500 kV GIS母线PT谐振原因分析及预防

张太林，任文韬

(神华神东电力重庆万州港电有限责任公司，重庆 404027)

500 kV GIS母线PT谐振原因分析及预防

张太林，任文韬

(神华神东电力重庆万州港电有限责任公司，重庆 404027)

介绍了某电厂500 kV GIS智能变电站概况，分析了该站首次倒送电过程中发生的500 kV母线PT铁磁谐振的原因，提出了项目前期初设阶段应开展500 kV升压站仿真分析计算，并采取预防铁磁谐振的措施，以避免发生PT铁磁谐振。

GIS智能变电站；母线；电压互感器；铁磁谐振

0 引言

某电厂2×1 050 MW燃煤汽轮发电机组，采用国内首座火力发电厂户内式500 kV GIS智能变电站(简称“GIS站”)。GIS站内断路器、隔离开关、接地刀闸、电流互感器和电压互感器均为西安西电高压开关有限责任公司(简称“西开”)生产。断路器型号为ZF8A-550 GIS，是西开融合日本三菱、瑞士ABB技术而开发的一种新型超高压、大容量SF6气体绝缘金属封闭开关设备。该设备采用卧式双断口结构，带并联均压电容、无分合闸电阻，其电压互感器型号为JDQX-500 V，为常规电磁式，有3个二次绕组(额定电压100 V)、1个剩余电压绕组(额定电压100 V)。2014年7月，该厂GIS设备全部开始安装调试，并按GB 50150—2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》，成功进行了耐压试验和局部放电试验。2014年9月进行了500 kV GIS站倒送电。

1 GIS站概况

该厂GIS站按一次设备智能化、二次设备网络化的原则设计。电流互感器和电压互感器采用常规电磁式CT和PT，且PT高压侧无隔离开关，直接与母线GIS、线路/主变的GIL(gas insulated metal enclosed transmission line，气体绝缘金属封闭输电线路)相连。其中母线PT采用单相，接于A相母线；线路/主变PT采用三相，分别接于A，B，C三相线路/主变GIL。

该厂1，2号机组按单元制设计，发电机通过1，2号主变升压后，经2回500 kV神万一线、神万二线接入万县变电站。

2 PT铁磁谐振发生经过

2014-09-10，该厂按计划由调试所组织了500 kV GIS站第1次倒送电倒闸操作。22:14，500 kVⅠ，Ⅱ母母线充电定相试验结束后，在断开5021断路器时，网络计算机监控系统(NCS)画面显示500 kVⅠ母母线仍有电压，且在186—275 kV跳变，PT内部有电磁嗡嗡声，伴随有振动。从PT本体端子箱测量1a/1n，2a/2n，3a/3n二次绕组电压为均46.3 V，da/dn剩余电压绕组电压为82 V、频率为16.66 Hz。切除500 kVⅠ母空载母线后的主接线如图1所示。

图1 切除500 kVⅠ母空载母线后的主接线示意

23:51，值长将情况汇报市调，市调令线路对侧的万县变电站对神万二线停电，该厂GIS站500 kVⅠ母母线PT振动、声音异响及发热现象消失，NCS显示500 kVⅠ母电压为0，就地测量该母线PT二次电压为0，PT谐振消除。

500 kVⅠ母铁磁谐振波形如图2所示。根据录波数据可知，5021断路器从22:14:30.109开始分闸，到22:14:30.749分闸成功，历时630 ms。500 kV神万二线线路三相电压波形正常，但500 kVⅠ母母线电压发生规则的波形变异。5021断路器分闸成功后，母线电压波形变为频率16.66 Hz、电压186—275 kV的周期波，形成了稳定的三分频铁磁谐振。直到23:51神万二线停电，震荡条件破坏，谐振彻底消除。

图2 铁磁谐振波形

3 PT铁磁谐振的原因分析

综合故障录波图和测量数据分析，500 kVⅠ母发生了PT铁磁谐振。造成谐振的原因为5021断路器分闸过程中断路器断口电容与电压互感器形成串联回路，同时500 kVⅠ母母线电容与该PT电感并联后呈感性，在5021断路器分闸过程中电压扰动，产生了铁磁谐振。最后，长达1 h 40 min的饱和电流还导致了该PT罐体发热。

在对侧变电站对神万二线停电，将500 kVⅠ母及母线PT同时停电后，对母线PT的绝缘电阻、直流电阻、PT罐体气室的SF6气体压力进行了测试，所得数据与故障前相比，无明显变化。

为避免该GIS站内其他PT再次发生谐振，保证后期的调试以及GIS站运行安全，研究决定：首先对发生谐振的500 kVⅠ母母线PT进行更换，同时由西开委托西安交通大学对该公司GIS站进行铁磁谐振仿真分析计算，并根据计算结果来设计消谐方案。

3.1 PT铁磁谐振的仿真分析计算

西开提供该500 kV GIS站一次设备规格、型号、尺寸等初始参数和接线方式，委托西安交通大学进行铁磁谐振仿真计算。西安交通大学确定了该500 kV GIS站可能引发铁磁谐振的运行操作方式有4种，如表1所示。

表1 500 kV GIS站可能引发铁磁谐振的运行操作方式

3.2 铁磁谐振的仿真计算结果

(1) 在500 kVⅠ母、Ⅱ母母线均投入运行的情况下，对任一断路器和隔离开关进行分闸操作，GIS站不会发生铁磁谐振。

(2) 当用断路器和隔离开关切除500 kVⅠ母、Ⅱ母空载母线时，GIS站会发生铁磁谐振，且不同运行方式下谐振频率不同。

当系统单母线投入运行，断路器分闸切除空载母线时，操作的母线会出现频率为16.7 Hz的分频铁磁谐振，即三分频谐振。此时，母线及其PT一次侧最大过电压峰值为600.6 kV，即1.34 p.u.，PT最大过电流峰值为98.0 mA。

不同运行方式下，断路器分闸切除空载母线时，GIS站均会发生分频铁磁谐振，持续振荡的过电压和过电流会引起运行中PT烧毁。

4 PT铁磁谐振的抑制方案

(1) 改变GIS站母线及PT的停送电顺序：停母线时，先停母线上的PT，后停母线；母线恢复送电时，先对空母线充电，后投入母线PT。此操作可避开谐振产生的条件，但是违反了母线停送电的正常操作程序，而且该厂GIS站母线PT无隔离开关，设备已安装定型，方案无法实现，不可行。

(2) 增大GIS站母线对地电容，如将母线延长或在母线上并联电容器组，但是该厂GIS站设备已安装定型，方案无法实现，不可行。

(3) 取消该GIS站所有断路器断口均压电容，从根本上消除产生谐振的条件，但是会使断路器的开断容量降低70 %，这是不允许的。

(4) 根据GIS站的结构特点，在该厂500 kVⅠ母、Ⅱ母母线PT剩余电压绕组上并接阻尼电阻，抑制铁磁谐振过电压和过电流的幅值。阻尼电阻应依据母线PT剩余电压绕组可耐受的电流值、电压值和电阻的吸收能量综合选择。

(5) 切除空载母线时，在断路器分开后，尽快拉开该断路器两侧的隔离开关，即实施方案(4)无法消谐时，再快速拉开该断路器两侧的隔离开关。

5 母线PT剩余电压绕组并接阻尼电阻选择

融合方案(4)和方案(5)，结合该厂GIS站的实际结构特点和低频谐振产生的条件，利用西安交通大学建立的该厂GIS站仿真模型，对母线PT剩余电压绕组接入阻尼电阻的抑制效果和电阻值进行计算和验证，结果如表2所示。

表2 不同阻尼电阻的吸收能力

计算分析表明，并接阻尼电阻可以迅速衰减振荡幅值，即降低系统铁磁谐振时的过电压和过电流。阻尼电阻越小，铁磁谐振衰减越快，对过电压和过电流抑制效果越好；但电阻吸收能量越大，即对电阻的热容量要求越高，阻尼电阻的制造难度越大，造价越高。

当阻尼电阻为5 Ω时，0.5 s内吸收能量为219.8 J，最大瞬功率为4 058 W，可以较好地抑制铁磁谐振过电压和过电流。阻尼电阻接入过程中承受的最大电压峰值为188.0 V，最大电流峰值为37.6 A。阻尼电阻接入稳定后承受的工频电压峰值为54.1 V，工频电流峰值为10.7 A，5 min内吸收能量为86.8 kJ，温升73 ℃。

经查找资料和与厂商联系，选取大功率、抗老化的碳素线性电阻作为阻尼电阻，在温升不超过360 ℃时，可以多次承受短时兆瓦级大功率脉冲。碳素电阻的比热约为2.0 J/cm3·℃，能量密度约为600 J/cm3，在低频谐振中吸收的能量能满足实际需要。

因此，根据仿真计算结果，该厂选取电阻值为5 Ω的阻尼电阻，电阻的电压耐受为188×2.5=470 V，电流耐受为37.6×2.5=94 A，5 min温度耐受为73×2.5=182.5 ℃。

综上，为预防和控制该厂500 kV GIS站切除空载母线时发生的PT铁磁谐振，GIS站Ⅰ母、Ⅱ母母线分别增设PT铁磁谐振消谐装置，2套消谐装置完全相同。消谐装置分为消谐电阻盒和消谐控制箱2部分，其中，消谐电阻盒置于母线PT支撑座内，消谐电阻经2个小空开K1，K2接于母线PT剩余绕组上；消谐控制箱置于GIS站门口，远离GIS元件，控制箱内设有小空开K3。

消谐装置的电气接线原理如图3所示。

图3 消谐装置电气接线原理

6 预防PT铁磁谐振的措施

6.1 加装实现自动消谐的设备

经与厂家协调，利用双机全停机会，在GIS站500 kVⅠ母、Ⅱ母母线PT剩余电压绕组二次侧增加空开和非线性电阻，实现自动消谐。不过，采用此措施时应做好切除500 kV空载母线自动消谐失败的事故预想和应急预案。

6.2 完善运行规程

应在运行规程中补充GIS站切除空载母线时手动投入消谐电阻的操作步序和注意事项。即在切除空载母线的倒闸操作前，进行GIS母线PT谐振危险点分析，并做好就地操作人员和NCS监盘人员分工，明确母线电压监控和消谐装置投停操作。分开待停母线最后一台断路器前，就地操作人员应先合上待停母线PT端子箱内K1，K2空开，再到GIS站门口，打开待停母线消谐控制箱，做好合上控制箱内K3空开，投入消谐电阻的准备。正式分开待停母线最后一台断路器时，通过NCS监视待停GIS母线电压；若母线电压显示到0，说明该母线没有发生PT谐振；若母线电压显示不到0，且电压波动，说明该母线发生了PT谐振。发生谐振时，应立即短时合上该母线消谐控制箱内的K3空开，投入消谐电阻，抑制谐振(间断3次分合K3空开)。若谐振仍不消失，则消谐失败，应通过拉开该断路器两侧隔离开关消除谐振。倒闸操作完毕，必须断开该母线PT端子箱内的K1，K2空开和母线消谐控制箱内的K3空开，保证母线正常运行中消谐电阻可靠退出。

7 结束语

GIS站项目初始设计阶段，一定要进行GIS站母线PT铁磁谐振仿真分析计算，同时尽可能选用励磁特性好的PT，以确保在合闸、分闸及单相接地事故等情况下其铁芯不易饱和，从而在工程建设中消除GIS站PT铁磁谐振的条件，从根本上避免PT铁磁谐振的发生。

1 刘继军．PT铁磁谐振过电压的产生原因与抑制措施[J]．电气开关，2011，49(1):4-6.

2 贾红琴．电磁式PT所致铁磁谐振过电压分析及抑制[J].高电压技术，2000，26(1)：69-70.

3 丁志林，文 曹，贺星棋，等．500 kV大变比变压器铁磁谐振分析[J]．电力自动化设备，2012，32(2)：141-144.

2017-01-07；

2017-05-07。

张太林(1973—)，男，高级工程师，主要从事运行管理方面的工作，email：gagsztl@163.com。

任文韬(1983—)，男，助理工程师，主要从事火电厂集控运行管理工作。