550 kV GIS電站VFTO研究

曾健，孟維東，魏俊梅

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安 710048；2.特變電工中發(fā)上海高壓開關(guān)有限公司，上海 201499）

電力工業(yè)是一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。隨著各國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，對電網(wǎng)建設(shè)也提出了更高的要求，建設(shè)更為高效，更加堅強(qiáng)可靠的拓?fù)浠娋W(wǎng)，保證電源的可靠供應(yīng)是各國電網(wǎng)建設(shè)的重中之重[1-5]。

500 kV等級電網(wǎng)是中國電網(wǎng)的骨干網(wǎng)架，550 kV GIS設(shè)備由于其占地面積小，維修周期長，耐候性好，可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)而在500 kV等級電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。

在550 kV GIS設(shè)備中，隔離開關(guān)是操作最頻繁的元件，如母線的投入或隔離，進(jìn)出線路的投入或隔離，或維修元件如斷路器的投入或隔離等。當(dāng)隔離開關(guān)被操作時，其動靜觸頭間會發(fā)生多次重?fù)舸?，每一次擊穿都可能產(chǎn)生非常快速暫態(tài)過電壓（簡稱VFTO）。根據(jù)相關(guān)研究[6]，VFTO幅值可能達(dá)到設(shè)備額定運(yùn)行電壓峰值的2.5～3倍，且其具有納秒級的電壓變化率并伴隨有高頻震蕩。一般說來，VFTO的危害有：①對GIS設(shè)備自身的絕緣破壞；②對變壓器等繞組類設(shè)備的絕緣破壞；③對低壓設(shè)備的高頻電磁干擾等。因此，隔離開關(guān)操作所引起的VFTO現(xiàn)象應(yīng)得到電站維修運(yùn)行人員充分的重視。

本文結(jié)合中國某550 kV GIS電站具體工程應(yīng)用，對550 kV隔離開關(guān)操作引起的VFTO進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，計算結(jié)果表明該電站隔離開關(guān)操作引起的VFTO不會對550 kV GIS的絕緣性能造成損壞，為調(diào)度人員安全可靠操作隔離開關(guān)提供了理論參考，同時也為后續(xù)550 kV變壓器在VFTO作用下的絕緣可靠性分析提供了輸入數(shù)據(jù)。

1 550 kV GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)及參數(shù)

550 kV GIS設(shè)備總體結(jié)構(gòu)為三相分箱式，典型間隔布置見圖1，主要元件斷路器、電流互感器、隔離開關(guān)、母線、快速接地開關(guān)及套管等均采用標(biāo)準(zhǔn)化組件，整體GIS設(shè)備積木式布置，結(jié)構(gòu)靈活，可滿足雙母線、雙母線分?jǐn)唷⒍种泳€、三分之四接線等多種接線方式要求。

550 kV GIS的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 550 kV GIS典型間隔Fig.1 A typical bay of the 550 kV GIS

表1 550 kV GIS主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of the 550 kV GIS

2 550 kV GIS電站VFTO仿真

隔離開關(guān)操作引起的VFTO特性與電站布置方式、高壓設(shè)備元件的暫態(tài)特性、母線上的殘壓、隔離開關(guān)操作方式等眾多因素有關(guān)。

某550 kV GIS電站采用最為經(jīng)典的二分之三接線，其單線圖見圖2。具體的GIS布置見圖3。

圖2 某550 kV電站單線圖Fig.2 A single line diagram of a certain 550 kV substation

圖3 某550 kV電站GIS布置Fig.3 GIS Layout of the 550 kV substation

針對該550 kV GIS電站的具體布置，應(yīng)用電磁暫態(tài)程序ATP對該電站隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的VTTO進(jìn)行了仿真分析。

考慮最苛刻工況，一線一變工況，具體見圖4，紅色路徑為帶電路徑，橢圓內(nèi)的隔離開關(guān)為被操作的隔離開關(guān)，假設(shè)隔離開關(guān)靜側(cè)的短母線帶有殘余電壓-1 pu（550×1.414/1.732=450 kV），假定關(guān)合時動靜觸頭間擊穿發(fā)生在電源電壓峰值處。主要監(jiān)測被操作隔離開關(guān)動靜兩側(cè)（測量點(diǎn)1和測量點(diǎn)2）、變壓器入口處（測量點(diǎn)3）和套管出線處（測量點(diǎn)4）的VFTO。對應(yīng)的計算模型見圖5。計算線路中忽略了高壓母線及高壓設(shè)備的高頻電阻，用到設(shè)備的等值模型及相關(guān)參數(shù)及見表2。

圖4 計算工況（操作隔離見圖中橢圓部分，各監(jiān)測點(diǎn)見圖中三角部分）Fig.4 Calculation conditions（operation isolation shown in the oval section，the monitoring points shown in the triangle of the figure）

圖5 550 kV GIS電站VFTO仿真線路圖Fig.5 The VFTO simulation circuit diagram of the 550 kV GIS substation

表2 用于VFTO計算分析的參數(shù)Tab.2 Parameters used in the VFTO calculation and analysis

由于該550 kV GIS電站A、B、C三相母線長度略有不同，因此對A、B、C三相的VFTO分別進(jìn)行計算。B相各監(jiān)測點(diǎn)的計算結(jié)果分別見圖6～圖11， A、C兩相的計算結(jié)果圖形大致與此類似，在此就不再冗贅給出。

圖6 操作隔離開關(guān)107-89 DS動側(cè)的VFTO（point1，時長2 μs）Fig.6 Operation of the isolation switch moving VFTO（point1，duration 2μs）

圖7 操作隔離開關(guān)靜側(cè)的VFTO（point2，時長20μs）Fig.7 Operation of the isolation switch static VFTO（point2，duration 20μs）

圖8 Transformer entrance VFTO（point3，時長20μs）Fig.8 VFTO at the entrance of the transformer（point3，duration 20μs）

圖9 變壓器入口處的VFTO（point4，時長2 μs）Fig.9 TransformerentranceVFTO（point4，duration2μs）

圖10 GIS出線套管處（point5，時長20μs）Fig.10 VGIS outlet casing（point5，duration 20μs）

對應(yīng)A、B、C三相，5個監(jiān)測點(diǎn)的電壓最大值對比見表3。

表3 關(guān)鍵部位VFTO電壓最大值Tab.3 VFTO maximum voltage of the key parts

由圖6～圖10及表3可知，該550kV GIS電站操作隔離開關(guān)產(chǎn)生的VFTO最大值為749.32kV，發(fā)生在主變?nèi)肟谔帯?/p>

該電站550kV GIS設(shè)備對地雷電沖擊耐受電壓1675kV。對比表3中各點(diǎn)的VFTO幅值可知，該電站550 kV隔離開關(guān)操作引起的VFTO不會對550kV GIS設(shè)備絕緣造成任何破壞。

4 結(jié)語

本文針對中國某具體550 kV GIS電站布置，對隔離開關(guān)操作引起的VFTO進(jìn)行了相關(guān)研究，得到的結(jié)論有：

1）在一線一變最苛刻工況下，操作隔離開關(guān)引起的VFTO幅值最大值為749.32 kV，發(fā)生在主變?nèi)肟谔帯?/p>

2）該550 kV電站GIS設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓水平為1 675 kV，遠(yuǎn)高于隔離開關(guān)操作引起的VFTO，因此該電站操作隔離開關(guān)引起的VFTO不會對其GIS的絕緣性能造成任何破壞。

3）本文計算結(jié)果為該GIS電站運(yùn)行調(diào)度人員安全可靠操作隔離開關(guān)提供了理論參考，并為后續(xù)550 kV變壓器在VFTO作用下的絕緣可靠性分析提供了輸入數(shù)據(jù)。

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