马山智能变电站VFTO对继电保护的影响

吴兴林，杨 飞，李华强，徐国俊，张武洋

(1．辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006;2．辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006;3．沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136)

马山智能变电站母线和开关采用GIS结构，采集卡置于罐体外侧密封。GIS结构紧凑，各元件间距小且节点数较多，隔离开关和断路器动作时产生的操作波或雷电侵入波在GIS内部传输时，会在不同节点处发生复杂的折射和反射，最终形成VFTO(Very Fast Transient Overvoltage)。VFTO可以作用于GIS内部导体和壳体之间，也可以传播到GIS外部，引起壳体电位升高 (TEV)，或形成向外辐射的电磁波 (TEM)，危及敏感二次设备［1－2］。

智能变电站相对于常规变电站的优势之一在于将电信号转换成光信号进行传输，这一技术特点决定远端采集模块必须与一次设备集成安装。这使得低压二次设备更加靠近间隔一次设备工作，所以必须经受更加严酷的电磁环境的考验。远端采集模块和合并单元是变电站采集模拟量数据的源头，若设计、制造无法达到现场环境要求，发生异常或烧损，会直接导致继电保护和自动化系统采样失常，给变电站的安全运行带来极大隐患。

所以对VFTO及其带来的电磁干扰给二次采样环节和继电保护设备所带来的影响进行测试和研究，将为智能变电站远端采集环节的抗扰技术发展提供有益的参考，同时也为智能变电站的继电保护设备升级提供现实依据。

1 马山变电站设备

为了真实呈现马山变电站暂态电磁骚扰水平，测试安排在马山变电站投运期间进行，具体操作和测试安排在龙马1线间隔。

220 kV GIS、远端采集模块和合并单元采用南瑞继保设备，全站保护设备为许继电气装置。220 kV采用双母线结构，龙马1线间隔如图1所示。

图1 龙马1线间隔一次接线图

2 测试原理

模拟量采集环节是继电保护设备正确识别故障，进而正确动作的基础。不同于常规变电站，在智能变电站中，这一环节由就地化的远端采集模块和合并单元来完成，而远端采集模块是整个环节的核心。基于远端采集模块的设计原理和工作特点，可能的干扰源有三种，分别为信号端干扰、电源端干扰和空间电磁波干扰。由于远端采集模块直接在GIS罐体上接地，故信号源的接入和电源端的接入都可能带来差模干扰和共模干扰。

由于操作隔离开关时产生的VFTO最为明显［3］，所以对以上干扰的测试均安排在分、合隔离开关时完成:①GIS外壳暂态地电位升TEV测试;②就地220 V交、直流电源暂态骚扰测试;③站用220 V交流电源暂态骚扰测试;④采样输出报文和波形监测。

2.1 GIS外壳TEV测试

将高压探头接至GIS外壳未涂漆的夹件 (靠近A相侧)与接地铜排之间，高压探头输出端通过同轴线和示波器相连，变电站运行人员操作隔离开关，测试人员使用笔记本、光电转换器和光纤对示波器进行远程管理。接线原理如图2所示。

图2 GIS外壳地电位升TEV测试接线图

2.2 就地交、直流电源骚扰测试

a． 将3号分压探头接至智能汇控柜的AC火线与接地铜排之间，分压探头输出端通过同轴线和示波器的通道3相连，由变电站运行人员操作隔离开关，测量站用AC火线对地的共模干扰。

b． 将4号分压探头接至智能汇控柜的AC零线与接地铜排之间，分压探头输出端通过同轴线和示波器的通道4相连，由变电站运行人员操作隔离开关，测量站用交流零线对地的共模干扰。

c． 将1号分压探头接至智能汇控柜的直流正、负之间，分压探头输出端通过同轴线和示波器的通道1相连，由变电站运行人员操作隔离开关，测量直流正、负间差模干扰。

测试人员使用笔记本、光电转换器和光纤对示波器进行远程管理。接线原理如图3所示。

2.3 合并单元输出

图3 就地交、直流电源VFTO测试接线图

利用现场既有的SV网络和网络报文分析仪，对分、合隔离开关时刻的报文进行记录，可以检查VFTO对合并单元输出报文品质、通信状态造成的影响。网络报文分析仪的波形显示功能可以将报文转换成直观的波形。

2.4 继电保护设备状态

分、合隔离开关的同时，派专人监视龙马1号线线路保护和母线保护状态，记录所有异常与报警。

3 测试结果

3.1 合隔离开关测试结果

a． GIS外壳对地电位TEV

在第1次隔离开关的合闸测试中，示波器录波如图4所示。可见，受隔离开关合闸过程结束阶段静触头和动触头接近时拉弧影响，罐体外壳与大地之间感应产生暂态过电压，过电压的持续时间约300 ms，呈现出初期幅值较大、末期幅值较小且正负对称的特征，初期峰值可以达到5.92 kV，末期峰值约400 V。

图4 隔离开关合闸过程中GIS外壳对地电位升TEV波形图

b． 就地交、直流电源的暂态骚扰

在第3次隔离开关的合闸测试中，示波器录波如图5所示。

图5 第3次隔离开关合闸过程中就地电源暂态过压波形图

第3次合闸过程中，220 V直流电源中产生高频差模干扰信号，持续时间在150～200 ms，最大过压幅度约200 V。220 V交流L端产生高频共模干扰信号，暂态过程持续时间在250～300 ms，暂态过电压峰值达到1 400 V;而交流N端的暂态过程基本与L端同步，暂态过电压峰值达到750 V。

c． 采样输出报文和波形

①在第1次隔离开关的合闸测试中，网络报文记录仪记录报文和波形如图6、图7所示。

从图6、图7可见，隔离开关合闸时，龙马1线B套合并单元发出1帧采样无效的报文，B相保护电流、B相测量电流和B相电压通道品质因数q均置无效位。同时，B相保护电流幅值达到0.43 kA以上且波形中出现多个跳变点。在约80 ms的时间内，大量报文中的通道出现双AD不一致，主要集中在A相保护电流通道 (此处双AD不一致门槛为额定值的20%，下同)。

②在第3次隔离开关的合闸测试中，网络报文记录仪记录报文和波形如图8、图9所示。

从图8、图9可见，隔离开关合闸时，龙马1线B套合并单元连续发出多帧采样无效的报文，B相保护电流、B相测量电流和B相电压通道品质因数q均置无效位。同时，B相保护电流幅值达到0.45 kA以上。在约60 ms的时间内，大量报文中的通道出现双AD不一致，主要集中在A相保护电流通道。

d． 继电保护设备状态

隔离开关合闸时，线路保护B套 (WXH－803B)“TA品质异常闭锁”告警，母线保护B套(WXH－800B)“TA品质异常闭锁保护”告警。

3.2 分隔离开关测试结果

a． GIS外壳对地电位TEV

在第1次隔离开关的分闸测试中，示波器录波如图10所示。

可见，受隔离开关分闸开始阶段静触头和动触头接近时产生的电弧影响，罐体外壳与大地之间感应产生暂态过电压，过电压的持续时间约150 ms，呈现出初期幅值较小、末期幅值较大且正负对称的特征，初期峰值约800 V，末期峰值达到5.99 kV。

b． 就地交、直流电源的暂态骚扰

在第2次隔离开关的分闸测试中，示波器录波如图11所示。

第2次分闸过程中，220 V直流电源中产生高频差模干扰信号的持续时间约150 ms，最大过压幅度约100 V。220 V交流L端产生的共模干扰信号持续时间在150～200 ms之间，暂态过电压峰值达到800 V;而交流N端的暂态过程基本与L端同步，暂态过电压峰值达到600 V。

c． 采样输出报文和波形

在第2次隔离开关的分闸测试中，网络报文记录仪记录报文和波形如图12、图13所示。

从图12、图13可见，隔离开关分闸时，龙马1线B套合并单元连续发出多帧采样无效的报文，B相保护电流、B相测量电流和B相电压通道品质因数q均置无效位。同时，B相保护电流幅值达到0.6 kA以上。共计7帧报文报出双AD不一致报警。

d． 继电保护设备状态

隔离开关分闸时，线路保护B套和母线保护B套的告警与合闸过程相同。

4 影响分析

隔离开关分、合闸过程中静触头和动触头接近时产生的拉弧是一次设备旁电磁骚扰的主要来源，由此产生的VFTO是对二次设备最强的干扰形式。

a． 远端采集模块受扰分析

将合闸与分闸的典型数据类比列于表1。数值直观反映隔离开关在合闸时对远端采集模块信号源、电源的电磁干扰强于分闸。

表1 分、合闸暂态干扰对比表

VFTO给采集模块直流电源输入端带来近200 V的差模干扰，壳体电位升高近6 kV也给其信号源输入带来极大的共模干扰，这些干扰都会使采集模块的输入产生误差或短时程序故障。

操作时产生的电磁波在GIS封闭罐体内会被激发成谐振波，而远端采集模块的集成电路板又属于敏感电子器件，极易受电磁场影响。通过报文和波形可见，SV报文的异常集中出现在B套的B相，说明B相的B套远端采集模块的输出异常与其安置位置或个体差异性有关。

b． 合并单元的数据判别

合并单元发送SV报文置数据无效的判据共有以下4种:①远端模块和合并单元之间通信中断;②远端模块和合并单元之间的通信帧，在合并单元处校验出错;③远端模块在通信帧中会上送远端模块的工作状态，合并单元一旦判断到严重错误，则将此帧数据置无效;④合并单元内部受到干扰，通过内部的数据校验发现数据错误，则将该帧数据置无效。

可见，合并单元发送无效数据的主要原因都与远端采集模块发生程序级故障有关。当然，合并单元受直流电源的差模干扰也可能会产生错误数据，经校验无效，但考虑到数据异常出现的特点，可以排除这种可能。

c． 保护设备SV报文状态识别

许继的WXH－803B和WXH－800B都会对接收的SV报文进行判别后使用，报文的“采样无效”、“SV采样丢帧”、“SV报文间隔不均匀”和“双AD不一致”均可导致保护闭锁，闭锁时间比报文异常时间延长20 ms。

综上所述，第1次隔离开关合闸时，龙马1线两侧B套差动保护闭锁约100 ms，龙马1线本侧B套后备保护闭锁约100 ms，220 kV B套母线差动保护闭锁约100ms;第3次隔离开关合闸时，龙马1线两侧B套差动保护闭锁约80 ms，龙马1线本侧B套后备保护闭锁约80 ms，220 kV B套母线差动保护闭锁约80 ms;第2次隔离开关分闸时，龙马1线两B套差动保护闭锁约22 ms，龙马1线本侧B套后备保护闭锁约22 ms，220 kV B套母线差动保护闭锁约22 ms。

5 结论

本站隔离开关操作引起的VFTO未烧损或毁坏采集卡和合并单元的电源模块，GIS壳体电位升TEV也未损坏采集卡工作电路板。但由于采集模块受到电磁干扰产生程序故障，导致投运过程中，本线路保护和母线保护均发生短暂闭锁，严重危害变电站的稳定运行。

a． GIS内干扰电磁场的分布特点决定其对不同位置的远端采集模块工作的影响存在差异，故远端采集模块的屏蔽设计和安装应充分考虑密闭空间电磁场的分布。

b． 特定相别和采集模块受到干扰不排除特定器件质量存在问题。目前，行业内还没有针对内置远端采集模块的GIS设备的型式试验制定完备的测试方法和明确的检验指标，本测试的结果和分析都可以为相应标准和规范的制定提供依据。

［1］ 周 瑜，李 军，徐世山，等．GIS中快速暂态过电压测试技术 ［J］．绝缘技术，2009，42(4):68－71．

［2］ 王 俊，夏英毅．GIS中的快速暂态过电压现象 ［J］．华通技术，2005，24(2):44－46．

［3］ 刘 佳，李注江．500 kV GIS中VFTO的仿真研究［J］．重庆电业技术专辑，2009(4):23－26．