電子式互感器電磁兼容性能檢測的試驗研究

電子式互感器電磁兼容性能檢測的試驗研究

0電子式整體傳感性能檢測近年來，在國家網(wǎng)源公司大力推進智能智能電網(wǎng)建設(shè)的背景下，電子絕緣體系的絕緣結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)范圍大，體積小，質(zhì)量輕。輸出信號可以直接輸入微機化測量和保護設(shè)備接口等優(yōu)點，并應(yīng)用于智能電源。從目前國內(nèi)電子式互感器的試點情況來看,電子式互感器的可靠性和穩(wěn)定性還有待提高。據(jù)統(tǒng)計,2000年投運以來國網(wǎng)公司系統(tǒng)110kV及以上電壓等級的電子式電流互感器共發(fā)生故障155臺次,主要有電磁兼容引起的采集器故障,溫度變化引起的誤差故障,振動引起的光纖故障,激光供電故障等。國網(wǎng)公司系統(tǒng)110kV及以上電子式電壓互感器共發(fā)生故障51臺次,其中絕緣和電磁干擾是引起故障率最高的。某些變電站在隔離開關(guān)投切操作時,發(fā)生因電磁兼容導(dǎo)致電子式互感器采集器故障而無法投運的事故。雖然目前投運的電子互感器廠家都通過了國標(biāo)規(guī)定的型式試驗,但在運行過程中仍然出現(xiàn)不少問題,這說明2007年實施的電子式互感器國家標(biāo)準規(guī)定的檢測項目不完全滿足目前智能變電站的運行要求,也說明電子式互感器在設(shè)計生產(chǎn)中存在較大的個體差異。國家電網(wǎng)公司為加強電子式互感器質(zhì)量管控,提升產(chǎn)品質(zhì)量和性能,促進電子式互感器的工程應(yīng)用,于2011年在電力工業(yè)電氣設(shè)備質(zhì)量檢驗測試中心組織開展了電子式互感器性能檢測工作。參加該項檢測的共有24個廠家的41臺110kV電壓等級的電子式電流互感器和電子式電壓互感器樣品,幾乎囊括了目前國內(nèi)外較有生產(chǎn)能力的絕大部分電子式互感器制造廠家的產(chǎn)品。本次性能檢測中部分試驗檢測項目要求高于國家標(biāo)準規(guī)定的型式試驗要求,增加了部分工程模擬試驗,最終只有5臺產(chǎn)品完全通過測試。通過對試驗結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)其中因為電磁兼容導(dǎo)致產(chǎn)品故障的故障率>50%。這一檢測結(jié)果和工程實際應(yīng)用故障率基本符合。因此如何提高電子式互感器的電磁兼容性能,以及提高電子式互感器長期穩(wěn)定性是目前業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點之一。本文詳細分析了本次性能檢測中電子式互感器的電磁干擾兼容性能檢測的試驗項目設(shè)置,分析了隔離開關(guān)容性小電流試驗的試驗原理和試驗結(jié)果,結(jié)合電子式互感器工作電磁環(huán)境和干擾途徑,提出了電子式互感器電磁兼容中的易受干擾環(huán)節(jié)以及相應(yīng)的改進措施。1電子式整體傳感機構(gòu)自2000年開始,在10~750kV系統(tǒng)上掛網(wǎng)運行最為常見的電子式電流互感器產(chǎn)品有2種:1)采用同一組光纖或光玻璃的全光學(xué)無源式電流互感器,既用作計量也用作保護;2)以低功耗鐵芯線圈為計量傳感頭、空心線圈為保護傳感頭的有源式電流互感器。其信號調(diào)理采樣電路均需要供能,目前有激光供能,線路取能和地電位供能3種方式。全光學(xué)無源式電流互感器通常為了現(xiàn)場安裝和熔接方便,也將調(diào)理電路放在戶外互感器底部采用地電位供電。電子式電壓互感器掛網(wǎng)運行最多的是采用分壓原理將高電壓變換成低電壓后經(jīng)信號采集調(diào)理轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號輸出。信號采集和調(diào)理電路通常位于互感器底部,使用地電位供電的方式[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。電子式互感器原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,一次傳感頭感應(yīng)電流或電壓信號后,轉(zhuǎn)換為小電壓信號通過屏蔽線傳輸?shù)讲杉娐贰９鈱W(xué)一次傳感頭感應(yīng)的電流或電壓信號輸出為光信號,通過保偏光纖傳輸?shù)叫盘栒{(diào)理電路。信號調(diào)理和采集器電路內(nèi)部含有電子元器件需要供能,分為高壓側(cè)用激光供能,線路取能和底座地電位供能3種。采集或調(diào)理后信號通過光纖最終傳輸?shù)绞覂?nèi)的合并單元,合并單元采用普通電源供電。電子式互感器受電磁干擾的傳播端口主要有:1)采集器信號輸入端口;2)采集器信號輸出端口;3)采集器電源端口;4)合并單元電源端口;5)合并單元機箱外殼。因此,在電磁兼容試驗中主要針對以上5個端口分別在采集器電源端口、合并單元電源端口高壓回路和外殼方面加入干擾源,測試傳感頭的輸出信號。2電子表格器的電子試驗2.1電子式整體控制板抗擾度試驗?zāi)壳半娮邮交ジ衅餍褪皆囼炛须姶偶嫒菰囼灳凑誌EC60044-7/8和GB20840-7/8標(biāo)準規(guī)定進行,包括2項輻射試驗和11項抗擾度試驗,抗擾度試驗分別為:1)諧波和諧間波抗擾度,檢驗交流供電的電子式互感器對其低壓電源諧波和諧間波分量的抗擾度;2)電壓慢變化,檢驗電子式互感器對其低壓電源電壓緩慢變化的抗擾度;3)電壓暫降和短時中斷抗擾度,檢驗電子式互感器對其低壓電源電壓暫降和短時中斷的抗擾度;4)浪涌(沖擊)抗擾度,檢驗電子式互感器對于因電網(wǎng)中操作和雷擊(直接或間接)過電壓引起單極性瞬變過程的浪涌(沖擊);5)電快速瞬變脈沖群抗擾度,檢驗電子式互感器對極快瞬變脈沖群的抗擾度,其起因是小感性負載切分、繼電器接觸顫動(傳導(dǎo)干擾),或者高壓開關(guān)操作—尤其是SF6或真空開關(guān)(發(fā)射干擾);6)振蕩波抗擾度,檢驗電子式互感器對高壓和中壓電站低壓電路出現(xiàn)重復(fù)性阻尼振蕩波的抗擾度,其起因是開關(guān)操作(高壓/中壓露天電站的隔離開關(guān),尤其是對高壓母線的合分)或是高壓或中壓電網(wǎng)發(fā)生故障;7)靜電放電抗擾度,檢驗電子式互感器對靜電放電(electrostaticdischarge,ESD)的抗擾度,放電發(fā)生在操作者(直接或通過工具)觸及設(shè)備或其鄰近物;8)工頻磁場抗擾度,檢驗電子式互感器對工頻磁場的抗擾度,此磁場是由鄰近的電力線路、變壓器等在正常運行或故障條件下產(chǎn)生;9)脈沖磁場抗擾度,檢驗電子式互感器對建筑物、金屬架和接地網(wǎng)遭雷擊所產(chǎn)生脈沖磁場的抗擾度;10)阻尼振蕩磁場抗擾度,檢驗電子式互感器對隔離開關(guān)合分高壓母線所產(chǎn)生阻尼振蕩磁場的抗擾度;11)射頻電磁場輻射抗擾度,檢驗電子式互感器對無線電發(fā)射機或其他裝置發(fā)射電磁波所產(chǎn)生電磁場的抗擾度。試驗標(biāo)準如表1所示,其中嚴酷等級表示電磁兼容干擾的施加強度級別,具體定義見對應(yīng)電磁兼容標(biāo)準GB/T17626—2008。根據(jù)40多臺樣機試驗結(jié)果分析,2項輻射試驗通過率很高,極少數(shù)產(chǎn)品因為機箱密封問題輻射超標(biāo)。而11項抗擾度試驗中故障率最高的為:浪涌(沖擊)抗擾度、脈沖磁場抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、振蕩波抗擾度和阻尼振蕩磁場抗擾度。這幾項試驗主要是考核電子式互感器的電子器件對雷電波和開關(guān)操作的抗擾度,正好是電子式互感器電磁兼容設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)。電子式互感器性能檢測電磁兼容試驗中出現(xiàn)的典型故障波形如圖2所示。圖中橫坐標(biāo)表示故障發(fā)生時間,縱坐標(biāo)表示互感器輸出電壓有效值U,單位V。圖2(a)為有源電子式電流互感器因電路設(shè)計方面未解決輻射干擾對電路的影響,在水平方向輻射抗擾度試驗中有疊加的變化的直流分量。圖2(b)為有源電子式電流互感器浪涌試驗中合并單元由于電源端口缺乏有效防干擾措施而引起的輸出波形畸變。圖2(c)為有源電子式電壓互感器脈沖群試驗時采集器采樣芯片損壞時的故障波形。圖2(d)為有源電子式電壓互感器浪涌試驗中合并單元電源模塊防浪涌措施不夠引起合并單元控制板重啟發(fā)生的故障波形,這種故障波形較為普遍,與一次傳感沒有關(guān)聯(lián)。圖2(e)為有源電子式電壓互感器脈沖群干擾試驗合并單元發(fā)送掉點的故障波形。圖2(f)為無源電子式電流互感器輻射抗擾度試驗時合并單元受干擾的故障波形。以上圖2(a)~(f)只是大量故障波形中的一部分代表,除了掉點,波形畸形,電路板重啟以外,還有部分產(chǎn)品出現(xiàn)浪涌試驗中電源模塊損壞而導(dǎo)致試驗無法繼續(xù)進行的情況。通過對電子式互感器采集器、合并單元的電源以及信號采集端口的濾波器改造,某些產(chǎn)品可以達到國標(biāo)規(guī)定這些試驗項目的要求,但是在現(xiàn)場掛網(wǎng)運行時,仍然出現(xiàn)故障。說明這幾項試驗項目不足以完全模擬現(xiàn)場運行環(huán)境,需要更進一步的試驗設(shè)計并提高標(biāo)準要求。因此在性能檢測試驗中除了提高現(xiàn)有的電磁兼容B級要求為A級要求以外,還增加了隔離開關(guān)分和容性小電流試驗。2.2隔離開關(guān)分合試驗根據(jù)現(xiàn)場運行故障統(tǒng)計來看,除了目前國標(biāo)規(guī)定的電磁兼容試驗以外,還需增加特殊試驗項目模擬現(xiàn)場運行情況以考核電子式互感器的電磁兼容性能。其中最為突出的是隔離開關(guān)操作時電子式互感器發(fā)生故障和輸出異常事故,導(dǎo)致無法投運。因此在試驗室搭建隔離開關(guān)分合容性小電流試驗回路,同時將電子式互感器串聯(lián)接入試驗回路,模擬現(xiàn)場隔離開關(guān)開合空母線及容性小電流負荷過程,產(chǎn)生類似現(xiàn)場暫態(tài)強干擾,考核在該條件下電子式互感器的電磁防護性能。電子式電流互感器在隔離開關(guān)分合條件下的抗干擾測試試驗接線圖如圖3所示,圖3中設(shè)備參數(shù)如下:(1)高壓試驗變壓器,輸出電流2A;(2)隔離開關(guān)配電動操動機構(gòu)、交流220V操作電源;(3)高壓測量設(shè)備,光纖式電壓電流組合測量系統(tǒng);(4)數(shù)字式波形記錄儀(IEC61850-9-2),接互感器合并單元輸出;(5)電子式互感器的合并單元安放位置距隔離開關(guān)水平位置5~10m。電子式電壓互感器在隔離開關(guān)分合條件下的抗干擾測試試驗接線圖如圖4所示。圖4中設(shè)備參數(shù)如下:(1)高壓試驗變壓器,輸出電流2A;(2)隔離開關(guān)配電動操動機構(gòu)、交流220V操作電源;對電容量較小的產(chǎn)品增加負載電容。(3)高壓測量設(shè)備,光纖式電壓電流組合測量系統(tǒng);(4)數(shù)字式波形記錄儀(IEC61850-9-2),接互感器合并單元輸出;(5)電子式互感器的合并單元安放位置距隔離開關(guān)水平位置5~10m。隔離開關(guān)切合小電流試驗借鑒了用于檢驗隔離開關(guān)開合性能的試驗。由于隔離開關(guān)運動速度較小,在切合容性小電流的操作過程中,開關(guān)動、靜觸頭之間會產(chǎn)生多次重燃,從而在一次側(cè)導(dǎo)線上形成快速暫態(tài)過電壓和高頻電流,并傳播到其連接設(shè)備上。這一現(xiàn)象在GIS中尤其明顯,目前也有不少研究是針對該項試驗的研究。隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的過電壓將引起暫態(tài)地電位升高,對電子式互感器的電子元器件造成電磁干擾。在電子式互感器性能測試中首次實行了該實驗項目,圖5為110kV電子式電流互感器隔離開關(guān)分合容性小電流試驗一次電流電壓波形圖,圖6為110kV電子式電壓互感器隔離開關(guān)分合容性小電流試驗一次電流電壓波形圖。U1為電壓傳感頭輸出值,U2為電流傳感頭的二次輸出小電壓值。由現(xiàn)場實際測量的一次電流電壓暫態(tài)波形圖可以看出,在隔離開關(guān)分合試驗中,存在高頻電磁場干擾。在該項試驗中出現(xiàn)的故障主要為有源電子式互感器的供能電源模塊損壞,導(dǎo)致電子元器件無法工作。除此之外,典型互感器二次輸出故障波形如圖7所示,主要原因為高頻暫態(tài)電流電壓干擾下電流互感器輸出尖峰脈沖,電壓互感器輸出波形畸變,從而導(dǎo)致保護可能誤動作。3電子式電壓覆蓋測試在電子式互感器性能檢測中,有源電子式電流互感器共發(fā)生故障21臺次,其中電磁兼容測試導(dǎo)致產(chǎn)品故障率最高,共發(fā)生6臺次,占比高達29%;隔離開關(guān)分合測試導(dǎo)致產(chǎn)品故障2臺次,占比為10%;隔離開關(guān)分合測試過程中,除有2臺次產(chǎn)品發(fā)生故障,導(dǎo)致產(chǎn)品無法正常工作,試驗無法進行,還有3臺次產(chǎn)品測試過程未出現(xiàn)故障,但是產(chǎn)品輸出異常,可能會導(dǎo)致保護設(shè)備誤動。無源電子式電流互感器共發(fā)生故障46臺次,其中小電流測試時誤差測試異常和電磁兼容測試時產(chǎn)品故障發(fā)生率最高,分別為11臺次,占比24%;隔離開關(guān)分合測試過程中,除有2臺次產(chǎn)品發(fā)生故障,導(dǎo)致產(chǎn)品無法正常工作,試驗無法進行,還有1臺次產(chǎn)品測試過程未出現(xiàn)故障,但是產(chǎn)品輸出異常,可能會導(dǎo)致保護設(shè)備誤動。有源電子式電壓互感器共發(fā)生故障13臺次,其中電磁兼容測試導(dǎo)致產(chǎn)品故障率最高,共發(fā)生7臺次,占比高達54%;其次為隔離開關(guān)分合測試導(dǎo)致產(chǎn)品故障,發(fā)生3臺次,占比為23%;隔離開關(guān)分合測試過程中,除有3臺次產(chǎn)品發(fā)生故障導(dǎo)致產(chǎn)品無法正常工作,還有4臺次產(chǎn)品測試過程未出現(xiàn)故障,但是產(chǎn)品輸出異常,可能會導(dǎo)致保護設(shè)備誤動。無源電子式電壓互感器共2臺,未發(fā)生電磁兼容和隔離開關(guān)試驗故障。從電子式互感器性能檢測試驗結(jié)果分析,國標(biāo)規(guī)定的電磁項目一共13項,2項輻射項目超標(biāo)的產(chǎn)品較少,改進方式也相對簡單,建議提高機箱的屏蔽效能即可解決此類問題。11項騷擾試驗中,故障率最高的為浪涌抗擾度。在該項試驗中多家產(chǎn)品出現(xiàn)電源模塊損壞,合并單元通信中斷,采集器輸出波形異常等問題,建議在合并單元和采集器的電源端口采用抑制浪涌的元器件來防范浪涌騷擾所產(chǎn)生的電磁干擾。抑制浪涌騷擾的元器件主要有避雷管、壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管。在電源端口增加濾波器,吸收浪涌過程中相應(yīng)回路產(chǎn)生的高頻干擾信號。針對其他項干擾試驗,通過改變電路結(jié)構(gòu),可減少敏感回路在傳導(dǎo)和輻射方面的高頻影響。針對敏感回路采取屏蔽,也可很大程度上避免高頻輻射干擾。檢查或改變接地方式設(shè)計可以克服地電位壓差和高頻信號干擾。本次電子式互感器性能測試中,增加了現(xiàn)場運行事故率很高的模擬試驗———隔離開關(guān)分合容性小電流試驗。雖然在國標(biāo)的電磁兼容項目中已經(jīng)有浪涌抗擾度試驗,脈沖磁場抗擾度試驗、阻尼振蕩磁場抗擾度試驗是為隔離開關(guān)設(shè)計的項目,但仍然有不少產(chǎn)品通過了國標(biāo)的電磁兼容試驗項目,卻在隔離開關(guān)分合容性小電流試驗中出現(xiàn)輸出異常尖峰波形或者直接電源模塊損壞的情況。這一現(xiàn)象和目前現(xiàn)場投運的電子式互感器事故相符合,說明該項試驗是保證電子式互感器可靠運行的必要試驗。4電子式整體傳感性