500kV GIS隔离开关操作产生 VFTO的研究

2010-09-04金华峰

湖南电力 2010年1期

金华峰

(1.重庆大唐国际彭水水电开发有限公司,重庆彭水 409600;2.重庆大学,重庆 400044)

GIS以其占地面积小,运行稳定和维护方便等优点,被广泛应用于电力系统中。但在断路器合闸前,带电侧隔离开关切合 GIS短管用时由于隔离开关运动速度太慢、隔离开关断口间电弧不断重燃和熄灭,可重复几百次以上;另外被开断和合闸的GIS管道很短,行波的折反射很快,过电压的频率极高、波头很陡,会形成纳秒级 (3～100 ns)的电压突升或跌落,并在 GIS管线中产生行波,导致高频振荡的 VFTO产生。大多数情况下最高过电压峰值在 1.5～2.5 p.u。

对于频率很高的 VFTO,当经变压器或线路供电的电源侧管母线不长,隔离开关投切过程中电弧重燃时,产生的过电压振荡频率在几兆赫兹左右;电弧熄灭时,振荡频率达几十兆赫兹。由于过电压的频率高,陡度大,对与 GIS直接连接的变压器绕组绝缘具有威胁,会引起绕组匝间或饼间电压分布极不均匀而使绕组的绝缘损坏,由于上升速度极快的过电压,避雷器保护范围小,限压作用较差。VFTO的波形中含有多个振荡频率,若 VFTO含有的振荡频率位于变压器的某些频率的谐振点,还可能产生谐振过电压。

文中通过建立 GIS系统仿真模型,利用电磁暂态仿真软件 ATP-EMTP,研究计算隔离开关在 3种不同操作方式时在主变压器线圈上引起的VFTO,分析 GIS绝缘性能,可有效提高 GIS运行可靠性。

1 仿真计算模型和基本数据

水电站 500 kV升压站接线方案见图 1。升压站采用 GIS接线,接线方式为双母线接线。工程建设 2条出线:水张一线和水张二线,设有 5台变压器:即 1～5号主变。2条 GIS母线采用母联断路器相连。

图 1 水电站 500 kV升压站主接线图

文中基于电磁暂态仿真软件 ATP-EMTP,系统分析建立 500k V升压站 VFTO计算模型。计算中根据具体的操作方式,将升压站内部的变压器、线路、母线、连接线和电气设备作为一个网络整体来考虑,这样更加符合现场的实际情况。

1.1 计算模型

(1)变压器

变压器采用电感 -电容 -电阻所组成的链形回路,变压器本体的模型见图 2,参数如下:变压器绕组与变压器外壳之间:高压对油箱 610 pF,低压对铁芯 9450p F;变压器绕击匝间电容:高压124pF,低压 3800pF;变压器绕组间电容:2 130 pF;每相绕组有 2个线圈,高压 917匝,低压 52匝;高压套管及其连接段的电感:10.5μH,高频下等效电阻 4Ω。高压线圈按 10个线饼考虑。

(2)母线

采用无损耗分布参数输电线路,从实际的尺寸来计算波阻抗,波阻抗 Z为

式中 b为母线筒内径;a为母线导电杆外径。

(3)断路器

把断路器分成许多段,因其开断,用分级电容来连接它们。也可用一个等效于全体分级电容串联组合的电容器去连接母线,从断路器的实际尺寸来计算各段的参数。

GIS管线段采用单相分布参数模型。断路器为分级电容模型。考虑了 GIS避雷器在高频下的电容,以符合避雷器的陡波特性。

(4)隔离开关

合闸状态采用等长母线的分布参数模拟,分闸状态用断口表示。对于操作中的隔离开关,通常用下式表示动态的弧道电阻:

式中 Rs=0.5Ω,R0=1 012Ω,T=1 ns。

由式 (2)可知,在 25ns的时间内,弧道电阻已由百万欧姆级下降到 10Ω。

(5)架空线

采用分布参数模型,依据架空线型号选取波阻抗值,计算 VFTO时认为架空线无限长,因此架空线终端用一个阻值等于线路波阻抗的电阻模拟,此时架空线的终端将不存在行波的折反射。

(6)套管、接地开关、柱式绝缘子、电容式电压互感器均简化为集中参数的等值对地电容。

计算中所采用的 MOA参数见表 1。母线、线路和变压器侧的 MOA的额定电压均为 444kV。

表 1 MOA的伏安特性 p.u

图 2 变压器的模拟

1.2 VFTO的计算

GIS的隔离开关有以下 3种操作方式会在变压器的线圈饼间产生 VFTO,威胁变压器的绝缘。

(1)母线侧隔离开关操作 (方式 1)

方式 1的隔离开关操作电气接线示意图见图3。母线经线路带电,变压器侧隔离开关 DS83已合上,断路器 CB81处于断开位置,GIS断路器至母线隔离开关之间的管道有 1.0p.u的残余电荷;避雷器按方式 2布置。

图 3 方式 1隔离开关操作电气接线示意图

方式 1下母线隔离开关 DS81闭合操作中多次重燃产生的 VFTO通过断路器均压电容传递到变压器上。变压器管线支路的 VFTO过电压见表 2。计算出的变压器绕组端部对地和匝间 VFTO分别见表3和表 4。变压器绕组端部对地和绕组饼间的VFTO电压波形分别见图 4和图 5。

(2)母线带电,变压器侧的隔离开关操作(方式 2)

图 4 方式 1隔离开关闭合操作,变压器绕组端部对地 VFTO电压波形

方式 2的隔离开关操作电气接线示意图见图6。母线Ⅰ经线路带电,母线Ⅰ侧隔离开关 DS81已合上,断路器 CB81处于断开位置,通过断路器CB81断口均压电容供电,变压器侧的隔离开关DS83闭合操作中多次重燃产生的 VFTO传递到变压器上。计算时考虑 GIS断路器至 DS83隔离开关之间的管道有 1.0p.u的残余电荷;避雷器按方式2布置。

隔离开关 DS83闭合操作中多次重燃产生的VFTO直接传递到变压器上。变压器管线支路的VFTO过电压参见表 2。计算出的变压器绕组端部对地和匝间 VFTO分别参见表 3和表 4。变压器绕组端部对地和绕组饼间的 VFTO电压波形分别见图7和图 8。

(3)变压器带电,变压器侧的隔离开关操作(方式 3)

方式 3的隔离开关操作电气接线示意图见图9。发电机对变压器单元充电,母线Ⅰ侧隔离开关DS81和断路器 CB81处于断开位置,变压器侧的隔离开关 DS83闭合操作中多次重燃产生的 VFTO传递到变压器上。计算时考虑 GIS断路器 CB81至DS83隔离开关之间的管道有 1.0 p.u的残余电荷;避雷器按方式 2布置。

隔离开关 DS83闭合操作中多次重燃产生的VFTO直接传递到变压器上。变压器管线支路的VFTO过电压见表 2。计算出的变压器绕组端部对地和匝间 VFTO分别见表 3和表 4。变压器绕组端部对地和绕组饼间的 VFTO电压波形分别见图 10和图 11。

表 2 变压器支路切合短管线过电压 kV

2 VFTO计算结果的分析

隔离开关闭合产生的纳秒级的 VFTO,进入变压器作用在绕组上时,计算出 3种方式下的振荡频率为 2.8 MHz。

3种运行方式下计算出的变压器绕组各饼对地过电压和纵向 VFTO电压,VFTO比较见图 12和13。绕组最大对地过电压为 2.56p.u,即 1 150 kV峰值;绕组的第一饼的 VFTO过电压为 1.2 p.u,即 542k V,为全波雷电冲击电压 1 550 kV的 35%,均为方式 3下隔离开关 DS83闭合操作产生。方式2高于方式 1。方式 2的绕组最大对地过电压为1.39 p.u,即 625 kV峰值;绕组的第一饼的 VFTO过电压为 0.61 p.u,即 275 kV,为全波雷电冲击电压 1 550 kV的 17%。

方式 1和 2下避雷器均未动作,避雷器的布置对 VFTO的大小无影响;方式 3下避雷器若按方式1布置,线圈的 VFTO将增加。

500kV变压器若采用一般的纠结式绕组结构,在 1 550 kV全波冲击电压作用下,高压端 1～3个线饼的最大梯度电压大约为 7%～9%左右,以 9%计为 139 kV,则 VFTO允许值为 417 kV。方式 1和2的 1～3个线饼的最大梯度电压在允许范围内,方式 3超过允许值,要避免方式 3的操作。