發(fā)電廠500 kV GIS升壓站主變壓器合閘過電壓分析

(大唐水電科學技術研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulated switchgear，GIS)以其占地面積小、運行穩(wěn)定和維護方便等優(yōu)點，被廣泛應用于電力系統(tǒng)中[1-5]。在GIS斷路器、隔離開關操作過程中會形成快速瞬態(tài)過電壓(very fast transient overvoltage,VFTO)，快速暫態(tài)過電壓的特點是幅值大、波頭陡、時間短[6-9]。

對于發(fā)電廠GIS升壓站，其封閉化程度更高，從變壓器高壓側至出線均采用GIS管道連接，因此GIS操作過程中所產生的暫態(tài)過程更加復雜[10-11]。對于GIS操作過程中出現的故障，在未獲得暫態(tài)過電壓信息的情況下，通常采用仿真手段進行事后分析。開展GIS升壓站暫態(tài)過程分析的關鍵在于建立等效分布參數模型[12-16]，尤其是GIS和變壓器的分布參數模型。

下面以某發(fā)電廠500 kV GIS升壓站主變壓器合閘時發(fā)生的變壓器高壓繞組絕緣擊穿事故為分析對象，采用電磁暫態(tài)分析軟件ATP-EMTP建立發(fā)電廠一次設備分布參數模型，對于GIS采用單芯電纜模擬，對于變壓器建立繞組梯形等值電路，對各種工況下的主變壓器合閘過電壓進行量化計算。分析表明該發(fā)電廠GIS合空載變壓器所產生的過電壓未超過主變壓器理論耐受值，且主變壓器繞組故障特征不符合VFTO擊穿現象，過電壓不是導致主變壓器絕緣事故的根本原因。

1 故障簡介

某發(fā)電廠在完成500 kV 4號主變壓器年度檢修和預防性試驗后，對4號主變壓器恢復送電。4號主變壓器合閘前1號機組運行，2、3、5號機組備用，500 kV Ⅰ、Ⅱ組母線運行，500 kV第一串、第三串合環(huán)運行，4號主變壓器兩側斷路器熱備用，兩回出線下網負荷為430 MW，40 Mvar，電廠一次設備主接線如圖1所示。

圖1 電廠一次設備接線

在合上2號斷路器時，4號主變壓器保護動作，斷路器跳閘。跳閘原因為合閘時刻4號主變壓器A相高壓繞組絕緣故障。4號主變壓器A相結構如圖2所示，解體后4號主變壓器高壓繞組絕緣擊穿情況如圖3所示。

從圖3高壓繞組絕緣損壞情況可知：

1)高壓繞組發(fā)生絕緣貫穿性擊穿而非局部擊穿；

2)高壓繞組下半部分絕緣損壞較上半部分嚴重，其中尾端損壞最嚴重；

3)高壓繞組首端絕緣損壞程度較輕，最上端基本完好。

2 仿真模型的建立

建立變壓器合閘過電壓電磁暫態(tài)分析模型，首先是建立整體模型，該模型中變壓器采用集中參數加分布電容模擬；其次建立變壓器梯形等值電路，實現對變壓器內部過電壓的模擬。

(a)變壓器外觀

(b)變壓器繞組和套管圖2 變壓器結構

(a)高壓火線出頭往右第1-8檔內側導線絕緣碳化情況

(b)下端部導線扭曲變形情況圖3 高壓繞組絕緣損壞情況

GIS由單芯電纜模擬，變壓器由單相雙繞組變壓器組合而成，變壓器高壓側入口電容為1070 pF(廠家提供數據)；因快速瞬態(tài)過電壓分析中分布電容對分析結果的影響較大，在分析中充分考慮GIS母線、變壓器套管、繞組對地及繞組之間的電容分布；次要電容根據廠家提供參數(如表1所示)進行設置。

表1 次要電容值

為了對變壓器內部波過程進行分析，需要建立繞組梯形等值電路。對于多繞組變壓器，應對繞組分布電容參數進行提取[17-18]，建立的梯形等值電路[19-20]示意圖見圖4。

圖4 變壓器繞組梯形等值電路

圖4中，高壓繞組、低壓繞組單位長度的電感分別用L1、L2表示；高壓繞組、低壓繞組單位長度對地電容分別用C1、C2表示；編號相同的單位長度高壓、低壓繞組之間的互容用C3表示；編號相鄰的單位長度高壓、低壓繞組之間的互容用λC3表示。

用X表示高低壓繞組的高度，建立高壓繞組電感L高、低壓繞組電感L低、高壓繞組對地電容C高、低壓繞組對地電容C低、高壓繞組和低壓繞組互容C高-低、高壓繞組縱向電容K高、低壓繞組總的縱向電容K低，建立等式(1)如下：

(1)

根據變壓器出廠試驗結果，變壓器部分電容測試值如表2所示，根據實測值建立變壓器繞組梯形等值電路及升壓站過電壓仿真模型如圖5所示。

表2 4號主變壓器電容量測試值

圖5變壓器梯形等值電路中，在高壓繞組從上至下依次排列11個測試點，測試點1設置于高壓繞組的入口處，測試點11設置于高壓繞組尾端。

3 合閘時變壓器入口處的過電壓

在不同的合閘時刻(合閘時刻A相相角不同)，對應的最大過電壓如表3所示。

表3 不同合閘時刻的過電壓

為了盡可能尋找合閘時刻最大過電壓幅值，在對A相相角[5，55]區(qū)間每隔5°細化，計算得到合閘過電壓如表4所示。

圖5 變壓器繞組梯形等值電路及升壓站過電壓仿真模型

表4 A相相角[5，55]區(qū)間的合閘過電壓

對應表4中A相相角為35°時，合閘過電壓波形如圖6所示。

(a)三相電壓波形

(b)B相電壓波形放大圖6 A相相角為95°時的合閘過電壓波形

仿真分析小結：

1)當變壓器合閘操作過程中未出現電弧時，產生的最大操作過電壓幅值為898 kV，小于變壓器操作沖擊耐受電壓1175 kV及其雷電過電壓耐受值1550 kV；

2)合閘過電壓波頭陡，上升時間約0.6 μs。

4 合閘時變壓器繞組內部的過電壓

計算得到各個測試點及測試點間的電壓波形如圖7所示。

從變壓器繞組匝間承受電壓波形可知：

1)首端繞組承受電壓幅值最大，繞組間承受的過電壓幅值并非從上至下依次遞減，而是呈現先減小后增加的規(guī)律；

(a)各個測試點電壓波形

(b)兩測試點之間的電位差波形圖7 繞組內部電壓分布

2)首端繞組承受電壓幅值高但是波頭陡，尾端繞組承受電壓相對較低但是波頭較緩；

3)變壓器首端和尾端繞組承受沖擊電壓時損壞概率大于中間繞組。

5 結 語

1)4號主變壓器合閘時未出現超過變壓器理論耐受能力的過電壓，過電壓不是造成變壓器事故的根本原因，僅是主變壓器繞組絕緣損壞的誘因。

2)從繞組內部電壓分布來看，首端繞組匝間承受的過電壓高于繞組其他部分，但其為陡波，或許會造成繞組間匝間局部絕緣擊穿，但不會造成繞組絕緣貫穿性擊穿；變壓器尾端繞組承受的電壓幅值雖然較首端繞組低，但其波頭較平緩可造成更大面積的絕緣損壞。

3)變壓器繞組實際擊穿情況為首端完好、尾端損壞嚴重，可知變壓器繞組絕緣材料具備耐受高幅值陡波沖擊的能力，但已無法承受波頭平緩的低幅值過電壓，繞組材料存在絕緣缺陷。

4)電力設備在運行狀態(tài)改變時不可避免地存在電壓波動，電壓波動會造成電壓升高，但是任何一次設備均有承受一定幅值過電壓的能力，不應將設備在運行狀態(tài)改變時發(fā)生的故障簡單歸因于過電壓。