工矿企业110kV GIS变电站用电子式互感器电磁兼容特性的研究

吕毅

摘 要：本文分析了工矿企业110kV GIS变电站智能化改造的优势和可行性，对改造的主要设备电子式互感器的运行现状进行了分析，设计和搭建了试验系统，对110kV 电子式互感器在隔离开关操作过程中的暂态波形进行了试验和测量，获得较为吻合的预期波形。通过分析，提出了针对工况环境下的电磁抗干扰措施，可有效提高电子式互感器的抗干扰水平，提高电子式互感器的运行可靠性和稳定性。

关键词：电子式互感器;GIS变电站

中图分类号：TM45 文献标识码：A

近年来，以冶金企业为代表的我国大型工矿企业新建和改造厂用110kV变电站时，越来越多的采用GIS变电站方式进行设计，GIS变电站占地面积更小，绝缘性能优秀，运行可靠性更高，维护更简单，上述优点在工矿企业中逐渐得到认可。随着智能电网概念的兴起和研究，数字化变电站成为新一代变电站技术发展的方向，其“一次设备智能化、全站信息数字化、信息共享标准化、高级应用互动化”的特征相较于传统变电站优势明显[1]。智能变电站的诸多优势对耗电量巨大，对供电可靠性和电能质量要求严格，同时又在生产过程中产生大量高次谐波的大型工矿企业而言，具有更加实际的意义，是厂用变电站进化发展的趋势。

GIS变电站中，通过将传统互感器改造为基于电子学原理的电子式互感器是较为经济可行的智能化改造方案。电子式互感器可将常规的模拟信号数字化，将控制电缆转变为数字光纤，测控和保护信号通过光纤和网络实时传输，结合变电站内屏柜的智能化改造，能将现有厂区内变电站分散式监控和管理的运行方式转变为集中监控和管理，甚至可直接合并至厂区主控系统，有效减少管理人员配置和场地占用，增加监控和管理效率[2-3]。同时，电子式互感器高带宽的特性对冶金企业等工矿企业中因生产工艺产生的高次谐波可进行准确测量和分析，结合高压滤波器的应用，可以更有针对性的抑制谐波，提高电能质量。

但目前电子式互感器的可靠性和故障率相较于传统互感器而言仍然较高，必须通过研究如何有效降低电子式互感器的故障率，才有可能提升其可靠性，从而满足工矿企业对变电站运行可靠性的要求。

本文研究了电子式互感器故障率发生的最大影响因素—电磁兼容特性，设计并建立了电子式互感器电磁兼容检测的试验系统，模拟真实运行中隔离开关操作下产生的暂态电磁过程，通过试验数据的分析，提出了电子式互感器抗干扰措施，提供了提高电子式互感电磁兼容性能的解决方案。

1 电子式互感器电磁干扰影响分析

目前，电子式互感器的采集单元是电子式互感器的薄弱环节，容易受到GIS隔离开关操作中产生的瞬态过电压、瞬态过电流及GIS外壳暂态电位抬升的影响，而110kV GIS变电站所处的电磁环境，会产生很强的电磁干扰，这些干扰的强度比目前电磁兼容标准规定的干扰水平要超出很多，这也导致了许多电子式互感器虽在实验室进行常规型式试验时均满足了GB 20840-7/8标准规定的所有电磁兼容试验的要求，但在现场投运后往往出现电磁防护故障的情况[2-6]。

电子式互感器的组成部分主要分为一次传感单元、二次采集单元和合并单元，其基本组成方式如图1所示。

1.1 一次传感单元电磁干扰分析

一次传感单元感应电流或电压信号后，可转换为光信号，通过光纤传输到二次采集单元;或转换为小电压信号，通过屏蔽线传输到二次采集单元。当一次传感单元采用光学器件时，由于信号传输采用光纤，可实现光电隔离，一次传感单元及二次采集单元不受电磁干扰影响。当一次传感单元采用电气元件时，因为有电气连接，一次传感单元及二次采集单元会受到电磁干扰的影响。例如，一次传感单元采用罗氏线圈，因为其具有良好的频率带宽，可将暂态高频信号线性转换为电压信号。从而会出现工频下二次电压小于1伏，而在30MHz暂态高频信号下，二次电压高达数十千伏，这种电压变化对线圈本身和二次采集单元均是严峻考验。

1.2 二次采集单元电磁干扰分析

二次采集单元主要受到来自三个方面的电磁干扰。第一种干扰来自隔离开关动作时产生的高频暂态信号通过一次传感单元的电气连接线传导至二次采集单元;第二种干扰来自暂态过电压导致的地电位抬升对二次采集单元供电系统的影响;第三种干扰来自隔离开关动作产生的强磁场通过电磁辐射对二次采集单元外壳端口的干扰。

1.3 合并单元电磁干扰分析

合并单元由于与二次采集单元之间采用光纤连接，不会受到电磁干扰的影响，在变电站设计时，合并单元往往与变电站其他二次设备布置在一起，因此受电磁辐射的影响比较小，如果因设计或施工限制必须布置于GIS附近时，其主要电磁干扰应为地电位抬升对电源系统的影响。

2 试验系统的设计

为满足国标GB1985-2004隔离开关试验中的要求，模拟GIS变电站实际运行状态，设计如下电子式互感器电磁兼容典型试验回路，如图2所示。

该试验设计回路在GIS两侧出线套管处分别配置一个高频电压传感器，在隔离开关法兰处配置一个高频电流传感器，另配置一台汇控柜，GIS外挂屏蔽盒，用于各设备的布置和走线。隔离开关配电动操作机构，操作电源为交流220V。进行试验时，外加一个电源U，同时并联电源保护用电容分压器C1，并加载模拟负载的电容分压器C2。故障录波仪用于判断隔离开关操作时电子式互感器是否发生故障。高频电压测量系统采用手孔式电容分压器作为传感器，其方波响应上升时间不低于3ns，高频截止频率可达到100MHz。高频电流测量系统采用罗氏线圈作为传感器，其3dB高频截止频率为6MHz，具有稳定的频率响应特性和测量转换比例[7]。

3 试验及结果分析

3.1 试验步骤

因为110kV GIS为三相共箱式，试验过程采用单相加电压，其余两相接地方式进行。（1）依照图2进行试验布置，C1，C2电容量均設置为5000pF，所有设备带电运行正常，检测各装置间通信正常;（2）隔离开关合闸，试验用升压变压器将电压升至72.5kV（1.15倍额定电压）;（3）对隔离开关进行分闸操作，记录脉冲电流、过电压、电弧持续时间等数据;（4）间隔2min后对隔离开关进行合闸操作，记录脉冲电流、过电压、电弧持续时间等数据;（5）重复（3）（4）步骤，完成20次分合闸操作;（6）试验结束。

3.2 试验数据及波形分析

试验测量数据见表1。

从测量数据可知，平均过电压为1.9p.u.，最小过电压为1.5p.u.，最大过电压2.2p.u.。平均脉冲电流为662A，最大脉冲电流为751A。

（1）VFTO（快速暂态过电压）波形如图3和图4所示。

从图3和图4中可以看出，隔离开关合闸和分闸操作中，隔离开关的间隙击穿会产生行波，通过行波在GIS中的传播、反射和叠加形成快速暂态过电压，其与工频电压叠加形母线上的VFTO。

进一步观察暂态电压信号，将合闸暂态电压首个脉冲展开，可以获得波形如图5所示;将分闸暂态电压最后一个脉冲展开，可以获得波形如图6所示。

暂态电压展开的最显著特性是会产生阶跃波形。此波形是由上次击穿产生的残余电压跳变至电源电压所形成的，再叠加高频振荡波形，即是典型的VFTO波形。

（2）VFTC（快速暂态过电流）波形如图7和图8所示。

进一步观察暂态电流信号，将合闸暂态电流首个脉冲展开，可以获得波形如图9所示;将分闸暂态电流最后一个脉冲展开，可以获得波形如图10所示。

展开的暂态电流波形包含两个主要频率，其一是隔离开关间隙击穿产生的阶跃波形负载电容和导线形成的LC回路中过振荡而产生的，因导线电阻的衰减作用，而行成了一个典型的二阶电路零状态响应波形，其频率与负载电容大小相关;其二是隔离开关间隙击穿产生的电流行波在GIS中传播、反射、叠加而形成的高频波形，其频率与GIS套管长度相关。

基于上述试验结果，结合前期GIS变电站中电子式互感器故障分析，可以发现基于IEC及国标标准设计和制造的电子式互感器在现场运行时故障率较高的主要原因是現场投运的电磁环境与实验室的电磁环境存在显著的差异。（1）参照标准进行的电磁兼容试验中，试验参数要求比现场电磁干扰强度低了一个甚至几个数量级;（2）标准参数与电压等级没有进行关联，而电磁干扰强度与电压等级具有三次方增长关系;（3）试验的抗扰度往往只针对单一参数进行，而现场情况复杂得多，多种干扰源同时叠加增加了电磁干扰的强度。

4 抗干扰措施

由上述测量结果，可以对GIS变电站内的电磁环境进行分析，从而得出不同的电磁干扰源对电子式互感器产生的干扰作用，进而针对各类干扰源提出相应的抗干扰措施。

4.1 线路传导干扰抗干扰措施

通过线路产生的传导干扰主要是暂态过电流或暂态过电压以及暂态地电位抬升，可以通过以下抗干扰措施进行防范：（1）通过选用性能更好的隔离开关，提高开关分合速度，做到快速灭弧，减少电弧重燃，以减小快速暂态过电压的概率，降低其峰值电压;（2）通过在隔离开关两侧加装合闸电阻，以限制合闸过电压;（3）通过在隔离开关两侧加装快速接地开关，在隔离开关动作前将线路残留电荷导入地网，以降低过电压峰值;（4）通过改进接地网系统，降低接地电阻大小，同时选用电感较小的接地线，以减小地电位抬升幅度;（5）通过降低采集单元的安装位置，减小寄生电容，以减小地电位抬升对采集单元电源系统的影响;（6）通过在电子式互感器采集单元和合并单元的电源侧增加LPF（低通滤波电路）和TVS（瞬态电压抑制二极管），以过滤高频干扰信号并抑制浪涌过电压[8]。

4.2 环境辐射干扰抗干扰措施

GIS变电站内强磁场环境对弱电系统的辐射干扰，可以通过以下抗干扰措施进行防范：（1）通过将电子式互感器弱电部分安装于距高压侧较远的地方，如安装在GIS变电站不同楼层控制室或弱电室中，以减小高频磁场对线路中过电流的产生;（2）通过设置同轴电缆两端接地，提供其屏蔽性能，以减小环境干扰的影响;（3）通过将电子式互感器的采集电路进行屏蔽，例如安装金属屏蔽外壳，以降低环境磁场对设备的影响;（4）通过改变信号传输方式，例如将传输方式改为光纤通信，可避免数据因电磁干扰而在传输中发生畸变，以提高数据传输的稳定性和可靠性。

5 结语

通过设计及搭建试验系统，对110kV GIS在隔离开关分合闸过程中的暂态过程进行了测量和分析，测量结果与预期较为一致，并与工况环境下110kV GIS实际运行情况较为吻合，试验结果真实反映了工况情况下电子式互感器运行状态，对电子式互感器的检测和考核较传统试验方式更为严格和准确。

针对不同干扰源提出了电子式互感器的抗干扰措施，该措施可有效提高电子式互感器在实际运行中的可靠性和稳定性，为电子式互感器的工艺制造和现场配置方式提供了改进方向。

参考文献

[1] 司为国.智能变电站若干关键技术研究与工程应用[D].上海：上海大学，2009.

[2] 林昭.变电站监控信息流管控机制的构建[J].机电信息，2017（27）：108.

[3] 杜学龙.冶金企业变电站集控运行管理模式探讨[J].冶金管理，2019（5）：102-104.

[4] GB/T 20840.8—2007.电子式电流互感器[S].中国：高祖棉，魏朝晖，尹秋帆，等，2007.

[5] IEC61850-9-2. Communication Networks and systems in substations， Part 9-2： Specific communication service mapping （SCSM）-sampled  values over ISO/IEC 88023[S]， 2004.

[6] IEC60044-8. Instrument transducers. Part eight： Electronic current transducers[S]， 2002.

[7] 童悦，张勤，叶国雄，等.电子式互感器电磁兼容性能分析[J].高电压技术，2013，39（11）：2829-2835.

[8] 赵军，陈维江，张建功，等.智能变电站二次设备对开关瞬态的电磁兼容抗扰度要求分析[J].高电压技术，2015，41（5）：1687-1695.