吳興林，楊 飛，李華強，徐國俊，張武洋

(1．遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006;2．遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006;3．沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

馬山智能變電站母線和開關(guān)采用GIS結(jié)構(gòu)，采集卡置于罐體外側(cè)密封。GIS結(jié)構(gòu)緊湊，各元件間距小且節(jié)點數(shù)較多，隔離開關(guān)和斷路器動作時產(chǎn)生的操作波或雷電侵入波在GIS內(nèi)部傳輸時，會在不同節(jié)點處發(fā)生復(fù)雜的折射和反射，最終形成VFTO(Very Fast Transient Overvoltage)。VFTO可以作用于GIS內(nèi)部導(dǎo)體和殼體之間，也可以傳播到GIS外部，引起殼體電位升高 (TEV)，或形成向外輻射的電磁波 (TEM)，危及敏感二次設(shè)備［1－2］。

智能變電站相對于常規(guī)變電站的優(yōu)勢之一在于將電信號轉(zhuǎn)換成光信號進(jìn)行傳輸，這一技術(shù)特點決定遠(yuǎn)端采集模塊必須與一次設(shè)備集成安裝。這使得低壓二次設(shè)備更加靠近間隔一次設(shè)備工作，所以必須經(jīng)受更加嚴(yán)酷的電磁環(huán)境的考驗。遠(yuǎn)端采集模塊和合并單元是變電站采集模擬量數(shù)據(jù)的源頭，若設(shè)計、制造無法達(dá)到現(xiàn)場環(huán)境要求，發(fā)生異?；驘龘p，會直接導(dǎo)致繼電保護和自動化系統(tǒng)采樣失常，給變電站的安全運行帶來極大隱患。

所以對VFTO及其帶來的電磁干擾給二次采樣環(huán)節(jié)和繼電保護設(shè)備所帶來的影響進(jìn)行測試和研究，將為智能變電站遠(yuǎn)端采集環(huán)節(jié)的抗擾技術(shù)發(fā)展提供有益的參考，同時也為智能變電站的繼電保護設(shè)備升級提供現(xiàn)實依據(jù)。

1 馬山變電站設(shè)備

為了真實呈現(xiàn)馬山變電站暫態(tài)電磁騷擾水平，測試安排在馬山變電站投運期間進(jìn)行，具體操作和測試安排在龍馬1線間隔。

220 kV GIS、遠(yuǎn)端采集模塊和合并單元采用南瑞繼保設(shè)備，全站保護設(shè)備為許繼電氣裝置。220 kV采用雙母線結(jié)構(gòu)，龍馬1線間隔如圖1所示。

圖1 龍馬1線間隔一次接線圖

2 測試原理

模擬量采集環(huán)節(jié)是繼電保護設(shè)備正確識別故障，進(jìn)而正確動作的基礎(chǔ)。不同于常規(guī)變電站，在智能變電站中，這一環(huán)節(jié)由就地化的遠(yuǎn)端采集模塊和合并單元來完成，而遠(yuǎn)端采集模塊是整個環(huán)節(jié)的核心?；谶h(yuǎn)端采集模塊的設(shè)計原理和工作特點，可能的干擾源有三種，分別為信號端干擾、電源端干擾和空間電磁波干擾。由于遠(yuǎn)端采集模塊直接在GIS罐體上接地，故信號源的接入和電源端的接入都可能帶來差模干擾和共模干擾。

由于操作隔離開關(guān)時產(chǎn)生的VFTO最為明顯［3］，所以對以上干擾的測試均安排在分、合隔離開關(guān)時完成:①GIS外殼暫態(tài)地電位升TEV測試;②就地220 V交、直流電源暫態(tài)騷擾測試;③站用220 V交流電源暫態(tài)騷擾測試;④采樣輸出報文和波形監(jiān)測。

2.1 GIS外殼TEV測試

將高壓探頭接至GIS外殼未涂漆的夾件 (靠近A相側(cè))與接地銅排之間，高壓探頭輸出端通過同軸線和示波器相連，變電站運行人員操作隔離開關(guān)，測試人員使用筆記本、光電轉(zhuǎn)換器和光纖對示波器進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。接線原理如圖2所示。

圖2 GIS外殼地電位升TEV測試接線圖

2.2 就地交、直流電源騷擾測試

a． 將3號分壓探頭接至智能匯控柜的AC火線與接地銅排之間，分壓探頭輸出端通過同軸線和示波器的通道3相連，由變電站運行人員操作隔離開關(guān)，測量站用AC火線對地的共模干擾。

b． 將4號分壓探頭接至智能匯控柜的AC零線與接地銅排之間，分壓探頭輸出端通過同軸線和示波器的通道4相連，由變電站運行人員操作隔離開關(guān)，測量站用交流零線對地的共模干擾。

c． 將1號分壓探頭接至智能匯控柜的直流正、負(fù)之間，分壓探頭輸出端通過同軸線和示波器的通道1相連，由變電站運行人員操作隔離開關(guān)，測量直流正、負(fù)間差模干擾。

測試人員使用筆記本、光電轉(zhuǎn)換器和光纖對示波器進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。接線原理如圖3所示。

2.3 合并單元輸出

圖3 就地交、直流電源VFTO測試接線圖

利用現(xiàn)場既有的SV網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)報文分析儀，對分、合隔離開關(guān)時刻的報文進(jìn)行記錄，可以檢查VFTO對合并單元輸出報文品質(zhì)、通信狀態(tài)造成的影響。網(wǎng)絡(luò)報文分析儀的波形顯示功能可以將報文轉(zhuǎn)換成直觀的波形。

2.4 繼電保護設(shè)備狀態(tài)

分、合隔離開關(guān)的同時，派專人監(jiān)視龍馬1號線線路保護和母線保護狀態(tài)，記錄所有異常與報警。

3 測試結(jié)果

3.1 合隔離開關(guān)測試結(jié)果

a． GIS外殼對地電位TEV

在第1次隔離開關(guān)的合閘測試中，示波器錄波如圖4所示。可見，受隔離開關(guān)合閘過程結(jié)束階段靜觸頭和動觸頭接近時拉弧影響，罐體外殼與大地之間感應(yīng)產(chǎn)生暫態(tài)過電壓，過電壓的持續(xù)時間約300 ms，呈現(xiàn)出初期幅值較大、末期幅值較小且正負(fù)對稱的特征，初期峰值可以達(dá)到5.92 kV，末期峰值約400 V。

圖4 隔離開關(guān)合閘過程中GIS外殼對地電位升TEV波形圖

b． 就地交、直流電源的暫態(tài)騷擾

在第3次隔離開關(guān)的合閘測試中，示波器錄波如圖5所示。

圖5 第3次隔離開關(guān)合閘過程中就地電源暫態(tài)過壓波形圖

第3次合閘過程中，220 V直流電源中產(chǎn)生高頻差模干擾信號，持續(xù)時間在150～200 ms，最大過壓幅度約200 V。220 V交流L端產(chǎn)生高頻共模干擾信號，暫態(tài)過程持續(xù)時間在250～300 ms，暫態(tài)過電壓峰值達(dá)到1 400 V;而交流N端的暫態(tài)過程基本與L端同步，暫態(tài)過電壓峰值達(dá)到750 V。

c． 采樣輸出報文和波形

①在第1次隔離開關(guān)的合閘測試中，網(wǎng)絡(luò)報文記錄儀記錄報文和波形如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7可見，隔離開關(guān)合閘時，龍馬1線B套合并單元發(fā)出1幀采樣無效的報文，B相保護電流、B相測量電流和B相電壓通道品質(zhì)因數(shù)q均置無效位。同時，B相保護電流幅值達(dá)到0.43 kA以上且波形中出現(xiàn)多個跳變點。在約80 ms的時間內(nèi)，大量報文中的通道出現(xiàn)雙AD不一致，主要集中在A相保護電流通道 (此處雙AD不一致門檻為額定值的20%，下同)。

②在第3次隔離開關(guān)的合閘測試中，網(wǎng)絡(luò)報文記錄儀記錄報文和波形如圖8、圖9所示。

從圖8、圖9可見，隔離開關(guān)合閘時，龍馬1線B套合并單元連續(xù)發(fā)出多幀采樣無效的報文，B相保護電流、B相測量電流和B相電壓通道品質(zhì)因數(shù)q均置無效位。同時，B相保護電流幅值達(dá)到0.45 kA以上。在約60 ms的時間內(nèi)，大量報文中的通道出現(xiàn)雙AD不一致，主要集中在A相保護電流通道。

d． 繼電保護設(shè)備狀態(tài)

隔離開關(guān)合閘時，線路保護B套 (WXH－803B)“TA品質(zhì)異常閉鎖”告警，母線保護B套(WXH－800B)“TA品質(zhì)異常閉鎖保護”告警。

3.2 分隔離開關(guān)測試結(jié)果

a． GIS外殼對地電位TEV

在第1次隔離開關(guān)的分閘測試中，示波器錄波如圖10所示。

可見，受隔離開關(guān)分閘開始階段靜觸頭和動觸頭接近時產(chǎn)生的電弧影響，罐體外殼與大地之間感應(yīng)產(chǎn)生暫態(tài)過電壓，過電壓的持續(xù)時間約150 ms，呈現(xiàn)出初期幅值較小、末期幅值較大且正負(fù)對稱的特征，初期峰值約800 V，末期峰值達(dá)到5.99 kV。

b． 就地交、直流電源的暫態(tài)騷擾

在第2次隔離開關(guān)的分閘測試中，示波器錄波如圖11所示。

第2次分閘過程中，220 V直流電源中產(chǎn)生高頻差模干擾信號的持續(xù)時間約150 ms，最大過壓幅度約100 V。220 V交流L端產(chǎn)生的共模干擾信號持續(xù)時間在150～200 ms之間，暫態(tài)過電壓峰值達(dá)到800 V;而交流N端的暫態(tài)過程基本與L端同步，暫態(tài)過電壓峰值達(dá)到600 V。

c． 采樣輸出報文和波形

在第2次隔離開關(guān)的分閘測試中，網(wǎng)絡(luò)報文記錄儀記錄報文和波形如圖12、圖13所示。

從圖12、圖13可見，隔離開關(guān)分閘時，龍馬1線B套合并單元連續(xù)發(fā)出多幀采樣無效的報文，B相保護電流、B相測量電流和B相電壓通道品質(zhì)因數(shù)q均置無效位。同時，B相保護電流幅值達(dá)到0.6 kA以上。共計7幀報文報出雙AD不一致報警。

d． 繼電保護設(shè)備狀態(tài)

隔離開關(guān)分閘時，線路保護B套和母線保護B套的告警與合閘過程相同。

4 影響分析

隔離開關(guān)分、合閘過程中靜觸頭和動觸頭接近時產(chǎn)生的拉弧是一次設(shè)備旁電磁騷擾的主要來源，由此產(chǎn)生的VFTO是對二次設(shè)備最強的干擾形式。

a． 遠(yuǎn)端采集模塊受擾分析

將合閘與分閘的典型數(shù)據(jù)類比列于表1。數(shù)值直觀反映隔離開關(guān)在合閘時對遠(yuǎn)端采集模塊信號源、電源的電磁干擾強于分閘。

表1 分、合閘暫態(tài)干擾對比表

VFTO給采集模塊直流電源輸入端帶來近200 V的差模干擾，殼體電位升高近6 kV也給其信號源輸入帶來極大的共模干擾，這些干擾都會使采集模塊的輸入產(chǎn)生誤差或短時程序故障。

操作時產(chǎn)生的電磁波在GIS封閉罐體內(nèi)會被激發(fā)成諧振波，而遠(yuǎn)端采集模塊的集成電路板又屬于敏感電子器件，極易受電磁場影響。通過報文和波形可見，SV報文的異常集中出現(xiàn)在B套的B相，說明B相的B套遠(yuǎn)端采集模塊的輸出異常與其安置位置或個體差異性有關(guān)。

b． 合并單元的數(shù)據(jù)判別

合并單元發(fā)送SV報文置數(shù)據(jù)無效的判據(jù)共有以下4種:①遠(yuǎn)端模塊和合并單元之間通信中斷;②遠(yuǎn)端模塊和合并單元之間的通信幀，在合并單元處校驗出錯;③遠(yuǎn)端模塊在通信幀中會上送遠(yuǎn)端模塊的工作狀態(tài)，合并單元一旦判斷到嚴(yán)重錯誤，則將此幀數(shù)據(jù)置無效;④合并單元內(nèi)部受到干擾，通過內(nèi)部的數(shù)據(jù)校驗發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，則將該幀數(shù)據(jù)置無效。

可見，合并單元發(fā)送無效數(shù)據(jù)的主要原因都與遠(yuǎn)端采集模塊發(fā)生程序級故障有關(guān)。當(dāng)然，合并單元受直流電源的差模干擾也可能會產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)，經(jīng)校驗無效，但考慮到數(shù)據(jù)異常出現(xiàn)的特點，可以排除這種可能。

c． 保護設(shè)備SV報文狀態(tài)識別

許繼的WXH－803B和WXH－800B都會對接收的SV報文進(jìn)行判別后使用，報文的“采樣無效”、“SV采樣丟幀”、“SV報文間隔不均勻”和“雙AD不一致”均可導(dǎo)致保護閉鎖，閉鎖時間比報文異常時間延長20 ms。

綜上所述，第1次隔離開關(guān)合閘時，龍馬1線兩側(cè)B套差動保護閉鎖約100 ms，龍馬1線本側(cè)B套后備保護閉鎖約100 ms，220 kV B套母線差動保護閉鎖約100ms;第3次隔離開關(guān)合閘時，龍馬1線兩側(cè)B套差動保護閉鎖約80 ms，龍馬1線本側(cè)B套后備保護閉鎖約80 ms，220 kV B套母線差動保護閉鎖約80 ms;第2次隔離開關(guān)分閘時，龍馬1線兩B套差動保護閉鎖約22 ms，龍馬1線本側(cè)B套后備保護閉鎖約22 ms，220 kV B套母線差動保護閉鎖約22 ms。

5 結(jié)論

本站隔離開關(guān)操作引起的VFTO未燒損或毀壞采集卡和合并單元的電源模塊，GIS殼體電位升TEV也未損壞采集卡工作電路板。但由于采集模塊受到電磁干擾產(chǎn)生程序故障，導(dǎo)致投運過程中，本線路保護和母線保護均發(fā)生短暫閉鎖，嚴(yán)重危害變電站的穩(wěn)定運行。

a． GIS內(nèi)干擾電磁場的分布特點決定其對不同位置的遠(yuǎn)端采集模塊工作的影響存在差異，故遠(yuǎn)端采集模塊的屏蔽設(shè)計和安裝應(yīng)充分考慮密閉空間電磁場的分布。

b． 特定相別和采集模塊受到干擾不排除特定器件質(zhì)量存在問題。目前，行業(yè)內(nèi)還沒有針對內(nèi)置遠(yuǎn)端采集模塊的GIS設(shè)備的型式試驗制定完備的測試方法和明確的檢驗指標(biāo)，本測試的結(jié)果和分析都可以為相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定提供依據(jù)。

［1］ 周 瑜，李 軍，徐世山，等．GIS中快速暫態(tài)過電壓測試技術(shù) ［J］．絕緣技術(shù)，2009，42(4):68－71．

［2］ 王 俊，夏英毅．GIS中的快速暫態(tài)過電壓現(xiàn)象 ［J］．華通技術(shù)，2005，24(2):44－46．

［3］ 劉 佳，李注江．500 kV GIS中VFTO的仿真研究［J］．重慶電業(yè)技術(shù)專輯，2009(4):23－26．