁暫態(tài)計(jì)算程序，對電站420 kV GIS中聯(lián)絡(luò)變間隔內(nèi)隔離開關(guān)操作引起的的快速暫態(tài)過電壓(VFTO)進(jìn)行仿真計(jì)算，并評估VFTO對設(shè)備絕緣的威脅。根據(jù)實(shí)際變電站設(shè)備的結(jié)構(gòu)和布局，采用S.Ogawa提出的GIS電路模型，建立GIS母線、變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、絕緣子、套管、避雷器等模型，研究了主變和進(jìn)線的隔離開關(guān)在不同操作方式下產(chǎn)生的VFTO過電壓。VFTO過電壓幅值較大的點(diǎn)一般位于被操作的開關(guān)附近、孤島部分、電氣末端(如母線末端)等處，并且VFTO對主變的匝間絕緣危害較大，所以在計(jì)算中重點(diǎn)關(guān)注以下節(jié)點(diǎn)處的過電壓：各主變?nèi)肟谔帲髯冸妷夯ジ衅魈?，被操作隔離開關(guān)附近設(shè)備上，以及整個變電站內(nèi)VFTO最大幅值。通過對幾種典型操作方式下VFTO的仿真計(jì)算，分析了VFTO過電壓是否會對該變電站的主變絕緣及其他設(shè)備絕緣產(chǎn)生威脅，是否需要采取專門措施抑制VFTO。

2.1 模型等效電路

計(jì)算研究采用S.Ogawa提出的GIS元件的電路模型。由于整個系統(tǒng)近似為三相對稱，可用單相電路進(jìn)行模擬。見表2，在GIS中，直管道母線一般較短，在計(jì)算中略去損耗， GIS管道母線用波阻抗Z＝63Ω、波速v = 290 m/μs的無損傳輸線等值。斷路器閉合狀態(tài)等效為聯(lián)線，斷開狀態(tài)通過斷口電容與對地電容模擬。隔離開關(guān)的模擬與斷路器一致，閉合狀態(tài)等效為聯(lián)線，斷開狀態(tài)時等效為電容。接地開關(guān)斷開狀態(tài)時對地電容為45 pF。電流互感器可近似為聯(lián)線。避雷器、電壓互感器、套管和電纜終端均用集中電容模擬。

表2 變電站內(nèi)設(shè)備等效模型

由于不需要分析變壓器內(nèi)部過電壓分布情況，并且根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，在計(jì)算模型中，用入口電容等效變壓器與用其它復(fù)雜模型等效的計(jì)算結(jié)果吻合很好，所以變壓器用理想電源及入口電容和等值電感進(jìn)行等效，525 kV側(cè) L＝109 mH，420 kV側(cè) L＝70 mH。

電弧的重燃和熄弧采用基于動態(tài)電弧模型的MODELS模塊模擬。動態(tài)電弧模型是基于Mayr電弧理論對分段電弧模型的一種改進(jìn)，在弧道電阻的變化過程描述中考慮了電弧散熱功率以及電弧電流的影響，能有效的模擬燃弧的整個過程，計(jì)算精度高。利用ATP－EMTP軟件自帶的MODELS模塊及語言，基于動態(tài)電弧理論基礎(chǔ)，代入改進(jìn)歐拉法公式進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)符合動態(tài)電弧模型的控制函數(shù)，得到隔離開關(guān)的電弧重燃模型。

3 電站GIS VFTO仿真計(jì)算與分析

按最嚴(yán)重情況考慮，給隔離開關(guān)孤島部分充以－1.0 p.u.的殘余電壓，假設(shè)隔離開關(guān)在電站電壓為+1.0 p.u.時動作，這時的VFTO過電壓最大，理論上可達(dá)3.0 p.u。

各種操作方式下VFTO計(jì)算見表3，本文考慮了以下10種操作方式下VFTO過電壓。

表3 操作方式

3.1 方式1下的VFTO計(jì)算

操作方式1計(jì)算無線路運(yùn)行時，對變壓器#3 420 kV側(cè)合閘的情況。隔離開關(guān)操作電氣接線示意圖見圖1，所有開關(guān)均處于斷開狀態(tài)時，對主變#3側(cè)隔離開關(guān)902JS進(jìn)行合閘，在各元件上產(chǎn)生的過電壓。各點(diǎn)處的最大過電壓見表4。

表 4 操作902JS下的VFTO計(jì)算結(jié)果

3.2 方式2下的VFTO計(jì)算

操作方式2計(jì)算無線路運(yùn)行時，對變壓器#3 420 kV側(cè)合閘的情況。所有開關(guān)均處于斷開狀態(tài)時，對主變#3側(cè)所在串上隔離開關(guān)901JS進(jìn)行合閘，在各元件上產(chǎn)生的過電壓。各點(diǎn)處的最大過電壓見表5。

表5 操作901JS下的VFTO計(jì)算結(jié)果

3.3 方式3下的VFTO計(jì)算

操作方式3計(jì)算無線路運(yùn)行時，對變壓器#3 420 kV側(cè)合閘的情況。所有開關(guān)均處于斷開狀態(tài)時，對主變#3側(cè)所在串上隔離開關(guān)903JS進(jìn)行合閘，在各元件上產(chǎn)生的過電壓。各點(diǎn)處的最大過電壓見表6。

表 6 作903JS下的VFTO計(jì)算結(jié)果

3.4 方式4下的VFTO計(jì)算

操作方式4計(jì)算母線701JB帶壓運(yùn)行時，隔離開關(guān)902JS閉合，其他所有開關(guān)均處于斷開狀態(tài)，對母線側(cè)隔離開關(guān)900JS進(jìn)行合閘，各元件上產(chǎn)生的過電壓。各點(diǎn)處的最大過電壓見表7。

表 7 作900JS下的VFTO計(jì)算結(jié)果

3.5 方式5下的VFTO計(jì)算

操作方式5計(jì)算母線702JB帶壓運(yùn)行時，隔離開關(guān)902JS閉合，其他所有開關(guān)均處于斷開狀態(tài)，對母線側(cè)隔離開關(guān)904JS進(jìn)行合閘，各元件上產(chǎn)生的過電壓。各點(diǎn)處的最大過電壓見表8。

表8 操作904JS下的VFTO計(jì)算結(jié)果

3.6 方式6下的VFTO計(jì)算

操作方式6計(jì)算無線路運(yùn)行時，對變壓器#3 5250 kV側(cè)合閘的情況。隔離開關(guān)操作電氣接線示意圖見圖1，所有開關(guān)均處于斷開狀態(tài)時，對主變#3側(cè)隔離開關(guān)605JS進(jìn)行合閘，在各元件上產(chǎn)生的過電壓。各點(diǎn)處的最大過電壓見表9。

表9 操作605JS下的VFTO計(jì)算結(jié)果

3.7 方式7下的VFTO計(jì)算

操作方式7計(jì)算無線路運(yùn)行時，對變壓器#3 525 kV側(cè)合閘的情況。所有開關(guān)均處于斷開狀態(tài)時，對主變#3側(cè)所在串上隔離開關(guān)604JS進(jìn)行合閘，在各元件上產(chǎn)生的過電壓。各點(diǎn)處的最大過電壓見表10。

表 10 作604JS下的VFTO計(jì)算結(jié)果

3.8 方式8下的VFTO計(jì)算

操作方式8計(jì)算無線路運(yùn)行時，對變壓器#3 525 kV側(cè)合閘的情況。所有開關(guān)均處于斷開狀態(tài)時，對主變#3側(cè)所在串上隔離開關(guān)606JS進(jìn)行合閘，在各元件上產(chǎn)生的過電壓。各點(diǎn)處的最大過電壓見表11。

表11 作606JS下的VFTO計(jì)算結(jié)果

3.9 方式9下的VFTO計(jì)算

操作方式9計(jì)算母線802JB帶壓運(yùn)行時，隔離開關(guān)605JS閉合，其他所有開關(guān)均處于斷開狀態(tài)，對母線側(cè)隔離開關(guān)607JS進(jìn)行合閘，各元件上產(chǎn)生的過電壓。各點(diǎn)處的最大過電壓見表12。

表 12 作607JS下的VFTO計(jì)算結(jié)果

3.10 方式10下的VFTO計(jì)算

操作方式10計(jì)算母線801JB帶壓運(yùn)行時，隔離開關(guān)605JS閉合，其他所有開關(guān)均處于斷開狀態(tài)，對母線側(cè)隔離開關(guān)603JS進(jìn)行合閘，各元件上產(chǎn)生的過電壓。各點(diǎn)處的最大過電壓見表13。

表13 操作603JS下的VFTO計(jì)算結(jié)果

4 VFTO計(jì)算結(jié)果分析

綜合上述所有操作方式下的VFTO計(jì)算結(jié)果，可以看出：針對420 kV和525 kV側(cè)#3聯(lián)絡(luò)變壓器VFTO計(jì)算中，方式1和方式6投入設(shè)備最少，電站整體產(chǎn)生的過電壓情況較為嚴(yán)重，主變?nèi)肟谔嶸FTO最大值1.22 p.u.和1.60 p.u，其中隔離開關(guān)上VFTO最大值為2.34 p.u.和2.37 p.u；方式(2，3)由于操作點(diǎn)距變壓器距離相近，且投入設(shè)備數(shù)量也相近，其計(jì)算結(jié)果相差不大，大部分設(shè)備上的過電壓幅值小于方式1的計(jì)算結(jié)果，由于VFTO整體幅值并不太大，而變壓器入口電容較大，因此，方式(1，2，3)傳播到變壓器入口處的波在經(jīng)過折反射之后其能量大幅削減，幅值均較低；針對方式(7，8)的結(jié)果分析與方式(2，3)類似；方式(4，5)母線帶壓運(yùn)行時操作母線側(cè)隔離開關(guān)，操作隔離開關(guān)上過電壓達(dá)到2.43 p.u.，在操作隔離開關(guān)附近的斷路器上產(chǎn)生的VFTO幅值為所有操作方式中最大的，最大值達(dá)到了2.95 p.u.，傳播到變壓器入口處的波能量大幅削減，幅值較低；方式(9，10)操作隔離開關(guān)上過電壓達(dá)到2.55 p.u.，在操作隔離開關(guān)附近的斷路器上產(chǎn)生的VFTO幅值為所有操作方式中最大的，最大值達(dá)到了2.93 p.u.，傳播到變壓器入口處的波能量大幅削減，幅值較低。

對420 kV側(cè)和525 kV側(cè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較可以看出：525 kV側(cè) VFTO計(jì)算結(jié)果整體大于420 kV計(jì)算結(jié)果。其主要原因在于，在計(jì)算建模過程中，變壓兩側(cè)設(shè)備所取參數(shù)相同，525 kV側(cè)變壓入口電容取值甚至小于420 kV側(cè)變壓器入口電容，而高壓側(cè)隔離開關(guān)操作過程中所產(chǎn)生的VFTO幅值更高，能量更大，相同參數(shù)的設(shè)備對于其能量的分散抑制作用有限，導(dǎo)致傳播到變壓器入口處VFTO幅值更高，而變壓器入口電容的減小，也將減小其對于VFTO的抑制作用，因此，525 kV側(cè)VFTO計(jì)算結(jié)果要大于420 kV側(cè)計(jì)算結(jié)果。

以下為分別針對電站中變壓器和GIS本體的設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果分析。

(1)根據(jù)變壓器廠商的驗(yàn)證報告，聯(lián)絡(luò)變壓器對于在525 kV側(cè)和420 kV對于VFTO的耐受電壓分別為1300 kV和1175 kV，本次計(jì)算中，對于525 kV側(cè)，變壓器入口最大VFTO幅值為1.60 p.u，即685.86 kV，遠(yuǎn)小于變壓器耐受電壓1300 kV；對于420 kV側(cè)，變壓器入口最大VFTO幅值為1.23 p.u，即527.25 kV，遠(yuǎn)小于變壓器耐受電壓1175 kV，因此，變壓器不會遭到損壞。

但根據(jù)國內(nèi)外針對VFTO的研究表明：VFTO對變壓器的影響主要是高頻振蕩分量對主變匝間絕緣的影響。同樣根據(jù)變壓器廠商提供的驗(yàn)證報告，擴(kuò)展變壓器對于525 kV側(cè)和420 kV側(cè)首端匝間絕緣耐受值分別為80 kV和74 kV，報告中同時指出，當(dāng)VFTO振蕩頻率不超過1MHz時，其首端匝間承受VFTO幅值不超過總VFTO幅值的3%，分別對525 kV側(cè)、420 kV側(cè)首端匝間承受最大電壓進(jìn)行計(jì)算如下：

525kV側(cè)：

685.86×0.03 =20.58 kV＜80 kV

420kV側(cè)：

527.25×0.03 =15.82 kV＜74 kV

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，變壓器不會遭到損壞，且仍存在較大的裕度。

(2)電站中各個設(shè)備出現(xiàn)的VFTO最大值出現(xiàn)在操作點(diǎn)附近，對于420 kV側(cè)：最大VFTO幅值達(dá)到2.95 p.u，即1011 kV，本次計(jì)算針對的GIS 400 kV系統(tǒng)的雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為1550 kV，取0.8的安全系數(shù)，即0.8×1550=1240 kV，最大過電壓小于該值，因此VFTO過電壓對GIS本體的主絕緣不構(gòu)成威脅。對于525 kV側(cè)：最大VFTO幅值達(dá)到2.93 p.u，即1254 kV，本次計(jì)算針對的GIS 500 kV系統(tǒng)的雷電過電壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為1675 kV，仍然取0.8的安全系數(shù)，即0.8×1675=1340 kV，最大過電壓小于該值，因此，VFTO過電壓也對GIS本體的主絕緣不構(gòu)成威脅，但這兩種方式下VFTO幅值仍偏大，應(yīng)盡量減少此種操作方式。

5 結(jié)論

本文對某核電站420 kV/525 kV GIS中擴(kuò)建聯(lián)絡(luò)變間隔內(nèi)隔離開關(guān)操作引起的快速暫態(tài)過電壓(VFTO)進(jìn)行仿真計(jì)算，建立了電站中各GIS設(shè)備的電氣模型，通過對10種典型操作方式下的VFTO進(jìn)行計(jì)算，得到以下結(jié)論：

(1)對典型操作方式下的VFTO進(jìn)行計(jì)算得出：操作隔離開關(guān)附近的過電壓值最高，為2.95 p.u.和2.93 p.u.，經(jīng)過計(jì)算得到，最大過電壓值均在GIS設(shè)備承受范圍內(nèi)，過電壓對GIS內(nèi)部各設(shè)備不構(gòu)成威脅；對于PT對VFTO的耐壓分析，目前國內(nèi)外研究中均作為GIS本體耐壓的一部分考慮分析，因此，認(rèn)為GIS本體不受VFTO影響時，認(rèn)為VFTO對于GIS中PT不構(gòu)成威脅；

(2)變壓器入口處過電壓最大為1.23 p.u.和1.60 p.u.；在這幾種操作方式下無線路運(yùn)行時投入變壓器和母線帶壓操作刀閘所產(chǎn)生的過電壓較高，主變上的過電壓幅值一般較低。VFTO與弧道電阻、殘余電壓有關(guān)，弧道電阻越大、殘余電壓與電站電壓差值越低，則VFTO幅值就低，上述計(jì)算殘余電荷電壓按的是最嚴(yán)重的情況計(jì)算的，因而計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是偏嚴(yán)格的，分別對變壓器整體耐壓和匝間耐壓進(jìn)行了分析，認(rèn)為過電壓對變壓器不構(gòu)成威脅。

(3)在隔離開關(guān)的操作過程中，會發(fā)生很多次的電弧擊穿和重燃現(xiàn)象，每次擊穿和重燃都可能造成過電壓的產(chǎn)生，而當(dāng)上一次燃弧在隔離開關(guān)和斷路器的短線之間留下的殘余電荷恰好為－1 p.u.時，而隔離開關(guān)另一側(cè)的電壓恰好為1 p.u.時，下一次的擊穿將會造成最嚴(yán)重的過電壓，即為最極端情況的燃熄弧。

在VFTO的計(jì)算中，均為計(jì)算最極端情況下單次燃熄弧的VFTO波形和幅值，然后對其進(jìn)行分析，在每次的分合閘過程中均可能發(fā)生。根據(jù)國內(nèi)實(shí)際針對快速隔離開關(guān)和慢速隔離開關(guān)的實(shí)驗(yàn)來看，隔離開關(guān)每次的分合閘時間和速度主要決定了每次分合閘操作中電弧燃熄弧的次數(shù)以及發(fā)生最嚴(yán)重情況燃熄弧的概率，而對于單次擊穿的計(jì)算結(jié)果并沒有多少影響。因此，在VFTO的計(jì)算中，不考慮隔離開關(guān)的分合閘時間和速度。

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[16] 王娜，等．特高壓GIS變電站中快速暫態(tài)過電壓仿真及其特性分析[J]．高電壓技術(shù)，2012，(12)．

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[18] 林莘，王娜，徐建源．動態(tài)電弧模型下特快速瞬態(tài)過電壓特性的計(jì)算與分析[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，(16)．

[19] 滕輝．精確電弧模型下GIS中VFTO的計(jì)算與分析[D]．廣西大學(xué)，2013．

[20] 戴敏，等．特高壓氣體絕緣開關(guān)設(shè)備特快速瞬態(tài)過電壓的試驗(yàn)回路研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2011，(31)．

VFTO Research and Evaluation of GIS Equipment in Nuclear Power Station Reconstruction Project

HUANG Xu-dan, LIN Rui, XIAO Huan-hui
(China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

One Nuclear Power Station No. 3 Unit reconstruction project has improved the transformer design due to No. 1&2 Units had ever suffered failures of the interconnecting transformer coil by VFTO, so the new No. 3 interconnecting transformer should be fully considered the impact of VFTO to avoid the similar incidents. This article analyzed 10 routine operations about the VFTO impact to the equipment by using the ATP electromagnetic transient calculation program. The results shown that the insulation level of the equipment could fulfill the requirement of VFTO

VFTO; GIS; interconnecting transformer; insulation.

TM613

B

1671-9913(2016)06-0072-06

2016-08-01

黃旭丹(1977- )，男，廣東廣州人，高級工程師，主要從事發(fā)電廠及變電站設(shè)計(jì)工作。