一起智能變電站跳閘事故分析與改進(jìn)方案

張 平，楊朋威，王 達(dá)，劉春暉，周立超

(1．國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

電子式互感器是智能變電站的核心設(shè)備之一，與傳統(tǒng)電磁式互感器相比，電子式互感器具有體積小、重量輕、頻帶響應(yīng)寬、無(wú)飽和現(xiàn)象、無(wú)油化結(jié)構(gòu)、絕緣可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。但電子互感器也存在易受電磁干擾、采集卡供能不穩(wěn)定而造成采集數(shù)據(jù)異?；騺G失導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作等技術(shù)難題，因其采集器的二次輸出為弱電信號(hào)，一般在200 mV～5 V，對(duì)于GIS設(shè)備，極易受到強(qiáng)電磁環(huán)境的影響。當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)或斷路器操作時(shí)產(chǎn)生的快速暫態(tài)過(guò)電壓(VFTO) 可能引起電子式互感器采集卡采集的數(shù)據(jù)異常甚至損壞等問(wèn)題，依然嚴(yán)重困擾著電子式互感器的大面積推廣應(yīng)用[2]。

VFTO的產(chǎn)生是由于GIS內(nèi)隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、接地開(kāi)關(guān)、負(fù)載開(kāi)關(guān)等裝置操作引起的電弧重燃現(xiàn)象，是金屬封閉開(kāi)關(guān)電器特有的一種暫態(tài)過(guò)電壓。通常GIS在分合時(shí)，觸頭間可能會(huì)發(fā)生重?fù)舸?，產(chǎn)生波頭很陡的行波，在GIS內(nèi)發(fā)生多次反射，從而形成頻率很高的操作過(guò)電壓[3]。VFTO有以下幾個(gè)特征。

a.幅值：VFTO的幅值大小取決于一次設(shè)備參數(shù)，一般情況下快速暫態(tài)過(guò)電壓幅值在2.5 p.u.以?xún)?nèi)，個(gè)別情況在3.0 p.u.。

b.頻率：VFTO的頻率范圍較廣，可由0.1 Hz到100 MHz，其中數(shù)十MHz的高頻振蕩分量是VFTO的主要成分。

c.波前陡度：VFTO的上升時(shí)間極短，波前陡直，只需5～20 ns即可達(dá)到峰值[4]。

在某智能變電站完成檢修恢復(fù)送電過(guò)程中，該站電子式互感器出現(xiàn)異常并導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作跳閘。本文對(duì)此進(jìn)行分析，并提出有效的改進(jìn)措施，為后續(xù)智能變電站電子式互感器的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維及事故處理提供借鑒。

1 事故過(guò)程

某220 kV智能變電站220 kV系統(tǒng)采用雙母線(xiàn)接線(xiàn)方式，一次設(shè)備為HGIS(Hybrid Gas Insulated Switchgear)組合電器，并采用電子式電流、電壓互感器，一次接線(xiàn)方式如圖1。故障前Ⅰ、Ⅱ母經(jīng)母聯(lián)開(kāi)關(guān)并列運(yùn)行，線(xiàn)路A按計(jì)劃停電檢修，站內(nèi)一、二次設(shè)備運(yùn)行無(wú)異常。操作前線(xiàn)路A對(duì)側(cè)變電站的斷路器處于分位。

圖1 某變電站一次主接線(xiàn)圖

根據(jù)線(xiàn)路2套PCS-931線(xiàn)路保護(hù)裝置原理，圖2、圖3為對(duì)站及本站差動(dòng)保護(hù)邏輯框圖，當(dāng)滿(mǎn)足邏輯時(shí)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

圖2 對(duì)站差動(dòng)保護(hù)邏輯框圖

圖3 本站差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作邏輯框圖

某日220 kV線(xiàn)路A空充過(guò)程中，線(xiàn)路2套PCS-931裝置差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)動(dòng)作時(shí)，兩套保護(hù)的SV電流通道采樣均有效，不閉鎖差動(dòng)保護(hù)。 當(dāng)發(fā)生跳閘異常期間，故障線(xiàn)路本站斷路器處于合位，對(duì)站斷路器處于分位，本站裝置采集到的電流即為差動(dòng)電流。本站A套保護(hù)C相電流4.995 A(差動(dòng)動(dòng)作電流定值：2.24 A)；B套保護(hù)B相電流4.268 A(差動(dòng)動(dòng)作電流定值：2.24 A)、C相電流6.244 A(差動(dòng)動(dòng)作電流定值：2.24 A)；均滿(mǎn)足差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作條件(對(duì)站相同)。

通過(guò)以上分析，可判斷在本次空充線(xiàn)路過(guò)程中，線(xiàn)路A、B套保護(hù)均采集到滿(mǎn)足差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作條件的電流，且SV電流采集有效，致縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，線(xiàn)路A、B套保護(hù)動(dòng)作行為正確。故障錄波文件中，線(xiàn)路A的電壓電流波形圖如圖4所示。

圖4 故障時(shí)刻電壓電流波形

由圖4看出，在故障時(shí)刻線(xiàn)路C相電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常電壓，具有單相接地故障特征，但是A、B、C三相電流不符合單相接地故障特征，調(diào)閱220 kV母線(xiàn)電壓波形，發(fā)現(xiàn)母線(xiàn)電壓未出現(xiàn)明顯波動(dòng)和電壓降低情況，且線(xiàn)路A、B套保護(hù)電流不一致。綜合分析，初步判斷保護(hù)跳閘時(shí)刻系統(tǒng)無(wú)故障，異常電流是由于采集卡輸出異常而造成，同時(shí)將輸出異常的電流量、電壓量發(fā)送給保護(hù)裝置，造成保護(hù)動(dòng)作。

2 故障查找與原因分析

綜合分析保護(hù)動(dòng)作情況、保護(hù)錄波波形及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，可得出結(jié)論：此次保護(hù)動(dòng)作是由于電子式互感器采集器受到干擾導(dǎo)致輸出異常造成的。電子式互感器采集器通常受到干擾的主要原因是在變電站HGIS結(jié)構(gòu)中，斷路器及隔離開(kāi)關(guān)分合過(guò)程中產(chǎn)生了快速暫態(tài)過(guò)電壓，從而干擾了電子式互感器采集器的采樣，導(dǎo)致輸出異常波形。

電子式電流互感器主要由一次傳感單元、采集單元組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。下面對(duì)每個(gè)部分受到的干擾情況進(jìn)行分析。

(a)

(b)圖5 互感器外觀和接線(xiàn)原理示意圖

a.一次傳感單元所受干擾分析

由于空心線(xiàn)圈的頻帶較寬，對(duì)于暫態(tài)的高頻大電流信號(hào)，可能使空心線(xiàn)圈感應(yīng)出很高的電壓信號(hào)，對(duì)空心線(xiàn)圈本身產(chǎn)生影響，或通過(guò)電氣連接線(xiàn)直接傳輸至采集單元，對(duì)采集單元產(chǎn)生影響。當(dāng)被測(cè)電流幅值為10 kA，在電流頻率為工頻50 Hz時(shí)空心線(xiàn)圈輸出電壓為0.2 V；而在電流頻率為300 kHz時(shí)，空心線(xiàn)圈輸出電壓理論值為1 200 V，因此一次設(shè)備操作過(guò)程中產(chǎn)生的暫態(tài)高頻信號(hào)將對(duì)線(xiàn)圈本身和采集卡的安全工作帶來(lái)嚴(yán)重影響。

b.采集單元所受干擾分析

采集單元放置在金屬屏蔽盒內(nèi)，對(duì)外有信號(hào)輸入、輸出和電源接口。采集單元可能受到兩個(gè)方面的干擾：一是隔離開(kāi)關(guān)開(kāi)合時(shí)空心線(xiàn)圈感應(yīng)出的暫態(tài)信號(hào)直接通過(guò)電氣連接線(xiàn)傳遞到采集單元的電路中；二是隔離開(kāi)關(guān)開(kāi)合時(shí)的瞬態(tài)電磁場(chǎng)以電磁輻射的形式干擾采集單元電路的正常工作。由于該站電子式互感器采集卡就地安裝于和GIS設(shè)備相連的箱體內(nèi)，采集卡及相關(guān)二次電纜處于電磁嚴(yán)重污染的環(huán)境中。在隔離開(kāi)關(guān)、斷路器操作過(guò)程中產(chǎn)生VFTO，尤其是GIS中隔離開(kāi)關(guān)在投切空載短引線(xiàn)時(shí)，由于觸頭兩端存在電壓差且合閘速度緩慢，SF6氣體間隙會(huì)發(fā)生多次擊穿并導(dǎo)致電弧重燃，由此產(chǎn)生的電壓行波在GIS內(nèi)部傳播，遇到波阻抗不連續(xù)的地方會(huì)發(fā)生折反射并不斷疊加，最終形成VFTO。VFTO的高頻振蕩特性既能使其通過(guò)電子式互感器的雜散電容傳入二次設(shè)備，還會(huì)通過(guò)輻射耦合的方式使GIS外殼上出現(xiàn)頻率達(dá)數(shù)十MHz的瞬態(tài)電流，在空間內(nèi)激發(fā)出高頻暫態(tài)電磁場(chǎng)，使輸入采集卡的模擬信號(hào)和信號(hào)對(duì)地電位都會(huì)受到影響。

一般情況下，在采集卡AD采樣回路前端設(shè)計(jì)防護(hù)和濾波電路來(lái)屏蔽電磁干擾(如圖6所示)。圖6中器件T1是TVS型防護(hù)器件，用來(lái)對(duì)較高的操作過(guò)電壓幅值進(jìn)行箝位，后端的兩階RC濾波電路對(duì)高頻干擾進(jìn)行濾波。但當(dāng)MHz級(jí)高頻干擾信號(hào)進(jìn)入圖6所示的采集單元模擬前端電路時(shí)，陶瓷貼片電容C8、C9呈感性特征。從實(shí)際效果來(lái)看，上述防護(hù)、濾波電路對(duì)MHz級(jí)干擾信號(hào)的濾除作用較差，采集單元運(yùn)行狀態(tài)將受到影響。此外，由于現(xiàn)場(chǎng)所用采集單元采用實(shí)地設(shè)計(jì)思路，即采集單元二次回路與一次回路共地，導(dǎo)致高頻干擾通過(guò)接地回路引入采集單元。采集單元的二次地電位不穩(wěn)定，VFTO干擾信號(hào)無(wú)法全部泄放而進(jìn)入AD采樣回路，直接導(dǎo)致其硬件無(wú)法正常工作，采集器輸出異常采樣值。

圖6 采集單元前端設(shè)計(jì)原理示意圖

3 整改方案

3.1 更換采集卡，選用浮地設(shè)計(jì)的前端防護(hù)回路

采集單元前端防護(hù)回路采用浮地設(shè)計(jì)思路，即信號(hào)地(二次系統(tǒng))與機(jī)殼地(一次系統(tǒng))不導(dǎo)通，信號(hào)是浮地，操作過(guò)電壓高頻信號(hào)無(wú)法通過(guò)采集單元的接地直接進(jìn)入采集單元的二次回路。這樣，盡管變電站改變運(yùn)行方式或隔刀操作時(shí)，地電位抬升并伴隨高頻的干擾信號(hào)，但這些干擾信號(hào)無(wú)法直接進(jìn)入采集單元，采集單元依然可以穩(wěn)定運(yùn)行。

浮地設(shè)計(jì)的前端防護(hù)回路原理如圖7所示。

圖7 改進(jìn)的采集單元前端設(shè)計(jì)原理示意圖

圖7中電路完成箝壓、限流、濾高頻干擾功能，由防護(hù)器件、電感、電容等無(wú)源器件組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)互感器一次傳感單元引出模擬信號(hào)的防護(hù)、濾波功能。模擬信號(hào)首先進(jìn)入防護(hù)、濾波回路，隔刀操作時(shí)產(chǎn)生的高壓、高頻干擾信號(hào)疊加在模擬信號(hào)上，但這些干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)回路后大幅衰減。這樣較為干凈的模擬信號(hào)再接入采集單元，由采集單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換并上送到合并單元的功能。

3.2 更換采集卡的安裝位置

為減小一次設(shè)備操作中產(chǎn)生的VFTO對(duì)采集卡等二次設(shè)備的影響，將采集卡安裝位置轉(zhuǎn)移至斷路器旁的采集箱內(nèi)，如圖8(a)，并對(duì)信號(hào)線(xiàn)采取雙層屏蔽措施，外層單端接地，內(nèi)層采用浮地方式。另外，采集器外殼采用浮地設(shè)計(jì)，增加抗共模干擾能力，在其底部墊環(huán)氧板，安裝孔處加絕緣墊片，效果如圖8(b)。

3.3 降低一次設(shè)備外殼接地電阻，接地點(diǎn)由一點(diǎn)改為多點(diǎn)

通過(guò)加強(qiáng)接地，降低GIS設(shè)備外殼至地網(wǎng)之間的電感值，使快速暫態(tài)過(guò)電壓快速引入地網(wǎng)以降低作用于電子式互感器設(shè)備上的過(guò)電壓幅值。

(a)

(b)圖8 采集卡安裝箱及其底部浮地設(shè)計(jì)的環(huán)氧板

考慮設(shè)備改造周期及改進(jìn)效果，此站采用更換采集卡、調(diào)整操作方案的措施，采用改進(jìn)方案2，再次投運(yùn)后該變電站順利投運(yùn)并穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證了方案的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于變電站實(shí)際工程中出現(xiàn)的問(wèn)題，查找了故障原因并進(jìn)行了分析，研究了斷路器、隔離開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的VFTO對(duì)電子式電流互感器輸出的影響，提出了3種有效的改進(jìn)措施和方案，并驗(yàn)證了方案的可行性。本文的研究對(duì)同類(lèi)智能變電站的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維具有一定的借鑒作用。