核電主變啟動試驗異常放電原因分析及處理

朱興文,衣蘭妹,原　玉

(華能山東石島灣核電有限公司,山東 榮成 264312)

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核電主變啟動試驗異常放電原因分析及處理

朱興文,衣蘭妹,原玉

(華能山東石島灣核電有限公司,山東 榮成 264312)

以某核電站在進行主變啟動試驗時發(fā)生高壓套管末屏異常放電現(xiàn)象為例,介紹了主變啟動試驗異常放電的發(fā)生過程,以及從快速暫態(tài)過電壓和變壓器高壓套管末屏結(jié)構(gòu)角度,查找異常放電原因,評估了異常放電帶來的風(fēng)險,并提出了相應(yīng)的處理措施。

核電主變;啟動試驗;套管末屏;異常放電;暫態(tài)過電壓

主變壓器是核電廠最重要的設(shè)備之一,在核電站安全運行中發(fā)揮著不可或缺的作用。某單機容量百萬千瓦核電站3號主變?yōu)楸６ㄌ焱Ｗ冸姎夤煞萦邢薰旧a(chǎn)的3臺單相變壓器,高壓側(cè)經(jīng)GIC(氣體絕緣封閉式輸電管道)與500 kV開關(guān)站GIS(氣體絕緣封閉式組合開關(guān))設(shè)備相連接,中性點采用直接接地方式。根據(jù)《GB 50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定要求,主變啟動試驗的主要內(nèi)容是變壓器5次沖擊合閘試驗,以驗證變壓器的相關(guān)性能,并進行相關(guān)參數(shù)的測試。本文以該主變啟動試驗為例,分析了高壓套管末屏放電現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及帶來的風(fēng)險,并提出了相應(yīng)的處理措施。

1　試驗過程

2014年8月24日19時,按照試驗程序進行3號主變啟動試驗。為收集相關(guān)信息,在主變沖擊合閘試驗的同時,測量A、B、C三相的操作過電壓和激磁電流,測量方式是從主變A、B、C三相高壓套管末屏抽取電壓、電流信號。主變充電一次簡圖如圖1所示。

圖1　3號主變充電一次簡圖

當(dāng)程序執(zhí)行到合GEW441JS隔離開關(guān)時(GEW420JA斷路器處于斷位,見圖1),3號主變C相高壓套管根部(法蘭處)發(fā)生異常放電聲響,遂懷疑高壓套管末屏處發(fā)生異常放電,于是停止下一步合GEW420JA斷路器操作,并啟動程序往回退,拉開GEW441JS隔離開關(guān),并觀察套管末屏狀態(tài)。

當(dāng)拉開GEW441JS隔離開關(guān)時,調(diào)試人員聽到主變A、B、C三相高壓套管發(fā)出放電聲響,其中C相高壓套管末屏處可看到有清晰的藍色放電火花,同時接在高壓套管末屏的現(xiàn)場試驗儀器測到的一次過電壓最高峰值為1069 kV。

2　異常放電原因分析

由試驗過程可知,當(dāng)試驗執(zhí)行到合GEW441JS隔離開關(guān)時,A、B、C三相高壓套管末屏處產(chǎn)生異常放電,而此時GEW420JA斷路器并未合閘,主變并未真正充電,與此同時連接在高壓套管末屏處的試驗儀器檢測到有過電壓產(chǎn)生。因此,分析其原因應(yīng)從過電壓產(chǎn)生機制和高壓套管末屏結(jié)構(gòu)兩個方面著手。

2.1過電壓產(chǎn)生原因分析

主變高壓側(cè)連接GIC與500 kV開關(guān)站GIS設(shè)備,各帶電體對外殼的分布電容無所不在,開關(guān)斷口間也有電容耦合,GIS斷路器分布電容如圖2所示。

圖2　GEW420JA分布電容示意圖

GEW420JA斷路器雖然未合閘,但電壓已通過分布電容進行了分配,也就是常說的感應(yīng)電壓。由于GIC和GIS的結(jié)構(gòu)緊湊,且GEW441JS隔離開關(guān)到主變高壓套管出口距離較長(約500 m),因此這一感應(yīng)電壓的強度要遠高于AIS(空氣絕緣的敞開式開關(guān)設(shè)備)。在穩(wěn)態(tài)時,不會產(chǎn)生過電壓,但當(dāng)帶電側(cè)隔離開關(guān)切合其與斷路器之間的GIS短管道時,會形成ns級的電壓突升或跌落,并在GIS管線中產(chǎn)生行波,導(dǎo)致高頻振蕩的特快速瞬態(tài)過電壓(VFTO)[1]。

暫態(tài)過電壓產(chǎn)生的主要原因:一是GIS管道的泄露電阻幾乎無窮大,殘余電壓較高,而隔離開關(guān)操作速度較慢(約7～10個周波)[2],在GIS斷路器處于開斷狀態(tài)下,當(dāng)隔離開關(guān)合、切很小的容性電流時,隨著隔離開關(guān)動、靜觸頭間隙距離逐漸縮短,當(dāng)觸頭間電壓差值超過隔離開關(guān)斷口間耐受電壓時,隔離開關(guān)就會發(fā)生間隙擊穿并形成電弧,因隔離開關(guān)的分合速度太慢,所以導(dǎo)致電弧重燃和熄滅在隔離開關(guān)的每一次操作過程中將發(fā)生數(shù)百次之多;二是被開斷和合閘的GIS管道很短,行波折、反射進程很快,過電壓的頻率極高,波頭很陡,范圍在3～100 ns。

隔離開關(guān)的合、分閘都會產(chǎn)生快速瞬態(tài)過電壓,由于SF6絕緣的極性效應(yīng),隔離開關(guān)分閘操作的VFTO幅值一般要大于其合閘操作產(chǎn)生的VFTO[3]。多數(shù)情況下,最高過電壓峰值在1.5～2.5 p.u,極少可能超過3.0 p.u。

開、合GEW441JS隔離開關(guān)產(chǎn)生的快速暫態(tài)過電壓波形圖如圖3、圖4所示。

圖3　隔離開關(guān)GEW441JS分閘VFTO波形圖

圖4　隔離開關(guān)GEW441JS合閘VFTO波形圖

在開、合GEW442JS隔離開關(guān)時,都有暫態(tài)過電壓產(chǎn)生,且該電壓都會施加到主變高壓套管和繞組上。VFTO過電壓以行波的形式在GIS中傳播,因高頻電流的集膚效應(yīng)使VFTO電磁波起初被限制在內(nèi)部導(dǎo)體的外表面和GIS外殼的內(nèi)表面?zhèn)鞑?。?dāng)傳播到終端套管等外殼斷連處時,由于波的耦合、折反射、諧振等作用,因此在GIS外殼上引起暫態(tài)的電位升高[4]。

2.2套管末屏處異常放電分析

通過前面的分析可知:開、合441JS相當(dāng)于給連接到主變高壓套管的這段GIS的分布電容充、放電,從而產(chǎn)生快速暫態(tài)過電壓(VFTO),這一電壓會施加到主變高壓套管和高壓繞組上。盡管GIS外殼已接地,但其暫態(tài)過程頻率很高,接地引下線和地網(wǎng)呈現(xiàn)出高阻抗特性,故不能有效地保持外殼的零電位,而會呈現(xiàn)一個相當(dāng)可觀數(shù)值的外殼電位。GIS內(nèi)部暫態(tài)在GIS筒體間斷處可反映到筒體外殼,若外殼通過引下線接地,則暫態(tài)波將在接地處進行折反射;另一方面進入地線的暫態(tài)波到達參考零點產(chǎn)生負反射,返回到外殼接地點亦將使波幅上升,因此在GIS 外殼上瞬間也會快速產(chǎn)生暫態(tài)過電壓(VFTO)。下面結(jié)合主變套管末屏結(jié)構(gòu)特點對異常放電發(fā)生在套管末屏處的原因逐一進行解析。

主變高壓套管結(jié)構(gòu)如圖5所示。圍繞套管芯柱(導(dǎo)體)包著一層層電容屏(鋁箔),每兩層電容屏之間是浸膠絕緣紙,因而稱為膠紙電容型套管?？拷鈿さ淖詈笠粚与娙萜练Q之為末屏[5]。末屏上有一導(dǎo)線,通過末屏小套管引出。正常運行時,末屏通過專用的末屏金屬帽與套管法蘭相連接地,末屏電位與法蘭電位一致稱為地電位,如圖6所示。

圖5　主變高壓套管結(jié)構(gòu)示意圖

圖6　高壓套管末屏結(jié)構(gòu)

2.2.1末屏測量回路連接接觸不良

由于要測量操作過電壓和激磁電流,因此沖擊試驗前把A、B、C三相的高壓套管末屏打開,接入了一個測量阻抗,以便抽取電壓、電流信號。末屏接入電壓電流信號抽取裝置,相當(dāng)于末屏與地之間串入一個外加的阻抗,而且信號抽取裝置內(nèi)部的連接虛實和外部連線的接觸不良,都將導(dǎo)致末屏開路或不穩(wěn)定開路,以及末屏電位懸浮。在開、合GEW441JS時,產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓可使末屏產(chǎn)生過高的電位,造成末屏對地(末屏護套)放電,或引起測量阻抗接觸不良點發(fā)生懸浮電位放電。但從圖6所示的末屏芯線連接方式可見,末屏測量回路接觸不良或斷開的概率很小,且在發(fā)生異常放電時,試驗儀器完整地錄下了開、合GEW441JS隔離開關(guān)時產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓波形和幅值(見圖3、圖4),這在一定程度上反證了末屏測量回路連接良好,所以基本排除末屏測量回路連接接觸不良的原因。

2.2.2避雷器放電

主變出口連接GIS系統(tǒng),高壓套管上半部封閉在GIS氣室中,外殼接地點在GEW(主開關(guān)站系統(tǒng)),高壓套管下半部浸在主變絕緣油中,主變外殼接地點在GEV(輸變電系統(tǒng))。因此,高壓套管外部法蘭上半節(jié)和下半節(jié)的接地點不同,上、下法蘭間有一層絕緣墊,并接有保護避雷器,如圖7所示。

圖7　高壓套管外部法蘭結(jié)構(gòu)

當(dāng)GEW441JS隔離開關(guān)開、合時,產(chǎn)生前沿很陡的暫態(tài)電壓波,GIS采用同軸圓筒式結(jié)構(gòu),具有良好高頻傳輸特性,當(dāng)母線上流過前沿很陡的暫態(tài)電流時,則會以波的形式傳播。暫態(tài)電流的等值頻率很高,強烈的集膚效應(yīng)使電流波僅沿母線的外表層以及外殼的內(nèi)表層傳輸,并不反映到筒體外壁,只在GIS筒體發(fā)生間斷處才可通過折射反映到筒體外壁,從而引起暫態(tài)地電位升高。由于上、下法蘭暫態(tài)過電壓都能感應(yīng)出較高電壓,以及高壓套管外部法蘭上半節(jié)和下半節(jié)的接地點不同,因此造成了上、下法蘭的地電位升高值不同,從而產(chǎn)生電位差,以致造成上、下法蘭間的保護避雷器放電。所以說避雷器放電是末屏處“異常放電”的原因之一。

不過從圖7可清楚的看到,避雷器的放電閥片密封在外殼中,即使放電也不會有閃光和發(fā)出聲響,因此避雷器放電這個因素可以排除。

2.2.3末屏外護套對芯線放電

當(dāng)開、合GEW441JS隔離開關(guān)時,下法蘭因暫態(tài)過電壓將感應(yīng)出較高電壓,套管外殼地電位升高,瞬時可達幾萬至十幾萬伏。末屏因為要進行過電壓測量而打開,末屏芯線電位被測量阻抗限定,只有幾十伏,基本上可認為是零電位。而末屏護套與下法蘭是一體的,所以末屏護套電位與下法蘭一致,高達幾萬伏,因而造成末屏外護套對芯線放電,這種現(xiàn)象稱之為“反擊”[6]。

測量裝置的連接方式雖然保證了連接的可靠性,但也使原本不大的空氣間隙變小了,芯線連接的固定螺絲最近處離末屏護套只有幾毫米,極易被較高電壓擊穿。因此,高壓套管末屏處可見放電閃光的異常放電的原因應(yīng)是套管法蘭地電位升高對末屏芯線的“反擊”而造成。

3　異常放電風(fēng)險評估及處理

3.1異常放電風(fēng)險評估

合GEW441JS隔離開關(guān)時,發(fā)現(xiàn)異常放電,但感應(yīng)電壓能量有限,因此瞬時放電可將其能量釋放。若合GEW420JA斷路器時出現(xiàn)過電壓,且系統(tǒng)的電流較大,則會出現(xiàn)連續(xù)不斷的放電。瞬時一次低能量的放電也許不足以打壞末屏,但多次高能量放電將會大大增加末屏絕緣被擊穿的概率,測量裝置本身的放電二極管保護也會被輕易擊穿,從而損壞測量裝置。

通過以上分析,可得出末屏異常放電的主要風(fēng)險有:

1) 能造成末屏擊穿,導(dǎo)致高壓套管報廢。

2) 放電二極管保護被擊穿,測量儀器損壞。

3.2異常放電處理措施

通過以上風(fēng)險分析可知:風(fēng)險的產(chǎn)生是由于末屏打開帶來的,即不管末屏測量回路連接是否可靠,由于“反擊”的存在,在沖擊合閘時,末屏放電和被擊穿的風(fēng)險總是存在。因此,GIS出口的主變在全電壓合閘的情況下,打開末屏進行任何測量都是不可取的。當(dāng)然,在常規(guī)試驗時,電壓從零升起的情況下(如局放測量),從末屏取信號是可行的,因為沒有暫態(tài)過程。

為避免異常放電風(fēng)險,在重新進行主變啟動試驗前,應(yīng)采取以下措施:

1) 取消從末屏取信號的操作過電壓測量,并把高壓套管末屏按安裝規(guī)范接地。

2) 進行A、B、C三相高壓套管末屏介損和絕緣電阻測量,確認末屏無損傷。

4　結(jié)　語

對于核電站安裝的帶有GIS出口的變壓器,不允許在全電壓合閘的工況下打開高壓套管末屏進行任何參數(shù)測量。如電網(wǎng)要求主變送電時必須進行相關(guān)測量,為避免變壓器高壓套管末屏放電,可采取以下方式:

1) 通過電容式電壓互感器(如有安裝的話)或另接專用的電容分壓器。

2) 在末屏處裝配合適、可靠的放電保護間隙。

3) 在接線時用絕緣材料包裹套管末屏。

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(責(zé)任編輯郭金光)

Analysis and solution of abnormal discharge in energizing test for main transformer in nuclear power station

ZHU Xingwen, YI Lanmei, YUAN Yu

(Huaneng Shandong ShidaoBay Nuclear Power Company,Rongcheng 264312,China)

Taking the example of abnormal discharge of high voltage bushing end screen in energizing test for main transformer in nuclear substation, this paper introduced the process of abnormal discharge occurring during the energizing test for main transformer, analyzed the reason for abnormal discharge from the angle of the very fast transient over-voltage (VFTO) and the structure of high voltage bushing end screen of main transformer, evaluated the risk of abnormal discharge, and proposed the treatment strategy.

main transformer; energizing test; bushing end screen; abnormal discharge; VFTO

2016-08-09;

2015-10-19。

朱興文(1986—),男,助理工程師,目前從事核電廠電氣調(diào)試工作。

TM406

A

2095-6843(2016)04-0339-04