工礦企業(yè)110kV GIS變電站用電子式互感器電磁兼容特性的研究

呂毅

摘 要：本文分析了工礦企業(yè)110kV GIS變電站智能化改造的優(yōu)勢(shì)和可行性，對(duì)改造的主要設(shè)備電子式互感器的運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)和搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)110kV 電子式互感器在隔離開關(guān)操作過程中的暫態(tài)波形進(jìn)行了試驗(yàn)和測(cè)量，獲得較為吻合的預(yù)期波形。通過分析，提出了針對(duì)工況環(huán)境下的電磁抗干擾措施，可有效提高電子式互感器的抗干擾水平，提高電子式互感器的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電子式互感器;GIS變電站

中圖分類號(hào)：TM45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來，以冶金企業(yè)為代表的我國大型工礦企業(yè)新建和改造廠用110kV變電站時(shí)，越來越多的采用GIS變電站方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，GIS變電站占地面積更小，絕緣性能優(yōu)秀，運(yùn)行可靠性更高，維護(hù)更簡(jiǎn)單，上述優(yōu)點(diǎn)在工礦企業(yè)中逐漸得到認(rèn)可。隨著智能電網(wǎng)概念的興起和研究，數(shù)字化變電站成為新一代變電站技術(shù)發(fā)展的方向，其“一次設(shè)備智能化、全站信息數(shù)字化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、高級(jí)應(yīng)用互動(dòng)化”的特征相較于傳統(tǒng)變電站優(yōu)勢(shì)明顯[1]。智能變電站的諸多優(yōu)勢(shì)對(duì)耗電量巨大，對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量要求嚴(yán)格，同時(shí)又在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量高次諧波的大型工礦企業(yè)而言，具有更加實(shí)際的意義，是廠用變電站進(jìn)化發(fā)展的趨勢(shì)。

GIS變電站中，通過將傳統(tǒng)互感器改造為基于電子學(xué)原理的電子式互感器是較為經(jīng)濟(jì)可行的智能化改造方案。電子式互感器可將常規(guī)的模擬信號(hào)數(shù)字化，將控制電纜轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字光纖，測(cè)控和保護(hù)信號(hào)通過光纖和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸，結(jié)合變電站內(nèi)屏柜的智能化改造，能將現(xiàn)有廠區(qū)內(nèi)變電站分散式監(jiān)控和管理的運(yùn)行方式轉(zhuǎn)變?yōu)榧斜O(jiān)控和管理，甚至可直接合并至廠區(qū)主控系統(tǒng)，有效減少管理人員配置和場(chǎng)地占用，增加監(jiān)控和管理效率[2-3]。同時(shí)，電子式互感器高帶寬的特性對(duì)冶金企業(yè)等工礦企業(yè)中因生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的高次諧波可進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和分析，結(jié)合高壓濾波器的應(yīng)用，可以更有針對(duì)性的抑制諧波，提高電能質(zhì)量。

但目前電子式互感器的可靠性和故障率相較于傳統(tǒng)互感器而言仍然較高，必須通過研究如何有效降低電子式互感器的故障率，才有可能提升其可靠性，從而滿足工礦企業(yè)對(duì)變電站運(yùn)行可靠性的要求。

本文研究了電子式互感器故障率發(fā)生的最大影響因素—電磁兼容特性，設(shè)計(jì)并建立了電子式互感器電磁兼容檢測(cè)的試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬真實(shí)運(yùn)行中隔離開關(guān)操作下產(chǎn)生的暫態(tài)電磁過程，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提出了電子式互感器抗干擾措施，提供了提高電子式互感電磁兼容性能的解決方案。

1 電子式互感器電磁干擾影響分析

目前，電子式互感器的采集單元是電子式互感器的薄弱環(huán)節(jié)，容易受到GIS隔離開關(guān)操作中產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓、瞬態(tài)過電流及GIS外殼暫態(tài)電位抬升的影響，而110kV GIS變電站所處的電磁環(huán)境，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，這些干擾的強(qiáng)度比目前電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的干擾水平要超出很多，這也導(dǎo)致了許多電子式互感器雖在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行常規(guī)型式試驗(yàn)時(shí)均滿足了GB 20840-7/8標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有電磁兼容試驗(yàn)的要求，但在現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)后往往出現(xiàn)電磁防護(hù)故障的情況[2-6]。

電子式互感器的組成部分主要分為一次傳感單元、二次采集單元和合并單元，其基本組成方式如圖1所示。

1.1 一次傳感單元電磁干擾分析

一次傳感單元感應(yīng)電流或電壓信號(hào)后，可轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過光纖傳輸?shù)蕉尾杉瘑卧?或轉(zhuǎn)換為小電壓信號(hào)，通過屏蔽線傳輸?shù)蕉尾杉瘑卧．?dāng)一次傳感單元采用光學(xué)器件時(shí)，由于信號(hào)傳輸采用光纖，可實(shí)現(xiàn)光電隔離，一次傳感單元及二次采集單元不受電磁干擾影響。當(dāng)一次傳感單元采用電氣元件時(shí)，因?yàn)橛须姎膺B接，一次傳感單元及二次采集單元會(huì)受到電磁干擾的影響。例如，一次傳感單元采用羅氏線圈，因?yàn)槠渚哂辛己玫念l率帶寬，可將暫態(tài)高頻信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。從而會(huì)出現(xiàn)工頻下二次電壓小于1伏，而在30MHz暫態(tài)高頻信號(hào)下，二次電壓高達(dá)數(shù)十千伏，這種電壓變化對(duì)線圈本身和二次采集單元均是嚴(yán)峻考驗(yàn)。

1.2 二次采集單元電磁干擾分析

二次采集單元主要受到來自三個(gè)方面的電磁干擾。第一種干擾來自隔離開關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的高頻暫態(tài)信號(hào)通過一次傳感單元的電氣連接線傳導(dǎo)至二次采集單元;第二種干擾來自暫態(tài)過電壓導(dǎo)致的地電位抬升對(duì)二次采集單元供電系統(tǒng)的影響;第三種干擾來自隔離開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)通過電磁輻射對(duì)二次采集單元外殼端口的干擾。

1.3 合并單元電磁干擾分析

合并單元由于與二次采集單元之間采用光纖連接，不會(huì)受到電磁干擾的影響，在變電站設(shè)計(jì)時(shí)，合并單元往往與變電站其他二次設(shè)備布置在一起，因此受電磁輻射的影響比較小，如果因設(shè)計(jì)或施工限制必須布置于GIS附近時(shí)，其主要電磁干擾應(yīng)為地電位抬升對(duì)電源系統(tǒng)的影響。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為滿足國標(biāo)GB1985-2004隔離開關(guān)試驗(yàn)中的要求，模擬GIS變電站實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)如下電子式互感器電磁兼容典型試驗(yàn)回路，如圖2所示。

該試驗(yàn)設(shè)計(jì)回路在GIS兩側(cè)出線套管處分別配置一個(gè)高頻電壓傳感器，在隔離開關(guān)法蘭處配置一個(gè)高頻電流傳感器，另配置一臺(tái)匯控柜，GIS外掛屏蔽盒，用于各設(shè)備的布置和走線。隔離開關(guān)配電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，操作電源為交流220V。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，外加一個(gè)電源U，同時(shí)并聯(lián)電源保護(hù)用電容分壓器C1，并加載模擬負(fù)載的電容分壓器C2。故障錄波儀用于判斷隔離開關(guān)操作時(shí)電子式互感器是否發(fā)生故障。高頻電壓測(cè)量系統(tǒng)采用手孔式電容分壓器作為傳感器，其方波響應(yīng)上升時(shí)間不低于3ns，高頻截止頻率可達(dá)到100MHz。高頻電流測(cè)量系統(tǒng)采用羅氏線圈作為傳感器，其3dB高頻截止頻率為6MHz，具有穩(wěn)定的頻率響應(yīng)特性和測(cè)量轉(zhuǎn)換比例[7]。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)步驟

因?yàn)?10kV GIS為三相共箱式，試驗(yàn)過程采用單相加電壓，其余兩相接地方式進(jìn)行。（1）依照?qǐng)D2進(jìn)行試驗(yàn)布置，C1，C2電容量均設(shè)置為5000pF，所有設(shè)備帶電運(yùn)行正常，檢測(cè)各裝置間通信正常;（2）隔離開關(guān)合閘，試驗(yàn)用升壓變壓器將電壓升至72.5kV（1.15倍額定電壓）;（3）對(duì)隔離開關(guān)進(jìn)行分閘操作，記錄脈沖電流、過電壓、電弧持續(xù)時(shí)間等數(shù)據(jù);（4）間隔2min后對(duì)隔離開關(guān)進(jìn)行合閘操作，記錄脈沖電流、過電壓、電弧持續(xù)時(shí)間等數(shù)據(jù);（5）重復(fù)（3）（4）步驟，完成20次分合閘操作;（6）試驗(yàn)結(jié)束。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及波形分析

試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

從測(cè)量數(shù)據(jù)可知，平均過電壓為1.9p.u.，最小過電壓為1.5p.u.，最大過電壓2.2p.u.。平均脈沖電流為662A，最大脈沖電流為751A。

（1）VFTO（快速暫態(tài)過電壓）波形如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4中可以看出，隔離開關(guān)合閘和分閘操作中，隔離開關(guān)的間隙擊穿會(huì)產(chǎn)生行波，通過行波在GIS中的傳播、反射和疊加形成快速暫態(tài)過電壓，其與工頻電壓疊加形母線上的VFTO。

進(jìn)一步觀察暫態(tài)電壓信號(hào)，將合閘暫態(tài)電壓首個(gè)脈沖展開，可以獲得波形如圖5所示;將分閘暫態(tài)電壓最后一個(gè)脈沖展開，可以獲得波形如圖6所示。

暫態(tài)電壓展開的最顯著特性是會(huì)產(chǎn)生階躍波形。此波形是由上次擊穿產(chǎn)生的殘余電壓跳變至電源電壓所形成的，再疊加高頻振蕩波形，即是典型的VFTO波形。

（2）VFTC（快速暫態(tài)過電流）波形如圖7和圖8所示。

進(jìn)一步觀察暫態(tài)電流信號(hào)，將合閘暫態(tài)電流首個(gè)脈沖展開，可以獲得波形如圖9所示;將分閘暫態(tài)電流最后一個(gè)脈沖展開，可以獲得波形如圖10所示。

展開的暫態(tài)電流波形包含兩個(gè)主要頻率，其一是隔離開關(guān)間隙擊穿產(chǎn)生的階躍波形負(fù)載電容和導(dǎo)線形成的LC回路中過振蕩而產(chǎn)生的，因?qū)Ь€電阻的衰減作用，而行成了一個(gè)典型的二階電路零狀態(tài)響應(yīng)波形，其頻率與負(fù)載電容大小相關(guān);其二是隔離開關(guān)間隙擊穿產(chǎn)生的電流行波在GIS中傳播、反射、疊加而形成的高頻波形，其頻率與GIS套管長度相關(guān)。

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合前期GIS變電站中電子式互感器故障分析，可以發(fā)現(xiàn)基于IEC及國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和制造的電子式互感器在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)故障率較高的主要原因是現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)的電磁環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室的電磁環(huán)境存在顯著的差異。（1）參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的電磁兼容試驗(yàn)中，試驗(yàn)參數(shù)要求比現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾強(qiáng)度低了一個(gè)甚至幾個(gè)數(shù)量級(jí);（2）標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)與電壓等級(jí)沒有進(jìn)行關(guān)聯(lián)，而電磁干擾強(qiáng)度與電壓等級(jí)具有三次方增長關(guān)系;（3）試驗(yàn)的抗擾度往往只針對(duì)單一參數(shù)進(jìn)行，而現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜得多，多種干擾源同時(shí)疊加增加了電磁干擾的強(qiáng)度。

4 抗干擾措施

由上述測(cè)量結(jié)果，可以對(duì)GIS變電站內(nèi)的電磁環(huán)境進(jìn)行分析，從而得出不同的電磁干擾源對(duì)電子式互感器產(chǎn)生的干擾作用，進(jìn)而針對(duì)各類干擾源提出相應(yīng)的抗干擾措施。

4.1 線路傳導(dǎo)干擾抗干擾措施

通過線路產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾主要是暫態(tài)過電流或暫態(tài)過電壓以及暫態(tài)地電位抬升，可以通過以下抗干擾措施進(jìn)行防范：（1）通過選用性能更好的隔離開關(guān)，提高開關(guān)分合速度，做到快速滅弧，減少電弧重燃，以減小快速暫態(tài)過電壓的概率，降低其峰值電壓;（2）通過在隔離開關(guān)兩側(cè)加裝合閘電阻，以限制合閘過電壓;（3）通過在隔離開關(guān)兩側(cè)加裝快速接地開關(guān)，在隔離開關(guān)動(dòng)作前將線路殘留電荷導(dǎo)入地網(wǎng)，以降低過電壓峰值;（4）通過改進(jìn)接地網(wǎng)系統(tǒng)，降低接地電阻大小，同時(shí)選用電感較小的接地線，以減小地電位抬升幅度;（5）通過降低采集單元的安裝位置，減小寄生電容，以減小地電位抬升對(duì)采集單元電源系統(tǒng)的影響;（6）通過在電子式互感器采集單元和合并單元的電源側(cè)增加LPF（低通濾波電路）和TVS（瞬態(tài)電壓抑制二極管），以過濾高頻干擾信號(hào)并抑制浪涌過電壓[8]。

4.2 環(huán)境輻射干擾抗干擾措施

GIS變電站內(nèi)強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)弱電系統(tǒng)的輻射干擾，可以通過以下抗干擾措施進(jìn)行防范：（1）通過將電子式互感器弱電部分安裝于距高壓側(cè)較遠(yuǎn)的地方，如安裝在GIS變電站不同樓層控制室或弱電室中，以減小高頻磁場(chǎng)對(duì)線路中過電流的產(chǎn)生;（2）通過設(shè)置同軸電纜兩端接地，提供其屏蔽性能，以減小環(huán)境干擾的影響;（3）通過將電子式互感器的采集電路進(jìn)行屏蔽，例如安裝金屬屏蔽外殼，以降低環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)設(shè)備的影響;（4）通過改變信號(hào)傳輸方式，例如將傳輸方式改為光纖通信，可避免數(shù)據(jù)因電磁干擾而在傳輸中發(fā)生畸變，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)語

通過設(shè)計(jì)及搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)110kV GIS在隔離開關(guān)分合閘過程中的暫態(tài)過程進(jìn)行了測(cè)量和分析，測(cè)量結(jié)果與預(yù)期較為一致，并與工況環(huán)境下110kV GIS實(shí)際運(yùn)行情況較為吻合，試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)反映了工況情況下電子式互感器運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)電子式互感器的檢測(cè)和考核較傳統(tǒng)試驗(yàn)方式更為嚴(yán)格和準(zhǔn)確。

針對(duì)不同干擾源提出了電子式互感器的抗干擾措施，該措施可有效提高電子式互感器在實(shí)際運(yùn)行中的可靠性和穩(wěn)定性，為電子式互感器的工藝制造和現(xiàn)場(chǎng)配置方式提供了改進(jìn)方向。

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