1、 廠站操作過電壓沖擊仿真研究摘要：針對某一實際電站操作過電壓問題，進行了大型發電機操作過電壓安全預測分析仿真計算，驗證了廠站操作過電壓安全預測和分析方法的正確關鍵詞：發電站；過電壓問題；仿真分析Abstract:Aiming at the switching overvoltage problem in a practical large hydropower station, the simulation for analyzing and forecasting the safety state of switching overvoltage in large generator hav

2、e been done, and the correctness of safety forecasting and analysis method for switching overvoltage has been verified.Keywords: power station; overvoltage problem; simulation analysis在實際運行中，廠站操作過電壓將對大型發電機定子繞組形成沖擊，使發電機絕緣安全受到直接威脅。為了對這種危害程度以及安全預測分析方法有深入的了解，本文將根據預測分析理論與方法，一方面通過實驗手段對廠站操作過電壓對發電機沖擊進行實驗仿真，

3、另一方面則通過分析軟件對大型發電機在廠站操作過電壓作用下其內部暫態電場進行計算機仿真分析，且仿真對象為某一大型電站6號大型水輪發電機。1廠站操作過電壓沖擊實驗仿真通過對廠站操作過電壓的產生機理、傳播路徑以及對大型發電機沖擊的理論分析，從理論上證明了在大型水電站中，不管是所屬高壓開關站還是發電廠的輸電線路中，只要高壓斷路器進行操作，都會伴隨著開關操作過程產生過電壓浪涌，由此產生的沖擊波會沿廠站電氣網絡快速擴散傳播，直接沖擊大型發電機組。當然，對于實際的大型電站而言，由于實際的廠站電氣線路相當復雜，使得每臺發電機所受到的操作過電壓沖擊不完全相同，但是操作過電壓沖擊波沿著廠站電氣線路向四周擴散，最后

4、沖擊每臺大型發電機組。為了對大型電站中操作過電壓對發電機的沖擊過程進行仿真研究，下面采用實驗方法仿真廠站操作過電壓對發電機的沖擊過程。仿真試驗的電氣主接線如圖1所示。動模實驗主要電氣部分由一臺發電機、一臺變壓器以及三相動模線路所組成，而控制部分則由操作控制臺、交流接觸器和自動空氣開關等組成。在圖1中，模型發電機G1的技術數據如下：額定功率S=5 kVA；額定電壓UN=230 V額定電流IN=12.55 A；額定功率因數cosN=0.8額定轉速n=1500 r/min；極對數P=2定子繞組聯接形式：Y在圖1中，Q1、Q2為空氣自動開關，而Q3為交流接觸器，T為Y聯接的電力變壓器，并設置變比k=1

5、。變壓器左邊部分組件用來模擬發電廠部分，而變壓器右邊組件用來模擬開關站部分，并且將在發電機的出線端聯接數字式示波器（TDS210）的探頭，完成動模系統開關動作時操作過電壓沖擊波的錄波工作。TDS210數字式示波器具有雙路信號通道，每個通道都具有1GS/s采樣頻率和60MHZ信號帶寬。該示波器還具有與計算機的通信功能（RS-232）、波形存儲功能、波形打印功能以及波形信號FFT處理功能。因此，采用Tektronix公司生產的TDS210示波器完全能夠跟蹤捕獲開關站操作過電壓對發電機的過電壓沖擊波。圖2為某一時刻投入空載長線時（Q3合閘），TDS210示波器在發電機G1的1點記錄的操作沖擊波形。從

6、圖2中可見，模擬開關站的投合空載長線操作所產生的操作過電壓沖擊波將通過升 壓變壓器向大型發電機傳遞，其傳遞過電壓所形成沖擊電壓幅值高達約2p.u，因此，其危害性是不可低估的。對于圖2電壓波形中的快速暫態波形段,還可以采用數字式示波器TDS210的視窗區域放大功能，在時間上放大操作過電壓沖擊波，以便觀察分析波形圖像的變化趨勢。圖3為圖2中電壓波形中沖擊過電壓波形的放大視圖。2發電機操作過電壓暫態電場仿真從上面實驗仿真結果可見，操作過電壓沖擊波能夠通過變壓器傳遞到發電機的定子繞組出線端。只要通過實時監測技術，就能夠隨時在發電機定子端口實時監測到從廠站傳播過來的操作過電壓沖擊波。當然，過電壓沖擊波會

7、涌入發電機內部，直接對發電機定子繞組構成威脅，但是僅僅用波形分析是無法分析發電機內部絕緣介質的安全狀況。由于在運行過程中，直接對發電機定子繞組上的過電壓沖擊波實施在線監測是相當困難的，也是大型發電機結構狀態和運行安全所不能允許的。因此，有必要采用場路計算相結合的安全預測分析方法完成發電機內部繞組過電壓分布計算和暫態電場分布計算，無損傷地實現對大型發電機組絕緣安全狀態的預測分析工作。下面以某一大型水電站的發電機組為研究對象進行操作過電壓作用下的大型發電機絕緣安全預測分析仿真。仿真的水電站是裝機總容量為330萬kW，共6臺機組。本文主要以該大型水電站的6號水輪發電機組為仿真研究對象。6號發電機組定

8、子槽內絕緣配合如表1所示。 將6號發電機組每個槽內的定子線棒分成2等分，即Lef/2=2883/2=1442（mm），然后，根據相關算法，計算發電機的網絡模型參數。假設6號發電機組帶升壓變壓器正處于額定空載運行，當在某一時刻t時，變壓器高壓方投合空載超高壓輸電線路，并設升壓變壓器用集中參數，輸電線路用集中參數近似表示。大型水電站的高壓開關站投合空載輸電線路過電壓有二種不同形式。一種為計劃性合閘操作，合閘前線路上不存在接地故障和殘余電壓，但輸電線路的電源側線路各節點電位存在。合閘后，由于輸電線路各點電壓由零值過渡到電容效應決定的工頻穩態電壓，從而會在線路兩側出現暫態過電壓，而過電壓將由工頻穩態分

9、量和無限個快速衰減的諧波分量疊加組成。另一種是重合閘操作，顯然由于輸電線路上殘余電壓的存在，三相重合閘過電壓要比計劃性合閘過電壓更為嚴重。下面主要針對計劃性合閘空載輸電線路操作問題，以該大型水電站的6號發電機組在開關站投切500 kV線路為例進行仿真分析計算，如圖4所示。由于進行廠站操作過電壓的安全預測分析仿真, 并側重仿真分析廠站操作過電壓對大型發電機造成的危害程度，以6號發電機定子1號槽絕緣為代表, 仿真計算操作沖擊波進入6號發電機A相繞組首端元件后對第1號槽絕緣的沖擊, 由此完成大型發電機絕緣安全狀態預測分析的仿真工作。首先,采用路模型計算的電磁暫態計算程序(EMTP)對該大型水電站的開

10、關站中高壓斷路器DK投切空載輸電線路操作暫態過程進行仿真計算。圖5、圖6均為EMTP程序仿真波形圖。圖5是在t=20秒時刻投合空載輸電線路的EMTP程序仿真波形圖, 圖6是在t=5秒時刻切斷空載輸電線路的EMTP程序仿真波形圖。 在圖5、圖6中, A16 為6號發電機定子1號槽上層線棒節點, B為升壓電力變壓器低壓側節點。從圖5和圖6可見, 無論是投合空載長線,還是切斷空載長線時, A16和B兩節點的暫態電壓波形幾乎重合, EMTP程序仿真表明超高壓側的操作過電壓將通過升壓變壓器傳遞到低壓側,幾乎無畸變地進入發電機內部。另外,從圖5的EMTP仿真波形可知, 在投合空載長線時要特別引起重視, 這

11、種操作會產生電壓峰值高于切斷空載長線時的操作過電壓沖擊波，操作過電壓峰值可達45 p.u。當然,切斷空載長線時也會產生一定峰值和陡度的沖擊波, 過電壓峰值可達23p.u，這種沖擊波都能夠通過升壓變壓器直接對水輪發電機構成威脅。 對于操作暫態過程的每一時刻，采用暫態電場耦合FEM模型，對6號發電機定子1號槽內絕緣區域電場進行仿真研究。圖7為仿真分析的槽內耦合FEM網格剖分圖，這是因為大型發電機線棒在槽內的長度比線棒槽截面的寬度和高度都大得多。另外，槽截面幾何形狀及物理狀況沿槽軸線對稱，所以自動生成圖7的耦合FEM網格模型圖。該電場域由曲邊區域所組成。同時，在實際的槽內電場區域內存在著具有曲線邊界

12、和直線邊界的區域，共有8個曲邊單元，位于槽內上層線棒和下層線棒附近區域，它們分別是第4、5、11、15、22、23、26和27號單元，這8個等參三角形單元約占耦合有限單元數量的20%，且第4、5、11、15和22號單元具有第一類邊界條件，而第26和27號單元具有第二類邊界條件。通過EMTP仿真計算,得出了該大型水電站的開關站投合空載輸電線操作在6號發電機內部形成過電壓的沖擊數據,其數值與圖7波形相對應。因此，采用電磁暫態計算程序(EMTP) 完成的該開關站斷路器DK投合空載輸電線路仿真數據作為6號發電機內部暫態電場模型計算的物理狀態信息，并將1號槽內瞬態電場的暫態過程由時間步長t離散化后由FE

13、M程序仿真計算, 取離散化時間步長t = 200s。然后,采用電場FEM程序對操作暫態全過程進行發電機內部暫態電場的分析計算，從而獲得大型發電機絕緣安全狀態預測分析所需的暫態場強實時數據。本文重點對二個暫態時刻進行FEM計算，即tk=0.021 0 s時刻和tk+1=0.021 2 s時刻。圖8和圖9則分別顯示出在tk=0.021 0 s時刻和tk+1=0.021 2 s時刻6號發電機定子1號槽內超強暫態電場實時分布的圖像信息。通過場路綜合分析技術，實時跟蹤了超高壓輸電線路上的操作沖擊波對該大型水電站大型發電機的入侵，并深入到大型水輪發電機內部, 實時跟蹤操作沖擊波在6號發電機定子 1號槽內絕

14、緣介質中的實時分布，且對整個暫態過程實現在線安全狀態監測，完成對可能突發絕緣事故的區域進行搜索與監視，預測診斷可能會發生絕緣事故的隱患點。結合場路仿真分析結果搜索發現由絕緣介質單元16至單元22 形成超強暫態電場區域，該區域在上層線棒表面與齒壁之間處將形成突發絕緣事故的區域，并通過搜索鎖定最大電場強度Emax(t)就出現在該區域中，且在絕緣介質單元22中。因此，分析診斷在緊靠上層線棒園角處存在絕緣擊穿隱患, 在上層線棒表面與齒壁之間也存在絕緣擊穿或損傷隱患, 且會在定子槽口誘發局部放電現象。從圖8和圖9, 都不難看出超強暫態電場將在6號水輪發電機定子槽絕緣介質內部造成的沖擊危害程度。 通過計算

15、機仿真分析還發現在槽內上層線棒和下層線棒之間的區域（12、13、14單元）和槽口絕緣區域（23、24、25單元）內具有偏高的絕緣危險系數。它不僅取決于該區域的場強Ei，而且還取決于該區域內絕緣材料的絕緣介電強度Ei。在這兩個絕緣區域中絕緣介電強度分別是主絕緣介電強度的66.7%和43.3%。 因此，不僅要重視主絕緣的絕緣配合，防止絕緣老化，而且應重視槽口絕緣和層間絕緣配合，預防廠站操作過電壓對該區域絕緣的危害。3結論根據實驗仿真與計算機仿真分析表明廠站操作過電壓沖擊無論是以浪涌電壓波形式還是以暫態電場形式, 都將隨時對大型發電機絕緣安全構成直接威脅。特別值得注意的是，本文采用場路分析軟件，完成了對某一大型水電站550MW水輪發電機組在廠站操作過電壓沖擊下的暫態電場仿真分析，雖然仿真內容只是大型發電機絕緣安全仿真的部分工作，但通過這次仿真研究，為大型發電機在線安全分析技術的實際應用提供了具有一定參考價值的分析工作。參考文獻1佘強等. 三峽發電機絕緣技術的開發J.絕緣材料通訊 , 1999, No.4: 34-37.2王紹禹,周德貴. 大型發電機絕緣的運行特性與試驗M.北京,水利電力出版社, 1992.3陳錫芳.二灘電站水輪發電機設計M. 東方電機, 1996, No.1: 22-27.4李定中.二