馬山智能變電站VFTO對繼電保護的影響

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研究院，遼寧 沈陽 110006;3．沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136)

馬山智能變電站母線和開關采用GIS結構，采集卡置于罐體外側密封。GIS結構緊湊，各元件間距小且節點數較多，隔離開關和斷路器動作時產生的操作波或雷電侵入波在GIS內部傳輸時，會在不同節點處發生復雜的折射和反射，最終形成VFTO(Very Fast Transient Overvoltage)。VFTO可以作用于GIS內部導體和殼體之間，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)，危及敏感二次設備［1－2］。

智能變電站相對于常規變電站的優勢之一在于將電信號轉換成光信號進行傳輸，這一技術特點決定遠端采集模塊必須與一次設備集成安裝。這使得低壓二次設備更加靠近間隔一次設備工作，所以必須經受更加嚴酷的電磁環境的考驗。遠端采集模塊和合并單元是變電站采集模擬量數據的源頭，若設計、制造無法達到現場環境要求，發生異常或燒損，會直接導致繼電保護和自動化系統采樣失常，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節和繼電保護設備所帶來的影響進行測試和研究，將為智能變電站遠端采集環節的抗擾技術發展提供有益的參考，同時也為智能變電站的繼電保護設備升級提供現實依據。

1 馬山變電站設備

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

220 kV GIS、遠端采集模塊和合并單元采用南瑞繼保設備，全站保護設備為許繼電氣裝置。220 kV采用雙母線結構，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

模擬量采集環節是繼電保護設備正確識別故障，進而正確動作的基礎。不同于常規變電站，在智能變電站中，這一環節由就地化的遠端采集模塊和合并單元來完成，而遠端采集模塊是整個環節的核心。基于遠端采集模塊的設計原理和工作特點，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。

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

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)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，測試人員使用筆記本、光電轉換器和光纖對示波器進行遠程管理。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，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，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，測量直流正、負間差模干擾。

測試人員使用筆記本、光電轉換器和光纖對示波器進行遠程管理。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

利用現場既有的SV網絡和網絡報文分析儀，對分、合隔離開關時刻的報文進行記錄，可以檢查VFTO對合并單元輸出報文品質、通信狀態造成的影響。網絡報文分析儀的波形顯示功能可以將報文轉換成直觀的波形。

2.4 繼電保護設備狀態

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

3 測試結果

3.1 合隔離開關測試結果

a． GIS外殼對地電位TEV

在第1次隔離開關的合閘測試中，示波器錄波如圖4所示。可見，受隔離開關合閘過程結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產生暫態過電壓，過電壓的持續時間約300 ms，呈現出初期幅值較大、末期幅值較小且正負對稱的特征，初期峰值可以達到5.92 kV，末期峰值約400 V。

圖4 隔離開關合閘過程中GIS外殼對地電位升TEV波形圖

b． 就地交、直流電源的暫態騷擾

在第3次隔離開關的合閘測試中，示波器錄波如圖5所示。

圖5 第3次隔離開關合閘過程中就地電源暫態過壓波形圖

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

c． 采樣輸出報文和波形

①在第1次隔離開關的合閘測試中，網絡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，隔離開關合閘時，龍馬1線B套合并單元發出1幀采樣無效的報文，B相保護電流、B相測量電流和B相電壓通道品質因數q均置無效位。同時，B相保護電流幅值達到0.43 kA以上且波形中出現多個跳變點。在約80 ms的時間內，大量報文中的通道出現雙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次隔離開關的合閘測試中，網絡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，隔離開關合閘時，龍馬1線B套合并單元連續發出多幀采樣無效的報文，B相保護電流、B相測量電流和B相電壓通道品質因數q均置無效位。同時，B相保護電流幅值達到0.45 kA以上。在約60 ms的時間內，大量報文中的通道出現雙AD不一致，主要集中在A相保護電流通道。

d． 繼電保護設備狀態

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

3.2 分隔離開關測試結果

a． GIS外殼對地電位TEV

在第1次隔離開關的分閘測試中，示波器錄波如圖10所示。

可見，受隔離開關分閘開始階段靜觸頭和動觸頭接近時產生的電弧影響，罐體外殼與大地之間感應產生暫態過電壓，過電壓的持續時間約150 ms，呈現出初期幅值較小、末期幅值較大且正負對稱的特征，初期峰值約800 V，末期峰值達到5.99 kV。

b． 就地交、直流電源的暫態騷擾

在第2次隔離開關的分閘測試中，示波器錄波如圖11所示。

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

c． 采樣輸出報文和波形

在第2次隔離開關的分閘測試中，網絡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，隔離開關分閘時，龍馬1線B套合并單元連續發出多幀采樣無效的報文，B相保護電流、B相測量電流和B相電壓通道品質因數q均置無效位。同時，B相保護電流幅值達到0.6 kA以上。共計7幀報文報出雙AD不一致報警。

d． 繼電保護設備狀態

隔離開關分閘時，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

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

a． 遠端采集模塊受擾分析

將合閘與分閘的典型數據類比列于表1。數值直觀反映隔離開關在合閘時對遠端采集模塊信號源、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生誤差或短時程序故障。

操作時產生的電磁波在GIS封閉罐體內會被激發成諧振波，而遠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在B套的B相，說明B相的B套遠端采集模塊的輸出異常與其安置位置或個體差異性有關。

b． 合并單元的數據判別

合并單元發送SV報文置數據無效的判據共有以下4種:①遠端模塊和合并單元之間通信中斷;②遠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遠端模塊在通信幀中會上送遠端模塊的工作狀態，合并單元一旦判斷到嚴重錯誤，則將此幀數據置無效;④合并單元內部受到干擾，通過內部的數據校驗發現數據錯誤，則將該幀數據置無效。

可見，合并單元發送無效數據的主要原因都與遠端采集模塊發生程序級故障有關。當然，合并單元受直流電源的差模干擾也可能會產生錯誤數據，經校驗無效，但考慮到數據異常出現的特點，可以排除這種可能。

c． 保護設備SV報文狀態識別

許繼的WXH－803B和WXH－800B都會對接收的SV報文進行判別后使用，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次隔離開關合閘時，龍馬1線兩側B套差動保護閉鎖約100 ms，龍馬1線本側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次隔離開關合閘時，龍馬1線兩側B套差動保護閉鎖約80 ms，龍馬1線本側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 結論

本站隔離開關操作引起的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生程序故障，導致投運過程中，本線路保護和母線保護均發生短暫閉鎖，嚴重危害變電站的穩定運行。

a． GIS內干擾電磁場的分布特點決定其對不同位置的遠端采集模塊工作的影響存在差異，故遠端采集模塊的屏蔽設計和安裝應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量存在問題。目前，行業內還沒有針對內置遠端采集模塊的GIS設備的型式試驗制定完備的測試方法和明確的檢驗指標，本測試的結果和分析都可以為相應標準和規范的制定提供依據。

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

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

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