二灘電站GISTV鐵磁諧振分析

于遠鵬，楊 東(二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617100)

二灘電站GISTV鐵磁諧振分析

于遠鵬，楊 東
(二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617100)

二灘電站500kV系統主接線為3/2與4/3混合接線方式，500kVGIS設備包括斷路器、隔離開關、接地刀、TV、TA、母線、設備互聯短引線等。主變壓器高壓側T區在倒閘操作中，當處于熱備用狀態時，一般情況下電壓較低，三相電壓平衡，約120kV左右；有時電壓較高，三相電壓不平衡，高的約260kV左右。該現象對運行操作及二次系統產生了影響。分析該現象屬于鐵磁諧振現象，對其形成原因作了相應分析，并通過仿真得到了驗證。

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T區(見圖1)會存在熱備用與帶電運行狀態的轉換，在這個轉換倒閘操作中多次出現T區處于熱備用狀態(主變壓器未接入)時 T區TV電壓過高的現象。主要表現三相不平衡，兩個線電壓約300 kV，另一個線電壓為480 kV，哪些相電壓過高不確定，歷史數據見表1。此時安控裝置測量到主變壓器高壓側帶電且不平衡，從而報TV斷線，閉鎖安控裝置。該現象已經影響到安控裝置的正常運行和運行人員對斷路器是否拉開的正確判斷，有必要對該現象的形成原因、影響、防范措施進行研究，以利于設備的安全正常運行。

表1 主變壓器高壓側T區電壓歷史數據 (kV)

圖1 主變壓器高壓側T區范圍

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

從電壓不平衡現象、值的大小來看，可以排除因為感應電壓、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T區鐵磁諧振分析

鐵磁諧振過電壓產生的根本原因在于TV鐵心的飽和特性，隨著系統電壓的變化、斷路器操作、電路參數的變化等，其他部分元件的參數均可能與鐵心呈現的非線性電感形成諧振條件，從而導致過電壓出現。所研究的二灘電站主變壓器高壓側T區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域，但斷路器突然的斷開引起的暫態電壓變化也可能導致TV鐵心工作特性的變化，加上斷路器斷口并聯電容的突然接入，則還是可能產生鐵磁諧振的。

二灘主變壓器高壓側T區裝設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[1]提到的方法，對于其工頻鐵磁諧振進行解析分析，考慮圖1的結構，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[1]采用的分析方法有所不同，分析采用串聯電路，即從圖3中的TV一次繞組電阻向系統側進行等效，其中電源E認為是系統等效的理想電源，ZC是圖1中兩個斷路器均斷開后各自的斷口并聯電容相并聯得后的阻抗，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系。

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

(1)

對于TV鐵心飽和特性雖然沒有解析表達式，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，采用ATP-EMTP的SATURATION程序將TV的試驗U-I曲線轉換為Φ-i曲線，見表2。

若采用第3個點作為線性與飽和的轉折點，第3個點至第7個為線性化后的第二段，原點至第3個點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曲線畫在同一個坐標中，在相交點則可以激發工頻鐵磁諧振，如圖4，表明此時工頻鐵磁諧振在額定電壓附近不太可能發生，大約要在TV接近滿載情況下才可能發生。

圖4 Us-Is與Up-Ip比較圖

但該分析電路與方法對于其他諧振情況無法進行，比如電路工況的轉變導致TV出現勵磁涌流，可能激發諧振，因此還得依賴于仿真分析。

2 主變壓器高壓側T區鐵磁諧振仿真

如圖1中二灘GIS設備，主要考慮斷路器斷口并聯電容1 100 pF(一個斷路器550 pF)，T區短引線、TA、隔離開關、斷路器等對地電容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T區TV伏安特性與Φ-i

圖5 TV鐵磁諧振仿真電路

圖6 0 s時刻拉開斷路器三相電壓波形

仿真模擬先拉開T區一個斷路器，然后拉開另一個斷路器的操作。先拉開的斷路器相當于已經接入了斷口并聯電容，另一個斷路器采用一個斷路器仿真模型來模擬不同的分閘時刻，圖6是在0 s時刻拉開斷路器時三相電壓50 s的波形，對于其他分閘時刻、電壓大小、對地電容的改變等仿真不在此處進行。

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，幅值最高達到了750 kV，有效值與觀察到的實際數據280 kV接近。該仿真的結果較好地說明了二灘主變壓器高壓側電壓因為鐵磁諧振原因引起的過高及不平衡的現象。

3 結 論

通過二灘主變壓器高壓側TV工頻鐵磁諧振解析分析表明，在二灘現有GIS設備參數條件下主變壓器高壓側T區進行倒閘操作不會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生，仿真結果與電壓歷史數據吻合。

對于二灘主變壓器高壓側T區出現的電壓過高及不平衡現象，由于電壓只是接近額定電壓，高出正常情況下T區值的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。對于安控裝置的影響很嚴重，安控裝置本身被閉鎖極有可能對電網的安全穩定運行產生不利影響，因此可以通過T狀態轉換前，投入相應的發變組檢修壓板，不讓安控裝置對該電壓進行判斷，從而避免因三相電壓不平衡而導致安控裝置被閉鎖。

同時從二灘GIS斷路器檢修情況來看，曾經發現一個斷路器分合閘機械指示不能正確反映斷路器觸頭實際位置，因此對于鐵磁諧振判斷的研究有利于運行人員快速正確判斷斷路器的位置，以免影響系統操作。

[1] 李云閣, 施圍. 應用解析法分析中性點接地系統中的工頻鐵磁諧振——諧振判據和消諧措施[J]. 中國電機工程學報, 2003, 23(9): 142-145.

[1] 李云閣, 施圍. 應用解析法分析中性點接地系統中的工頻鐵磁諧振——非線性電感工頻勵磁特性的求取[J]. 中國電機工程學報, 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)

于遠鵬(1974)，學士，主要從事水電站運行管理工作；

楊 東(1974)，高級工程師，碩士，主要從事水電站運行工作。