深溪溝水電站GIS電磁式VT鐵磁諧振處理對策

周 勇

(國電大渡河深溪溝水電有限公司，四川漢源 625304)

1 工程概述

大渡河深溪溝水電站位于四川省漢源縣和甘洛縣交界處，為大渡河干流規劃的第十八級電站，其上一梯級為已投運的大渡河干流中游控制型水庫——瀑布溝水電站，下一級為正在建設中的枕頭壩水電站。壩址以上流域面積72 900 km2，多年平均流量1 350 m3/s，水庫正常蓄水位高程660 m，電站利用最大落差40 m，安裝4臺軸流轉槳式發電機，總容量為660 MW。與瀑布溝等電站聯合運行時，多年平均年發電量32.35億kW·h，枯水期平均出力253 MW。電站樞紐建筑物主要由河床式發電廠房、左岸泄洪閘及右岸山體兩條泄洪沖沙洞等組成。

深溪溝水電站發電機與主變壓器組成兩組擴大單元接線，發電機額定電壓為15.75 kV，主變壓器為成套的550 kV、額定容量375 MVA、強迫油循環水冷組合式三相油浸式雙卷銅線圈電力變壓器。發電機通過離相封閉母線引出與主變壓器低壓側連接，主變壓器高壓側直接與SF6管道母線連接，向上接布置在第三層的550 kV GIS開關設備，再采用GIS短段母線引到樓頂出線場接戶外敞開式出線設備。主變壓器位于主廠房下游側的副廠房內，離相封閉母線層、主變壓器層、SF6管道母線層、550 kV GIS開關設備層、戶外敞開式出線設備層采用逐層上升的布置方式。550 kV設備采用角型接線方式，設計兩條出線，一條出線與上游已投運的瀑布溝水電站連接，一條出線作為備用線路與下游建設中的枕頭壩水電站連接。深溪溝水電站主接線圖見圖1。

2 事故經過和分析處理過程

2.1 事故發生經過

2011年1月5日11時，瀑布溝水電站500 kV布坡線受冰雪雨凍災害影響，瀑布溝至眉山東坡500 kV 變電站的布坡 I、II、III、IV 四回線路相繼跳閘，瀑布溝、深溪溝電站送出線路全部中斷，兩站與電網解列，進入孤網狀態，隨后機組相繼停機。為滿足廠用電、保證下游供水及泄洪需要，啟動了深溪溝水電站2#機組，形成外來110 kV變電站電源和2#機組自供發電相互備用的廠用電運行方式。

圖1 主接線示意圖

1月6日，瀑布溝至眉山東坡500 kV變電站的布坡Ⅰ、Ⅱ搶修完送電后，隨即對布深線充電，深溪溝站內主接線設備中相應滿足環網運行的隔離刀閘合閘、接地刀閘分閘、4組斷路器分閘，設備處于熱備用狀態。19時07分，合5004斷路器進行最后的環網操作時，斷路器瞬間跳閘并伴有弧光產生，故障錄波報:2#主變A套保護裝置差動保護跳閘、2#主變B套保護裝置差動保護跳閘、DL5004跳閘;故障時故障錄波錄得電壓有效值:A相:(一次值 =301.926 kV;二次值 =54.896 V);B 相:(一次值 =327.976 kV;二次值 =59.632 V);C 相:(一次值 =89.719 kV;二次值 =16.313 V);N 相(一次值 =378.37 kV;二次值 =68.794 V);故障時電流有效值:A相:(一次值=0.011 kA;二次值=0.004 A);B 相:(一次值 =0.003 kA;二次值=0.001 A);C 相:(一次值 =11.37 kA;二次值 =3.786 A);N 相(一 次 值 =11.37 kA;二 次 值 =3.79 A);故障后一周波電壓有效值A相:(一次值 =302.689 kV;二次值 =55.034 V);B 相:(一次值 =324.3 kV;二次值 =58.964 V);C 相:(一次值 =0.924 kV;二次值 =0.168 V);N 相(一次值 =340.842 kV;二次值 =61.971 V);故障后一周波電流有效值:A相:(一次值=0.01 kA;二次值 =0.003 A);B 相:(一次值 =0.005 kA;二次值=0.002 A);C 相:(一次值 =11.644 kA;二次值=3.881 A);N相(一次值=11.659 kA;二次值=3.886 A)。故障發生后，現場檢查各氣室氣壓正常，設備外表面無弧光灼燒痕跡，避雷器無動作記錄，查看故障錄波記錄及現場情況，初步斷定C相5003斷路器－5004斷路器－50036隔離刀閘間某點發生接地擊穿現象。

2.2 事故發生后采取的措施及處理措施

根據上述判定，決定采用氣體分析儀對懷疑氣室做氣體成分分析，判斷可能發生接地擊穿的氣室，縮小打開氣室檢查的范圍。在對C相型號為JDQX8－500ZHA1(M)的電壓互感器氣室檢查時，SOF2氣體值:110 ppm;H2S氣體值:110 ppm;CO氣體值:785.6 ppm。C相電壓互感器氣室氣體明顯帶臭雞蛋氣味，初步判定該氣室氣體分解物含量偏高，內部存在低能量放電或大于600℃的過熱性故障而引起的固體絕緣材料受熱分解，根據對氣體成分進行分析的結果，決定對C相電壓互感器進行整體更換。C相電壓互感器更換安裝后，絕緣電阻、直流電阻和變比等各項試驗均合格，2011年2月23日合閘送電，對更換設備進行遞升加壓的方法，當機組升壓至537 kV時，2B差動保護動作跳開5003DL。經查看，故障錄波A相電壓互感器發生同C相電壓互感器相同的故障。通過試驗，檢查出B相電壓互感器也發生相同的故障。上述情況發生后，遂決定對三相互感器均重新制作、更換，投運后設備運行正常。

2.3 C相電壓互感器解體檢查情況

深溪溝水電站型號為JDQX8－500ZHA1(M)的三相電壓互感器安裝方式為倒裝。現場對C相電壓互感器進行了二次引線檢查，完好、無短路燒灼痕跡(圖2，照片1)。拆下盆式絕緣子，吊離外罩，發現導電桿頭部已部分燒蝕，絕緣盆子上有許多燒焦的粉狀物，但未發現放電痕跡(圖3，照片2)。

檢查互感器內部沒有松動位移，高壓電極(屏蔽罩)與絕緣盆子連接處由于大電流而嚴重燒灼，高壓電極與兩側屏蔽板(接地)也沒有明顯的放電痕跡(圖4，照片3;圖5，照片4)。

圖2 照片1

圖3 照片2

圖4 照片3

撥開高壓繞組到凸出部位時發現該線圈沿垂直方向線圈中心線已經裂開，深度約10 cm，寬度約3 cm，裂開處的漆包線漆膜因發熱完全燒毀，漆包線燒糊粘結(圖6，照片5)，絕緣筒高壓繞組末端N端引出線處嚴重燒壞，N端引出線燒斷(圖7，照片6)。低壓繞組未發現問題，只是引出線部分被熏黑。

2.4 C相電壓互感器故障分析

圖5 照片4

圖6 照片5

圖7 照片6

由于電壓互感器高壓繞組嚴重燒壞，漆包線的漆膜和層間絕緣所使用的帶膠聚酯簿膜被燒毀，其燒焦的黑色粉末掉落在倒裝電壓互感器的絕緣盆子上，沒有因放電而產生大量SF6氣體的衍生物白色粉末，故電壓互感器高壓繞組是由于過熱而使線圈內的帶膠聚酯簿膜和漆包線的漆膜燒焦、發熱膨脹致使線圈從中間部位裂開。根據這一現象，判斷此次故障的原因是電磁式電壓互感器鐵磁諧振、產生大電流造成的。

由于冰雪雨凍災害天氣的影響，造成線路發生故障，使線路參數發生了改變，設備在開、合閘時，GCB斷口間的并聯電容、GIS母線的對地電容以及VT的非線性電感的影響造成線路和互感器諧振并產生諧振過電壓，鐵心嚴重磁飽和，勵磁電流急劇增大，流過高壓繞組的電流也急劇增大，使高壓線圈內部嚴重發熱，最終使線圈受熱膨脹崩裂，導致高壓繞組對地擊穿。1月5日系統故障時，三相電壓互感器均發生過鐵磁諧振，互感器鐵心產生磁飽和，磁飽和導致線圈流過大電流，大電流在線圈內部產生熱量積聚損壞了線圈絕緣。事故發生時，隨鐵磁諧振產生的過電流使C相電壓互感器內部高溫過熱，SF6氣體受熱發生氣體分解，A、B兩相互感器也因鐵磁諧振受損、絕緣降低，卻因勵磁電流較小未造成如C相一樣的嚴重程度，故在做SF6氣體成份分析時A、B相沒有發現異常，但在C相更換正常后對GIS設備遞升加壓至額定電壓時仍因絕緣受損擊穿而對地放電。

3 鐵磁諧振產生的原因分析和對策

550 kV GIS設備在斷路器斷口間一般配置有改善斷口電壓分布特性的并聯電容器。由GCB斷口間的均壓并聯電容、GIS母線的對地電容以及VT的非線性電感所構成的串聯LC回路在某種特定的場合，如母線停電操作GCB、電網瞬時接地、造成系統沖擊擾動時，可能使母線上配置的電磁式VT的鐵心飽和，致使一相或兩相對地電壓瞬間升高，使電壓互感器的電壓、電流幅值從正常工作狀態轉移到諧振狀態，產生諧振過電壓。產生鐵磁諧振時過電壓的幅值主要取決于電壓互感器鐵心電感的飽和程度，但勵磁電流很大，達到正常電流的幾百甚至上千倍，時間過長會燒毀線圈。由于鐵磁諧振具有自保持的特點，在激發因素消失后，鐵磁諧振過電壓仍然可以繼續長期存在，因此，鐵磁諧振是造成GIS設備損壞的最大因素。

3.1 鐵磁諧振發生的原因

以變電站的單母線接線(圖8)為例，當斷路器GCB2、3相繼分閘、GCB1最后分閘時，電磁式電壓互感器VT就可能會發生鐵磁諧振。

GCB1斷口配置有均壓并聯電容器，其二次等價回路見圖9。

圖8 單母線接線示意圖

圖9 鐵磁諧振等價回路示意圖

現象產生過程:

(1)GCB1斷開的瞬時，GIS母線對地電容C2上殘留的電荷對 L進行放電。通常情況下 ，C2一般很小(數千pF)，因此，其放電電壓是一種低頻振蕩衰減波形。在R/L/C組成的串聯回路中，當滿足一定參數條件，即 R2＜4L/C時，其放電電壓見圖10。

圖10 靜電容量的放電(振蕩形式)電壓曲線圖

C2上的放電電壓和放電電流:

(2)VT的勵磁特性曲線(圖11)中，其電感表現為非線性，L1、L2分別為鐵心非飽和狀態、飽和狀態時的線圈電感。勵磁曲線中飽和區域的L相對非飽和區域變化很大(一般 L1約為L2的幾百倍)。C2放電時，L上的電流變化趨勢見圖12。VT的工作循環為:O→A→B→A→O→C→D→C→O。

圖11 VT的勵磁特性示意圖

圖12 C2放電時L上的電流示意圖

(3)GCB斷開后，L上會承受由電源 E產生的感應電壓，數值為E·C1/(C1+C2)，其與(1)中的振蕩衰減波形將進行疊加并補償衰減的振蕩電壓，若該感應電壓足夠大且其相位在某一時刻恰與衰減的低頻電壓相位相近時，就有可能使低頻電壓的幅值升高且持續存在，即 VT發生了鐵磁諧振。此時諧振表現為分頻諧振，諧振頻率一般為1/3、1/5、1/7倍工頻(圖13)，過電壓倍數較低，一般不超過2.5倍相電壓。但諧振過電流很大，可達正常額定電流幾百倍甚至更高，這也是造成(照片5)電壓互感器一次線圈燒損崩裂的原因。

圖13 分頻諧振圖

3.2 鐵磁諧振產生時的防范對策

(1)VT二次側接入可飽和電抗器。

如圖9所示，結合C1、C2的數值，合理設計其內部電阻。當GCB斷開后，附加電阻在低頻電壓時先于VT之前飽和，附加電阻消耗低頻電壓的能量，從而抑制鐵磁共振的發生。經咨詢GIS設備生產廠家，目前，實際應用中因在GIS母線的對地電容計算上存在著較大的問題，該方法還沒有應用在實踐上。

(2)通過操作開關消除諧振。

發生鐵磁諧振的工況是屬于特殊類型的運行方式。諧振發生時，將 VT近側的 DS開關分閘，相當于在等價回路中接入一個非常小的C'，即可消除諧振。在實際操作中，基本采用操作隔離刀閘的分合進行滅磁，以達到消除鐵磁諧振的目的(圖14)。

圖14 消諧操作示意圖

4 結語

電力系統500 kV設備運行操作改變運行方式時，應選擇好合理的運行方式和操作方式，注意倒閘操作中的操作步驟，特別是投入空母線中的電磁式電壓互感器時，應從操作程序上防止斷路器斷口均壓電容與母線電壓互感器發生串聯鐵磁諧振過電壓。運行操作電壓互感器時，應密切監視電壓的幅值變化，當有諧振過電壓產生時，及時的分合相鄰的隔離刀閘進行消諧，防止諧振過電壓的發生，避免造成絕緣薄弱環節擊穿、避雷器爆炸和母線電壓互感器過流燒毀等嚴重設備損壞事故。