GIS电压互感器的传递过电压试验研究

GIS电压互感器的传递过电压试验研究

王彥金

（国网电力科学研究院，武汉，430074）

摘要：为了研究VFTO在GIS电压互感器上的传递特性，本文根据《GB20840.1-2010互感器通用技术要求》对于安装在气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）中的互感器的传递过电压限值及试验要求，研制了一套集B类冲击波的产生、控制及测量为一体的试验装置；通过该试验装置对110kV GIS用电压互感器进行了传递过电压试验，试验结果分析表明该B类冲击波测控装置能够满足IEC及国家标准要求，并初步得出GIS用电压互感器的传递过电压具有线性传递特性。

关键词：VFTO；GIS；电压互感器；B类冲击波；传递过电压；试验装置

Study on transfer overvoltage of voltage transformer in GIS

HUANG Hua, DAI Jing , LIU Yong , WANG Yan

(China Electric Power Research Institute,Wuhan430074,China)

Abstract：In order to research the transfer characteristics of VFTO in GIS voltage transformer, this paper developed a Class B wave monitoring device which combined the generation of Class B to the shock wave、control and measurement into one, base on the limits on GIS transformer’s over-voltage and testing requirements in 《GB20840.1-2010 transformer General technical requirements》.Using this device to test the transmitted overvoltage of 110kV GIS Voltage transformer, the result showed that the device not only can meet the requirements of IEC and national standards, but also come to a conclusion that over-voltage transmission of GIS voltage transformer have a transfer characteristic.

Key words：VFTO,GIS, voltage transformer, B class shock, transfer overvoltage, testing device

0       引 言

    随着电力系统电压等级不断升高，GIS的应用越来越广泛。GIS可以减小开关等设备的体积，使设备的电感减小，但当隔离开关操作时，因触头间击穿和多次重燃会形成一种特快速瞬态过电压（very fast transient overvoltage，VFTO），这种瞬态过电压具有上升时间极短（3~100ns）而幅值较高（最高可达3pu）和多次连续脉冲的特点^[1-6]。VFTO会对GIS及其联接的绕组设备（如变压器，互感器）绝缘有重要影响；同时，它也会在GIS外壳与外部引线连接处产生瞬态壳体电位（transient enclosure voltage，TEV）,引起二次设备绝缘和人身安全问题，并对测量控制设备产生电磁干扰，造成二次设备的误动作^[7-10]。

电力系统用互感器是一种用于传递信息给测量仪器、仪表、继电保护和控制装置的特殊变压器，是一次系统与二次系统的联络单元，其一次绕组接入电网，二次绕组分别与测量仪表、保护装置等相互连接^[11-12].所以当GIS中隔离开关操作产生VFTO时，互感器会通过绕组之间的传递将过电压从一次绕组传递到二次绕组，从而使二次绕组承受幅值较大的传递过电压，造成二次设备故障或者损坏，影响电气设备的安全运行^[13-14]。

为了降低传递过电压对二次设备的危害，互感器国家标准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，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。因此本文通过实验研究研制了一套满足标准要求的B类冲击波试验测控装置并对110kV电压互感器传递过电压及影响电压互感器传递过电压特性因素等问题进行初步分析和试验研究。

1        B类冲击波电压发生器装置的研制

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1 阶跃波发生电路

Fig.1 Step wave generating circuit

    单位阶跃函数为：

               （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) 标准阶跃波形

(a) Standard step wave

(b)试验电路输出波形

(b) wave of the generating circuit

图2 阶跃波形

Fig.2 Step wave

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纳秒级的波形，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-1000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0~1000V，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

Fig.3 Switching power

（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

Fig. The structural schematic diagram of dry reed relay

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HM05-1A69-150型干簧继电器。

图5 干簧管继电器

Fig.5 dry reed relay

（3）      示波器

采用美国泰克公司生产的DPO 3014型示波器，带宽100MHz，采样率为2.5GS/s，4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 试验电路及试验要求

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6所示。

图6 GIS用互感器传递过电压试验线路

Fig.6 The overvoltage test circuit of transformer used in GIS

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

Tab.1 The test standard of type B overvoltage

    标准B类波波形如图7所示：

图7  B类波形

Fig.7 Standard wave of type B

2.2 试验回路

（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

Tab. 2 Parameters of voltage transformer with type JDQXF-123ZHW

（2）试验环境

试验地点为电力工业电气设备质量检验测试中心互感器检测大厅（全屏蔽高压试验大厅），大厅内无其他设备运行，温度21℃,湿度70% 大气压力102.1kPa条件下进行。每60s进行一次传递过电压试验，手动记录和保存波形。现场试验线路接线图如图8所示。

图8试验接线图

Fig.8 The hookup of test

2.3 试验结果及波形

当试验回路不接试品时，所测得的波形如图9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9 空载时试验波形

Fig.9 The test wave with no-load

当试验回路接上试品时，所测得的波形如图10所示。

（a）波前时间

 (a) front time

                                                    （b）波尾时间

 (b)  tail length

      图10 带试品时试验波形

       Fig.10 The test wave with VT

3        B类冲击波幅值特性

3.1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11所示。

(a)U₁=210V（b）U₁=189V                                                    

 (c) U₁=168V

                        （d）U₁=147V

  （e）U₁=126V

            （f）U₁=105V

 （g）U₁=84V

              （h）U₁=63V 

图11 施加不同电压值U₁的试验波形

Fig.11 The test wave in different test voltage       

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

Tab.3 The overvoltage test date of VT with type JDQXF-123ZHW

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12 一次电压U₁与二次侧电压U₂幅值关系

Fig.12 The voltage amplitudes relationship of primary winding and secondary winding

    由图12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。

3.2 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13所示。

(a)绕组1a1n 传递过电压试验波形

  (a) Test wave of secondary winging1a1n

(b)绕组dadn传递过电压试验波形

   (b) Test wave of secondary winging dadn

图13 不同二次绕组试验波形对比

Fig.13 Test wave of different secondary windings

    由图13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，产生的波形波头时间可短至10.2ns，波尾时间>100ns，电压幅值为0-300V，输出波形稳定可靠且操作方便。

  （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，通过计算所得传递过电压值基本不变，即传递过电压值与所施加的一次电压值大小关联性不大。

  （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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