淺談GIS互感器的傳遞過(guò)電壓試驗(yàn)儀

GIS互感器的傳遞過(guò)電壓試驗(yàn)儀

摘要：為了進(jìn)行GIS互感器的傳遞過(guò)電壓試驗(yàn)，本文利用干簧管繼電器，制作了?B類(lèi)沖擊波發(fā)生器，開(kāi)發(fā)一套適用于GIS互感器傳遞過(guò)電圧試驗(yàn)的試驗(yàn)儀；通過(guò)該試驗(yàn)儀，對(duì)110kV GIS電壓互感器的傳遞過(guò)電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分析表明，該試驗(yàn)儀能夠滿(mǎn)足IEC及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，且使用靈活方便，可靠性高，能很好運(yùn)用于互感器型式試驗(yàn)中傳遞過(guò)電圧的測(cè)量及研究傳遞過(guò)電圧的傳遞特性。

關(guān)鍵詞：GIS；B類(lèi)沖擊波；傳遞過(guò)電壓；試驗(yàn)儀

Testerfor?transfer?over?voltage?ofGIS?transformer

Wang Yanjin??

(China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China)

Abstract：In order to test??of GIS voltage transformer, Using the dry reed relay，To make the generator?this?impulse wave of type B，Develop a set of applicable to the tester?of GIS voltage transformer；Using this tester?to test the transmitted over?voltage of 110kV GIS Voltage transformer, the result showed that the tester?not only can meet the requirements of IEC and national standards, but also be flexible and reliable to use, which can be well applied to the transformer type test and research of transmitted over??voltage characteristics.

Key words：GIS; impulse wave of type B；; transfer over?voltage; tester

0 ???????引 言

2003年， IEC ?60044-2-1997標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行電力互感器傳遞過(guò)電壓檢測(cè)項(xiàng)目。B類(lèi)沖擊波試驗(yàn)要求10ns的上升時(shí)間沖擊電壓發(fā)生器。2005年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外互感器廠和檢測(cè)中心，分別利用HAFLA單位階躍發(fā)生器TYPE 40方波源、德國(guó)的KAL 1000方波源和日本的二萬(wàn)伏方波源；對(duì)GIS(gas insulated switch?gear, GIS)電壓互感器進(jìn)行傳遞過(guò)電壓試驗(yàn)，但均未產(chǎn)生10ns的上升時(shí)間沖擊電壓波[1,8 ]。

2010年，利用德國(guó)MODER公司生產(chǎn)的SIL05-1A31-71D型干簧管繼電器，制作了一臺(tái)220V?B類(lèi)沖擊波發(fā)生器[5-7]，能產(chǎn)生10ns的上升時(shí)間沖擊電壓波，并對(duì)GIS電壓互感器進(jìn)行傳遞過(guò)電壓試驗(yàn)；其檢測(cè)結(jié)果符合IEC及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求 。隨后，利用高速數(shù)字化板卡NI PCI-5152，完成了基于Lab VIEW 8.6的《GIS電壓互感器用傳遞過(guò)電壓數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)》[5-7]。

因此，本文根據(jù)IEC及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，描述了B類(lèi)沖擊波發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)架了GIS互感器傳遞過(guò)電壓(GIS?Potential Transformer?Pass over voltage)試驗(yàn)儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GISPTPOV試驗(yàn)儀)[5-7]，并介紹該試驗(yàn)儀的硬件配置及軟件功能；該試驗(yàn)儀對(duì)110kV GIS電壓互感器，進(jìn)行了傳遞過(guò)電壓試驗(yàn)，并給出結(jié)果。

1 ??B類(lèi)沖擊波的產(chǎn)生原理

1.1 B類(lèi)沖擊波的產(chǎn)生原理

如同雷電波一樣必須將特快速瞬態(tài)電壓波標(biāo)準(zhǔn)化。目前，電壓互感器新標(biāo)準(zhǔn)GB 20840.1-2010已將VFTO(very fast transient over?voltage)定義為沖擊波，分為二類(lèi)：A類(lèi)沖擊波和B類(lèi)沖擊波。A類(lèi)沖擊波，適用于空氣絕緣變電站用的電壓互感器；B類(lèi)沖擊波，適用于氣體絕緣金屬外殼全封閉用的電壓互感器（GIS）。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行GIS電壓互感器的傳遞過(guò)電壓測(cè)量，標(biāo)準(zhǔn)中VFTO波形的定義，分類(lèi)和要求見(jiàn)表1。

表1 GIS電壓互感器的傳遞過(guò)電壓標(biāo)準(zhǔn)

Tab 1 GIS standard?on transient over?voltage of transfer

?

標(biāo)準(zhǔn)的B類(lèi)沖擊波如圖1所示。

圖1 ?B類(lèi)沖擊波形

Fig.1 ?impulse wave of type B

由于B類(lèi)沖擊波的波前時(shí)間為10×（1±20%）n?s，波尾時(shí)間大于100ns，與階躍波類(lèi)似，因此可以通過(guò)對(duì)直流電源進(jìn)行開(kāi)關(guān)合閘來(lái)產(chǎn)生。試驗(yàn)電路圖如圖2所示。

圖2 階躍波發(fā)生電路

Fig.2 Step wave generating circuit

可知單位階躍函數(shù)為：

??????????（1）?

當(dāng)試驗(yàn)回路中含有電容電感且開(kāi)關(guān)動(dòng)作具有響應(yīng)時(shí)間時(shí)，圖3所示的試驗(yàn)電路產(chǎn)生的波形會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)階躍波形有所差異。

(a) 標(biāo)準(zhǔn)階躍波形

(a) Standard step wave

(b)試驗(yàn)電路輸出波形

(b) Wave of the generating circuit

圖3 階躍波形

Fig.3 Step wave

圖中開(kāi)關(guān)的好壞直接影響輸出波形的質(zhì)量，納秒級(jí)波形產(chǎn)生系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)的要求是：1）結(jié)構(gòu)緊湊，開(kāi)關(guān)的電感小；2）導(dǎo)通時(shí)延遲短而且分散性小；3）開(kāi)關(guān)接觸電阻小。在納秒級(jí)波形產(chǎn)生電路中，影響波形輸出質(zhì)量的開(kāi)關(guān)特性有以下因素：開(kāi)關(guān)特性上升時(shí)間、從觸發(fā)到閉合的動(dòng)作延遲、時(shí)間抖動(dòng)以及開(kāi)關(guān)的電感與電阻。干簧管繼電器不僅滿(mǎn)足上述要求，而且此開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間無(wú)回跳、前沿陡，適合于用來(lái)開(kāi)斷直流電源產(chǎn)生波頭陡度為納秒級(jí)的波形，因此本文選干簧管繼電器作為開(kāi)關(guān)元件。根據(jù)沖擊電壓發(fā)生的原理，研制B類(lèi)沖擊波發(fā)生器，B類(lèi)沖擊波波形如圖4。對(duì)比圖1中的波形可知符合電壓互感器新標(biāo)準(zhǔn)GB 20840.1-2010中B類(lèi)沖擊波要求。

圖4 ?B類(lèi)沖擊波

Fig 4 Class B impulse wave

2GISPTPOV試驗(yàn)儀

2.1GISPTPOV試驗(yàn)儀硬件設(shè)計(jì)

GISPTPOV試驗(yàn)儀包括以下幾部分：B類(lèi)沖擊波發(fā)生單元、控制單元和測(cè)量單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。B波發(fā)生器由開(kāi)關(guān)電源與干簧管繼電器組成，B波控制單元由NI USB-6501進(jìn)入工控機(jī)，而一次和二次波形數(shù)據(jù)通過(guò)同軸電纜由NI PCI-5152雙路同步采樣卡進(jìn)入工控機(jī)。

圖5?GISPTPOV試驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)圖

Fig.6 System hardware structure

該試驗(yàn)儀輕便靈活，使用方便。為了減少干擾，增加了隔離濾波和屏蔽室，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。GISPTPOV試驗(yàn)儀外型如圖6所示。

圖6?GISPTPOV試驗(yàn)儀照片

Fig 6?Tester photos?of GISPTPOV

2.2 GISPTPOV試驗(yàn)儀軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)試驗(yàn)儀的測(cè)控系統(tǒng)軟件包括B波控制模塊和傳遞過(guò)電壓測(cè)量模塊，其中B波控制系統(tǒng)核心部件為數(shù)字，它具有電壓調(diào)節(jié)、電壓指示、試驗(yàn)次數(shù)和觸發(fā)等功能。其發(fā)生器的控制界面見(jiàn)圖7。

圖7 發(fā)生器控制面板

Fig.7 Generator control panel

試驗(yàn)儀的測(cè)量系統(tǒng)的硬件為高速數(shù)字化板卡NI PCI-5152，它具有采集、平滑、擬合(標(biāo)準(zhǔn)B類(lèi)沖擊波仿真)、計(jì)算和報(bào)告自動(dòng)生成功能。基于Lab VIEW 8.6的《GIS電壓互感器用傳遞過(guò)電壓數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)》的傳遞過(guò)電壓測(cè)量界面如圖8；傳遞過(guò)電壓參數(shù)設(shè)定界面如圖9。

圖8?傳遞過(guò)電壓測(cè)量界面

Fig.8measurements interface?of transient over?voltage

圖9?傳遞過(guò)電壓參數(shù)設(shè)定界面

Fig.9?Transient over?voltage parameter setting?interface

3 ?GISPTPOV試驗(yàn)儀現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果

3.1傳遞過(guò)電壓測(cè)量方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB 20840.1-2010?互感器通用技術(shù)要求》對(duì)于GIS用互感器傳遞過(guò)電壓的試驗(yàn)要求，應(yīng)通過(guò)50Ω同軸電纜適配器將低電壓沖擊波U1施加在任意一次端子與地之間，GIS外殼應(yīng)按運(yùn)行方式接地。試驗(yàn)電路如圖10所示。

圖10 GIS互感器傳遞過(guò)電壓試驗(yàn)線路

Fig.10?The over?voltage test circuit of transformer used in GIS

傳遞過(guò)電壓U2應(yīng)在開(kāi)路的二次端子上測(cè)量，通過(guò)50Ω同軸電纜連接輸入阻抗為50Ω且?guī)挷坏陀?00MHz的高速數(shù)字化板卡讀取峰值。當(dāng)被測(cè)互感器有多個(gè)二次繞組時(shí)，應(yīng)一次對(duì)每一個(gè)二次繞組進(jìn)行測(cè)量，在二次繞組具有中間抽頭時(shí)，只需在繞組滿(mǎn)匝數(shù)對(duì)應(yīng)的出頭上進(jìn)行測(cè)量。

傳遞到二次繞組的過(guò)電壓Us應(yīng)按式（2）進(jìn)行計(jì)算。

?（2）

當(dāng)峰值處有震蕩時(shí)，須繪制平均曲線，以此曲線的最大幅值作為U1的峰值計(jì)算傳遞過(guò)電壓。傳遞過(guò)電壓限值如表2所示。

表2 ?B類(lèi)沖擊波傳遞過(guò)電壓標(biāo)準(zhǔn)

Tab.2 The test standard of type B over?voltage

?

GISPTPOV試驗(yàn)儀對(duì)110kV GIS電壓互感器進(jìn)行傳遞過(guò)電壓試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)線路接線圖如圖11所示。

其試驗(yàn)分別進(jìn)行了單次試驗(yàn)和十次重復(fù)試驗(yàn)，波形如圖12和圖13。從圖12中可以看出單次測(cè)量的B沖擊波，無(wú)論波形特征，波前時(shí)間，波尾時(shí)間均符合GB 20840.1-2010要求，測(cè)得二次傳遞過(guò)電壓小于標(biāo)準(zhǔn)要求的限值1600V,因此可判斷符合要求；而圖13中是相同條件下十次測(cè)量得到的二次傳遞過(guò)電壓值，可以看出十次產(chǎn)生的B類(lèi)沖擊波幅值在100-300V之間，波前時(shí)間在8到10ns（T1）之間，波尾時(shí)間大于100ns（T2）。十次重復(fù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于2%。

圖11?試驗(yàn)接線圖

Fig.11 ?Test the wiring diagram

圖12?GIS電壓互感器傳遞過(guò)電壓?jiǎn)未螠y(cè)量

Fig.12?one time transient over?voltage measuring of voltage transformer in GIS

圖13?GIS電壓互感器傳遞過(guò)電壓十次測(cè)量

Fig.12 ten times transient over?voltage measuring of voltage transformer in GIS

0?結(jié)論

1.本文設(shè)計(jì)的B類(lèi)沖擊波發(fā)生器產(chǎn)生的波形，無(wú)論波形特征，波前時(shí)間，波尾時(shí)間均符合GB 20840.1-2010要求；

2.本文設(shè)計(jì)的GISPTPOV試驗(yàn)儀，滿(mǎn)足GB 20840.1-2010的要求，系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量不確定度小于2%，可為GIS互感器型式試驗(yàn)提供依據(jù)；

3.GISPTPOV試驗(yàn)儀，具有初步的智能功能，現(xiàn)場(chǎng)使用方便, 同時(shí)可作為互感器傳遞過(guò)電壓遠(yuǎn)程試驗(yàn)終端。