某核电站改造工程设备快速暂态过电压评估

黄旭丹，林 睿，肖焕辉

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663)

某核电站改造工程设备快速暂态过电压评估

黄旭丹，林 睿，肖焕辉

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663)

某核电站原来#1、#2 号联络变因快速暂态过电压导致变压器线圈被烧损，在新增#3联络变改造项目时，设计需充分考虑快速暂态过电压 对新联络变压器的影响，避免再次发生类似事故。本文采用ATP电磁暂态计算程序，建立了电站中各GIS设备的电气模型，对420 kV/525 kV GIS中扩建联络变间隔内隔离开关操作引起的快速暂态过电压进行仿真计算，通过对10种典型操作方式进行计算和评估，结果表明设备的绝缘等级等参数具备承受快速暂态过电压的能力。

快速暂态过电压；气体绝缘组合电器；联络变；绝缘等级。

气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear, GIS) 因具有结构紧凑、占地面积小、维护方便、运行可靠等优点，在超高压系统和核电站得到广泛应用。运行经验表明，GIS 中断路器(Circuit Breaker, CB)和隔离开关(Disconnecting Switch, DS)操作时会产生波前极陡、高频振荡的快速暂态过电压(Very Fast Transient Overvolitage, VFTO)。断路器有灭弧装置，不易发生重燃，因此在VFTO 造成的事故中以隔离开关的操作尤为常见。VFTO 不仅危及GIS 内部设备的绝缘，还会以行波的形式传播并耦合到外部，威胁二次设备及相连的高压设备的绝缘，尤其是有绕组的设备，如变压器、电抗器等。从已有的研究成果可知，VFTO 的幅值、频率、波形与GIS 的接线方式、结构尺寸、设备参数、变压器和GIS 的连接方式以及被操作线路的残余电荷等因素有关。另外，VFTO与隔离开关操作方式，包括系统运行方式、被操作开关的位置、操作顺序等密切相关， 因此研究隔离开关操作方式对VFTO的影响有一定的现实意义。

本文结合国内某核电站改造工程的实例，采用电磁暂态计算程序(Altemative Transient Program, ATP)，对电站内420/525 kV GIS中联络变间隔内隔离开关操作引起的的快速暂态过电压(VFTO)进行仿真计算，并评估VFTO对设备绝缘的威胁。

1 工程概况

为提高联网系统的安全性和供电可靠性，国内某核电站的改造工程拟增加一台525/420 kV联络变压器，即在原有开关站的500 kV与400 kV侧分别新增一个不完整串GIS，联络变压器两侧通过GIL分别接入两侧新增GIS，形成新的互联。该站原来#1、#2 号联络变曾因VFTO 导致变压器线圈被烧损的故障，因此在新增#3联变改造项目的设计时应充分考虑VFTO 对新联变变压器的影响，避免再次发生类似事故。

1.1 电气主接线图

某核电站GIS主接线方案见图1。接线方式为3/2 断路器接线。本期工程建设在400 kV和500 kV各设一个不完整串，1 组900 MVA联络变，出线为预留；前期工程由4回出线和2组主变、2组联络变组成。

图1 420/525 kV GIS建设主接线图

1.2 电站设备相关参数

本期工程电站设备相关参数见表1。

表1 变电站内设备等值参数

2 计算研究内容

本文采用ATP电磁暂态计算程序，对电站420 kV GIS中联络变间隔内隔离开关操作引起的的快速暂态过电压(VFTO)进行仿真计算，并评估VFTO对设备绝缘的威胁。根据实际变电站设备的结构和布局，采用S.Ogawa提出的GIS电路模型，建立GIS母线、变压器、断路器、隔离开关、接地开关、绝缘子、套管、避雷器等模型，研究了主变和进线的隔离开关在不同操作方式下产生的VFTO过电压。VFTO过电压幅值较大的点一般位于被操作的开关附近、孤岛部分、电气末端(如母线末端)等处，并且VFTO对主变的匝间绝缘危害较大，所以在计算中重点关注以下节点处的过电压：各主变入口处，主变电压互感器处，被操作隔离开关附近设备上，以及整个变电站内VFTO最大幅值。通过对几种典型操作方式下VFTO的仿真计算，分析了VFTO过电压是否会对该变电站的主变绝缘及其他设备绝缘产生威胁，是否需要采取专门措施抑制VFTO。

2.1 模型等效电路

计算研究采用S.Ogawa提出的GIS元件的电路模型。由于整个系统近似为三相对称，可用单相电路进行模拟。见表2，在GIS中，直管道母线一般较短，在计算中略去损耗， GIS管道母线用波阻抗Z＝63Ω、波速v = 290 m/μs的无损传输线等值。断路器闭合状态等效为联线，断开状态通过断口电容与对地电容模拟。隔离开关的模拟与断路器一致，闭合状态等效为联线，断开状态时等效为电容。接地开关断开状态时对地电容为45 pF。电流互感器可近似为联线。避雷器、电压互感器、套管和电缆终端均用集中电容模拟。

表2 变电站内设备等效模型

由于不需要分析变压器内部过电压分布情况，并且根据以往的经验，在计算模型中，用入口电容等效变压器与用其它复杂模型等效的计算结果吻合很好，所以变压器用理想电源及入口电容和等值电感进行等效，525 kV侧 L＝109 mH，420 kV侧 L＝70 mH。

电弧的重燃和熄弧采用基于动态电弧模型的MODELS模块模拟。动态电弧模型是基于Mayr电弧理论对分段电弧模型的一种改进，在弧道电阻的变化过程描述中考虑了电弧散热功率以及电弧电流的影响，能有效的模拟燃弧的整个过程，计算精度高。利用ATP－EMTP软件自带的MODELS模块及语言，基于动态电弧理论基础，代入改进欧拉法公式进行编程，实现符合动态电弧模型的控制函数，得到隔离开关的电弧重燃模型。

3 电站GIS VFTO仿真计算与分析

按最严重情况考虑，给隔离开关孤岛部分充以－1.0 p.u.的残余电压，假设隔离开关在电站电压为+1.0 p.u.时动作，这时的VFTO过电压最大，理论上可达3.0 p.u。

各种操作方式下VFTO计算见表3，本文考虑了以下10种操作方式下VFTO过电压。

表3 操作方式

3.1 方式1下的VFTO计算

操作方式1计算无线路运行时，对变压器#3 420 kV侧合闸的情况。隔离开关操作电气接线示意图见图1，所有开关均处于断开状态时，对主变#3侧隔离开关902JS进行合闸，在各元件上产生的过电压。各点处的最大过电压见表4。

表 4 操作902JS下的VFTO计算结果

3.2 方式2下的VFTO计算

操作方式2计算无线路运行时，对变压器#3 420 kV侧合闸的情况。所有开关均处于断开状态时，对主变#3侧所在串上隔离开关901JS进行合闸，在各元件上产生的过电压。各点处的最大过电压见表5。

表5 操作901JS下的VFTO计算结果

3.3 方式3下的VFTO计算

操作方式3计算无线路运行时，对变压器#3 420 kV侧合闸的情况。所有开关均处于断开状态时，对主变#3侧所在串上隔离开关903JS进行合闸，在各元件上产生的过电压。各点处的最大过电压见表6。

表 6 作903JS下的VFTO计算结果

3.4 方式4下的VFTO计算

操作方式4计算母线701JB带压运行时，隔离开关902JS闭合，其他所有开关均处于断开状态，对母线侧隔离开关900JS进行合闸，各元件上产生的过电压。各点处的最大过电压见表7。

表 7 作900JS下的VFTO计算结果

3.5 方式5下的VFTO计算

操作方式5计算母线702JB带压运行时，隔离开关902JS闭合，其他所有开关均处于断开状态，对母线侧隔离开关904JS进行合闸，各元件上产生的过电压。各点处的最大过电压见表8。

表8 操作904JS下的VFTO计算结果

3.6 方式6下的VFTO计算

操作方式6计算无线路运行时，对变压器#3 5250 kV侧合闸的情况。隔离开关操作电气接线示意图见图1，所有开关均处于断开状态时，对主变#3侧隔离开关605JS进行合闸，在各元件上产生的过电压。各点处的最大过电压见表9。

表9 操作605JS下的VFTO计算结果

3.7 方式7下的VFTO计算

操作方式7计算无线路运行时，对变压器#3 525 kV侧合闸的情况。所有开关均处于断开状态时，对主变#3侧所在串上隔离开关604JS进行合闸，在各元件上产生的过电压。各点处的最大过电压见表10。

表 10 作604JS下的VFTO计算结果

3.8 方式8下的VFTO计算

操作方式8计算无线路运行时，对变压器#3 525 kV侧合闸的情况。所有开关均处于断开状态时，对主变#3侧所在串上隔离开关606JS进行合闸，在各元件上产生的过电压。各点处的最大过电压见表11。

表11 作606JS下的VFTO计算结果

3.9 方式9下的VFTO计算

操作方式9计算母线802JB带压运行时，隔离开关605JS闭合，其他所有开关均处于断开状态，对母线侧隔离开关607JS进行合闸，各元件上产生的过电压。各点处的最大过电压见表12。

表 12 作607JS下的VFTO计算结果

3.10 方式10下的VFTO计算

操作方式10计算母线801JB带压运行时，隔离开关605JS闭合，其他所有开关均处于断开状态，对母线侧隔离开关603JS进行合闸，各元件上产生的过电压。各点处的最大过电压见表13。

表13 操作603JS下的VFTO计算结果

4 VFTO计算结果分析

综合上述所有操作方式下的VFTO计算结果，可以看出：针对420 kV和525 kV侧#3联络变压器VFTO计算中，方式1和方式6投入设备最少，电站整体产生的过电压情况较为严重，主变入口处VFTO最大值1.22 p.u.和1.60 p.u，其中隔离开关上VFTO最大值为2.34 p.u.和2.37 p.u；方式(2，3)由于操作点距变压器距离相近，且投入设备数量也相近，其计算结果相差不大，大部分设备上的过电压幅值小于方式1的计算结果，由于VFTO整体幅值并不太大，而变压器入口电容较大，因此，方式(1，2，3)传播到变压器入口处的波在经过折反射之后其能量大幅削减，幅值均较低；针对方式(7，8)的结果分析与方式(2，3)类似；方式(4，5)母线带压运行时操作母线侧隔离开关，操作隔离开关上过电压达到2.43 p.u.，在操作隔离开关附近的断路器上产生的VFTO幅值为所有操作方式中最大的，最大值达到了2.95 p.u.，传播到变压器入口处的波能量大幅削减，幅值较低；方式(9，10)操作隔离开关上过电压达到2.55 p.u.，在操作隔离开关附近的断路器上产生的VFTO幅值为所有操作方式中最大的，最大值达到了2.93 p.u.，传播到变压器入口处的波能量大幅削减，幅值较低。

对420 kV侧和525 kV侧计算结果进行比较可以看出：525 kV侧 VFTO计算结果整体大于420 kV计算结果。其主要原因在于，在计算建模过程中，变压两侧设备所取参数相同，525 kV侧变压入口电容取值甚至小于420 kV侧变压器入口电容，而高压侧隔离开关操作过程中所产生的VFTO幅值更高，能量更大，相同参数的设备对于其能量的分散抑制作用有限，导致传播到变压器入口处VFTO幅值更高，而变压器入口电容的减小，也将减小其对于VFTO的抑制作用，因此，525 kV侧VFTO计算结果要大于420 kV侧计算结果。

以下为分别针对电站中变压器和GIS本体的设计参数结果分析。

(1)根据变压器厂商的验证报告，联络变压器对于在525 kV侧和420 kV对于VFTO的耐受电压分别为1300 kV和1175 kV，本次计算中，对于525 kV侧，变压器入口最大VFTO幅值为1.60 p.u，即685.86 kV，远小于变压器耐受电压1300 kV；对于420 kV侧，变压器入口最大VFTO幅值为1.23 p.u，即527.25 kV，远小于变压器耐受电压1175 kV，因此，变压器不会遭到损坏。

但根据国内外针对VFTO的研究表明：VFTO对变压器的影响主要是高频振荡分量对主变匝间绝缘的影响。同样根据变压器厂商提供的验证报告，扩展变压器对于525 kV侧和420 kV侧首端匝间绝缘耐受值分别为80 kV和74 kV，报告中同时指出，当VFTO振荡频率不超过1MHz时，其首端匝间承受VFTO幅值不超过总VFTO幅值的3%，分别对525 kV侧、420 kV侧首端匝间承受最大电压进行计算如下：

525kV侧：

685.86×0.03 =20.58 kV＜80 kV

420kV侧：

527.25×0.03 =15.82 kV＜74 kV

根据以上计算结果可知，变压器不会遭到损坏，且仍存在较大的裕度。

(2)电站中各个设备出现的VFTO最大值出现在操作点附近，对于420 kV侧：最大VFTO幅值达到2.95 p.u，即1011 kV，本次计算针对的GIS 400 kV系统的雷电冲击耐受电压试验标准为1550 kV，取0.8的安全系数，即0.8×1550=1240 kV，最大过电压小于该值，因此VFTO过电压对GIS本体的主绝缘不构成威胁。对于525 kV侧：最大VFTO幅值达到2.93 p.u，即1254 kV，本次计算针对的GIS 500 kV系统的雷电过电压试验标准为1675 kV，仍然取0.8的安全系数，即0.8×1675=1340 kV，最大过电压小于该值，因此，VFTO过电压也对GIS本体的主绝缘不构成威胁，但这两种方式下VFTO幅值仍偏大，应尽量减少此种操作方式。

5 结论

本文对某核电站420 kV/525 kV GIS中扩建联络变间隔内隔离开关操作引起的快速暂态过电压(VFTO)进行仿真计算，建立了电站中各GIS设备的电气模型，通过对10种典型操作方式下的VFTO进行计算，得到以下结论：

(1)对典型操作方式下的VFTO进行计算得出：操作隔离开关附近的过电压值最高，为2.95 p.u.和2.93 p.u.，经过计算得到，最大过电压值均在GIS设备承受范围内，过电压对GIS内部各设备不构成威胁；对于PT对VFTO的耐压分析，目前国内外研究中均作为GIS本体耐压的一部分考虑分析，因此，认为GIS本体不受VFTO影响时，认为VFTO对于GIS中PT不构成威胁；

(2)变压器入口处过电压最大为1.23 p.u.和1.60 p.u.；在这几种操作方式下无线路运行时投入变压器和母线带压操作刀闸所产生的过电压较高，主变上的过电压幅值一般较低。VFTO与弧道电阻、残余电压有关，弧道电阻越大、残余电压与电站电压差值越低，则VFTO幅值就低，上述计算残余电荷电压按的是最严重的情况计算的，因而计算结果应该是偏严格的，分别对变压器整体耐压和匝间耐压进行了分析，认为过电压对变压器不构成威胁。

(3)在隔离开关的操作过程中，会发生很多次的电弧击穿和重燃现象，每次击穿和重燃都可能造成过电压的产生，而当上一次燃弧在隔离开关和断路器的短线之间留下的残余电荷恰好为－1 p.u.时，而隔离开关另一侧的电压恰好为1 p.u.时，下一次的击穿将会造成最严重的过电压，即为最极端情况的燃熄弧。

在VFTO的计算中，均为计算最极端情况下单次燃熄弧的VFTO波形和幅值，然后对其进行分析，在每次的分合闸过程中均可能发生。根据国内实际针对快速隔离开关和慢速隔离开关的实验来看，隔离开关每次的分合闸时间和速度主要决定了每次分合闸操作中电弧燃熄弧的次数以及发生最严重情况燃熄弧的概率，而对于单次击穿的计算结果并没有多少影响。因此，在VFTO的计算中，不考虑隔离开关的分合闸时间和速度。

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VFTO Research and Evaluation of GIS Equipment in Nuclear Power Station Reconstruction Project

HUANG Xu-dan, LIN Rui, XIAO Huan-hui
(China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

One Nuclear Power Station No. 3 Unit reconstruction project has improved the transformer design due to No. 1&2 Units had ever suffered failures of the interconnecting transformer coil by VFTO, so the new No. 3 interconnecting transformer should be fully considered the impact of VFTO to avoid the similar incidents. This article analyzed 10 routine operations about the VFTO impact to the equipment by using the ATP electromagnetic transient calculation program. The results shown that the insulation level of the equipment could fulfill the requirement of VFTO

VFTO; GIS; interconnecting transformer; insulation.

TM613

B

1671-9913(2016)06-0072-06

2016-08-01

黄旭丹(1977- )，男，广东广州人，高级工程师，主要从事发电厂及变电站设计工作。