厂站操作过电压冲击仿真研究_secret

1、 厂站操作过电压冲击仿真研究摘要：针对某一实际电站操作过电压问题，进行了大型发电机操作过电压安全预测分析仿真计算，验证了厂站操作过电压安全预测和分析方法的正确关键词：发电站；过电压问题；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在实际运行中，厂站操作过电压将对大型发电机定子绕组形成冲击，使发电机绝缘安全受到直接威胁。为了对这种危害程度以及安全预测分析方法有深入的了解，本文将根据预测分析理论与方法，一方面通过实验手段对厂站操作过电压对发电机冲击进行实验仿真，

3、另一方面则通过分析软件对大型发电机在厂站操作过电压作用下其内部暂态电场进行计算机仿真分析，且仿真对象为某一大型电站6号大型水轮发电机。1厂站操作过电压冲击实验仿真通过对厂站操作过电压的产生机理、传播路径以及对大型发电机冲击的理论分析，从理论上证明了在大型水电站中，不管是所属高压开关站还是发电厂的输电线路中，只要高压断路器进行操作，都会伴随着开关操作过程产生过电压浪涌，由此产生的冲击波会沿厂站电气网络快速扩散传播，直接冲击大型发电机组。当然，对于实际的大型电站而言，由于实际的厂站电气线路相当复杂，使得每台发电机所受到的操作过电压冲击不完全相同，但是操作过电压冲击波沿着厂站电气线路向四周扩散，最后

4、冲击每台大型发电机组。为了对大型电站中操作过电压对发电机的冲击过程进行仿真研究，下面采用实验方法仿真厂站操作过电压对发电机的冲击过程。仿真试验的电气主接线如图1所示。动模实验主要电气部分由一台发电机、一台变压器以及三相动模线路所组成，而控制部分则由操作控制台、交流接触器和自动空气开关等组成。在图1中，模型发电机G1的技术数据如下：额定功率S=5 kVA；额定电压UN=230 V额定电流IN=12.55 A；额定功率因数cosN=0.8额定转速n=1500 r/min；极对数P=2定子绕组联接形式：Y在图1中，Q1、Q2为空气自动开关，而Q3为交流接触器，T为Y联接的电力变压器，并设置变比k=1

5、。变压器左边部分组件用来模拟发电厂部分，而变压器右边组件用来模拟开关站部分，并且将在发电机的出线端联接数字式示波器（TDS210）的探头，完成动模系统开关动作时操作过电压冲击波的录波工作。TDS210数字式示波器具有双路信号通道，每个通道都具有1GS/s采样频率和60MHZ信号带宽。该示波器还具有与计算机的通信功能（RS-232）、波形存储功能、波形打印功能以及波形信号FFT处理功能。因此，采用Tektronix公司生产的TDS210示波器完全能够跟踪捕获开关站操作过电压对发电机的过电压冲击波。图2为某一时刻投入空载长线时（Q3合闸），TDS210示波器在发电机G1的1点记录的操作冲击波形。从

6、图2中可见，模拟开关站的投合空载长线操作所产生的操作过电压冲击波将通过升 压变压器向大型发电机传递，其传递过电压所形成冲击电压幅值高达约2p.u，因此，其危害性是不可低估的。对于图2电压波形中的快速暂态波形段,还可以采用数字式示波器TDS210的视窗区域放大功能，在时间上放大操作过电压冲击波，以便观察分析波形图像的变化趋势。图3为图2中电压波形中冲击过电压波形的放大视图。2发电机操作过电压暂态电场仿真从上面实验仿真结果可见，操作过电压冲击波能够通过变压器传递到发电机的定子绕组出线端。只要通过实时监测技术，就能够随时在发电机定子端口实时监测到从厂站传播过来的操作过电压冲击波。当然，过电压冲击波会

7、涌入发电机内部，直接对发电机定子绕组构成威胁，但是仅仅用波形分析是无法分析发电机内部绝缘介质的安全状况。由于在运行过程中，直接对发电机定子绕组上的过电压冲击波实施在线监测是相当困难的，也是大型发电机结构状态和运行安全所不能允许的。因此，有必要采用场路计算相结合的安全预测分析方法完成发电机内部绕组过电压分布计算和暂态电场分布计算，无损伤地实现对大型发电机组绝缘安全状态的预测分析工作。下面以某一大型水电站的发电机组为研究对象进行操作过电压作用下的大型发电机绝缘安全预测分析仿真。仿真的水电站是装机总容量为330万kW，共6台机组。本文主要以该大型水电站的6号水轮发电机组为仿真研究对象。6号发电机组定

8、子槽内绝缘配合如表1所示。 将6号发电机组每个槽内的定子线棒分成2等分，即Lef/2=2883/2=1442（mm），然后，根据相关算法，计算发电机的网络模型参数。假设6号发电机组带升压变压器正处于额定空载运行，当在某一时刻t时，变压器高压方投合空载超高压输电线路，并设升压变压器用集中参数，输电线路用集中参数近似表示。大型水电站的高压开关站投合空载输电线路过电压有二种不同形式。一种为计划性合闸操作，合闸前线路上不存在接地故障和残余电压，但输电线路的电源侧线路各节点电位存在。合闸后，由于输电线路各点电压由零值过渡到电容效应决定的工频稳态电压，从而会在线路两侧出现暂态过电压，而过电压将由工频稳态分

9、量和无限个快速衰减的谐波分量叠加组成。另一种是重合闸操作，显然由于输电线路上残余电压的存在，三相重合闸过电压要比计划性合闸过电压更为严重。下面主要针对计划性合闸空载输电线路操作问题，以该大型水电站的6号发电机组在开关站投切500 kV线路为例进行仿真分析计算，如图4所示。由于进行厂站操作过电压的安全预测分析仿真, 并侧重仿真分析厂站操作过电压对大型发电机造成的危害程度，以6号发电机定子1号槽绝缘为代表, 仿真计算操作冲击波进入6号发电机A相绕组首端元件后对第1号槽绝缘的冲击, 由此完成大型发电机绝缘安全状态预测分析的仿真工作。首先,采用路模型计算的电磁暂态计算程序(EMTP)对该大型水电站的开

10、关站中高压断路器DK投切空载输电线路操作暂态过程进行仿真计算。图5、图6均为EMTP程序仿真波形图。图5是在t=20秒时刻投合空载输电线路的EMTP程序仿真波形图, 图6是在t=5秒时刻切断空载输电线路的EMTP程序仿真波形图。 在图5、图6中, A16 为6号发电机定子1号槽上层线棒节点, B为升压电力变压器低压侧节点。从图5和图6可见, 无论是投合空载长线,还是切断空载长线时, A16和B两节点的暂态电压波形几乎重合, EMTP程序仿真表明超高压侧的操作过电压将通过升压变压器传递到低压侧,几乎无畸变地进入发电机内部。另外,从图5的EMTP仿真波形可知, 在投合空载长线时要特别引起重视, 这

11、种操作会产生电压峰值高于切断空载长线时的操作过电压冲击波，操作过电压峰值可达45 p.u。当然,切断空载长线时也会产生一定峰值和陡度的冲击波, 过电压峰值可达23p.u，这种冲击波都能够通过升压变压器直接对水轮发电机构成威胁。 对于操作暂态过程的每一时刻，采用暂态电场耦合FEM模型，对6号发电机定子1号槽内绝缘区域电场进行仿真研究。图7为仿真分析的槽内耦合FEM网格剖分图，这是因为大型发电机线棒在槽内的长度比线棒槽截面的宽度和高度都大得多。另外，槽截面几何形状及物理状况沿槽轴线对称，所以自动生成图7的耦合FEM网格模型图。该电场域由曲边区域所组成。同时，在实际的槽内电场区域内存在着具有曲线边界

12、和直线边界的区域，共有8个曲边单元，位于槽内上层线棒和下层线棒附近区域，它们分别是第4、5、11、15、22、23、26和27号单元，这8个等参三角形单元约占耦合有限单元数量的20%，且第4、5、11、15和22号单元具有第一类边界条件，而第26和27号单元具有第二类边界条件。通过EMTP仿真计算,得出了该大型水电站的开关站投合空载输电线操作在6号发电机内部形成过电压的冲击数据,其数值与图7波形相对应。因此，采用电磁暂态计算程序(EMTP) 完成的该开关站断路器DK投合空载输电线路仿真数据作为6号发电机内部暂态电场模型计算的物理状态信息，并将1号槽内瞬态电场的暂态过程由时间步长t离散化后由FE

13、M程序仿真计算, 取离散化时间步长t = 200s。然后,采用电场FEM程序对操作暂态全过程进行发电机内部暂态电场的分析计算，从而获得大型发电机绝缘安全状态预测分析所需的暂态场强实时数据。本文重点对二个暂态时刻进行FEM计算，即tk=0.021 0 s时刻和tk+1=0.021 2 s时刻。图8和图9则分别显示出在tk=0.021 0 s时刻和tk+1=0.021 2 s时刻6号发电机定子1号槽内超强暂态电场实时分布的图像信息。通过场路综合分析技术，实时跟踪了超高压输电线路上的操作冲击波对该大型水电站大型发电机的入侵，并深入到大型水轮发电机内部, 实时跟踪操作冲击波在6号发电机定子 1号槽内绝

14、缘介质中的实时分布，且对整个暂态过程实现在线安全状态监测，完成对可能突发绝缘事故的区域进行搜索与监视，预测诊断可能会发生绝缘事故的隐患点。结合场路仿真分析结果搜索发现由绝缘介质单元16至单元22 形成超强暂态电场区域，该区域在上层线棒表面与齿壁之间处将形成突发绝缘事故的区域，并通过搜索锁定最大电场强度Emax(t)就出现在该区域中，且在绝缘介质单元22中。因此，分析诊断在紧靠上层线棒园角处存在绝缘击穿隐患, 在上层线棒表面与齿壁之间也存在绝缘击穿或损伤隐患, 且会在定子槽口诱发局部放电现象。从图8和图9, 都不难看出超强暂态电场将在6号水轮发电机定子槽绝缘介质内部造成的冲击危害程度。 通过计算

15、机仿真分析还发现在槽内上层线棒和下层线棒之间的区域（12、13、14单元）和槽口绝缘区域（23、24、25单元）内具有偏高的绝缘危险系数。它不仅取决于该区域的场强Ei，而且还取决于该区域内绝缘材料的绝缘介电强度Ei。在这两个绝缘区域中绝缘介电强度分别是主绝缘介电强度的66.7%和43.3%。 因此，不仅要重视主绝缘的绝缘配合，防止绝缘老化，而且应重视槽口绝缘和层间绝缘配合，预防厂站操作过电压对该区域绝缘的危害。3结论根据实验仿真与计算机仿真分析表明厂站操作过电压冲击无论是以浪涌电压波形式还是以暂态电场形式, 都将随时对大型发电机绝缘安全构成直接威胁。特别值得注意的是，本文采用场路分析软件，完成了对某一大型水电站550MW水轮发电机组在厂站操作过电压冲击下的暂态电场仿真分析，虽然仿真内容只是大型发电机绝缘安全仿真的部分工作，但通过这次仿真研究，为大型发电机在线安全分析技术的实际应用提供了具有一定参考价值的分析工作。参考文献1佘强等. 三峡发电机绝缘技术的开发J.绝缘材料通讯 , 1999, No.4: 34-37.2王绍禹,周德贵. 大型发电机绝缘的运行特性与试验M.北京,水利电力出版社, 1992.3陈锡芳.二滩电站水轮发电机设计M. 东方电机, 1996, No.1: 22-27.4李定中.二