一起智能变电站跳闸事故分析与改进方案

张 平，杨朋威，王 达，刘春晖，周立超

(1．国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020；2.内蒙古工业大学电力学院，内蒙古 呼和浩特 010080)

电子式互感器是智能变电站的核心设备之一，与传统电磁式互感器相比，电子式互感器具有体积小、重量轻、频带响应宽、无饱和现象、无油化结构、绝缘可靠等诸多优点[1]。但电子互感器也存在易受电磁干扰、采集卡供能不稳定而造成采集数据异常或丢失导致保护误动作等技术难题，因其采集器的二次输出为弱电信号，一般在200 mV～5 V，对于GIS设备，极易受到强电磁环境的影响。当隔离开关或断路器操作时产生的快速暂态过电压(VFTO) 可能引起电子式互感器采集卡采集的数据异常甚至损坏等问题，依然严重困扰着电子式互感器的大面积推广应用[2]。

VFTO的产生是由于GIS内隔离开关、断路器、接地开关、负载开关等装置操作引起的电弧重燃现象，是金属封闭开关电器特有的一种暂态过电压。通常GIS在分合时，触头间可能会发生重击穿，产生波头很陡的行波，在GIS内发生多次反射，从而形成频率很高的操作过电压[3]。VFTO有以下几个特征。

a.幅值：VFTO的幅值大小取决于一次设备参数，一般情况下快速暂态过电压幅值在2.5 p.u.以内，个别情况在3.0 p.u.。

b.频率：VFTO的频率范围较广，可由0.1 Hz到100 MHz，其中数十MHz的高频振荡分量是VFTO的主要成分。

c.波前陡度：VFTO的上升时间极短，波前陡直，只需5～20 ns即可达到峰值[4]。

在某智能变电站完成检修恢复送电过程中，该站电子式互感器出现异常并导致保护动作跳闸。本文对此进行分析，并提出有效的改进措施，为后续智能变电站电子式互感器的现场运维及事故处理提供借鉴。

1 事故过程

某220 kV智能变电站220 kV系统采用双母线接线方式，一次设备为HGIS(Hybrid Gas Insulated Switchgear)组合电器，并采用电子式电流、电压互感器，一次接线方式如图1。故障前Ⅰ、Ⅱ母经母联开关并列运行，线路A按计划停电检修，站内一、二次设备运行无异常。操作前线路A对侧变电站的断路器处于分位。

图1 某变电站一次主接线图

根据线路2套PCS-931线路保护装置原理，图2、图3为对站及本站差动保护逻辑框图，当满足逻辑时差动保护动作。

图2 对站差动保护逻辑框图

图3 本站差动保护动作逻辑框图

某日220 kV线路A空充过程中，线路2套PCS-931装置差动保护动作，保护动作时，两套保护的SV电流通道采样均有效，不闭锁差动保护。 当发生跳闸异常期间，故障线路本站断路器处于合位，对站断路器处于分位，本站装置采集到的电流即为差动电流。本站A套保护C相电流4.995 A(差动动作电流定值：2.24 A)；B套保护B相电流4.268 A(差动动作电流定值：2.24 A)、C相电流6.244 A(差动动作电流定值：2.24 A)；均满足差动保护动作条件(对站相同)。

通过以上分析，可判断在本次空充线路过程中，线路A、B套保护均采集到满足差动保护动作条件的电流，且SV电流采集有效，致纵联差动保护动作，线路A、B套保护动作行为正确。故障录波文件中，线路A的电压电流波形图如图4所示。

图4 故障时刻电压电流波形

由图4看出，在故障时刻线路C相电压远远低于正常电压，具有单相接地故障特征，但是A、B、C三相电流不符合单相接地故障特征，调阅220 kV母线电压波形，发现母线电压未出现明显波动和电压降低情况，且线路A、B套保护电流不一致。综合分析，初步判断保护跳闸时刻系统无故障，异常电流是由于采集卡输出异常而造成，同时将输出异常的电流量、电压量发送给保护装置，造成保护动作。

2 故障查找与原因分析

综合分析保护动作情况、保护录波波形及现场试验情况，可得出结论：此次保护动作是由于电子式互感器采集器受到干扰导致输出异常造成的。电子式互感器采集器通常受到干扰的主要原因是在变电站HGIS结构中，断路器及隔离开关分合过程中产生了快速暂态过电压，从而干扰了电子式互感器采集器的采样，导致输出异常波形。

电子式电流互感器主要由一次传感单元、采集单元组成，结构如图5所示。下面对每个部分受到的干扰情况进行分析。

(a)

(b)图5 互感器外观和接线原理示意图

a.一次传感单元所受干扰分析

由于空心线圈的频带较宽，对于暂态的高频大电流信号，可能使空心线圈感应出很高的电压信号，对空心线圈本身产生影响，或通过电气连接线直接传输至采集单元，对采集单元产生影响。当被测电流幅值为10 kA，在电流频率为工频50 Hz时空心线圈输出电压为0.2 V；而在电流频率为300 kHz时，空心线圈输出电压理论值为1 200 V，因此一次设备操作过程中产生的暂态高频信号将对线圈本身和采集卡的安全工作带来严重影响。

b.采集单元所受干扰分析

采集单元放置在金属屏蔽盒内，对外有信号输入、输出和电源接口。采集单元可能受到两个方面的干扰：一是隔离开关开合时空心线圈感应出的暂态信号直接通过电气连接线传递到采集单元的电路中；二是隔离开关开合时的瞬态电磁场以电磁辐射的形式干扰采集单元电路的正常工作。由于该站电子式互感器采集卡就地安装于和GIS设备相连的箱体内，采集卡及相关二次电缆处于电磁严重污染的环境中。在隔离开关、断路器操作过程中产生VFTO，尤其是GIS中隔离开关在投切空载短引线时，由于触头两端存在电压差且合闸速度缓慢，SF6气体间隙会发生多次击穿并导致电弧重燃，由此产生的电压行波在GIS内部传播，遇到波阻抗不连续的地方会发生折反射并不断叠加，最终形成VFTO。VFTO的高频振荡特性既能使其通过电子式互感器的杂散电容传入二次设备，还会通过辐射耦合的方式使GIS外壳上出现频率达数十MHz的瞬态电流，在空间内激发出高频暂态电磁场，使输入采集卡的模拟信号和信号对地电位都会受到影响。

一般情况下，在采集卡AD采样回路前端设计防护和滤波电路来屏蔽电磁干扰(如图6所示)。图6中器件T1是TVS型防护器件，用来对较高的操作过电压幅值进行箝位，后端的两阶RC滤波电路对高频干扰进行滤波。但当MHz级高频干扰信号进入图6所示的采集单元模拟前端电路时，陶瓷贴片电容C8、C9呈感性特征。从实际效果来看，上述防护、滤波电路对MHz级干扰信号的滤除作用较差，采集单元运行状态将受到影响。此外，由于现场所用采集单元采用实地设计思路，即采集单元二次回路与一次回路共地，导致高频干扰通过接地回路引入采集单元。采集单元的二次地电位不稳定，VFTO干扰信号无法全部泄放而进入AD采样回路，直接导致其硬件无法正常工作，采集器输出异常采样值。

图6 采集单元前端设计原理示意图

3 整改方案

3.1 更换采集卡，选用浮地设计的前端防护回路

采集单元前端防护回路采用浮地设计思路，即信号地(二次系统)与机壳地(一次系统)不导通，信号是浮地，操作过电压高频信号无法通过采集单元的接地直接进入采集单元的二次回路。这样，尽管变电站改变运行方式或隔刀操作时，地电位抬升并伴随高频的干扰信号，但这些干扰信号无法直接进入采集单元，采集单元依然可以稳定运行。

浮地设计的前端防护回路原理如图7所示。

图7 改进的采集单元前端设计原理示意图

图7中电路完成箝压、限流、滤高频干扰功能，由防护器件、电感、电容等无源器件组成，实现对互感器一次传感单元引出模拟信号的防护、滤波功能。模拟信号首先进入防护、滤波回路，隔刀操作时产生的高压、高频干扰信号叠加在模拟信号上，但这些干扰信号经过回路后大幅衰减。这样较为干净的模拟信号再接入采集单元，由采集单元实现数据采集、转换并上送到合并单元的功能。

3.2 更换采集卡的安装位置

为减小一次设备操作中产生的VFTO对采集卡等二次设备的影响，将采集卡安装位置转移至断路器旁的采集箱内，如图8(a)，并对信号线采取双层屏蔽措施，外层单端接地，内层采用浮地方式。另外，采集器外壳采用浮地设计，增加抗共模干扰能力，在其底部垫环氧板，安装孔处加绝缘垫片，效果如图8(b)。

3.3 降低一次设备外壳接地电阻，接地点由一点改为多点

通过加强接地，降低GIS设备外壳至地网之间的电感值，使快速暂态过电压快速引入地网以降低作用于电子式互感器设备上的过电压幅值。

(a)

(b)图8 采集卡安装箱及其底部浮地设计的环氧板

考虑设备改造周期及改进效果，此站采用更换采集卡、调整操作方案的措施，采用改进方案2，再次投运后该变电站顺利投运并稳定运行，验证了方案的有效性。

4 结束语

本文基于变电站实际工程中出现的问题，查找了故障原因并进行了分析，研究了断路器、隔离开关操作产生的VFTO对电子式电流互感器输出的影响，提出了3种有效的改进措施和方案，并验证了方案的可行性。本文的研究对同类智能变电站的现场运维具有一定的借鉴作用。