GIS电压互感器的传递过电压测量的试验研究

GIS电压互感器的传递过电压测量的试验研究

                            王彦金，王巍

(武汉楚为志远信息科技有限公司，武汉，430074)

   。

摘要：为了测量GIS用互感器的传递过电压，本文利用Lab VIEW 8.6的高电压毫微秒冲击电压发生器设计平台，开发一套适用于互感器传递过电圧试验的测量控制装置。通过该测控装置测量了110kV GIS电压互感器的传递过电压，试验结果表明该装置的B类冲击波产生、控制和测量均能满足国家标准和IEC标准的要求，且使用灵活方便，可靠性高，能很好运用于互感器型式试验中传递过电圧的测量及研究传递过电圧的传递特性。

关键词：VFTO；GIS；电压互感器；B类冲击波；传递过电压；试验装置

0        引 言

   气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear, GIS）中隔离开关例行操作常会引起频率1-100MHz的特快速瞬态过电压（VFTO）^[1-2]。电力系统的正常运行中如果这种过电压从高电压系统传递到低电压系统，就有可能对低电压系统的电器设备造成损害，影响电气设备的安全运行^[3-4]。GIS电压互感器本身就是电容分压和电磁感应原理进行电压测量的线路器件。由于GIS电压互感器接于线路对地之间，所以这种过电压要传递到二次测量回路，使二次测量设备承受来自一次回路的传递过电压，在GIS运行中也出现过互感器传递过电压造成二次设备危害的问题^[5-6]。

为了降低传递过电压对二次设备的危害，互感器国家标准GB20840.1-2010规定从互感器一次侧传递到二次侧的传递过电压峰值不大于1.6kV，同时规范了施加到一次侧的过电压波形。标准中对气体绝缘金属外壳全封闭式组合电器（GIS）用的互感器的传递过电压试验要求施加B类冲击电压波，其波前时间为10�（1�20%）ns，波尾时间大于100ns，传统的MARX回路冲击发生器很试验要求施加B类冲击波，B类冲击波要求波头时间为10�（1�20%）ns，波尾时间大于100ns，传统的MARX回路冲击发生器很难满足试验要求。如：德国Archon大学、慕尼黑大学、西安交通大学、清华大学均采用小型冲击发生器与陡化间隙相结合的方法研制的VFTO模拟发生器产生的波形波头时间均为20-50ns，幅值为几十千伏到1MV^[15-16]。由于冲击电压发生器回路及高压引线电感会难满足试验要求。如：德国Archen大学、慕尼黑大学、西安交通大学、清华大学均采用小型冲击发生器与陡化间隙相结合的方法研制的VFTO模拟发生器产生的波形波前时间均为20-50ns，幅值为几十KV到1MV^[7-9]。由于冲击电压发生器回路及高压引线电感会影响冲击源向陡化间隙提供能量的速度，导致陡化间隙击穿后输出电压的上升时间和主振荡频率难以达到标准要求的10ns时间要求。因此本文基于Lab VIEW 8.6的高电压毫微秒冲击电压发生器设计平台，研制了一套满足标准要求的B类冲击波试验的便携式测控装置并对110kV GIS电压互感器的传递过电压进行了测量分析。

1   B类冲击波发生器装置的研制

1.1 试验原理

由于B类冲击波波头时间为10�（1�20%）ns，波尾时间大于100ns，类似阶跃波，因此可以通过对直流电源进行开关合闸来产生。试验电路图如图1所示。

图中 U1—直流电压；U2—输出电压；

R0—回路电阻；C0—回路电容；

L —回路电阻；r —开关电阻；

k —理想开关。

图1 非周期性冲击波发生电路

    非周期性冲击波函数为：

     U(t) =U1(1-e ^–t/T2)         （1）

当试验回路中含有电容电感且开关动作具有响应时间时，图1所示的试验电路产生的波形会与标准的阶跃波形有所差异，如图2所示。

(a)非周期性冲击波

b)试验电路输出波形

图2 冲击波形

其中t0 时间为开关动作的响应时间（具体时间由开关性能决定），t₁为波头时间（时间与试验回路中电容电感大小有关）。

其中开关的好坏直接影响输出波形的质量，纳秒级波形产生系统对开关的主要要求是：1）结构紧凑，开关的电感小；2）导通时延迟短而且分散性小；3）开关接触电阻小^[17]。

在纳秒级波形产生电路中，影响波形输出质量的开关特性有以下因素：开关特性上升时间、从触发到闭合的动作延迟、时间抖动以及开关的电感与电阻。

本文对比了几种不同的开关特性，发现干簧管继电器不仅满足上述要求，而且此开关导通时间无回跳、前沿陡，适合于用来开断直流电源产生波头陡度为毫微秒级的波形，因此本文选干簧管继电器作为开关元件。

1.2 试验元件

1）开关电源

本文采用上海复旦天欣科技仪器有限公司生产的FDPS-220型AC/DC输出电压可调开关电源，输入电压220V�20%AC，频率为50Hz,输出电压为0~220V，输出电流为1A, 输出电压稳定，该电源输出稳定，可靠，10次输出电压值重复率100%。所采用开关电源如图3所示。

图3开关电源

2） 干簧管继电器

干簧管继电器室由干簧管和绕在其外部的电磁线圈等构成，如图4所示。当线圈通电后（或永久磁铁靠近干簧管）形成磁场时，干簧管内部的簧片将被磁化，开关触点会感应出磁性相反的磁极。当磁力大于簧片的弹力时，开关触点接通；当磁力减小至一定值或消失时，簧片自动复位，使开关触点断开。

图4 干簧管继电器结构原理图

由于干簧管继电器的响应特性极为重要，因此需选用合适的型号干簧管继电器。本文采用德国MODER公司生产的SIL05-1A69-72型干簧继电器。

图5 干簧管继电器

3） 传递过电压数字测量系统

传递过电压数字测量系统前面板見图6。

图6传递过电压数字测量系统前面板

采用美国泰克公司生产的TDS 3014B型示波器，带宽100MHz，采样率为2.5GS/s，2条采样通道，最大输入电压300V,最小时基为1ns。该型号示波器能满足试验要求对波头陡度为10ns的波形进行采样分析。

2         B类冲击波传递过电压的试验回路

2.1 试验线路及试验要求

根据标准《GB 20840.1-2010 互感器通用技术要求》对于GIS用互感器传递过电压的试验要求，应通过50Ω同轴电缆适配器将低电压冲击波U₁施加在任一一次端子与地之间，GIS外壳应按运行方式接地。试验电路如图7所示。

图7 GIS用互感器传递过电压试验线路

传递过电压U₂应在开路的二次端子上测量，通过50Ω同轴电缆连接输入阻抗为50Ω且带宽不低于100MHz的示波器读取峰值。当被测互感器有多个二次绕组时，应一次对每一个二次绕组进行测量，在二次绕组具有中间抽头时，只需在绕组满匝数对应的出头上进行测量。

传递到二次绕组的过电压Us应按式（2）进行计算。

                （2）                              

当峰值处有震荡时，须绘制平均曲线，以此曲线的最大幅值作为U₁的峰值计算传递过电压。传递过电压限值如表1所示。

表1  B类冲击波传递过电压标准

    标准B类冲击波波形如图7所示：

图8  B类波形

2.2试验线路接线

1）试验产品

本文选用JDQXF-123ZHW型SF6电压互感器，绝缘等级为123/230/550kV，具体参数如表2所示：

表2：JDQXF-123ZHW型电压互感器参数

2）试验线路接线

试验线路接线图如图8所示。

图9试验线路接线图

3        现场试验结果  

 现场试验照片如图9所示。

图10现场试验照片如图9

当试验回路不接试品时，所测得的波形如图10所示（5次重复），波头时间t₁=10.2ns

波尾时间t₂>100ns。本试验装置B类波冲击发生器10次波形重复的标准不确定度小于2%，满足标准规定的试验要求。

图11 空载时试验波形

当试验回路接上试品时，所测得的波形如图11所示。

1）  B类冲击波幅值特性

同一二次绕组的传递过电压

    为了研究一次绕组施加不同电压值U₁与传递到二次绕组的电压值U₂之间的关系，本文在波形波头波尾时间参数不变，仅

改变发生器输出电压幅值大小，对一次绕组分别施加210V、189V、168V、147V、126V、105V、84V、63V电压值，示波器在1a1n上采集到的试验波形如图12所示。

图12 施加不同电压值U₁的试验波形

施加不同的一次电压对GIS用电压互感器进行传递过电压试验，试验结果如表3所示。

表3  JDQXF-123ZHW型电压互感器传递过电压数据

对于JDQXF-123ZHW型电压互感器

，则由公式（2）算得施加不同电压的最大峰值U₁下U_S相应的峰值如表3所示。可以看出施加不同电压值U₁所得到得传递过电压结果通过式（2）换算所得到的传递过电压U_S基本相同（考虑二次电压值测量时产生的误差）。

图13 一次电压U₁与二次侧电压U₂幅值关系

    由图13可知，二次绕组电压U₂值大小与一次侧施加电压值U₁基本呈线性关系。

2 ）不同二次绕组的传递过电压

    对JDQXF-123ZHW型电压互感器的一次绕组施加同一电压值210V的B类冲击电压波形，在测量绕组1a1n与保护绕组dadn上示波器采集到的波形如图14所示。

图13 不同二次绕组试验波形对比

    由图14可知同一电压值冲击波施加在一次绕组上，不同二次绕组所测得二次电压波形基本相似，幅值大小有所不同，测量绕组1a1n二次电压值U₂=1.5V,通过计算得U_S=1100V;剩余绕组dadn二次电压值U₂=1.2V,计算得U_S=943V。

4 结论

  （1）本文介绍了利用干簧管继电器开断直流电源的原理制作的B类冲击波发生装置能满足《GB20840.1-2010互感器通用技术要求》对GIS用互感器的传递过电压试验要求。

  （2）在不改变GIS用电压互感器的外回路及B类冲击波发生器的波头、波尾参数的情况下，只改变施加在一次侧电压幅值大小，所测得二次电压值与施加的一次电压值呈线性增长关系。

  （3）对比测量绕组与保护绕组的传递过电压试验结果表明，二次线圈匝数的多少以及所处位置会对传递过电压值的大小有影响。

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