500 kV GIS母線PT諧振原因分析及預防

張?zhí)郑挝捻w

(神華神東電力重慶萬州港電有限責任公司，重慶 404027)

500 kV GIS母線PT諧振原因分析及預防

張?zhí)郑挝捻w

(神華神東電力重慶萬州港電有限責任公司，重慶 404027)

介紹了某電廠500 kV GIS智能變電站概況，分析了該站首次倒送電過程中發(fā)生的500 kV母線PT鐵磁諧振的原因，提出了項目前期初設階段應開展500 kV升壓站仿真分析計算，并采取預防鐵磁諧振的措施，以避免發(fā)生PT鐵磁諧振。

GIS智能變電站；母線；電壓互感器；鐵磁諧振

0 引言

某電廠2×1 050 MW燃煤汽輪發(fā)電機組，采用國內首座火力發(fā)電廠戶內式500 kV GIS智能變電站(簡稱“GIS站”)。GIS站內斷路器、隔離開關、接地刀閘、電流互感器和電壓互感器均為西安西電高壓開關有限責任公司(簡稱“西開”)生產(chǎn)。斷路器型號為ZF8A-550 GIS，是西開融合日本三菱、瑞士ABB技術而開發(fā)的一種新型超高壓、大容量SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備。該設備采用臥式雙斷口結構，帶并聯(lián)均壓電容、無分合閘電阻，其電壓互感器型號為JDQX-500 V，為常規(guī)電磁式，有3個二次繞組(額定電壓100 V)、1個剩余電壓繞組(額定電壓100 V)。2014年7月，該廠GIS設備全部開始安裝調試，并按GB 50150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》，成功進行了耐壓試驗和局部放電試驗。2014年9月進行了500 kV GIS站倒送電。

1 GIS站概況

該廠GIS站按一次設備智能化、二次設備網(wǎng)絡化的原則設計。電流互感器和電壓互感器采用常規(guī)電磁式CT和PT，且PT高壓側無隔離開關，直接與母線GIS、線路/主變的GIL(gas insulated metal enclosed transmission line，氣體絕緣金屬封閉輸電線路)相連。其中母線PT采用單相，接于A相母線；線路/主變PT采用三相，分別接于A，B，C三相線路/主變GIL。

該廠1，2號機組按單元制設計，發(fā)電機通過1，2號主變升壓后，經(jīng)2回500 kV神萬一線、神萬二線接入萬縣變電站。

2 PT鐵磁諧振發(fā)生經(jīng)過

2014-09-10，該廠按計劃由調試所組織了500 kV GIS站第1次倒送電倒閘操作。22:14，500 kVⅠ，Ⅱ母母線充電定相試驗結束后，在斷開5021斷路器時，網(wǎng)絡計算機監(jiān)控系統(tǒng)(NCS)畫面顯示500 kVⅠ母母線仍有電壓，且在186—275 kV跳變，PT內部有電磁嗡嗡聲，伴隨有振動。從PT本體端子箱測量1a/1n，2a/2n，3a/3n二次繞組電壓為均46.3 V，da/dn剩余電壓繞組電壓為82 V、頻率為16.66 Hz。切除500 kVⅠ母空載母線后的主接線如圖1所示。

圖1 切除500 kVⅠ母空載母線后的主接線示意

23:51，值長將情況匯報市調，市調令線路對側的萬縣變電站對神萬二線停電，該廠GIS站500 kVⅠ母母線PT振動、聲音異響及發(fā)熱現(xiàn)象消失，NCS顯示500 kVⅠ母電壓為0，就地測量該母線PT二次電壓為0，PT諧振消除。

500 kVⅠ母鐵磁諧振波形如圖2所示。根據(jù)錄波數(shù)據(jù)可知，5021斷路器從22:14:30.109開始分閘，到22:14:30.749分閘成功，歷時630 ms。500 kV神萬二線線路三相電壓波形正常，但500 kVⅠ母母線電壓發(fā)生規(guī)則的波形變異。5021斷路器分閘成功后，母線電壓波形變?yōu)轭l率16.66 Hz、電壓186—275 kV的周期波，形成了穩(wěn)定的三分頻鐵磁諧振。直到23:51神萬二線停電，震蕩條件破壞，諧振徹底消除。

圖2 鐵磁諧振波形

3 PT鐵磁諧振的原因分析

綜合故障錄波圖和測量數(shù)據(jù)分析，500 kVⅠ母發(fā)生了PT鐵磁諧振。造成諧振的原因為5021斷路器分閘過程中斷路器斷口電容與電壓互感器形成串聯(lián)回路，同時500 kVⅠ母母線電容與該PT電感并聯(lián)后呈感性，在5021斷路器分閘過程中電壓擾動，產(chǎn)生了鐵磁諧振。最后，長達1 h 40 min的飽和電流還導致了該PT罐體發(fā)熱。

在對側變電站對神萬二線停電，將500 kVⅠ母及母線PT同時停電后，對母線PT的絕緣電阻、直流電阻、PT罐體氣室的SF6氣體壓力進行了測試，所得數(shù)據(jù)與故障前相比，無明顯變化。

為避免該GIS站內其他PT再次發(fā)生諧振，保證后期的調試以及GIS站運行安全，研究決定：首先對發(fā)生諧振的500 kVⅠ母母線PT進行更換，同時由西開委托西安交通大學對該公司GIS站進行鐵磁諧振仿真分析計算，并根據(jù)計算結果來設計消諧方案。

3.1 PT鐵磁諧振的仿真分析計算

西開提供該500 kV GIS站一次設備規(guī)格、型號、尺寸等初始參數(shù)和接線方式，委托西安交通大學進行鐵磁諧振仿真計算。西安交通大學確定了該500 kV GIS站可能引發(fā)鐵磁諧振的運行操作方式有4種，如表1所示。

表1 500 kV GIS站可能引發(fā)鐵磁諧振的運行操作方式

3.2 鐵磁諧振的仿真計算結果

(1) 在500 kVⅠ母、Ⅱ母母線均投入運行的情況下，對任一斷路器和隔離開關進行分閘操作，GIS站不會發(fā)生鐵磁諧振。

(2) 當用斷路器和隔離開關切除500 kVⅠ母、Ⅱ母空載母線時，GIS站會發(fā)生鐵磁諧振，且不同運行方式下諧振頻率不同。

當系統(tǒng)單母線投入運行，斷路器分閘切除空載母線時，操作的母線會出現(xiàn)頻率為16.7 Hz的分頻鐵磁諧振，即三分頻諧振。此時，母線及其PT一次側最大過電壓峰值為600.6 kV，即1.34 p.u.，PT最大過電流峰值為98.0 mA。

不同運行方式下，斷路器分閘切除空載母線時，GIS站均會發(fā)生分頻鐵磁諧振，持續(xù)振蕩的過電壓和過電流會引起運行中PT燒毀。

4 PT鐵磁諧振的抑制方案

(1) 改變GIS站母線及PT的停送電順序：停母線時，先停母線上的PT，后停母線；母線恢復送電時，先對空母線充電，后投入母線PT。此操作可避開諧振產(chǎn)生的條件，但是違反了母線停送電的正常操作程序，而且該廠GIS站母線PT無隔離開關，設備已安裝定型，方案無法實現(xiàn)，不可行。

(2) 增大GIS站母線對地電容，如將母線延長或在母線上并聯(lián)電容器組，但是該廠GIS站設備已安裝定型，方案無法實現(xiàn)，不可行。

(3) 取消該GIS站所有斷路器斷口均壓電容，從根本上消除產(chǎn)生諧振的條件，但是會使斷路器的開斷容量降低70 %，這是不允許的。

(4) 根據(jù)GIS站的結構特點，在該廠500 kVⅠ母、Ⅱ母母線PT剩余電壓繞組上并接阻尼電阻，抑制鐵磁諧振過電壓和過電流的幅值。阻尼電阻應依據(jù)母線PT剩余電壓繞組可耐受的電流值、電壓值和電阻的吸收能量綜合選擇。

(5) 切除空載母線時，在斷路器分開后，盡快拉開該斷路器兩側的隔離開關，即實施方案(4)無法消諧時，再快速拉開該斷路器兩側的隔離開關。

5 母線PT剩余電壓繞組并接阻尼電阻選擇

融合方案(4)和方案(5)，結合該廠GIS站的實際結構特點和低頻諧振產(chǎn)生的條件，利用西安交通大學建立的該廠GIS站仿真模型，對母線PT剩余電壓繞組接入阻尼電阻的抑制效果和電阻值進行計算和驗證，結果如表2所示。

表2 不同阻尼電阻的吸收能力

計算分析表明，并接阻尼電阻可以迅速衰減振蕩幅值，即降低系統(tǒng)鐵磁諧振時的過電壓和過電流。阻尼電阻越小，鐵磁諧振衰減越快，對過電壓和過電流抑制效果越好；但電阻吸收能量越大，即對電阻的熱容量要求越高，阻尼電阻的制造難度越大，造價越高。

當阻尼電阻為5 Ω時，0.5 s內吸收能量為219.8 J，最大瞬功率為4 058 W，可以較好地抑制鐵磁諧振過電壓和過電流。阻尼電阻接入過程中承受的最大電壓峰值為188.0 V，最大電流峰值為37.6 A。阻尼電阻接入穩(wěn)定后承受的工頻電壓峰值為54.1 V，工頻電流峰值為10.7 A，5 min內吸收能量為86.8 kJ，溫升73 ℃。

經(jīng)查找資料和與廠商聯(lián)系，選取大功率、抗老化的碳素線性電阻作為阻尼電阻，在溫升不超過360 ℃時，可以多次承受短時兆瓦級大功率脈沖。碳素電阻的比熱約為2.0 J/cm3·℃，能量密度約為600 J/cm3，在低頻諧振中吸收的能量能滿足實際需要。

因此，根據(jù)仿真計算結果，該廠選取電阻值為5 Ω的阻尼電阻，電阻的電壓耐受為188×2.5=470 V，電流耐受為37.6×2.5=94 A，5 min溫度耐受為73×2.5=182.5 ℃。

綜上，為預防和控制該廠500 kV GIS站切除空載母線時發(fā)生的PT鐵磁諧振，GIS站Ⅰ母、Ⅱ母母線分別增設PT鐵磁諧振消諧裝置，2套消諧裝置完全相同。消諧裝置分為消諧電阻盒和消諧控制箱2部分，其中，消諧電阻盒置于母線PT支撐座內，消諧電阻經(jīng)2個小空開K1，K2接于母線PT剩余繞組上；消諧控制箱置于GIS站門口，遠離GIS元件，控制箱內設有小空開K3。

消諧裝置的電氣接線原理如圖3所示。

圖3 消諧裝置電氣接線原理

6 預防PT鐵磁諧振的措施

6.1 加裝實現(xiàn)自動消諧的設備

經(jīng)與廠家協(xié)調，利用雙機全停機會，在GIS站500 kVⅠ母、Ⅱ母母線PT剩余電壓繞組二次側增加空開和非線性電阻，實現(xiàn)自動消諧。不過，采用此措施時應做好切除500 kV空載母線自動消諧失敗的事故預想和應急預案。

6.2 完善運行規(guī)程

應在運行規(guī)程中補充GIS站切除空載母線時手動投入消諧電阻的操作步序和注意事項。即在切除空載母線的倒閘操作前，進行GIS母線PT諧振危險點分析，并做好就地操作人員和NCS監(jiān)盤人員分工，明確母線電壓監(jiān)控和消諧裝置投停操作。分開待停母線最后一臺斷路器前，就地操作人員應先合上待停母線PT端子箱內K1，K2空開，再到GIS站門口，打開待停母線消諧控制箱，做好合上控制箱內K3空開，投入消諧電阻的準備。正式分開待停母線最后一臺斷路器時，通過NCS監(jiān)視待停GIS母線電壓；若母線電壓顯示到0，說明該母線沒有發(fā)生PT諧振；若母線電壓顯示不到0，且電壓波動，說明該母線發(fā)生了PT諧振。發(fā)生諧振時，應立即短時合上該母線消諧控制箱內的K3空開，投入消諧電阻，抑制諧振(間斷3次分合K3空開)。若諧振仍不消失，則消諧失敗，應通過拉開該斷路器兩側隔離開關消除諧振。倒閘操作完畢，必須斷開該母線PT端子箱內的K1，K2空開和母線消諧控制箱內的K3空開，保證母線正常運行中消諧電阻可靠退出。

7 結束語

GIS站項目初始設計階段，一定要進行GIS站母線PT鐵磁諧振仿真分析計算，同時盡可能選用勵磁特性好的PT，以確保在合閘、分閘及單相接地事故等情況下其鐵芯不易飽和，從而在工程建設中消除GIS站PT鐵磁諧振的條件，從根本上避免PT鐵磁諧振的發(fā)生。

1 劉繼軍．PT鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生原因與抑制措施[J]．電氣開關，2011，49(1):4-6.

2 賈紅琴．電磁式PT所致鐵磁諧振過電壓分析及抑制[J].高電壓技術，2000，26(1)：69-70.

3 丁志林，文 曹，賀星棋，等．500 kV大變比變壓器鐵磁諧振分析[J]．電力自動化設備，2012，32(2)：141-144.

2017-01-07；

2017-05-07。

張?zhí)?1973—)，男，高級工程師，主要從事運行管理方面的工作，email：gagsztl@163.com。

任文韜(1983—)，男，助理工程師，主要從事火電廠集控運行管理工作。