深溪沟水电站GIS电磁式VT铁磁谐振处理对策

周 勇

(国电大渡河深溪沟水电有限公司，四川汉源 625304)

1 工程概述

大渡河深溪沟水电站位于四川省汉源县和甘洛县交界处，为大渡河干流规划的第十八级电站，其上一梯级为已投运的大渡河干流中游控制型水库——瀑布沟水电站，下一级为正在建设中的枕头坝水电站。坝址以上流域面积72 900 km2，多年平均流量1 350 m3/s，水库正常蓄水位高程660 m，电站利用最大落差40 m，安装4台轴流转桨式发电机，总容量为660 MW。与瀑布沟等电站联合运行时，多年平均年发电量32.35亿kW·h，枯水期平均出力253 MW。电站枢纽建筑物主要由河床式发电厂房、左岸泄洪闸及右岸山体两条泄洪冲沙洞等组成。

深溪沟水电站发电机与主变压器组成两组扩大单元接线，发电机额定电压为15.75 kV，主变压器为成套的550 kV、额定容量375 MVA、强迫油循环水冷组合式三相油浸式双卷铜线圈电力变压器。发电机通过离相封闭母线引出与主变压器低压侧连接，主变压器高压侧直接与SF6管道母线连接，向上接布置在第三层的550 kV GIS开关设备，再采用GIS短段母线引到楼顶出线场接户外敞开式出线设备。主变压器位于主厂房下游侧的副厂房内，离相封闭母线层、主变压器层、SF6管道母线层、550 kV GIS开关设备层、户外敞开式出线设备层采用逐层上升的布置方式。550 kV设备采用角型接线方式，设计两条出线，一条出线与上游已投运的瀑布沟水电站连接，一条出线作为备用线路与下游建设中的枕头坝水电站连接。深溪沟水电站主接线图见图1。

2 事故经过和分析处理过程

2.1 事故发生经过

2011年1月5日11时，瀑布沟水电站500 kV布坡线受冰雪雨冻灾害影响，瀑布沟至眉山东坡500 kV 变电站的布坡 I、II、III、IV 四回线路相继跳闸，瀑布沟、深溪沟电站送出线路全部中断，两站与电网解列，进入孤网状态，随后机组相继停机。为满足厂用电、保证下游供水及泄洪需要，启动了深溪沟水电站2#机组，形成外来110 kV变电站电源和2#机组自供发电相互备用的厂用电运行方式。

图1 主接线示意图

1月6日，瀑布沟至眉山东坡500 kV变电站的布坡Ⅰ、Ⅱ抢修完送电后，随即对布深线充电，深溪沟站内主接线设备中相应满足环网运行的隔离刀闸合闸、接地刀闸分闸、4组断路器分闸，设备处于热备用状态。19时07分，合5004断路器进行最后的环网操作时，断路器瞬间跳闸并伴有弧光产生，故障录波报:2#主变A套保护装置差动保护跳闸、2#主变B套保护装置差动保护跳闸、DL5004跳闸;故障时故障录波录得电压有效值:A相:(一次值 =301.926 kV;二次值 =54.896 V);B 相:(一次值 =327.976 kV;二次值 =59.632 V);C 相:(一次值 =89.719 kV;二次值 =16.313 V);N 相(一次值 =378.37 kV;二次值 =68.794 V);故障时电流有效值:A相:(一次值=0.011 kA;二次值=0.004 A);B 相:(一次值 =0.003 kA;二次值=0.001 A);C 相:(一次值 =11.37 kA;二次值 =3.786 A);N 相(一 次 值 =11.37 kA;二 次 值 =3.79 A);故障后一周波电压有效值A相:(一次值 =302.689 kV;二次值 =55.034 V);B 相:(一次值 =324.3 kV;二次值 =58.964 V);C 相:(一次值 =0.924 kV;二次值 =0.168 V);N 相(一次值 =340.842 kV;二次值 =61.971 V);故障后一周波电流有效值:A相:(一次值=0.01 kA;二次值 =0.003 A);B 相:(一次值 =0.005 kA;二次值=0.002 A);C 相:(一次值 =11.644 kA;二次值=3.881 A);N相(一次值=11.659 kA;二次值=3.886 A)。故障发生后，现场检查各气室气压正常，设备外表面无弧光灼烧痕迹，避雷器无动作记录，查看故障录波记录及现场情况，初步断定C相5003断路器－5004断路器－50036隔离刀闸间某点发生接地击穿现象。

2.2 事故发生后采取的措施及处理措施

根据上述判定，决定采用气体分析仪对怀疑气室做气体成分分析，判断可能发生接地击穿的气室，缩小打开气室检查的范围。在对C相型号为JDQX8－500ZHA1(M)的电压互感器气室检查时，SOF2气体值:110 ppm;H2S气体值:110 ppm;CO气体值:785.6 ppm。C相电压互感器气室气体明显带臭鸡蛋气味，初步判定该气室气体分解物含量偏高，内部存在低能量放电或大于600℃的过热性故障而引起的固体绝缘材料受热分解，根据对气体成分进行分析的结果，决定对C相电压互感器进行整体更换。C相电压互感器更换安装后，绝缘电阻、直流电阻和变比等各项试验均合格，2011年2月23日合闸送电，对更换设备进行递升加压的方法，当机组升压至537 kV时，2B差动保护动作跳开5003DL。经查看，故障录波A相电压互感器发生同C相电压互感器相同的故障。通过试验，检查出B相电压互感器也发生相同的故障。上述情况发生后，遂决定对三相互感器均重新制作、更换，投运后设备运行正常。

2.3 C相电压互感器解体检查情况

深溪沟水电站型号为JDQX8－500ZHA1(M)的三相电压互感器安装方式为倒装。现场对C相电压互感器进行了二次引线检查，完好、无短路烧灼痕迹(图2，照片1)。拆下盆式绝缘子，吊离外罩，发现导电杆头部已部分烧蚀，绝缘盆子上有许多烧焦的粉状物，但未发现放电痕迹(图3，照片2)。

检查互感器内部没有松动位移，高压电极(屏蔽罩)与绝缘盆子连接处由于大电流而严重烧灼，高压电极与两侧屏蔽板(接地)也没有明显的放电痕迹(图4，照片3;图5，照片4)。

图2 照片1

图3 照片2

图4 照片3

拨开高压绕组到凸出部位时发现该线圈沿垂直方向线圈中心线已经裂开，深度约10 cm，宽度约3 cm，裂开处的漆包线漆膜因发热完全烧毁，漆包线烧糊粘结(图6，照片5)，绝缘筒高压绕组末端N端引出线处严重烧坏，N端引出线烧断(图7，照片6)。低压绕组未发现问题，只是引出线部分被熏黑。

2.4 C相电压互感器故障分析

图5 照片4

图6 照片5

图7 照片6

由于电压互感器高压绕组严重烧坏，漆包线的漆膜和层间绝缘所使用的带胶聚酯簿膜被烧毁，其烧焦的黑色粉末掉落在倒装电压互感器的绝缘盆子上，没有因放电而产生大量SF6气体的衍生物白色粉末，故电压互感器高压绕组是由于过热而使线圈内的带胶聚酯簿膜和漆包线的漆膜烧焦、发热膨胀致使线圈从中间部位裂开。根据这一现象，判断此次故障的原因是电磁式电压互感器铁磁谐振、产生大电流造成的。

由于冰雪雨冻灾害天气的影响，造成线路发生故障，使线路参数发生了改变，设备在开、合闸时，GCB断口间的并联电容、GIS母线的对地电容以及VT的非线性电感的影响造成线路和互感器谐振并产生谐振过电压，铁心严重磁饱和，励磁电流急剧增大，流过高压绕组的电流也急剧增大，使高压线圈内部严重发热，最终使线圈受热膨胀崩裂，导致高压绕组对地击穿。1月5日系统故障时，三相电压互感器均发生过铁磁谐振，互感器铁心产生磁饱和，磁饱和导致线圈流过大电流，大电流在线圈内部产生热量积聚损坏了线圈绝缘。事故发生时，随铁磁谐振产生的过电流使C相电压互感器内部高温过热，SF6气体受热发生气体分解，A、B两相互感器也因铁磁谐振受损、绝缘降低，却因励磁电流较小未造成如C相一样的严重程度，故在做SF6气体成份分析时A、B相没有发现异常，但在C相更换正常后对GIS设备递升加压至额定电压时仍因绝缘受损击穿而对地放电。

3 铁磁谐振产生的原因分析和对策

550 kV GIS设备在断路器断口间一般配置有改善断口电压分布特性的并联电容器。由GCB断口间的均压并联电容、GIS母线的对地电容以及VT的非线性电感所构成的串联LC回路在某种特定的场合，如母线停电操作GCB、电网瞬时接地、造成系统冲击扰动时，可能使母线上配置的电磁式VT的铁心饱和，致使一相或两相对地电压瞬间升高，使电压互感器的电压、电流幅值从正常工作状态转移到谐振状态，产生谐振过电压。产生铁磁谐振时过电压的幅值主要取决于电压互感器铁心电感的饱和程度，但励磁电流很大，达到正常电流的几百甚至上千倍，时间过长会烧毁线圈。由于铁磁谐振具有自保持的特点，在激发因素消失后，铁磁谐振过电压仍然可以继续长期存在，因此，铁磁谐振是造成GIS设备损坏的最大因素。

3.1 铁磁谐振发生的原因

以变电站的单母线接线(图8)为例，当断路器GCB2、3相继分闸、GCB1最后分闸时，电磁式电压互感器VT就可能会发生铁磁谐振。

GCB1断口配置有均压并联电容器，其二次等价回路见图9。

图8 单母线接线示意图

图9 铁磁谐振等价回路示意图

现象产生过程:

(1)GCB1断开的瞬时，GIS母线对地电容C2上残留的电荷对 L进行放电。通常情况下 ，C2一般很小(数千pF)，因此，其放电电压是一种低频振荡衰减波形。在R/L/C组成的串联回路中，当满足一定参数条件，即 R2＜4L/C时，其放电电压见图10。

图10 静电容量的放电(振荡形式)电压曲线图

C2上的放电电压和放电电流:

(2)VT的励磁特性曲线(图11)中，其电感表现为非线性，L1、L2分别为铁心非饱和状态、饱和状态时的线圈电感。励磁曲线中饱和区域的L相对非饱和区域变化很大(一般 L1约为L2的几百倍)。C2放电时，L上的电流变化趋势见图12。VT的工作循环为:O→A→B→A→O→C→D→C→O。

图11 VT的励磁特性示意图

图12 C2放电时L上的电流示意图

(3)GCB断开后，L上会承受由电源 E产生的感应电压，数值为E·C1/(C1+C2)，其与(1)中的振荡衰减波形将进行叠加并补偿衰减的振荡电压，若该感应电压足够大且其相位在某一时刻恰与衰减的低频电压相位相近时，就有可能使低频电压的幅值升高且持续存在，即 VT发生了铁磁谐振。此时谐振表现为分频谐振，谐振频率一般为1/3、1/5、1/7倍工频(图13)，过电压倍数较低，一般不超过2.5倍相电压。但谐振过电流很大，可达正常额定电流几百倍甚至更高，这也是造成(照片5)电压互感器一次线圈烧损崩裂的原因。

图13 分频谐振图

3.2 铁磁谐振产生时的防范对策

(1)VT二次侧接入可饱和电抗器。

如图9所示，结合C1、C2的数值，合理设计其内部电阻。当GCB断开后，附加电阻在低频电压时先于VT之前饱和，附加电阻消耗低频电压的能量，从而抑制铁磁共振的发生。经咨询GIS设备生产厂家，目前，实际应用中因在GIS母线的对地电容计算上存在着较大的问题，该方法还没有应用在实践上。

(2)通过操作开关消除谐振。

发生铁磁谐振的工况是属于特殊类型的运行方式。谐振发生时，将 VT近侧的 DS开关分闸，相当于在等价回路中接入一个非常小的C'，即可消除谐振。在实际操作中，基本采用操作隔离刀闸的分合进行灭磁，以达到消除铁磁谐振的目的(图14)。

图14 消谐操作示意图

4 结语

电力系统500 kV设备运行操作改变运行方式时，应选择好合理的运行方式和操作方式，注意倒闸操作中的操作步骤，特别是投入空母线中的电磁式电压互感器时，应从操作程序上防止断路器断口均压电容与母线电压互感器发生串联铁磁谐振过电压。运行操作电压互感器时，应密切监视电压的幅值变化，当有谐振过电压产生时，及时的分合相邻的隔离刀闸进行消谐，防止谐振过电压的发生，避免造成绝缘薄弱环节击穿、避雷器爆炸和母线电压互感器过流烧毁等严重设备损坏事故。