发电厂500 kV GIS升压站主变压器合闸过电压分析

(大唐水电科学技术研究院有限公司，广西 南宁 530007)

0 引 言

气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear，GIS)以其占地面积小、运行稳定和维护方便等优点，被广泛应用于电力系统中[1-5]。在GIS断路器、隔离开关操作过程中会形成快速瞬态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)，快速暂态过电压的特点是幅值大、波头陡、时间短[6-9]。

对于发电厂GIS升压站，其封闭化程度更高，从变压器高压侧至出线均采用GIS管道连接，因此GIS操作过程中所产生的暂态过程更加复杂[10-11]。对于GIS操作过程中出现的故障，在未获得暂态过电压信息的情况下，通常采用仿真手段进行事后分析。开展GIS升压站暂态过程分析的关键在于建立等效分布参数模型[12-16]，尤其是GIS和变压器的分布参数模型。

下面以某发电厂500 kV GIS升压站主变压器合闸时发生的变压器高压绕组绝缘击穿事故为分析对象，采用电磁暂态分析软件ATP-EMTP建立发电厂一次设备分布参数模型，对于GIS采用单芯电缆模拟，对于变压器建立绕组梯形等值电路，对各种工况下的主变压器合闸过电压进行量化计算。分析表明该发电厂GIS合空载变压器所产生的过电压未超过主变压器理论耐受值，且主变压器绕组故障特征不符合VFTO击穿现象，过电压不是导致主变压器绝缘事故的根本原因。

1 故障简介

某发电厂在完成500 kV 4号主变压器年度检修和预防性试验后，对4号主变压器恢复送电。4号主变压器合闸前1号机组运行，2、3、5号机组备用，500 kV Ⅰ、Ⅱ组母线运行，500 kV第一串、第三串合环运行，4号主变压器两侧断路器热备用，两回出线下网负荷为430 MW，40 Mvar，电厂一次设备主接线如图1所示。

图1 电厂一次设备接线

在合上2号断路器时，4号主变压器保护动作，断路器跳闸。跳闸原因为合闸时刻4号主变压器A相高压绕组绝缘故障。4号主变压器A相结构如图2所示，解体后4号主变压器高压绕组绝缘击穿情况如图3所示。

从图3高压绕组绝缘损坏情况可知：

1)高压绕组发生绝缘贯穿性击穿而非局部击穿；

2)高压绕组下半部分绝缘损坏较上半部分严重，其中尾端损坏最严重；

3)高压绕组首端绝缘损坏程度较轻，最上端基本完好。

2 仿真模型的建立

建立变压器合闸过电压电磁暂态分析模型，首先是建立整体模型，该模型中变压器采用集中参数加分布电容模拟；其次建立变压器梯形等值电路，实现对变压器内部过电压的模拟。

(a)变压器外观

(b)变压器绕组和套管图2 变压器结构

(a)高压火线出头往右第1-8档内侧导线绝缘碳化情况

(b)下端部导线扭曲变形情况图3 高压绕组绝缘损坏情况

GIS由单芯电缆模拟，变压器由单相双绕组变压器组合而成，变压器高压侧入口电容为1070 pF(厂家提供数据)；因快速瞬态过电压分析中分布电容对分析结果的影响较大，在分析中充分考虑GIS母线、变压器套管、绕组对地及绕组之间的电容分布；次要电容根据厂家提供参数(如表1所示)进行设置。

表1 次要电容值

为了对变压器内部波过程进行分析，需要建立绕组梯形等值电路。对于多绕组变压器，应对绕组分布电容参数进行提取[17-18]，建立的梯形等值电路[19-20]示意图见图4。

图4 变压器绕组梯形等值电路

图4中，高压绕组、低压绕组单位长度的电感分别用L1、L2表示；高压绕组、低压绕组单位长度对地电容分别用C1、C2表示；编号相同的单位长度高压、低压绕组之间的互容用C3表示；编号相邻的单位长度高压、低压绕组之间的互容用λC3表示。

用X表示高低压绕组的高度，建立高压绕组电感L高、低压绕组电感L低、高压绕组对地电容C高、低压绕组对地电容C低、高压绕组和低压绕组互容C高-低、高压绕组纵向电容K高、低压绕组总的纵向电容K低，建立等式(1)如下：

(1)

根据变压器出厂试验结果，变压器部分电容测试值如表2所示，根据实测值建立变压器绕组梯形等值电路及升压站过电压仿真模型如图5所示。

表2 4号主变压器电容量测试值

图5变压器梯形等值电路中，在高压绕组从上至下依次排列11个测试点，测试点1设置于高压绕组的入口处，测试点11设置于高压绕组尾端。

3 合闸时变压器入口处的过电压

在不同的合闸时刻(合闸时刻A相相角不同)，对应的最大过电压如表3所示。

表3 不同合闸时刻的过电压

为了尽可能寻找合闸时刻最大过电压幅值，在对A相相角[5，55]区间每隔5°细化，计算得到合闸过电压如表4所示。

图5 变压器绕组梯形等值电路及升压站过电压仿真模型

表4 A相相角[5，55]区间的合闸过电压

对应表4中A相相角为35°时，合闸过电压波形如图6所示。

(a)三相电压波形

(b)B相电压波形放大图6 A相相角为95°时的合闸过电压波形

仿真分析小结：

1)当变压器合闸操作过程中未出现电弧时，产生的最大操作过电压幅值为898 kV，小于变压器操作冲击耐受电压1175 kV及其雷电过电压耐受值1550 kV；

2)合闸过电压波头陡，上升时间约0.6 μs。

4 合闸时变压器绕组内部的过电压

计算得到各个测试点及测试点间的电压波形如图7所示。

从变压器绕组匝间承受电压波形可知：

1)首端绕组承受电压幅值最大，绕组间承受的过电压幅值并非从上至下依次递减，而是呈现先减小后增加的规律；

(a)各个测试点电压波形

(b)两测试点之间的电位差波形图7 绕组内部电压分布

2)首端绕组承受电压幅值高但是波头陡，尾端绕组承受电压相对较低但是波头较缓；

3)变压器首端和尾端绕组承受冲击电压时损坏概率大于中间绕组。

5 结 语

1)4号主变压器合闸时未出现超过变压器理论耐受能力的过电压，过电压不是造成变压器事故的根本原因，仅是主变压器绕组绝缘损坏的诱因。

2)从绕组内部电压分布来看，首端绕组匝间承受的过电压高于绕组其他部分，但其为陡波，或许会造成绕组间匝间局部绝缘击穿，但不会造成绕组绝缘贯穿性击穿；变压器尾端绕组承受的电压幅值虽然较首端绕组低，但其波头较平缓可造成更大面积的绝缘损坏。

3)变压器绕组实际击穿情况为首端完好、尾端损坏严重，可知变压器绕组绝缘材料具备耐受高幅值陡波冲击的能力，但已无法承受波头平缓的低幅值过电压，绕组材料存在绝缘缺陷。

4)电力设备在运行状态改变时不可避免地存在电压波动，电压波动会造成电压升高，但是任何一次设备均有承受一定幅值过电压的能力，不应将设备在运行状态改变时发生的故障简单归因于过电压。