某核電站改造工程設備快速暫態過電壓評估

黃旭丹，林 睿，肖煥輝

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

某核電站改造工程設備快速暫態過電壓評估

黃旭丹，林 睿，肖煥輝

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

某核電站原來#1、#2 號聯絡變因快速暫態過電壓導致變壓器線圈被燒損，在新增#3聯絡變改造項目時，設計需充分考慮快速暫態過電壓 對新聯絡變壓器的影響，避免再次發生類似事故。本文采用ATP電磁暫態計算程序，建立了電站中各GIS設備的電氣模型，對420 kV/525 kV GIS中擴建聯絡變間隔內隔離開關操作引起的快速暫態過電壓進行仿真計算，通過對10種典型操作方式進行計算和評估，結果表明設備的絕緣等級等參數具備承受快速暫態過電壓的能力。

快速暫態過電壓；氣體絕緣組合電器；聯絡變；絕緣等級。

氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear, GIS) 因具有結構緊湊、占地面積小、維護方便、運行可靠等優點，在超高壓系統和核電站得到廣泛應用。運行經驗表明，GIS 中斷路器(Circuit Breaker, CB)和隔離開關(Disconnecting Switch, DS)操作時會產生波前極陡、高頻振蕩的快速暫態過電壓(Very Fast Transient Overvolitage, VFTO)。斷路器有滅弧裝置，不易發生重燃，因此在VFTO 造成的事故中以隔離開關的操作尤為常見。VFTO 不僅危及GIS 內部設備的絕緣，還會以行波的形式傳播并耦合到外部，威脅二次設備及相連的高壓設備的絕緣，尤其是有繞組的設備，如變壓器、電抗器等。從已有的研究成果可知，VFTO 的幅值、頻率、波形與GIS 的接線方式、結構尺寸、設備參數、變壓器和GIS 的連接方式以及被操作線路的殘余電荷等因素有關。另外，VFTO與隔離開關操作方式，包括系統運行方式、被操作開關的位置、操作順序等密切相關， 因此研究隔離開關操作方式對VFTO的影響有一定的現實意義。

本文結合國內某核電站改造工程的實例，采用電磁暫態計算程序(Altemative Transient Program, ATP)，對電站內420/525 kV GIS中聯絡變間隔內隔離開關操作引起的的快速暫態過電壓(VFTO)進行仿真計算，并評估VFTO對設備絕緣的威脅。

1 工程概況

為提高聯網系統的安全性和供電可靠性，國內某核電站的改造工程擬增加一臺525/420 kV聯絡變壓器，即在原有開關站的500 kV與400 kV側分別新增一個不完整串GIS，聯絡變壓器兩側通過GIL分別接入兩側新增GIS，形成新的互聯。該站原來#1、#2 號聯絡變曾因VFTO 導致變壓器線圈被燒損的故障，因此在新增#3聯變改造項目的設計時應充分考慮VFTO 對新聯變變壓器的影響，避免再次發生類似事故。

1.1 電氣主接線圖

某核電站GIS主接線方案見圖1。接線方式為3/2 斷路器接線。本期工程建設在400 kV和500 kV各設一個不完整串，1 組900 MVA聯絡變，出線為預留；前期工程由4回出線和2組主變、2組聯絡變組成。

圖1 420/525 kV GIS建設主接線圖

1.2 電站設備相關參數

本期工程電站設備相關參數見表1。

表1 變電站內設備等值參數

2 計算研究內容

本文采用ATP電磁暫態計算程序，對電站420 kV GIS中聯絡變間隔內隔離開關操作引起的的快速暫態過電壓(VFTO)進行仿真計算，并評估VFTO對設備絕緣的威脅。根據實際變電站設備的結構和布局，采用S.Ogawa提出的GIS電路模型，建立GIS母線、變壓器、斷路器、隔離開關、接地開關、絕緣子、套管、避雷器等模型，研究了主變和進線的隔離開關在不同操作方式下產生的VFTO過電壓。VFTO過電壓幅值較大的點一般位于被操作的開關附近、孤島部分、電氣末端(如母線末端)等處，并且VFTO對主變的匝間絕緣危害較大，所以在計算中重點關注以下節點處的過電壓：各主變入口處，主變電壓互感器處，被操作隔離開關附近設備上，以及整個變電站內VFTO最大幅值。通過對幾種典型操作方式下VFTO的仿真計算，分析了VFTO過電壓是否會對該變電站的主變絕緣及其他設備絕緣產生威脅，是否需要采取專門措施抑制VFTO。

2.1 模型等效電路

計算研究采用S.Ogawa提出的GIS元件的電路模型。由于整個系統近似為三相對稱，可用單相電路進行模擬。見表2，在GIS中，直管道母線一般較短，在計算中略去損耗， GIS管道母線用波阻抗Z＝63Ω、波速v = 290 m/μs的無損傳輸線等值。斷路器閉合狀態等效為聯線，斷開狀態通過斷口電容與對地電容模擬。隔離開關的模擬與斷路器一致，閉合狀態等效為聯線，斷開狀態時等效為電容。接地開關斷開狀態時對地電容為45 pF。電流互感器可近似為聯線。避雷器、電壓互感器、套管和電纜終端均用集中電容模擬。

表2 變電站內設備等效模型

由于不需要分析變壓器內部過電壓分布情況，并且根據以往的經驗，在計算模型中，用入口電容等效變壓器與用其它復雜模型等效的計算結果吻合很好，所以變壓器用理想電源及入口電容和等值電感進行等效，525 kV側 L＝109 mH，420 kV側 L＝70 mH。

電弧的重燃和熄弧采用基于動態電弧模型的MODELS模塊模擬。動態電弧模型是基于Mayr電弧理論對分段電弧模型的一種改進，在弧道電阻的變化過程描述中考慮了電弧散熱功率以及電弧電流的影響，能有效的模擬燃弧的整個過程，計算精度高。利用ATP－EMTP軟件自帶的MODELS模塊及語言，基于動態電弧理論基礎，代入改進歐拉法公式進行編程，實現符合動態電弧模型的控制函數，得到隔離開關的電弧重燃模型。

3 電站GIS VFTO仿真計算與分析

按最嚴重情況考慮，給隔離開關孤島部分充以－1.0 p.u.的殘余電壓，假設隔離開關在電站電壓為+1.0 p.u.時動作，這時的VFTO過電壓最大，理論上可達3.0 p.u。

各種操作方式下VFTO計算見表3，本文考慮了以下10種操作方式下VFTO過電壓。

表3 操作方式

3.1 方式1下的VFTO計算

操作方式1計算無線路運行時，對變壓器#3 420 kV側合閘的情況。隔離開關操作電氣接線示意圖見圖1，所有開關均處于斷開狀態時，對主變#3側隔離開關902JS進行合閘，在各元件上產生的過電壓。各點處的最大過電壓見表4。

表 4 操作902JS下的VFTO計算結果

3.2 方式2下的VFTO計算

操作方式2計算無線路運行時，對變壓器#3 420 kV側合閘的情況。所有開關均處于斷開狀態時，對主變#3側所在串上隔離開關901JS進行合閘，在各元件上產生的過電壓。各點處的最大過電壓見表5。

表5 操作901JS下的VFTO計算結果

3.3 方式3下的VFTO計算

操作方式3計算無線路運行時，對變壓器#3 420 kV側合閘的情況。所有開關均處于斷開狀態時，對主變#3側所在串上隔離開關903JS進行合閘，在各元件上產生的過電壓。各點處的最大過電壓見表6。

表 6 作903JS下的VFTO計算結果

3.4 方式4下的VFTO計算

操作方式4計算母線701JB帶壓運行時，隔離開關902JS閉合，其他所有開關均處于斷開狀態，對母線側隔離開關900JS進行合閘，各元件上產生的過電壓。各點處的最大過電壓見表7。

表 7 作900JS下的VFTO計算結果

3.5 方式5下的VFTO計算

操作方式5計算母線702JB帶壓運行時，隔離開關902JS閉合，其他所有開關均處于斷開狀態，對母線側隔離開關904JS進行合閘，各元件上產生的過電壓。各點處的最大過電壓見表8。

表8 操作904JS下的VFTO計算結果

3.6 方式6下的VFTO計算

操作方式6計算無線路運行時，對變壓器#3 5250 kV側合閘的情況。隔離開關操作電氣接線示意圖見圖1，所有開關均處于斷開狀態時，對主變#3側隔離開關605JS進行合閘，在各元件上產生的過電壓。各點處的最大過電壓見表9。

表9 操作605JS下的VFTO計算結果

3.7 方式7下的VFTO計算

操作方式7計算無線路運行時，對變壓器#3 525 kV側合閘的情況。所有開關均處于斷開狀態時，對主變#3側所在串上隔離開關604JS進行合閘，在各元件上產生的過電壓。各點處的最大過電壓見表10。

表 10 作604JS下的VFTO計算結果

3.8 方式8下的VFTO計算

操作方式8計算無線路運行時，對變壓器#3 525 kV側合閘的情況。所有開關均處于斷開狀態時，對主變#3側所在串上隔離開關606JS進行合閘，在各元件上產生的過電壓。各點處的最大過電壓見表11。

表11 作606JS下的VFTO計算結果

3.9 方式9下的VFTO計算

操作方式9計算母線802JB帶壓運行時，隔離開關605JS閉合，其他所有開關均處于斷開狀態，對母線側隔離開關607JS進行合閘，各元件上產生的過電壓。各點處的最大過電壓見表12。

表 12 作607JS下的VFTO計算結果

3.10 方式10下的VFTO計算

操作方式10計算母線801JB帶壓運行時，隔離開關605JS閉合，其他所有開關均處于斷開狀態，對母線側隔離開關603JS進行合閘，各元件上產生的過電壓。各點處的最大過電壓見表13。

表13 操作603JS下的VFTO計算結果

4 VFTO計算結果分析

綜合上述所有操作方式下的VFTO計算結果，可以看出：針對420 kV和525 kV側#3聯絡變壓器VFTO計算中，方式1和方式6投入設備最少，電站整體產生的過電壓情況較為嚴重，主變入口處VFTO最大值1.22 p.u.和1.60 p.u，其中隔離開關上VFTO最大值為2.34 p.u.和2.37 p.u；方式(2，3)由于操作點距變壓器距離相近，且投入設備數量也相近，其計算結果相差不大，大部分設備上的過電壓幅值小于方式1的計算結果，由于VFTO整體幅值并不太大，而變壓器入口電容較大，因此，方式(1，2，3)傳播到變壓器入口處的波在經過折反射之后其能量大幅削減，幅值均較低；針對方式(7，8)的結果分析與方式(2，3)類似；方式(4，5)母線帶壓運行時操作母線側隔離開關，操作隔離開關上過電壓達到2.43 p.u.，在操作隔離開關附近的斷路器上產生的VFTO幅值為所有操作方式中最大的，最大值達到了2.95 p.u.，傳播到變壓器入口處的波能量大幅削減，幅值較低；方式(9，10)操作隔離開關上過電壓達到2.55 p.u.，在操作隔離開關附近的斷路器上產生的VFTO幅值為所有操作方式中最大的，最大值達到了2.93 p.u.，傳播到變壓器入口處的波能量大幅削減，幅值較低。

對420 kV側和525 kV側計算結果進行比較可以看出：525 kV側 VFTO計算結果整體大于420 kV計算結果。其主要原因在于，在計算建模過程中，變壓兩側設備所取參數相同，525 kV側變壓入口電容取值甚至小于420 kV側變壓器入口電容，而高壓側隔離開關操作過程中所產生的VFTO幅值更高，能量更大，相同參數的設備對于其能量的分散抑制作用有限，導致傳播到變壓器入口處VFTO幅值更高，而變壓器入口電容的減小，也將減小其對于VFTO的抑制作用，因此，525 kV側VFTO計算結果要大于420 kV側計算結果。

以下為分別針對電站中變壓器和GIS本體的設計參數結果分析。

(1)根據變壓器廠商的驗證報告，聯絡變壓器對于在525 kV側和420 kV對于VFTO的耐受電壓分別為1300 kV和1175 kV，本次計算中，對于525 kV側，變壓器入口最大VFTO幅值為1.60 p.u，即685.86 kV，遠小于變壓器耐受電壓1300 kV；對于420 kV側，變壓器入口最大VFTO幅值為1.23 p.u，即527.25 kV，遠小于變壓器耐受電壓1175 kV，因此，變壓器不會遭到損壞。

但根據國內外針對VFTO的研究表明：VFTO對變壓器的影響主要是高頻振蕩分量對主變匝間絕緣的影響。同樣根據變壓器廠商提供的驗證報告，擴展變壓器對于525 kV側和420 kV側首端匝間絕緣耐受值分別為80 kV和74 kV，報告中同時指出，當VFTO振蕩頻率不超過1MHz時，其首端匝間承受VFTO幅值不超過總VFTO幅值的3%，分別對525 kV側、420 kV側首端匝間承受最大電壓進行計算如下：

525kV側：

685.86×0.03 =20.58 kV＜80 kV

420kV側：

527.25×0.03 =15.82 kV＜74 kV

根據以上計算結果可知，變壓器不會遭到損壞，且仍存在較大的裕度。

(2)電站中各個設備出現的VFTO最大值出現在操作點附近，對于420 kV側：最大VFTO幅值達到2.95 p.u，即1011 kV，本次計算針對的GIS 400 kV系統的雷電沖擊耐受電壓試驗標準為1550 kV，取0.8的安全系數，即0.8×1550=1240 kV，最大過電壓小于該值，因此VFTO過電壓對GIS本體的主絕緣不構成威脅。對于525 kV側：最大VFTO幅值達到2.93 p.u，即1254 kV，本次計算針對的GIS 500 kV系統的雷電過電壓試驗標準為1675 kV，仍然取0.8的安全系數，即0.8×1675=1340 kV，最大過電壓小于該值，因此，VFTO過電壓也對GIS本體的主絕緣不構成威脅，但這兩種方式下VFTO幅值仍偏大，應盡量減少此種操作方式。

5 結論

本文對某核電站420 kV/525 kV GIS中擴建聯絡變間隔內隔離開關操作引起的快速暫態過電壓(VFTO)進行仿真計算，建立了電站中各GIS設備的電氣模型，通過對10種典型操作方式下的VFTO進行計算，得到以下結論：

(1)對典型操作方式下的VFTO進行計算得出：操作隔離開關附近的過電壓值最高，為2.95 p.u.和2.93 p.u.，經過計算得到，最大過電壓值均在GIS設備承受范圍內，過電壓對GIS內部各設備不構成威脅；對于PT對VFTO的耐壓分析，目前國內外研究中均作為GIS本體耐壓的一部分考慮分析，因此，認為GIS本體不受VFTO影響時，認為VFTO對于GIS中PT不構成威脅；

(2)變壓器入口處過電壓最大為1.23 p.u.和1.60 p.u.；在這幾種操作方式下無線路運行時投入變壓器和母線帶壓操作刀閘所產生的過電壓較高，主變上的過電壓幅值一般較低。VFTO與弧道電阻、殘余電壓有關，弧道電阻越大、殘余電壓與電站電壓差值越低，則VFTO幅值就低，上述計算殘余電荷電壓按的是最嚴重的情況計算的，因而計算結果應該是偏嚴格的，分別對變壓器整體耐壓和匝間耐壓進行了分析，認為過電壓對變壓器不構成威脅。

(3)在隔離開關的操作過程中，會發生很多次的電弧擊穿和重燃現象，每次擊穿和重燃都可能造成過電壓的產生，而當上一次燃弧在隔離開關和斷路器的短線之間留下的殘余電荷恰好為－1 p.u.時，而隔離開關另一側的電壓恰好為1 p.u.時，下一次的擊穿將會造成最嚴重的過電壓，即為最極端情況的燃熄弧。

在VFTO的計算中，均為計算最極端情況下單次燃熄弧的VFTO波形和幅值，然后對其進行分析，在每次的分合閘過程中均可能發生。根據國內實際針對快速隔離開關和慢速隔離開關的實驗來看，隔離開關每次的分合閘時間和速度主要決定了每次分合閘操作中電弧燃熄弧的次數以及發生最嚴重情況燃熄弧的概率，而對于單次擊穿的計算結果并沒有多少影響。因此，在VFTO的計算中，不考慮隔離開關的分合閘時間和速度。

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VFTO Research and Evaluation of GIS Equipment in Nuclear Power Station Reconstruction Project

HUANG Xu-dan, LIN Rui, XIAO Huan-hui
(China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

One Nuclear Power Station No. 3 Unit reconstruction project has improved the transformer design due to No. 1&2 Units had ever suffered failures of the interconnecting transformer coil by VFTO, so the new No. 3 interconnecting transformer should be fully considered the impact of VFTO to avoid the similar incidents. This article analyzed 10 routine operations about the VFTO impact to the equipment by using the ATP electromagnetic transient calculation program. The results shown that the insulation level of the equipment could fulfill the requirement of VFTO

VFTO; GIS; interconnecting transformer; insulation.

TM613

B

1671-9913(2016)06-0072-06

2016-08-01

黃旭丹(1977- )，男，廣東廣州人，高級工程師，主要從事發電廠及變電站設計工作。