核电主变启动试验异常放电原因分析及处理

朱兴文,衣兰妹,原　玉

(华能山东石岛湾核电有限公司,山东 荣成 264312)



核电主变启动试验异常放电原因分析及处理

朱兴文,衣兰妹,原玉

(华能山东石岛湾核电有限公司,山东 荣成 264312)

以某核电站在进行主变启动试验时发生高压套管末屏异常放电现象为例,介绍了主变启动试验异常放电的发生过程,以及从快速暂态过电压和变压器高压套管末屏结构角度,查找异常放电原因,评估了异常放电带来的风险,并提出了相应的处理措施。

核电主变;启动试验;套管末屏;异常放电;暂态过电压

主变压器是核电厂最重要的设备之一,在核电站安全运行中发挥着不可或缺的作用。某单机容量百万千瓦核电站3号主变为保定天威保变电气股份有限公司生产的3台单相变压器,高压侧经GIC(气体绝缘封闭式输电管道)与500 kV开关站GIS(气体绝缘封闭式组合开关)设备相连接,中性点采用直接接地方式。根据《GB 50150-2006电气装置安装工程电气设备交接试验标准》规定要求,主变启动试验的主要内容是变压器5次冲击合闸试验,以验证变压器的相关性能,并进行相关参数的测试。本文以该主变启动试验为例,分析了高压套管末屏放电现象产生的原因及带来的风险,并提出了相应的处理措施。

1　试验过程

2014年8月24日19时,按照试验程序进行3号主变启动试验。为收集相关信息,在主变冲击合闸试验的同时,测量A、B、C三相的操作过电压和激磁电流,测量方式是从主变A、B、C三相高压套管末屏抽取电压、电流信号。主变充电一次简图如图1所示。

图1　3号主变充电一次简图

当程序执行到合GEW441JS隔离开关时(GEW420JA断路器处于断位,见图1),3号主变C相高压套管根部(法兰处)发生异常放电声响,遂怀疑高压套管末屏处发生异常放电,于是停止下一步合GEW420JA断路器操作,并启动程序往回退,拉开GEW441JS隔离开关,并观察套管末屏状态。

当拉开GEW441JS隔离开关时,调试人员听到主变A、B、C三相高压套管发出放电声响,其中C相高压套管末屏处可看到有清晰的蓝色放电火花,同时接在高压套管末屏的现场试验仪器测到的一次过电压最高峰值为1069 kV。

2　异常放电原因分析

由试验过程可知,当试验执行到合GEW441JS隔离开关时,A、B、C三相高压套管末屏处产生异常放电,而此时GEW420JA断路器并未合闸,主变并未真正充电,与此同时连接在高压套管末屏处的试验仪器检测到有过电压产生。因此,分析其原因应从过电压产生机制和高压套管末屏结构两个方面着手。

2.1过电压产生原因分析

主变高压侧连接GIC与500 kV开关站GIS设备,各带电体对外壳的分布电容无所不在,开关断口间也有电容耦合,GIS断路器分布电容如图2所示。

图2　GEW420JA分布电容示意图

GEW420JA断路器虽然未合闸,但电压已通过分布电容进行了分配,也就是常说的感应电压。由于GIC和GIS的结构紧凑,且GEW441JS隔离开关到主变高压套管出口距离较长(约500 m),因此这一感应电压的强度要远高于AIS(空气绝缘的敞开式开关设备)。在稳态时,不会产生过电压,但当带电侧隔离开关切合其与断路器之间的GIS短管道时,会形成ns级的电压突升或跌落,并在GIS管线中产生行波,导致高频振荡的特快速瞬态过电压(VFTO)[1]。

暂态过电压产生的主要原因:一是GIS管道的泄露电阻几乎无穷大,残余电压较高,而隔离开关操作速度较慢(约7～10个周波)[2],在GIS断路器处于开断状态下,当隔离开关合、切很小的容性电流时,随着隔离开关动、静触头间隙距离逐渐缩短,当触头间电压差值超过隔离开关断口间耐受电压时,隔离开关就会发生间隙击穿并形成电弧,因隔离开关的分合速度太慢,所以导致电弧重燃和熄灭在隔离开关的每一次操作过程中将发生数百次之多;二是被开断和合闸的GIS管道很短,行波折、反射进程很快,过电压的频率极高,波头很陡,范围在3～100 ns。

隔离开关的合、分闸都会产生快速瞬态过电压,由于SF6绝缘的极性效应,隔离开关分闸操作的VFTO幅值一般要大于其合闸操作产生的VFTO[3]。多数情况下,最高过电压峰值在1.5～2.5 p.u,极少可能超过3.0 p.u。

开、合GEW441JS隔离开关产生的快速暂态过电压波形图如图3、图4所示。

图3　隔离开关GEW441JS分闸VFTO波形图

图4　隔离开关GEW441JS合闸VFTO波形图

在开、合GEW442JS隔离开关时,都有暂态过电压产生,且该电压都会施加到主变高压套管和绕组上。VFTO过电压以行波的形式在GIS中传播,因高频电流的集肤效应使VFTO电磁波起初被限制在内部导体的外表面和GIS外壳的内表面传播。当传播到终端套管等外壳断连处时,由于波的耦合、折反射、谐振等作用,因此在GIS外壳上引起暂态的电位升高[4]。

2.2套管末屏处异常放电分析

通过前面的分析可知:开、合441JS相当于给连接到主变高压套管的这段GIS的分布电容充、放电,从而产生快速暂态过电压(VFTO),这一电压会施加到主变高压套管和高压绕组上。尽管GIS外壳已接地,但其暂态过程频率很高,接地引下线和地网呈现出高阻抗特性,故不能有效地保持外壳的零电位,而会呈现一个相当可观数值的外壳电位。GIS内部暂态在GIS筒体间断处可反映到筒体外壳,若外壳通过引下线接地,则暂态波将在接地处进行折反射;另一方面进入地线的暂态波到达参考零点产生负反射,返回到外壳接地点亦将使波幅上升,因此在GIS 外壳上瞬间也会快速产生暂态过电压(VFTO)。下面结合主变套管末屏结构特点对异常放电发生在套管末屏处的原因逐一进行解析。

主变高压套管结构如图5所示。围绕套管芯柱(导体)包着一层层电容屏(铝箔),每两层电容屏之间是浸胶绝缘纸,因而称为胶纸电容型套管。靠近外壳的最后一层电容屏称之为末屏[5]。末屏上有一导线,通过末屏小套管引出。正常运行时,末屏通过专用的末屏金属帽与套管法兰相连接地,末屏电位与法兰电位一致称为地电位,如图6所示。

图5　主变高压套管结构示意图

图6　高压套管末屏结构

2.2.1末屏测量回路连接接触不良

由于要测量操作过电压和激磁电流,因此冲击试验前把A、B、C三相的高压套管末屏打开,接入了一个测量阻抗,以便抽取电压、电流信号。末屏接入电压电流信号抽取装置,相当于末屏与地之间串入一个外加的阻抗,而且信号抽取装置内部的连接虚实和外部连线的接触不良,都将导致末屏开路或不稳定开路,以及末屏电位悬浮。在开、合GEW441JS时,产生的暂态过电压可使末屏产生过高的电位,造成末屏对地(末屏护套)放电,或引起测量阻抗接触不良点发生悬浮电位放电。但从图6所示的末屏芯线连接方式可见,末屏测量回路接触不良或断开的概率很小,且在发生异常放电时,试验仪器完整地录下了开、合GEW441JS隔离开关时产生的暂态过电压波形和幅值(见图3、图4),这在一定程度上反证了末屏测量回路连接良好,所以基本排除末屏测量回路连接接触不良的原因。

2.2.2避雷器放电

主变出口连接GIS系统,高压套管上半部封闭在GIS气室中,外壳接地点在GEW(主开关站系统),高压套管下半部浸在主变绝缘油中,主变外壳接地点在GEV(输变电系统)。因此,高压套管外部法兰上半节和下半节的接地点不同,上、下法兰间有一层绝缘垫,并接有保护避雷器,如图7所示。

图7　高压套管外部法兰结构

当GEW441JS隔离开关开、合时,产生前沿很陡的暂态电压波,GIS采用同轴圆筒式结构,具有良好高频传输特性,当母线上流过前沿很陡的暂态电流时,则会以波的形式传播。暂态电流的等值频率很高,强烈的集肤效应使电流波仅沿母线的外表层以及外壳的内表层传输,并不反映到筒体外壁,只在GIS筒体发生间断处才可通过折射反映到筒体外壁,从而引起暂态地电位升高。由于上、下法兰暂态过电压都能感应出较高电压,以及高压套管外部法兰上半节和下半节的接地点不同,因此造成了上、下法兰的地电位升高值不同,从而产生电位差,以致造成上、下法兰间的保护避雷器放电。所以说避雷器放电是末屏处“异常放电”的原因之一。

不过从图7可清楚的看到,避雷器的放电阀片密封在外壳中,即使放电也不会有闪光和发出声响,因此避雷器放电这个因素可以排除。

2.2.3末屏外护套对芯线放电

当开、合GEW441JS隔离开关时,下法兰因暂态过电压将感应出较高电压,套管外壳地电位升高,瞬时可达几万至十几万伏。末屏因为要进行过电压测量而打开,末屏芯线电位被测量阻抗限定,只有几十伏,基本上可认为是零电位。而末屏护套与下法兰是一体的,所以末屏护套电位与下法兰一致,高达几万伏,因而造成末屏外护套对芯线放电,这种现象称之为“反击”[6]。

测量装置的连接方式虽然保证了连接的可靠性,但也使原本不大的空气间隙变小了,芯线连接的固定螺丝最近处离末屏护套只有几毫米,极易被较高电压击穿。因此,高压套管末屏处可见放电闪光的异常放电的原因应是套管法兰地电位升高对末屏芯线的“反击”而造成。

3　异常放电风险评估及处理

3.1异常放电风险评估

合GEW441JS隔离开关时,发现异常放电,但感应电压能量有限,因此瞬时放电可将其能量释放。若合GEW420JA断路器时出现过电压,且系统的电流较大,则会出现连续不断的放电。瞬时一次低能量的放电也许不足以打坏末屏,但多次高能量放电将会大大增加末屏绝缘被击穿的概率,测量装置本身的放电二极管保护也会被轻易击穿,从而损坏测量装置。

通过以上分析,可得出末屏异常放电的主要风险有:

1) 能造成末屏击穿,导致高压套管报废。

2) 放电二极管保护被击穿,测量仪器损坏。

3.2异常放电处理措施

通过以上风险分析可知:风险的产生是由于末屏打开带来的,即不管末屏测量回路连接是否可靠,由于“反击”的存在,在冲击合闸时,末屏放电和被击穿的风险总是存在。因此,GIS出口的主变在全电压合闸的情况下,打开末屏进行任何测量都是不可取的。当然,在常规试验时,电压从零升起的情况下(如局放测量),从末屏取信号是可行的,因为没有暂态过程。

为避免异常放电风险,在重新进行主变启动试验前,应采取以下措施:

1) 取消从末屏取信号的操作过电压测量,并把高压套管末屏按安装规范接地。

2) 进行A、B、C三相高压套管末屏介损和绝缘电阻测量,确认末屏无损伤。

4　结　语

对于核电站安装的带有GIS出口的变压器,不允许在全电压合闸的工况下打开高压套管末屏进行任何参数测量。如电网要求主变送电时必须进行相关测量,为避免变压器高压套管末屏放电,可采取以下方式:

1) 通过电容式电压互感器(如有安装的话)或另接专用的电容分压器。

2) 在末屏处装配合适、可靠的放电保护间隙。

3) 在接线时用绝缘材料包裹套管末屏。

[1] 金华峰.500 kV GIS隔离开关操作产生VFTO的研究[J].湖南电力,2010,30(1):11-15.

JIN Huafeng. Study on very fast transient overvoltage caused by operating 500 kV GIS disconnector[J]. Hunan Electric Power, 2010,30(1):11-15.

[2] 韩彬,林集明,班连庚,等.隔离开关操作速度对特快速瞬态过电压的影响[J].中国电机工程学报,2011,31(31):12-17.HAN Bin, LIN Jiming, BAN Liangeng, et al. Analysis on the influence of the switching speed of disconnector on very fast transient overvoltage [J]. roceedings of the CSEE, 2011,31(31):12-17.

[3] 刘青.隔离开关不同操作方式产生的快速暂态过电压[J].高压电器,2011,47(4):17-22.

LIU Qing. Very fast transient overvoltage caused by different switching modes of disconnector [J]. High Voltage Apparatus, 2011,47(4):17-22.

[4] 沈军.220 kV GIS隔离开关操作暂态过电压的原因与预防措施[J].冶金动力,2013(8):1-3.

SHEN Jun. Causes and preventive measures of very fast transient overvoltage during operation of 220 kV GIS disconnecting switch[J]. Metallurgical Power, 2013(8):1-3.

[5] 柳玉水,李志强.油浸变压器高压套管末屏异常分析及处理[J].黑龙江电力,2010,32(5):396-398.LIU Yushui, LI Zhiqiang. Analysis and treatment of disorder of oil-filled transformer’s high voltage bushing end shield[J]. Heilongjiang Electric Power, 2010,32(5):396-398.

[6] 赵喜军,邹伟华,王小进.地电位反击的机理及继电保护产品的防雷设计[J].船电技术,2010,30(3):60-62.

ZHAO Xijun, ZOU Weihua, WANG Xiaojin. Mechanism of earth potential counterattack & lightning proof of digital relay produc-ts[J]. Marine Electric, 2010,30(3):60-62.

(责任编辑郭金光)

Analysis and solution of abnormal discharge in energizing test for main transformer in nuclear power station

ZHU Xingwen, YI Lanmei, YUAN Yu

(Huaneng Shandong ShidaoBay Nuclear Power Company,Rongcheng 264312,China)

Taking the example of abnormal discharge of high voltage bushing end screen in energizing test for main transformer in nuclear substation, this paper introduced the process of abnormal discharge occurring during the energizing test for main transformer, analyzed the reason for abnormal discharge from the angle of the very fast transient over-voltage (VFTO) and the structure of high voltage bushing end screen of main transformer, evaluated the risk of abnormal discharge, and proposed the treatment strategy.

main transformer; energizing test; bushing end screen; abnormal discharge; VFTO

2016-08-09;

2015-10-19。

朱兴文(1986—),男,助理工程师,目前从事核电厂电气调试工作。

TM406

A

2095-6843(2016)04-0339-04