抽水蓄能电站空载变压器分闸过电压的现场实测与仿真研究

夏斌强，施经纬

（国网新源集团有限公司，北京市 100052）

0 引言

抽水蓄能电站主要承担电力系统的调峰、调频、事故备用及黑启动等，可以改善和平衡电力系统负荷，提高电力系统的供电质量和经济效益，是确保电网安全、经济、稳定运行的支柱。作为抽水蓄能主设备之一的主变压器，其安全可靠运行对抽水蓄能电站充分发挥在新型电力系统中的“稳定器”“调节器”“平衡器”功能起到关键作用[1，2]。

与常规热电厂或者变电站相比，抽水蓄能电站接线方式和设备存在一定的特殊性[3-5]。抽水蓄能电站的主变压器与地上开关站，一般通过1km左右的电缆直接相连。当地上开关站开断连接着电缆的空载主变压器时，可能会产生分闸过电压现象[6-8]，其幅值或波形特征是否会对设备绝缘带来危害存在一定争议[9-11]。

本文通过安装于抽水蓄能电站内部的过电压传感器，在电站调试期间开展现场实测，获得了断路器开断空载变压器的过电压水平和波形特征。进一步，通过在ATPEMTP中建模，对此过电压波形进行了仿真计算，对波形特征进行了复现和敏感性分析。考虑到抽水蓄能电站空载变压器分闸过电压幅值较低，一般不需要对其采取避雷器等限制措施。

1 抽水蓄能电站空载变压器分闸过电压现场实测

1.1 抽水蓄能电站主接线及操作方式

图1所示为本文研究的抽水蓄能电站主接线图，从图中可以看出，该电站采用3/2接线方式。本次操作主要涉及3号主变压器的分闸，操作前Ⅰ段母线和Ⅱ段母线都带电，3号主变压器处于空载状态，4号主变压器上方的5004-6隔离开关、断路器5021、隔离开关50212和50211都处于分闸状态，其余隔离开关和断路器都处于合闸位置。通过5023从合闸转分闸时，由系统运行状态的转换，其过渡过程就是产生过电压的过程。

图1 某抽水蓄能电站主接线图（部分）Figure 1 Main Connection of the pumped storage power plant （part）

1.2 抽水蓄能电站过电压测量系统及现场布置方案

1.2.1 过电压测量系统

过电压测量系统是由众多功能单元组成的整体，除手孔式传感器外，还包括示波器、屏蔽箱、触发系统等。内部测量系统包括过电压传感器、信号采集设备、供电模块与屏蔽系统，系统示意图如图2所示。

图2 过电压测量系统示意图Figure 2 Schematic diagram of overvoltage measurement system

同时，为了记录完整的放电过电压波形，要求示波器有较大的存储深度。本文选择使用示波器作为信号采集设备，完成对VFTO信号的采集记录存储。具体的备选型号有横河公司Yokogawa-DLM2054示波器［见图3（a）］和泰克公司Tektronix-DPO7254示波器［见图3（b）］两种，它们都具有测量频宽高、最大采样率大、最大存储深度大的特点，并且其测量带宽、采样率、存储时间均可调。在测量VFTO波形时，可以选取适当的条件采样率和存储时间。两种示波器的具体参数见表1。

表1 适合测量使用的示波器的参数Table 1 Suitable for measuring the parameters of the oscilloscope

图3 试验用示波器Figure 3 Oscilloscope for testing

由于现场操作时，传导电磁干扰和空间辐射电磁干扰都比较严重，为了消除传导和空间电磁干扰对测量系统的影响，确保准确地测量击穿波形，需将测量系统放置于屏蔽箱内。试验中将屏蔽箱固定在盖板上，和盖板可靠电气连接。屏蔽箱分为上、下两层，上层放置示波器以及光电转换装置，下层放置电池、逆变器及滤波器，屏蔽箱内部装置和外部无电气连接。屏蔽箱和测量系统随GIS测点处的外壳电位浮动，因此消除了电位差对系统的影响。屏蔽箱试验安装图如图4所示。

图4 屏蔽箱试验安装示意图Figure 4 Schematic diagram of shielding box test installation

1.2.2 过电压测点的布置

为了测量断路器5023分闸波形，分别在隔离开关5021-2旁布置测点1、在隔离开关5101-6旁布置测点2、在隔离开关5003-6旁布置测点3。具体布置方案如图5所示。

图5 抽水蓄能电站测点布置及测量示意图Figure 5 Schematic diagram of measuring point layout and measurement of pumped storage power station

1.3 过电压实测结果

断路器5023分闸时，在测点3测量的波形如图6所示，其最大幅值约为1.2倍额定电压，幅值较低。但从波形特征来看，接近隔离开关分闸时重燃而产生的多次击穿现象。对于断路器来说，发生多次击穿的过程是不可接受的，为此，尚需进一步对该现象进行仿真研究。

图6 抽水蓄能电站实测分闸空载主变过电压波形Figure6 Measured no-load overvoltage waveform of pumped-storage power station

2 空载变压器分闸过电压仿真研究

2.1 仿真模型建立

主变压器参数为ssp -36000 /500、YNd11、550-2×2.5%/18kV。采用ATP-EMTP软件中的混合变压器模型对抽水蓄能电站的主变压器进行了仿真，混合式变压器模型参数如表2所示。

表2 ATP-EMTP软件混合变压器模型参数Table 2 Model parameters of ATP-EMTP software hybrid transformer

高压电缆的结构分为单芯和三芯，大多数抽水蓄能电站采用单芯，这是因为电站装机容量大，发电功率大，导致高压电缆电流大。而单芯电缆三相分离，这种结构更有利于散热，因此采用单芯电缆用于高压电缆，其电压等级为500kV，绝缘材料为交联聚乙烯（XLPE），截面积为800mm2。电缆主要由导体线芯、导体屏蔽层、交联聚乙烯主绝缘、绝缘屏蔽层、缓冲层、金属铝护套、外护套组成，不同部位的相对介电常数和渗透率不同，因此仿真模型应根据不同的材料性质进行建模。三段垂直于地面布置和电缆通道，相邻两段间距为0.5m。高压电缆图布置如图7所示。

图7 电缆通道内高压电缆布置图Figure 7 High voltage cable layout in cable trough

采用ATP-EMTP软件中的Line/Cable-LCC模板模型模拟单芯高压电缆，Line/Cable-LCC模板模型参数如表3所示。

表3 ATP-EMTP软件电缆模型参数Table 3 ATP-EMTP software cable model parameters

2.2 仿真计算结果与讨论

根据上述分析，建立抽水蓄能电站主要设备的ATPEMTP仿真模型，ATP-EMTP软件下的整个仿真模型如图8所示。断路器用于模拟开关的操作，此时断路器开启操作是在模拟开始后31ms，断路器开断时间为40ms，仿真计算的步长ΔT为1.0μs，计算时长Tmax为0.5s。

图8 整个仿真模型在ATP-EMTP软件中实现Figure 8 The whole simulation model is implemented in ATP-EMTP software

利用ATP-EMTP软件研究了高压电缆长度对去激励的影响，计算结果如图9所示。

图9 不同长度电缆的空载主变分闸过电压波形Figure 9 Overvoltage waveform of no-load main variator for cables of different lengths

计算结果表明，断路器开断后，高压电缆长度的增加引起了去激励过程中的振荡。没有长高压电缆，波形的振幅迅速衰减为零。衰减时间小于10ms（功率周期的一半）。然而，使用2000m的高压电缆，振荡次数增加到15次以上。振荡可能因绝缘的累积效应导致变压器和电缆故障。

3 结论

（1）抽水蓄能电站中，断路器开断与长电缆相连的空载变压器时，其主变压器侧过电压幅值为1.2倍额定电压，一般不会对变压器绝缘造成影响。

（2）断路器分闸空载主变压器波形中的振荡不是断路器的多次重击穿或铁磁谐振，而是电力变压器的退磁现象。

（3）随着高压电缆长度的增加，振荡次数也显著增加。例如，使用2000m的高压电缆，振荡次数增加到15次以上，可能会对电缆、主变压器绝缘因累计效应而产生影响。