550 kV及以上GIS在我国工程应用中的有关问题Word文档下载推荐.docx
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550kVGIS外形尺寸高大,典型产品每个间隔的长×
宽×
高为12m×
6m×
8m。
如果考虑户内布置方案,则需要高大的厂房,因此我国在500kV变电站内的550kVGIS现在都采用户外布置的方案。
800kVGIS更是如此,在变电站内不设GIS厂房,它直接布置在户外。
因此,550kV及以上GIS必须满足户外环境的使用条件。
其主要有以下几点:
(1)额定电流应考虑户外日照强度0.1W/cm2的要求,因此要按此条件进行导体载流温升试验,不能像户内GIS那样进行温升试验时不考虑日照强度。
(2)外壳涂漆等防护工艺措施应考虑户外露天布置的要求,必须增加外壳的防护措施。
(3)就地控制柜的材料应为不锈钢板(厚度不小于2mm)或精铸铝材,防护等级应满足户外露天布置要求。
(4)在SF6母线筒或设备连接法兰盘的螺栓处要涂防水胶,防止螺栓锈蚀(如三菱550kVGIS在法兰盘螺栓处涂特制的防水胶)。
2
断路器及操动机构
2.1
断口数量
减少断口数量、简化结构是550kV及以上GIS的断路器的发展方向,目前世界上只有三菱550kVGIS为单断口结构,在中国已有208个断路器间隔的供货记录(包括550kVHGIS产品),其他国家的产品均为双断口结构。
我国750kV示范工程中采用的韩国晓星公司的800kVGIS为双断口结构。
在1000kV级GIS中,前苏联1200kVGIS为4断口结构,而日本安装在新楱名1000kV变电站内的1100kVGIS只需要2个断口(BIL为2250kV,由三菱、日立、东芝公司各生产一相)。
国内西高、沈高、平高东芝三大开关厂目前生产的550kV
GIS都是双断口产品,其中,西高将推出单断口的新产口(样机已通过KEMA型式试验)。
2.2
操动机构
根据我国各大电网公司的运行经验,对550kV及以上GIS中断路器的操动机构一般均选用液压或弹簧机构,不选用气动机构。
因为气动机构结构复杂,气体管道内容易结露,运行不欢迎。
对液压机构则应采用新一代无外露管道,模块化整体结构的形式。
2.3
合分时间
考虑500kV电力系统的稳定性要求和继电保护装置的技术水平,根据DL/T755—2001《电力系统安全稳定导则》,对550kVGIS的断路器而言,其合分时间应不大于60ms,建议采用50ms。
同时,要求GIS的断路器在进行开断短路电流型式试验时,不允许在二次控制回路中加延时继电器,防止出现继电器失灵影响系统稳定的问题。
应在断路器实际合分时间下进行满容量开断试验,以保证在日常运行时断路器能可靠地切除故障,满足电力系统的稳定性要求。
3
隔离开关的结构及参数
3.1
开合母线转换电流能力
采用双母线电气主接线的550kV及以上GIS的母线隔离开关,有时需要进行改变母线运行方式的不停电倒闸操作,如将出线(或主变压器)回路从Ⅰ母线改换到Ⅱ母线上运行时,断路器处于合闸状态,整个回路处于带电状态,需要进行倒闸操作的两组母线隔离开关与母联回路形成环路,此时母线隔离开关需要开合此环路内部的工作电流,即母线转换电流。
此时隔离开关断口间所承受的电压称为母线转换电压。
由于我国500kV及以上的变电站大多数为电力系统的枢纽站,进出线回路数很多,因此母联回路与最远的出线回路之间的间隔数量多、距离长,造成母线转换电压很高。
DL/T
486—2000《交流高压隔离开关和接地开关订货技术条件》根据上述中国电力系统的特点,经过计算,规定550kVGIS的隔离开关额定母线转换电压为100V、开合次数为300次。
这是电力行业按照我国电力系统具体工程情况提出的要求,它高于IEC62271-100标准中关于550kVGIS隔离开关额定母线转换电压为50V(开合次数无要求)的规定值,然而国内外550kVGIS都按照IEC62271-100标准进行型式试验。
对于这二者的差异,电力用户应引起注意。
如果550kVGIS建设规模比较大,经过核算后,则应按DL/T
486—2000标准的规定值,请提供550kVGIS的制造厂家补做开合母线的转换电流能力的试验,以满足工程要求。
3.2
开合小电流能力
550kVGIS隔离开关开合小电流主要是指开合空载母线的电容电流和开合母线电压互感器的电感电流。
目前国内外大多数制造厂对550kVGIS隔离开关开合小电流都按IEC62171-102标准中的规定值0.5A进行型式试验,而我国DL/T486—2000标准中对550kVGIS隔离开关开合母线小电流并没有明确规定,仅对敞开式隔离开关提出开合电容电流2A、电感电流1A的要求。
我国设计院通常按此值提出对550kVGIS隔离开关开合小电流的要求,显然与IEC62171-102标准的要求相差较大。
为了满足我国一些电力用户的要求,三菱公司550kVGIS隔离开关在2005年初补做了开合电容电流2A的型式试验。
2004年8月,由西安高压开关厂制造的550kVGIS隔离开关在荷兰KEMA高压试验站通过了开合电容电流2A、电感电流0.5A的型式试验。
实践证明,550kVGIS隔离开关开合小电流按照现行IEC62171-102标准中的规定值0.5A进行型式试验是偏于保守的,SF6气体绝缘的隔离开关本身具有较强的开合小电流的能力,是能够满足开合2A电容电流的要求的。
但如果工程需要,则应坚持要求制造厂补做此试验。
4
接地开关配置及参数
4.1
接地开关配置
550kVGIS接地开关有检修接地开关和快速接地开关2种型式。
在断路器两侧配置检修接地开关,仅起到当断路器检修时使主回路两端接地的作用;
而在出线回路靠线路侧配置快速接地开关,它具有线路侧检修接地和开合550kV空载线路感应电流2个作用。
由于GIS的所有设备都封闭在金属外壳内,无法直接观察线路是否停电,所以快速接地开关有可能误合带电线路,为此它应具有关合2次额定短路电流的能力。
4.2
开合线路感应电流能力
500kV输电线路的电磁感应(感性电流)和静电感应(电容电流)都比较强,特别是由于受到线路走廊的制约,我国近几年来500kV同杆并架双回输电线路的情况越来越多,因而带电平行线路在停电线路上产生的感应电流也越来越大。
除了500kV平行回路的线路长度以外,线路电流也是感应电流主要的影响因素,如上海昆太和徐行500kV变电站,由于出线回路电流为6300A,则要求线路侧接地开关开合电磁耦合感性电流700A,比IEC和B级标准200A大得多。
对于550kVGIS,快速接地开关应具有开合线路感应电流的能力,在DL/T486—2000标准中已按IEC标准的要求规定了相应的额定参数,并分成A、B两级。
A级:
额定感性/容性电流为80A/1.6A,感性/容性电压为2kV/8kV。
B级:
额定感性/容性电流为200A/50A,感性/容性电压为25kV/50kV。
国内外550kVGIS制造厂都能按此标准提供型式试验报告。
对于超过上述标准的特殊工程,则应进行平行回路感应电流的详细计算。
笔者对多个500kV输变电工程进行了计算。
计算结果表明,有些平行回路电磁感应产生的感性电流很大,超过上述B级标准,但是对应的感性电压却很低。
这说明上述IEC标准中的2个感应电流和感应电压的最大值在实际工程中是不会同时出现的。
因此对超过标准要求的特殊工程,应与制造厂进行协商,提出符合工程实际的试验条件,因为即使在感应电流值很大的情况下,如果感应电压值很低,那么快速接地开关开合感应电流的试验也是比较容易通过的。
5
电流互感器形式及参数
5.1
电流互感器形式
550kVGIS的电流互感器(TA)都采用常规电磁式结构,它有2种不同的布置形式:
①内置式TA。
其一次导体和二次铁心及绕组均布置在SF6气体绝缘金属外壳内部,具有体积小、布置紧凑的优点。
大多数制造厂都采用这种形式。
②外置式TA。
其一次导体在SF6气体绝缘金属外壳内部,二次铁心及绕组套在外壳外部,采用干式绝缘。
世界上只有ALSTOM公司和东芝公司的550kVGIS采用此种形式。
它具有二次绕组检修拆装方便,而且铁心、绕组部件的附着微粒不会落入TA和SF6气室内,不影响绝缘强度等优点。
这2种形式各有优缺点,电力用户可以根据自己的运行习惯加以选择。
5.2
二次绕组数量及额定容量
由于500kV电力系统稳定性的要求,550kVGIS的TA二次绕组数量要满足继电保护双重化配置的需求,而且它的准确等级要满足短路暂态过程的要求。
对于一个半断路器接线的中间连络断路器,其TA需要8个二次绕组,其中有4个带小气隙铁心准确度等级为TPY的二次绕组。
二次绕组数量多、尺寸大,有一定的制造难度。
因此,在满足工程需要的前提下必须限制二次绕组的额定容量,500kV电压等级保护的微机化为此创造了条件。
目前,在500kV工程设计中,规定对TPY二次绕组额定容量一般取10VA,在特殊情况下也不超过15VA,以满足550kVGIS制造上的要求。
6
出线套管材质及污秽等级
500kV电缆价格十分昂贵,因此550kVGIS都采用架空出线方式,为此需要带尺寸高大的出线套管。
目前有2种方案可供选择:
(1)瓷套管。
它是传统方案,运行经验多,电力用户容易接受。
但是由于500kV瓷套管的尺寸高大,废品率较高,生产周期长,价格贵,世界上只有日本、中国法国等少数几个特大型电瓷厂能生产,因而往往会影响GIS的交货期;
特别是由于制造上的原因,污秽等级不能超过Ⅲ级(有效爬电距离为13750mm)。
这些条件影响着它的使用。
我国西高、沈高、平高东芝三大开关厂和日本公司可以提供采用瓷套管的550kVGIS。
(2)硅橡胶合成绝缘套管。
它是近几年欧洲一些制造厂家推出的方案。
充分利用了硅橡胶合成绝缘材料的强憎水特性,因而具有污秽等级高、生产周期短和耐地震强度高等优点。
目前,西门子、ABB、阿尔斯通、施耐德等公司可提供采用硅橡胶合成绝缘套管的550kVGIS。
电力用户可以根据运行经验、交货期以及污秽条件等因素综合考虑选择方案。
7
结束语
550kV及以上GIS在工程中使用时应根据工程的技术要求,并结合超高压或特高压GIS制造上的特殊性,参照其他电压等级GIS运行经验,合理地选择技术条件才能达到技术先进、设备安全可靠运行的目的。
电流互感器的暂态饱和及应用计算
袁季修,盛和乐
华北电力设计院,北京100011
1前言
保护用电流互感器要求在规定的一次电流范围内,二次电流的综合误差不超出规定值。
对于有铁心的电流互感器,形成误差的最主要因素是铁心的非线性励磁特性及饱和。
电流互感器的饱和可分为两类:
一类是大容量短路稳态对称电流引起的饱和(以下称为稳态饱和);
另一类是短路电流中含有非周期分量和铁心存在剩磁而引起的暂态饱和(以下称为暂态饱和)。
这两类饱和的特性有很大不同,引起的误差也差别很大。
在同样的允许误差条件下,考虑暂态饱和要求的互感器铁心截面可能是仅考虑稳态饱和的数倍至数十倍。
因而对互感器造价及安装条件提出了严峻的要求。
以往在中低压系统和发电机容量较小的情况下,互感器暂态饱和的影响较轻,一般未采取专门对策。
而对当前的超高压系统和大容量机组,为保证继电保护的正确动作,暂态饱和已成为必须考虑的因素。
由于互感器暂态饱和的机理和计算较复杂,要求互感器暂态不饱和所需代价很高,因而在实际工程中应用情况较混乱。
本文根据国内外的标准和应用经验,提出较规范的考虑暂态饱和的互感器选择和计算方法,供工程应用参考。
作为示例,本文给出大型发电机变压器组差动保护用电流互感器的选择计算及参数选择的建议。
2电流互感器的稳态饱和特性及对策
当电流互感器通过的稳态对称短路电流产生的二次电动势超过一定值时,互感器铁心将开始出现饱和。
这种饱和情况下的二次电流如图1所示,其特点是:
畸变的二次电流呈脉冲形,正负半波大体对称,畸变开始时间小于5ms(1/4周波),二次电流有效值将低于未饱和情况。
对于反应电流值的保护,如过电流保护和阻抗保护等,饱和将使保护灵敏度降低。
对于差动保护,差电流取决于两侧互感器饱和特性的差异。
例如某一1200/5的电流互感器,制造部门提供的规范为[1]:
5P20,30VA。
其中5P为准确等级,30VA为二次负荷额定值,20为准确限值系数(ALF)。
电流互感器在额定负荷下的二次极限电动势Es=(ALF)·
Isn·
(Rct+Rbn),此时综合误差应不超过5%。
综合误差也可选用10%。
选择保护用电流互感器时,一般要求ALF与额定一次电流乘积大于保护校验用短路电流,二次负荷小于互感器额定负荷,实际二次电动势不超过极限二次电动势。
当前工程中经常遇到的问题是短路电流过大,ALF不满足要求,但实际负荷比额定负荷小得多。
对于低漏磁电流互感器[2],可以在实际负荷下的二次电动势不超过极限值的条件下,适当提高ALF的可用值。
但应指出,对于某些不符合低漏磁要求的互感器,如U型电流互感器、一次多匝的互感器等,在一次短路电流倍数超过ALF时,由于铁心局部饱和可能引起二次极限电动势降低,不能在降低二次负荷时,按反比提高ALF。
有些制造厂提供的ALF与负荷的关系曲线,未认真考虑上述局部饱和影响,使用时应慎重。
3电流互感器的暂态饱和
短路电流一般含有非周期分量,这将使电流互感器的传变特性严重恶化。
原因是电流互感器的励磁特性是按工频设计的,在传变等效频率很低的非周期分量时,铁心磁通(即励磁电流)需要大大增加。
图2表示电流互感器在完全偏移的故障电流(非周期分量幅值达100%)下铁心磁通的增长情况,互感器带电阻性负荷。
图中Φac代表传变故障电流工频分量所需的磁通,而Φdc则代表传变暂态(非周期)分量所需的磁通,其值远大于传变工频分量的Φac。
磁通暂态分量Φdc是系统一次回路时间常数Tp和电流互感器二次回路时间常数Ts的函数。
Φdc开始时是按Tp增长。
磁通达到最大值的时间和数值与Tp、Ts等有关。
按是否考虑短路电流的暂态过程,电流互感器分为P和TP两大类。
P类电流互感器要求在Φac情况下不饱和,而TP类电流互感器则要求在整个工作循环中的总磁通Φ=Φac+Φdc情况下不饱和。
因此要求TP类电流互感器的铁心远大于P类电流互感器。
要求增大的倍数即暂态面积增大系数Kdc。
由标准[2]可知,对于全偏移短路电流,在C_t_O工作循环时,所需暂态面积系数为:
电流互感器暂态面积系数Ktd与一次时间常数Tp有密切关系,对于P级、TPS和TPX级电流互感器,TpTs,短路电流为全偏移情况下,短路后不同时间t的Ktf与Tp关系见图3(图中Ts=10s)。
在Tp较大时,Ktd可达几十倍。
当一次电流存在非周期分量导致互感器暂态饱和时,二次电流的波形示例如图4。
图中Tp为50ms,R2n为4Ω,R2为2Ω。
图4(a)为互感器无剩磁的情况,图4(b)为互感器有75%剩磁的情况。
由图4可知,非周期分量导致互感器暂态饱和时二次电流波形是不对称的,开始饱和的时间较长,如图4(a)为30ms。
但铁心有剩磁时,将加重饱和程度和缩短开始饱和时间,如图4(b),饱和开始时间为6ms。
对铁心中剩磁的影响必须给予足够的注意,因为电流互感器由于短路电流引起暂态饱和形成剩磁后,在正常运行的电流情况下,剩磁很难消除。
文献[3]列举了在一个230kV系统141组电流互感器的调查结果如表1,可见各种程度的剩磁存在概率都是很大的。
为了减缓暂态饱和对继电保护的影响,需要采取必要的措施。
这种措施有两类:
一类是保护装置具备减缓饱和影响的能力;
另一类是选择适当的电流互感器类型和参数。
4保护装置减缓互感器暂态饱和影响的措施[BT)]
母线外部故障时,各支路的短路电流分布可能很不均匀,饱和情况可能很不一致。
为保证母线差动保护的正确动作,要求母线差动保护装置必须采取措施减缓暂态饱和影响,并不对电流互感器提出特殊要求。
这已成为定论并得到普遍执行。
对于其它保护,如发电机差动保护、变压器差动保护等,则未有明确规定。
当前国内生产的保护装置一般未采取专门措施,而需要在选择电流互感器时,考虑暂态饱和的影响。
某些国外产品已声明采取了相应措施,而不再对互感器提出特殊要求。
保护装置采取的措施,使用较广泛的有高阻抗母线保护,以提高差动继电器阻抗和利用饱和互感器分流来防止区外故障误动。
还有利用互感器暂态饱和有一定时延来区别差动保护中的差电流是由内部故障产生还是由饱和产生等等。
本文不准备详细讨论保护装置防止互感器饱和引起误动的各种措施。
只想着重指出,在当前普遍应用微机保护条件下,保护装置完全有可能采用多种有效措施来减缓暂态饱和的影响,因而可对互感器选择不提出特殊要求。
这样可产生重大经济效益。
所以,希望继电保护开发制造部门能在这方面取得更积极有效的成果。
还需要指出的是互感器暂态饱和与稳态饱和的特性有很大差别,反映在二次电流的波形也很不相同,因而采取的措施也应注意区别对待。
例如利用故障与饱和出现的时间差时,暂态饱和与故障时差可能较明显,而稳态饱和与故障时差则较小(<5ms)。
5考虑暂态饱和的电流互感器选择原则
电流互感器暂态饱和问题是普遍存在的,但不同情况下严重程度有所差别,所导致的后果也不同。
如普遍要求选用的电流互感器保证暂态过程中不致饱和,则将大大增加投资。
实际上,许多工程中选用的一般电流互感器虽未能完全满足暂态特性要求,但也可能有一定暂态储备,运行经验表明,很多情况下采用一般互感器也是可接受的。
因此,选择保护用电流互感器时,应根据互感器所在系统暂态问题的严重程度,所用保护装置的特性及暂态饱和可能引起的后果等因素,慎重确定。
(1)500kV系统电流互感器选择
500kV系统和高压侧为500kV的变压器或发电机变压器组,由于一次时间常数较大(100ms以上),电流互感器暂态饱和可能较严重,由此导致保护误动或拒动的后果严重。
因此,除保护装置本身能保证不受互感器暂态饱和影响的情况外,所选电流互感器应能满足暂态性能要求。
500kV线路一般保护宜选用带小气隙的TPY级电流互感器,按考虑重合闸的两次工作循环进行暂态特性验算。
断路器失灵保护不宜使用TPY级电流互感器,可选用TPS级或5P等电流可较快衰减的互感器,但应注意防止互感器饱和时电流检测元件拒动。
高压侧为500kV的发电机变压器组,高压侧母线一般为一个半断路器接线,差动保护回路500kV侧宜选用TPY级电流互感器,低压侧发电机中性点及出线端空间较紧张,装设TP类电流互感器可能存在困难,但穿越故障电流较小,一般不超出3倍额定电流。
因此,为与高压侧匹配,差动保护用电流互感器在满足暂态特性要求下可选用带小气隙的5PR级电流互感器[4]。
暂态性能可按外部三相短路C-O工作循环进行验算。
高压侧为500kV的降压变压器的差动保护回路各侧均宜选用TPY级电流互感器。
高、中压侧宜按外部线路故障C-O-C-O工作循环校验暂态特性。
低压侧为三角接线时,可按外部三相短路C-O工作循环校验。
(2)220kV系统电流互感器选择
220kV系统的暂态问题(Tp≈60ms)及其影响后果比500kV系统相对较轻,适当降低保护用电流互感器的暂态特性要求是可以接受的。
以往在220kV系统有大量按稳态特性选用的电流互感器运行经验,但通常这些互感器的短路电流倍数和二次负荷选择留有一定裕度。
因此,220kV系统一般可按稳态特性选用P类、PR类和PX类电流互感器,但宜适当提高所选用电流互感器的准确限值系数(ALF)以减少暂态饱和影响。
根据运行经验,所选互感器的准确限值系数宜大于保护校验故障电流与互感器额定电流之比的两倍,即用户给定暂态系数K≥2。
参见IEEEStdC37.110-1996等规定。
高压侧为220kV的发电机变压器组或主变压器,虽然外部故障穿越短路电流倍数不大,但一次时间常数可能较大(发电机和发电机变压器组的Tp可能达150~250ms),短路暂态可能较严重。
其差动保护的各侧电流互感器除参照上述220kV重要线路,在按稳态特性选用电流互感器时,适当提高所选的ALF外。
还应特别注意各侧电流互感器特性及二次负荷的协调匹配。
(3)母线保护用电流互感器的选择
由于高压母线短路电流很大,而且外部故障时流过各互感器的电流差别也可能很大,母线差动保护用电流互感器的选择,很难满足各种外部故障下的暂态特性要求。
一般需要保护装置采取必要的减轻互感器暂态饱和影响的措施。
工程应用中可根据保护装置的特定要求采用适当的电流互感器。
(4)110kV及以下系统电流互感器选择
110kV及以下系统由于暂态问题及其影响相对较轻,电流互感器一般按稳态条件选择,采用P类互感器。
对于发电机或发电机变压器组,可参照上节的原则选用适当的电流互感器。
6发电机变压器组差动保护电流互感器的选择示例
设发电机组容量为600MW,机端电压为20kV,cos[WTBX]θ=0.9。
升压变压器组高压侧为[WTBZ]500kV,母线为一个半断路器接线。
高压侧短路时,通过机组的高压侧短路电流为2.1kA,Tp=0.2s;
系统供给的短路电流为38kA,Tp=0.1s。
(1)高压侧机组额定电流为734A,电流互感器采用TPY级。
考虑系统穿越电流大,变比选为2500/1,Kssc=20,Tp=0.1s,Rct=9Ω,Rbn=15Ω,Ts=0.8s。
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