周 勇

(國(guó)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(guī)劃的第十八級(jí)電站，其上一梯級(jí)為已投運(yùn)的大渡河干流中游控制型水庫(kù)——瀑布溝水電站，下一級(jí)為正在建設(shè)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(kù)正常蓄水位高程660 m，電站利用最大落差40 m，安裝4臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式發(fā)電機(jī)，總?cè)萘繛?60 MW。與瀑布溝等電站聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，多年平均年發(fā)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(fā)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(fā)電機(jī)與主變壓器組成兩組擴(kuò)大單元接線，發(fā)電機(jī)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(qiáng)迫油循環(huán)水冷組合式三相油浸式雙卷銅線圈電力變壓器。發(fā)電機(jī)通過(guò)離相封閉母線引出與主變壓器低壓側(cè)連接，主變壓器高壓側(cè)直接與SF6管道母線連接，向上接布置在第三層的550 kV GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備，再采用GIS短段母線引到樓頂出線場(chǎng)接戶外敞開(kāi)式出線設(shè)備。主變壓器位于主廠房下游側(cè)的副廠房?jī)?nèi)，離相封閉母線層、主變壓器層、SF6管道母線層、550 kV GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備層、戶外敞開(kāi)式出線設(shè)備層采用逐層上升的布置方式。550 kV設(shè)備采用角型接線方式，設(shè)計(jì)兩條出線，一條出線與上游已投運(yùn)的瀑布溝水電站連接，一條出線作為備用線路與下游建設(shè)中的枕頭壩水電站連接。深溪溝水電站主接線圖見(jiàn)圖1。

2 事故經(jīng)過(guò)和分析處理過(guò)程

2.1 事故發(fā)生經(jīng)過(guò)

2011年1月5日11時(shí)，瀑布溝水電站500 kV布坡線受冰雪雨凍災(zāi)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(wǎng)解列，進(jìn)入孤網(wǎng)狀態(tài)，隨后機(jī)組相繼停機(jī)。為滿足廠用電、保證下游供水及泄洪需要，啟動(dòng)了深溪溝水電站2#機(jī)組，形成外來(lái)110 kV變電站電源和2#機(jī)組自供發(fā)電相互備用的廠用電運(yùn)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(duì)布深線充電，深溪溝站內(nèi)主接線設(shè)備中相應(yīng)滿足環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的隔離刀閘合閘、接地刀閘分閘、4組斷路器分閘，設(shè)備處于熱備用狀態(tài)。19時(shí)07分，合5004斷路器進(jìn)行最后的環(huán)網(wǎng)操作時(shí)，斷路器瞬間跳閘并伴有弧光產(chǎn)生，故障錄波報(bào):2#主變A套保護(hù)裝置差動(dòng)保護(hù)跳閘、2#主變B套保護(hù)裝置差動(dòng)保護(hù)跳閘、DL5004跳閘;故障時(shí)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(shí)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(chǔ)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(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)檢查各氣室氣壓正常，設(shè)備外表面無(wú)弧光灼燒痕跡，避雷器無(wú)動(dòng)作記錄，查看故障錄波記錄及現(xiàn)場(chǎng)情況，初步斷定C相5003斷路器－5004斷路器－50036隔離刀閘間某點(diǎn)發(fā)生接地?fù)舸┈F(xiàn)象。

2.2 事故發(fā)生后采取的措施及處理措施

根據(jù)上述判定，決定采用氣體分析儀對(duì)懷疑氣室做氣體成分分析，判斷可能發(fā)生接地?fù)舸┑臍馐遥s小打開(kāi)氣室檢查的范圍。在對(duì)C相型號(hào)為JDQX8－500ZHA1(M)的電壓互感器氣室檢查時(shí)，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(nèi)部存在低能量放電或大于600℃的過(guò)熱性故障而引起的固體絕緣材料受熱分解，根據(jù)對(duì)氣體成分進(jìn)行分析的結(jié)果，決定對(duì)C相電壓互感器進(jìn)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(xiàng)試驗(yàn)均合格，2011年2月23日合閘送電，對(duì)更換設(shè)備進(jìn)行遞升加壓的方法，當(dāng)機(jī)組升壓至537 kV時(shí)，2B差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)5003DL。經(jīng)查看，故障錄波A相電壓互感器發(fā)生同C相電壓互感器相同的故障。通過(guò)試驗(yàn)，檢查出B相電壓互感器也發(fā)生相同的故障。上述情況發(fā)生后，遂決定對(duì)三相互感器均重新制作、更換，投運(yùn)后設(shè)備運(yùn)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(hào)為JDQX8－500ZHA1(M)的三相電壓互感器安裝方式為倒裝?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)C相電壓互感器進(jìn)行了二次引線檢查，完好、無(wú)短路燒灼痕跡(圖2，照片1)。拆下盆式絕緣子，吊離外罩，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)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(fā)現(xiàn)放電痕跡(圖3，照片2)。

檢查互感器內(nèi)部沒(méi)有松動(dòng)位移，高壓電極(屏蔽罩)與絕緣盆子連接處由于大電流而嚴(yán)重?zé)疲邏弘姌O與兩側(cè)屏蔽板(接地)也沒(méi)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(kāi)高壓繞組到凸出部位時(shí)發(fā)現(xiàn)該線圈沿垂直方向線圈中心線已經(jīng)裂開(kāi)，深度約10 cm，寬度約3 cm，裂開(kāi)處的漆包線漆膜因發(fā)熱完全燒毀，漆包線燒糊粘結(jié)(圖6，照片5)，絕緣筒高壓繞組末端N端引出線處嚴(yán)重?zé)龎?，N端引出線燒斷(圖7，照片6)。低壓繞組未發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(yán)重?zé)龎?，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(méi)有因放電而產(chǎn)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(guò)熱而使線圈內(nèi)的帶膠聚酯簿膜和漆包線的漆膜燒焦、發(fā)熱膨脹致使線圈從中間部位裂開(kāi)。根據(jù)這一現(xiàn)象，判斷此次故障的原因是電磁式電壓互感器鐵磁諧振、產(chǎn)生大電流造成的。

由于冰雪雨凍災(zāi)害天氣的影響，造成線路發(fā)生故障，使線路參數(shù)發(fā)生了改變，設(shè)備在開(kāi)、合閘時(shí)，GCB斷口間的并聯(lián)電容、GIS母線的對(duì)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(chǎn)生諧振過(guò)電壓，鐵心嚴(yán)重磁飽和，勵(lì)磁電流急劇增大，流過(guò)高壓繞組的電流也急劇增大，使高壓線圈內(nèi)部嚴(yán)重發(fā)熱，最終使線圈受熱膨脹崩裂，導(dǎo)致高壓繞組對(duì)地?fù)舸?月5日系統(tǒng)故障時(shí)，三相電壓互感器均發(fā)生過(guò)鐵磁諧振，互感器鐵心產(chǎn)生磁飽和，磁飽和導(dǎo)致線圈流過(guò)大電流，大電流在線圈內(nèi)部產(chǎn)生熱量積聚損壞了線圈絕緣。事故發(fā)生時(shí)，隨鐵磁諧振產(chǎn)生的過(guò)電流使C相電壓互感器內(nèi)部高溫過(guò)熱，SF6氣體受熱發(fā)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(lì)磁電流較小未造成如C相一樣的嚴(yán)重程度，故在做SF6氣體成份分析時(shí)A、B相沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常，但在C相更換正常后對(duì)GIS設(shè)備遞升加壓至額定電壓時(shí)仍因絕緣受損擊穿而對(duì)地放電。

3 鐵磁諧振產(chǎn)生的原因分析和對(duì)策

550 kV GIS設(shè)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(lián)電容器。由GCB斷口間的均壓并聯(lián)電容、GIS母線的對(duì)地電容以及VT的非線性電感所構(gòu)成的串聯(lián)LC回路在某種特定的場(chǎng)合，如母線停電操作GCB、電網(wǎng)瞬時(shí)接地、造成系統(tǒng)沖擊擾動(dòng)時(shí)，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(duì)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(tài)轉(zhuǎn)移到諧振狀態(tài)，產(chǎn)生諧振過(guò)電壓。產(chǎn)生鐵磁諧振時(shí)過(guò)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(lì)磁電流很大，達(dá)到正常電流的幾百甚至上千倍，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)燒毀線圈。由于鐵磁諧振具有自保持的特點(diǎn)，在激發(fā)因素消失后，鐵磁諧振過(guò)電壓仍然可以繼續(xù)長(zhǎng)期存在，因此，鐵磁諧振是造成GIS設(shè)備損壞的最大因素。

3.1 鐵磁諧振發(fā)生的原因

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

GCB1斷口配置有均壓并聯(lián)電容器，其二次等價(jià)回路見(jiàn)圖9。

圖8 單母線接線示意圖

圖9 鐵磁諧振等價(jià)回路示意圖

現(xiàn)象產(chǎn)生過(guò)程:

(1)GCB1斷開(kāi)的瞬時(shí)，GIS母線對(duì)地電容C2上殘留的電荷對(duì) L進(jìn)行放電。通常情況下 ，C2一般很小(數(shù)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(lián)回路中，當(dāng)滿足一定參數(shù)條件，即 R2＜4L/C時(shí)，其放電電壓見(jiàn)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(lì)磁特性曲線(圖11)中，其電感表現(xiàn)為非線性，L1、L2分別為鐵心非飽和狀態(tài)、飽和狀態(tài)時(shí)的線圈電感。勵(lì)磁曲線中飽和區(qū)域的L相對(duì)非飽和區(qū)域變化很大(一般 L1約為L(zhǎng)2的幾百倍)。C2放電時(shí)，L上的電流變化趨勢(shì)見(jiàn)圖12。VT的工作循環(huán)為:O→A→B→A→O→C→D→C→O。

圖11 VT的勵(lì)磁特性示意圖

圖12 C2放電時(shí)L上的電流示意圖

(3)GCB斷開(kāi)后，L上會(huì)承受由電源 E產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，數(shù)值為E·C1/(C1+C2)，其與(1)中的振蕩衰減波形將進(jìn)行疊加并補(bǔ)償衰減的振蕩電壓，若該感應(yīng)電壓足夠大且其相位在某一時(shí)刻恰與衰減的低頻電壓相位相近時(shí)，就有可能使低頻電壓的幅值升高且持續(xù)存在，即 VT發(fā)生了鐵磁諧振。此時(shí)諧振表現(xiàn)為分頻諧振，諧振頻率一般為1/3、1/5、1/7倍工頻(圖13)，過(guò)電壓倍數(shù)較低，一般不超過(guò)2.5倍相電壓。但諧振過(guò)電流很大，可達(dá)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(chǎn)生時(shí)的防范對(duì)策

(1)VT二次側(cè)接入可飽和電抗器。

如圖9所示，結(jié)合C1、C2的數(shù)值，合理設(shè)計(jì)其內(nèi)部電阻。當(dāng)GCB斷開(kāi)后，附加電阻在低頻電壓時(shí)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(fā)生。經(jīng)咨詢GIS設(shè)備生產(chǎn)廠家，目前，實(shí)際應(yīng)用中因在GIS母線的對(duì)地電容計(jì)算上存在著較大的問(wèn)題，該方法還沒(méi)有應(yīng)用在實(shí)踐上。

(2)通過(guò)操作開(kāi)關(guān)消除諧振。

發(fā)生鐵磁諧振的工況是屬于特殊類型的運(yùn)行方式。諧振發(fā)生時(shí)，將 VT近側(cè)的 DS開(kāi)關(guān)分閘，相當(dāng)于在等價(jià)回路中接入一個(gè)非常小的C'，即可消除諧振。在實(shí)際操作中，基本采用操作隔離刀閘的分合進(jìn)行滅磁，以達(dá)到消除鐵磁諧振的目的(圖14)。

圖14 消諧操作示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

電力系統(tǒng)500 kV設(shè)備運(yùn)行操作改變運(yùn)行方式時(shí)，應(yīng)選擇好合理的運(yùn)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(shí)，應(yīng)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(fā)生串聯(lián)鐵磁諧振過(guò)電壓。運(yùn)行操作電壓互感器時(shí)，應(yīng)密切監(jiān)視電壓的幅值變化，當(dāng)有諧振過(guò)電壓產(chǎn)生時(shí)，及時(shí)的分合相鄰的隔離刀閘進(jìn)行消諧，防止諧振過(guò)電壓的發(fā)生，避免造成絕緣薄弱環(huán)節(jié)擊穿、避雷器爆炸和母線電壓互感器過(guò)流燒毀等嚴(yán)重設(shè)備損壞事故。