避免500 kV GIS開關(guān)站PT諧振的運(yùn)行操作方法

周勇，黃華，賴見令

（長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川宜賓644612）

避免500 kV GIS開關(guān)站PT諧振的運(yùn)行操作方法

周勇，黃華，賴見令

（長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川宜賓644612）

針對某電站500 kV GIS開關(guān)站進(jìn)線PT及母線PT在對應(yīng)設(shè)備停電過程中曾多次發(fā)生PT鐵磁諧振，本文對PT鐵磁諧振產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為根本原因是設(shè)備參數(shù)匹配不合理，同時(shí)與開關(guān)的停電操作順序也有一定的關(guān)系，傳統(tǒng)停電操作順序?yàn)橐来蜗葘⑼ｋ姺秶鷥?nèi)開關(guān)轉(zhuǎn)熱備用，再依次將設(shè)備轉(zhuǎn)冷備用；本文提出了一種新的開關(guān)停電操作順序，逐一將開關(guān)由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用。通過對兩種開關(guān)操作順序下PT鐵磁諧振情況進(jìn)行對比，采用新的停電操作順序，PT諧振得到比較明顯的改善，要么諧振強(qiáng)度減小，要么諧振時(shí)間縮短，本文提出的避免500 kV GIS開關(guān)站PT諧振的運(yùn)行操作方法有較好的可實(shí)施性。

開關(guān)站；諧振；操作順序

0 引言

PT發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的低頻電壓，該低頻電壓在PT上可能產(chǎn)生很大的勵(lì)磁電流，可能造成PT損壞，危及設(shè)備及人身安全，所以在運(yùn)行當(dāng)中，應(yīng)盡可能避免PT發(fā)生鐵磁諧振。某電站500kV GIS開關(guān)站分為左岸和右岸，左、右岸自投運(yùn)以來，500 kV GIS開關(guān)站進(jìn)線PT及母線PT在對應(yīng)設(shè)備停電過程中曾多次發(fā)生PT鐵磁諧振，嚴(yán)重危脅設(shè)備正常運(yùn)行。某電站500 kV GIS開關(guān)站自投運(yùn)以來，開關(guān)停電操作順序都是采用傳統(tǒng)的停電操作順序，即依次將停電范圍內(nèi)開關(guān)轉(zhuǎn)熱備用，再依次將設(shè)備轉(zhuǎn)冷備用，我們接下探討一下采用傳統(tǒng)的開關(guān)停電操作順序，某電站500 kV GIS開關(guān)站PT鐵磁諧振情況。限于篇幅，本文僅討論某電站左岸500 kV GIS開關(guān)站PT鐵磁諧振情況。

1 某電站左岸500 kV GIS開關(guān)站PT鐵磁諧振現(xiàn)狀

1.1 某電站左岸500 kV GIS開關(guān)站進(jìn)線PT鐵磁諧振情況

某電站左岸4B高壓側(cè)進(jìn)線開關(guān)為5031、5032兩臺(tái)開關(guān)。電站2013～2014年度歲修期間，4B轉(zhuǎn)檢修態(tài)后，500 kV GIS開關(guān)站恢復(fù)成串運(yùn)行，50316進(jìn)線刀閘保持拉開（如圖1所示）。2014年4月15日，4B檢修完畢對其送電過程中，在第一步即對4B高壓側(cè)進(jìn)線短引線停電時(shí)，4B高壓側(cè)進(jìn)線電壓互感器J4YH發(fā)生鐵磁諧振。發(fā)生鐵磁諧振時(shí)其故障錄波圖見圖2。

圖1 J4YH主接線

4B高壓側(cè)進(jìn)線短引線停電開關(guān)操作順序?yàn)閭鹘y(tǒng)操作順序，即依次將5032、5031由運(yùn)行轉(zhuǎn)熱備用，再依次將5032、5031轉(zhuǎn)冷備用。在5031轉(zhuǎn)熱備用后，B相出現(xiàn)1/3次諧波振蕩，直到5031轉(zhuǎn)冷備用后才消失。諧振期間，B相全波有效值約433 kV，基波有效值約313 kV，最大瞬時(shí)值達(dá)到690 kV，諧振電壓比正常運(yùn)行電壓大很多。

圖2 J4YH故障錄波圖

1.2 某電站左岸500 kV GIS開關(guān)站母線PT鐵磁諧振情況

某電站左岸開關(guān)站1 M連接5011、5021、5031，3臺(tái)開關(guān)（如3所示），2014年2月16日，1 M停電時(shí)，1 M母線PT發(fā)生鐵磁諧振，發(fā)生鐵磁諧振時(shí)其故障錄波圖見圖4。

圖3 1M主接線圖

圖4 1M故障錄波圖

1 M停電時(shí)開關(guān)操作順序?yàn)閭鹘y(tǒng)操作順序，即先依次將5011、5021、5031轉(zhuǎn)熱備用，再依次將5011、5021、5031轉(zhuǎn)冷備用，當(dāng)5031轉(zhuǎn)熱備用后，母線頻率降至16.674 Hz，A相出現(xiàn)1/3次諧波振蕩，直到5011轉(zhuǎn)冷備用后才消失。諧振期間，A相全波有效值約244 kV，基波有效值約142 kV。

2 原因分析

電磁式電壓互感器PT本質(zhì)上是一個(gè)帶鐵心回路的非線性電感L，500 kV GIS開關(guān)站設(shè)備各元件，如母線、導(dǎo)線、斷路器斷口均壓電容器等都有一定的電容量C，在某些特定場合，這種由電感、電容組成的串聯(lián)LC回路會(huì)滿足諧振條件，在PT上產(chǎn)生持續(xù)的低頻電壓，該低頻電壓在PT上可能產(chǎn)生很大的勵(lì)磁電流，導(dǎo)致互感器線圈長時(shí)過熱燒損或在運(yùn)行操作時(shí)因電壓沖擊而擊穿。

某電站500 kV GIS開關(guān)站進(jìn)線PT和母線PT發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，其等效電路如圖5所示。

圖5 PT等效電路圖

在圖5中，Es為電源電壓，CB為斷路器，Cs為斷路器斷口均壓電容，Ce為500 kV GIS母線或進(jìn)線短引線部分對地電容，Re和Lcu分別表示電磁式PT一次線圈的電阻和電感。

2.1 理想過程

斷路器CB剛斷開時(shí)，電容Ce上的殘留電荷就會(huì)對電感Lcu進(jìn)行放電，考慮回路上的損耗，電磁能量將在電容Ce和電感Lcu之間往復(fù)、相互轉(zhuǎn)化且逐漸消耗，因此電容Ce上的電壓是一種低頻振蕩衰減波形（如圖6所示）。

圖6 衰減振蕩電壓

2.2 考慮PT鐵心飽和

PT是一個(gè)帶鐵心回路的線圈，存在磁飽和現(xiàn)象，其磁化曲線和磁導(dǎo)率曲線如圖7所示。

圖7 鐵磁材料基本磁化曲線和磁導(dǎo)率曲線

由圖7可知，隨著外磁場強(qiáng)度H逐漸增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度B將不再隨之繼續(xù)增大，即出現(xiàn)飽和，此時(shí)鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ將達(dá)到最大值μmax，隨著H繼續(xù)增大，μ將反而變小。

根據(jù)電磁學(xué)原理，線圈電感L為：

其中，N—線圈匝數(shù)，μ—磁導(dǎo)率，S—磁路的等效截面積，Len—等效磁路長度。

對于PT而言，N、S、Len都是常數(shù)，因此電感L與磁導(dǎo)率μ有單值線性關(guān)系。在鐵心飽和時(shí)，磁導(dǎo)率μ將急劇變小，電感L也會(huì)迅速變小，PT表現(xiàn)為非線性電感特性。

當(dāng)LC回路中出現(xiàn)低頻電壓時(shí)，將導(dǎo)致PT鐵心出現(xiàn)飽和，PT等效電感L急劇下降，因此PT繞組中會(huì)產(chǎn)生很大的勵(lì)磁電流，最大可能達(dá)正常電流的幾百甚至幾千倍，造成PT過熱，鐵心飽和時(shí)，其電流變化趨勢如圖8所示。

2.3 考慮感應(yīng)電壓影響

圖9 分頻諧振電壓

對圖5繼續(xù)進(jìn)行分析，在斷路器CB斷開后，PT上將一直承受電源Es通過Cs、Ce產(chǎn)生的感應(yīng)電壓Es·Cs/（Cs+Ce），若該感應(yīng)電壓足夠大且與低頻衰減振蕩電壓相疊加，如果兩者的相位相近，就可能使低頻電壓的幅值升高且持續(xù)存在，即PT產(chǎn)生了鐵磁諧振，發(fā)生鐵磁諧振時(shí)其二次電壓波形如圖9所示。

2.4 諧振頻次分析

發(fā)生串聯(lián)諧振的條件是：在諧波源產(chǎn)生的nr次諧波的作用下，串聯(lián)回路的感抗與容抗相等，即：

XL為基波感抗，XC為基波容抗，f1為基波頻率，ω1為基波角頻率。

鐵磁諧振發(fā)生時(shí)，諧振頻率既可能與電源頻率相同（基頻諧振），也可能是電源頻率的整數(shù)倍（高頻諧振），或者是電源頻率的分?jǐn)?shù)倍（分頻諧振）。一般來說，電力系統(tǒng)中發(fā)生的鐵磁諧振發(fā)生基頻諧振與分頻諧振的可能性更大。

500 kVGIS設(shè)備對地電容較大，則基波容抗較小。而PT線圈基波感抗比容抗大，電感在諧振回路中起主導(dǎo)作用，由公式（2）可得500 kV GIS PT鐵磁諧振是分頻諧振的可能性更大，且以1/3、1/5、1/7倍工頻為主。

通過以上對PT諧振產(chǎn)生原因的分析，可以看出PT產(chǎn)生諧振的誘因是PT上一直承受電源Es通過斷路器斷口電容Cs、母線或進(jìn)線短引線對地電容Ce產(chǎn)生的感應(yīng)電壓Es·Cs/（Cs+Ce）較大。致使感應(yīng)電壓較大的根本原因在于設(shè)計(jì)時(shí)500 kV GIS設(shè)備參數(shù)匹配不合理，其次，開關(guān)停電的傳統(tǒng)操作順序也有一定關(guān)系，依次將所有停電開關(guān)轉(zhuǎn)熱備用再依次轉(zhuǎn)冷備用，這樣使得多個(gè)開關(guān)在熱備用時(shí)，多個(gè)開關(guān)斷口電容相并聯(lián)，使開關(guān)斷口等效電容Cs變大，從而使感應(yīng)電壓Es·Cs/（Cs+Ce）較大?；诖朔治?，筆者認(rèn)為可以改變一下開關(guān)停電的操作順序，逐一將停電范圍內(nèi)的開關(guān)由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用，這樣就可以減少熱備用開關(guān)斷口電容的并聯(lián)個(gè)數(shù)，從而減少感應(yīng)電壓，避免或削弱鐵磁諧振。此方法在某電站500 kV GIS開關(guān)站開關(guān)操作當(dāng)中實(shí)施，從實(shí)施效果來看，新操作方法對PT鐵磁諧振的改善比較明顯，相應(yīng)PT未出現(xiàn)諧振或諧振持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度在可接受范圍內(nèi)。

3 新操作方法對500 kV GIS開關(guān)站PT鐵磁諧振的改善

3.1 500 kV GIS開關(guān)站4B進(jìn)線PT鐵磁諧振改善情況

在電站2014～2015歲修期間，2015年4月18日，4B檢修完畢對其送電時(shí)，第一步為對其對應(yīng)短引線停電，其開關(guān)操作順序采用新操作順序，4B高壓側(cè)進(jìn)線電壓互感器J4YH雖發(fā)生鐵磁諧振，但其強(qiáng)度較小，其故障錄波圖見圖10。

圖10 J4YH故障錄波圖

4B高壓側(cè)進(jìn)線短引線停電時(shí)，先將5032開關(guān)由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用，再將5031開關(guān)由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用，由故障錄波圖可看出，當(dāng)5031轉(zhuǎn)熱備用后，A、C相出現(xiàn)了1/3次諧波振蕩，直到5031轉(zhuǎn)冷備用后才消失。A相全波有效值約357kV，基波有效值約224kV，最高瞬時(shí)值539 kV；C相全波有效值約347 kV，基波有效值約219 kV，最高瞬時(shí)值506 kV。

采用新操作順序，4B高壓側(cè)進(jìn)線電壓互感器J4YH雖然A、C兩相發(fā)生了鐵磁諧振，但其強(qiáng)度減小。

3.2 500 kV GIS開關(guān)站1M PT鐵磁諧振改善情況

某電站左岸開關(guān)站1 M連接5011、5021、5031，3臺(tái)開關(guān)，2015年3月22日，1M停電時(shí)，其開關(guān)操作順序采用新操作順序，1 M母線PT僅出現(xiàn)操作過電壓，0.3 s后恢復(fù)至穩(wěn)定感應(yīng)電壓，未發(fā)生鐵磁諧振，其故障錄波圖見圖11。

圖11 1M電壓故障錄波圖

1 M停電操作時(shí)，先將5011開關(guān)由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用，再把5021開關(guān)由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用，最后把開關(guān)5031由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用，在5031轉(zhuǎn)熱備用后，A、C兩相出現(xiàn)了操作過電壓未發(fā)生鐵磁諧振，且操作過電壓持續(xù)0.3 s后恢復(fù)至穩(wěn)定感應(yīng)電壓，約70 kV。

采用新操作順序，1 M母線PT未發(fā)生鐵磁諧振，僅出現(xiàn)操作過電壓，且操作過電壓持續(xù)時(shí)間很短，操作過電壓幅值很小。

采用新操作順序，某電站右岸4 M母線PT雖B相發(fā)生鐵磁諧振，但諧振強(qiáng)度較小。

左右岸兩種操作順序下其PT諧振情況的對比見表1。

表1 某電站左岸500 kV開關(guān)站PT諧振情況對比表

由以上分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）某電站左岸500 kVGIS進(jìn)線短引線停電時(shí)，采用傳統(tǒng)操作順序和本小組提出的操作順序，進(jìn)線PT都會(huì)發(fā)生鐵磁諧振，進(jìn)線開關(guān)轉(zhuǎn)冷備用后，諧振現(xiàn)象消失，但采用本小組提出的操作順序，諧振電壓的幅值會(huì)減小很多，且通過減小進(jìn)線開關(guān)在熱備用狀態(tài)的時(shí)間有利于減小諧振持續(xù)時(shí)間。

（2）某電站左岸開關(guān)站母線停電時(shí)，采用傳統(tǒng)操作順序，母線PT會(huì)出現(xiàn)鐵磁諧振，采用本小組提出的操作順序，母線PT則不會(huì)出現(xiàn)鐵磁諧振。

4 總結(jié)

本文結(jié)合某電站500 kV GIS開關(guān)站PT發(fā)生鐵磁諧振的背景，在分析PT鐵磁諧振的基礎(chǔ)上，提出了逐一將停電范圍內(nèi)開關(guān)由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用的新開關(guān)操作順序，從新老開關(guān)操作順序下PT鐵磁諧振情況對比來看，新開關(guān)操作方法對PT鐵磁諧振有比較明顯的改善，此方法的優(yōu)點(diǎn)是，不需要500 kV GIS開關(guān)站相應(yīng)區(qū)域設(shè)備長時(shí)間停電，不需要額外增加任何設(shè)備，簡單可行。

由以上分析可以看出，采用新開關(guān)順序，進(jìn)線短引線和母線在停電時(shí)，其PT仍會(huì)發(fā)生小強(qiáng)度的鐵磁諧振，諧振持續(xù)的時(shí)間受停電操作中最后一個(gè)開關(guān)處于熱備用狀態(tài)的時(shí)間影響，實(shí)際操作中應(yīng)盡可能縮短最后一個(gè)開關(guān)處于熱備用狀態(tài)的時(shí)間。所以對新開關(guān)操作順序還應(yīng)作更嚴(yán)格的規(guī)定：

（1）主變高壓側(cè)隔離刀閘必須在串內(nèi)開關(guān)冷備用態(tài)下操作。

（2）主變高壓側(cè)隔離刀閘在分閘狀態(tài)，進(jìn)行進(jìn)線短引線停電操作時(shí)，應(yīng)先將中開關(guān)由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用，再將邊開關(guān)由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用。注意盡快拉開邊開關(guān)串聯(lián)刀閘，縮短開關(guān)熱備用時(shí)間。

（3）母線停電操作時(shí)，應(yīng)逐一將母線所接開關(guān)由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用，拉開最后一組開關(guān)時(shí)，母線其他開關(guān)處于冷備用狀態(tài)。注意盡快拉開該開關(guān)串聯(lián)刀閘，縮短開關(guān)熱備用時(shí)間。

TM451

B

1672-5387（2017）04-0022-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.006

2016-12-12

周勇（1985-），男，工程師，從事水電廠設(shè)備運(yùn)行工作。