变电站地电位升测试系统的研发及其应用

张大雨，陈明，邢琳，任红昕，吴景梅，李慧奇

（1.华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北保定071003；2.国网河北省电力公司经济技术研究院，石家庄050000）

0 引 言

变电站的接地网为站内各种电气设备提供了公共参考地，当系统发生接地短路或雷击故障时，故障电流在接地体上的压降将引起接地体电位升高，如地电位升高超过一定限制时，就会危及设备和人员的安全［1］。流过接地网中的电流还会通过接地网的传导耦合在二次电缆上产生干扰电压［2］。从上世纪60年代开始，美国电力研究院历时二十余年完成了变电站电磁瞬态的研究工作，主要包括变电站电磁环境测量系统的开发、变电站瞬态电磁干扰模型的建立以及变电站电磁环境的测量等［3-4］。华北电力大学研制了瞬态电磁场测量系统，建立了变电站一次设备耦合模型，提出了电磁场的频域数值分析方法。地电位升高的现场测量一般采用人工注入工频电流或人工引雷试验［5］来模拟短路和雷击状态下接地网地电位升分布。

针对雷击地电位升高幅值、宽频带的特性，选用高分压比传感器和高精度数据处理模块实现对电压信号的采集；自备工作电源和屏蔽箱，消除了变电站自身电磁环境和地电位升高对测试系统的影响。基于Labview开发了测试系统软件，进一步增强了信号采集系统的数据处理能力。在变电站模拟雷击地电位升现场试验中准确获取了不同测点间地电位升电压和二次电缆骚扰电压，验证了测试系统的有效性，也为变电站地电位升特性分析和二次电缆抗骚扰积累了原始数据。

1 测试系统硬件设计

由于变电站自身复杂的电磁环境特点，测试系统首先要具有良好屏蔽性能，保证其能在雷电或隔离开关操作产生的恶劣电磁环境下正常工作。直击雷引起的变电站地电位升高可达几十千伏，频率可达数十兆赫兹，这就要求测试系统要具有较大分压比和较宽的频带。测试系统需自带工作电源，可以长时间连续运行，同时防止干扰信号由电源线引入进而影响测量结果。测试系统的引入不能影响被测设备的正常运行，且具有可靠的通信能力和远程监控能力，可以远程控制和处理测量数据［6］。

测试系统硬件主要包括信号采集部分、独立不间断电源部分、通信模块和屏蔽部分组成见图1。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure block diagram

1.1 信号采集部分

信号采集部分包括信号传感器和数据处理模块，雷击造成的地电位升高在极端情况下可达几十千伏，而后续数据处理等模块都为低压电子设备，因此信号传感器电压上限不应小于30 kV，分压比应大于500：1。雷电流具有较宽频带特性，信号传感器带宽应在30 MHz以上。同时，信号传感器的接入不能产生负载效应，输入阻抗不小于100 MΩ。数据处理模块将传感器采集的模拟信号进行模数转换，模拟带宽应大于75 MHz，采样率应大于1 GS/s。在满足上述参数要求的基础上，综合考虑技术经济性，信号传感器采用P6015A型无源高压探头，信号处理模块选用TDS2024C数字存储式示波器。P6015A由探头和补偿盒两部分组成，探头与补偿盒以及连接导线采用了等电位屏蔽技术，在强电场坏境中具有较好的抗干扰能力。采用两级分压结构，分压电路如图2所示。第一级分压在探头部分，由R1、R2构成，在A点获得输入电压100：1的衰减电压；第二级分压在补偿部分，由R3、R4和补偿电容C1、C2构成，将A点的电压再进行10：1的衰减，并进行高频补偿，最终在B点获得1 000：1的衰减输出电压提供给示波器［7］。

图2 高压探头分压电路图Fig.2 High voltage probe divider circuit diagram

示波器将探头采集来的模拟信号进行数字化处理和存储，高达2 GS/s的采样率保证了数字化的准确性。二者的组合在满足测量需求的同时还具有紧凑的结构，减小了测试系统的体积。结合后续的示波器软件开发，降低了数据处理对示波器存储深度的硬性要求。

1.2 电源和通信部分

系统电源采用大容量锂电池和逆变器的组合，电池容量60 AH，配合稳压电路，稳定输出12 V直流电，经逆变器逆变为220 V正弦波交流电，为示波器和通信模块供电，可支持测试系统连续工作24 h以上。屏蔽箱中的通信模块将示波器输出电信号转换为光信号，与二次设备室中对应的通信模块间采用光纤连接，二次设备室中的通信模块将光信号转换为电信号，与上位机间采用USB线连接。上位机的选择可单独配置一台计算机，也可与变电站监控系统共用一台上位机电脑。避免现场电磁环境对数据传输的影响，保证了数据的准确性。

1.3 箱体屏蔽

针对测量环境和测试对象的特殊性，上述测量仪器全部放入自制屏蔽箱内。屏蔽箱采用封闭式设计，留有测量引线引出孔，采用绝缘滑轮支撑，移动方便，根据不同测量需求，可实现与被测设备的单点接地或浮地。测量地电位升时应避免两点或多点接地，以免地电位升高对测量系统造成影响。测量引线应采用带屏蔽的同轴电缆或外加金属管作为屏蔽。GB/T 17626系列指出变电站属于典型工业环境，工作在其中的电子设备电磁抗扰度水平应达到3级。经河北省电子信息产品监督检验院专项硬件检测，测试系统功能正常，屏蔽性能良好，对变电站典型电磁环境如静电放电、工频磁场、脉冲磁场的抗干扰能力高于国标要求，达到4级抗扰度水平。

2 测试系统的软件设计与实现

基于Labview开发了测试系统与上位机的数据交互软件。Labview提供多种不同接口测试仪器的驱动程序，还支持VISA、SCPI和IVI等最新的程控软件标准。VISA（虚拟仪器体系结构）标准兼容USB、网口等多种硬件接口［8］，可实现与各种仪器总线的通信［9］。SCPI（可编程仪器标准命令）是标准化的程控仪器编程语言，通过VISA调用SCPI命令完成计算机与测试系统的通信连接，实现了测试系统的远程控制和测量数据的传输和保存。由于Labview模块化的图形语言和SCPI命令良好的兼容性，测试系统软件具有良好的可读性和可移植性，极大地方便了测试系统软件的后期维护和扩展。

2.1 测试系统连接

根据测试性能要求选择的TDS2024C数字示波器采用USB通信，相较于传统的串口通信，USB通信减少了串口参数设置的环节［10］，提高了数据传输速率和外接设备总数，并具有即插即用和热插拔功能。安装测试系统软件后的计算机即可作为测试系统上位机，与测试系统经通信模块连接后，上位机自动识别外接设备的物理地址，选取测试系统对应地址即可完成连接。要实现被测信号的正确显示，首先要进行示波器的状态设置，主要包括信号通道选择、触发设置和X/Y轴范围设置。为了方便使用，创建了与传统示波器类似的控制界面。当近距离操作示波器有困难时，即可通过上位机远程操作示波器来完成调试。

2.2 数据获取与存储

通过VISA写入子VI向示波器发送波形查询命令，示波器接收命令后将获取的波形数据返回到上位机，然后利用VISA读取子VI从指定资源名称的设备或接口中读取返回数据，并使数据缓存到读取缓冲区。缓存在读取缓冲区中的数据中除了波形数据外还包含仪器型号和命令格式，且是以字符串格式存在的，需要进行筛选和数据类型转换，读取缓冲区的空间大小设置要和缓存数据量相匹配。

图3 软件程序图Fig.3 Software program diagram

首先查询数据编码形式，将数据转换为十进制数据后结合示波器当前状态，包括信号通道和衰减倍数、X/Y轴增量、起始点和偏移量进行计算，得到正确的波形数据。软件采用与示波器相似的显示界面。开发了文件管理功能，波形数据以时间命名自动保存在上位机上，并可对已保存的数据文件进行打开、查看和删除。通过将示波器采集到的数据同步传输给上位机，实现了长时间测量的目的，突破了存储空间的限制，降低了较长时间段内对采样率和存储深度的硬性要求。经河北省电子信息产品监督检验院专项软件检测，测试系统软件操作简便、功能正常，软件程序如图3所示。

3 测试系统的现场应用

使用该测试系统在某220 kV变电站进行现场实际测量。针对变电站地电位升高和试验用屏蔽电缆进行了具体试验，获得了浪涌电压作用于变电站主地网时的地电位分布和二次电缆端口骚扰电压时域波形。试验布置示意图如图4所示［11］，在P、N点间加入浪涌信号，以P为参考点，测量各个测量点（C0～C3）地电位升高情况。

图4 试验布置示意图Fig.4 Sketch map of test arrangement

图5 浪涌电压波形Fig.5 Surge voltage waveform

浪涌发生器输出电压幅值3 kV，波形如图5所示。高压输出端接7#避雷针接地引线，低压输出端接6#避雷针接地引线。覆盖全部主变及110 kV户外配电装置区域。现场测量点分布如图6所示，自东向西测量沿虚线a布置的9个户外柜接地引线处地电位升和屏蔽电缆不同接地方式下端口骚扰电压，为降低干扰，使用带屏蔽层的测量引线将测试点电压引入测试系统，记录电压的数值和波形。1～9号测量点地电位升波形如图7所示，电压峰值结果见表1。

图6 测量点分布Fig.6 Measuring points distribution

图7 测量点地电位升Fig.7 Ground potential rise of measurement points

由于电流在接地网中的反射和叠加，造成了电压波形的畸变。通过测量数据可以看出，接地网地电位升从激励注入点向四周降低。3、4号测点间电压梯度突增，除去浪涌电压本身对接地网的冲击特性外，3、4号测点间还可能存在电气连接不均的问题。通过测试系统的长期测量，积累更多测量数据，对分析接地网的电气性能和冲击电位分布特性都有重要意义。

表1 测量结果峰值Tab.1 Peak value of measurement result

连接二次设备的电缆两端接地方式不同时，地电位升高对电缆端口造成的骚扰电压也不同。U1为电缆两接地端都接在一次地网时骚扰电压，U2为电缆一端接一次地网，一端接二次地网时的骚扰电压，具体波形如图8所示。可见U1＞U2，二次电缆接二次地网减小了地电位升对电缆的骚扰电压，对二次电缆的敷设具有一定的指导作用。

图8 不同接地方式下电缆端口骚扰电压Fig.8 Disturbance voltage of cable port under different grounding modes

4 结束语

针对变电站现场特殊环境和被测对象高幅值、宽频带的具体特征，设计了一套结构紧凑、效果良好的，适用于变电站现场应用的地电位升测试系统。通过现场试验，测试系统准确获取了浪涌电压作用下接地网地电位升和二次电缆端口骚扰电压，并将测量数据实时上传到计算机，证明了测试系统的可靠性和实用性。也为变电站接地网故障诊断、电力设备接地和二次电缆的敷设提供了分析依据。