二灘電站GISTV鐵磁諧振分析

于遠(yuǎn)鵬，楊 東(二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617100)

二灘電站GISTV鐵磁諧振分析

于遠(yuǎn)鵬，楊 東
(二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617100)

二灘電站500kV系統(tǒng)主接線為3/2與4/3混合接線方式，500kVGIS設(shè)備包括斷路器、隔離開關(guān)、接地刀、TV、TA、母線、設(shè)備互聯(lián)短引線等。主變壓器高壓側(cè)T區(qū)在倒閘操作中，當(dāng)處于熱備用狀態(tài)時(shí)，一般情況下電壓較低，三相電壓平衡，約120kV左右；有時(shí)電壓較高，三相電壓不平衡，高的約260kV左右。該現(xiàn)象對(duì)運(yùn)行操作及二次系統(tǒng)產(chǎn)生了影響。分析該現(xiàn)象屬于鐵磁諧振現(xiàn)象，對(duì)其形成原因作了相應(yīng)分析，并通過仿真得到了驗(yàn)證。

二灘水電站；GIS；TV；鐵磁諧振；過電壓；ATP-EMTP

0 前 言

二灘電站GIS主接線采用4/3與3/2混合接線方式，在主變壓器停送電過程中，主變壓器高壓側(cè)T區(qū)(見圖1)會(huì)存在熱備用與帶電運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，在這個(gè)轉(zhuǎn)換倒閘操作中多次出現(xiàn)T區(qū)處于熱備用狀態(tài)(主變壓器未接入)時(shí) T區(qū)TV電壓過高的現(xiàn)象。主要表現(xiàn)三相不平衡，兩個(gè)線電壓約300 kV，另一個(gè)線電壓為480 kV，哪些相電壓過高不確定，歷史數(shù)據(jù)見表1。此時(shí)安控裝置測(cè)量到主變壓器高壓側(cè)帶電且不平衡，從而報(bào)TV斷線，閉鎖安控裝置。該現(xiàn)象已經(jīng)影響到安控裝置的正常運(yùn)行和運(yùn)行人員對(duì)斷路器是否拉開的正確判斷，有必要對(duì)該現(xiàn)象的形成原因、影響、防范措施進(jìn)行研究，以利于設(shè)備的安全正常運(yùn)行。

表1 主變壓器高壓側(cè)T區(qū)電壓歷史數(shù)據(jù) (kV)

圖1 主變壓器高壓側(cè)T區(qū)范圍

正常情況下，主變壓器高壓側(cè)T區(qū)電壓約120 kV左右，且三相平衡。相對(duì)于這個(gè)值，從表1可見最高的約280 kV，達(dá)到了2倍多，因此提到的電壓過高是指這種情況，而不是相對(duì)于額定相電壓288 kV(線電壓500 kV)。

從電壓不平衡現(xiàn)象、值的大小來看，可以排除因?yàn)楦袘?yīng)電壓、工頻過電壓等引起，而與鐵磁諧振過電壓特征比較吻合。

1 主變壓器高壓側(cè)T區(qū)鐵磁諧振分析

鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的根本原因在于TV鐵心的飽和特性，隨著系統(tǒng)電壓的變化、斷路器操作、電路參數(shù)的變化等，其他部分元件的參數(shù)均可能與鐵心呈現(xiàn)的非線性電感形成諧振條件，從而導(dǎo)致過電壓出現(xiàn)。所研究的二灘電站主變壓器高壓側(cè)T區(qū)的電壓值雖然并沒有超出TV額定電壓多少，按理說TV仍然處于比較接近線性工作區(qū)域，但斷路器突然的斷開引起的暫態(tài)電壓變化也可能導(dǎo)致TV鐵心工作特性的變化，加上斷路器斷口并聯(lián)電容的突然接入，則還是可能產(chǎn)生鐵磁諧振的。

二灘主變壓器高壓側(cè)T區(qū)裝設(shè)的三菱的電磁式電壓互感器，其等效電路及鐵心飽和特性測(cè)量曲線見圖2。

圖2 GIS TV等效電路及鐵心特性曲線圍

考慮到TV工作電流很小，接近于空載，且一次繞組電抗相對(duì)于鐵心電抗來說可以忽略，且由于鐵心的電氣特性沒有解析表達(dá)式，無法直接從理論上分析其鐵磁諧振原因，因此在此采用文獻(xiàn)[1]提到的方法，對(duì)于其工頻鐵磁諧振進(jìn)行解析分析，考慮圖1的結(jié)構(gòu)，可以得到用于研究TV鐵磁諧振的電路，見圖3所示。

圖3 TV工頻鐵磁諧振分析電路圖

與文獻(xiàn)[1]采用的分析方法有所不同，分析采用串聯(lián)電路，即從圖3中的TV一次繞組電阻向系統(tǒng)側(cè)進(jìn)行等效，其中電源E認(rèn)為是系統(tǒng)等效的理想電源，ZC是圖1中兩個(gè)斷路器均斷開后各自的斷口并聯(lián)電容相并聯(lián)得后的阻抗，圖3中的(b)即表示的等效電源相量圖，則該相量圖可以得到各相量間的有效值關(guān)系。

(U-ZCI)2+(RI)2=E2

(1)

對(duì)于TV鐵心飽和特性雖然沒有解析表達(dá)式，但可以采用分段線性化處理方法，將其模擬為2段線性，該處理方法對(duì)于TV鐵磁諧振的定性分析帶來的誤差可以接受[2]。分段線性化處理中要用到TV的Φ-i特性中的系數(shù)，采用ATP-EMTP的SATURATION程序?qū)V的試驗(yàn)U-I曲線轉(zhuǎn)換為Φ-i曲線，見表2。

若采用第3個(gè)點(diǎn)作為線性與飽和的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，第3個(gè)點(diǎn)至第7個(gè)為線性化后的第二段，原點(diǎn)至第3個(gè)點(diǎn)為線性化后的第一段，則兩段線性化處理后的Φ-i折線第二段的斜率k=(3 151-2 025)/(0.549 2-0.034 7)=2 188,第二段在縱軸上的截距b=3 151=0.549 2×k=1 949，因此可得TV的Up-Ip曲線為

Up=2πfkIp+42bf=687 032Ip+551 177

(2)

將式(1)表示的將Us-Is曲線與式(2)表示的Up-Ip曲線畫在同一個(gè)坐標(biāo)中，在相交點(diǎn)則可以激發(fā)工頻鐵磁諧振，如圖4，表明此時(shí)工頻鐵磁諧振在額定電壓附近不太可能發(fā)生，大約要在TV接近滿載情況下才可能發(fā)生。

圖4 Us-Is與Up-Ip比較圖

但該分析電路與方法對(duì)于其他諧振情況無法進(jìn)行，比如電路工況的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致TV出現(xiàn)勵(lì)磁涌流，可能激發(fā)諧振，因此還得依賴于仿真分析。

2 主變壓器高壓側(cè)T區(qū)鐵磁諧振仿真

如圖1中二灘GIS設(shè)備，主要考慮斷路器斷口并聯(lián)電容1 100 pF(一個(gè)斷路器550 pF)，T區(qū)短引線、TA、隔離開關(guān)、斷路器等對(duì)地電容1 730 pF，TV一次繞組電阻37 373 Ω，TV鐵心特性采用非線性電感表示，其Φ-i值見表2，可以得到圖5的仿真電路。

表2 主變壓器高壓側(cè)T區(qū)TV伏安特性與Φ-i

圖5 TV鐵磁諧振仿真電路

圖6 0 s時(shí)刻拉開斷路器三相電壓波形

仿真模擬先拉開T區(qū)一個(gè)斷路器，然后拉開另一個(gè)斷路器的操作。先拉開的斷路器相當(dāng)于已經(jīng)接入了斷口并聯(lián)電容，另一個(gè)斷路器采用一個(gè)斷路器仿真模型來模擬不同的分閘時(shí)刻，圖6是在0 s時(shí)刻拉開斷路器時(shí)三相電壓50 s的波形，對(duì)于其他分閘時(shí)刻、電壓大小、對(duì)地電容的改變等仿真不在此處進(jìn)行。

從圖6可以看出，A、B、C相電壓偏高，但A相在30 s后正常，而B、C相依然偏高，衰減較慢，幅值最高達(dá)到了750 kV，有效值與觀察到的實(shí)際數(shù)據(jù)280 kV接近。該仿真的結(jié)果較好地說明了二灘主變壓器高壓側(cè)電壓因?yàn)殍F磁諧振原因引起的過高及不平衡的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

通過二灘主變壓器高壓側(cè)TV工頻鐵磁諧振解析分析表明，在二灘現(xiàn)有GIS設(shè)備參數(shù)條件下主變壓器高壓側(cè)T區(qū)進(jìn)行倒閘操作不會(huì)引起工頻鐵磁諧振過電壓，但仿真表明有其他成分的鐵磁諧振發(fā)生，仿真結(jié)果與電壓歷史數(shù)據(jù)吻合。

對(duì)于二灘主變壓器高壓側(cè)T區(qū)出現(xiàn)的電壓過高及不平衡現(xiàn)象，由于電壓只是接近額定電壓，高出正常情況下T區(qū)值的2倍多，不足以危害到TV及斷路器斷口電容，但不排除在其它諧振條件下引起超過額定電壓的過電壓值從而危及到TV本身的安全。對(duì)于安控裝置的影響很嚴(yán)重，安控裝置本身被閉鎖極有可能對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，因此可以通過T狀態(tài)轉(zhuǎn)換前，投入相應(yīng)的發(fā)變組檢修壓板，不讓安控裝置對(duì)該電壓進(jìn)行判斷，從而避免因三相電壓不平衡而導(dǎo)致安控裝置被閉鎖。

同時(shí)從二灘GIS斷路器檢修情況來看，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)斷路器分合閘機(jī)械指示不能正確反映斷路器觸頭實(shí)際位置，因此對(duì)于鐵磁諧振判斷的研究有利于運(yùn)行人員快速正確判斷斷路器的位置，以免影響系統(tǒng)操作。

[1] 李云閣, 施圍. 應(yīng)用解析法分析中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中的工頻鐵磁諧振——諧振判據(jù)和消諧措施[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, 23(9): 142-145.

[1] 李云閣, 施圍. 應(yīng)用解析法分析中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中的工頻鐵磁諧振——非線性電感工頻勵(lì)磁特性的求取[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, 23(10):94-98.

The main wiring of 500 kV system in Ertan Hydropower Plant is 3/2 and 4/3 mixed mode, and 500 kV GIS devices include breakers, disconnecting switches, earth switches, TV, TA, buses and short approach lines etc. During the switching operation of T area in high voltage side of main transformer, when in the hot standby, generally the voltage is lower, three-phase voltage is balance and about 120 kV. But sometimes the voltage is higher, three-phase voltage is unbalance and up to 260 kV, which has an impact on the operation and the second systems. Through the analysis of the phenomenon, it is obtained that it is ferro-resonance phenomenon. The causes for this phenomenon is analyzed and verified by the simulation.

Ertan Hydropower Plant; GIS; TV; ferro-resonance; overvoltage; ATP-EMTP

TM864

A

1003-6954(2015)02-0032-03

2014-11-16)

于遠(yuǎn)鵬(1974)，學(xué)士，主要從事水電站運(yùn)行管理工作；

楊 東(1974)，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水電站運(yùn)行工作。