某110kV智能變電站合并單元異常情況分析及對策

嵇建飛 袁宇波 王立輝 卜強(qiáng)生

（1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院 南京 211100 2.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 南京 210096）

0 引言

在變電站中，影響最大的干擾為高壓開關(guān)操作干擾、一次系統(tǒng)短路故障干擾，雷電干擾等。變電站內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)等一次設(shè)備在操作時，會產(chǎn)生一系列的電磁干擾，這些干擾會通過各種耦合進(jìn)入二次回路；一次系統(tǒng)短路故障時，在站內(nèi)架空導(dǎo)線和接地網(wǎng)上會流過很大的短路電流，并在二次電纜周圍產(chǎn)生很強(qiáng)的空間磁場，會對二次設(shè)備造成較大的干擾；雷電可以耦合、傳導(dǎo)、輻射等形式侵入二次設(shè)備[1-3]。本文對某110kV 智能變電站就地合并單元受刀開關(guān)操作產(chǎn)生的干擾而導(dǎo)致合并單元運(yùn)行異常的現(xiàn)象展開分析，首先利用排查法分析了合并單元產(chǎn)生異?，F(xiàn)象的原因，然后對合并單元進(jìn)行電磁兼容相關(guān)實(shí)驗[4]，并在實(shí)驗基礎(chǔ)上對合并單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其次測錄分析了刀開關(guān)操作時產(chǎn)生的電磁暫態(tài)騷擾信號，最后對合并單元的電磁兼容性能提出了一些建議。

1 事件概況

圖1 某110kV 變電站一次接線圖Fig.1 One 110kV substation primary electric wiring diagram

圖2 某110kV 變電站單母分段GIS 設(shè)備Fig.2 One 110kV substation single bus section GIS equipment

某110kV 變電站一次接線圖如圖1所示，采用單母分段接線方式，本期兩回110kV 進(jìn)線，配置一臺主變，暫無10kV 出線。如圖2所示，該變電站 使用GIS 組合電器，合并單元、智能終端就地安裝于GIS 柜內(nèi)，采用常規(guī)互感器，線路間隔合并單元接入線路單相PT 和間隔CT。某日啟動時，在刀開關(guān)操作時，監(jiān)控系統(tǒng)報“線路保護(hù)閉鎖”信號，合并單元重啟，并出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象。

2 處理步驟

2.1 第一階段

首先懷疑此異常情況是由于合并單元的電路板損壞造成，將合并單元除交流采樣電路板外的全部電路板更換，程序升級，再次送電異常現(xiàn)象依然存在，由此基本可以排除合并單元電路板的問題。

由于合并單元出現(xiàn)重啟現(xiàn)象，因此對合并單元直流電源模塊進(jìn)行檢查。在合上進(jìn)線刀開關(guān)時用萬用表監(jiān)視合并單元背板工作電源正負(fù)極電壓，發(fā)現(xiàn)工作電壓由220V 短暫低落至110V 左右，依此懷疑是外部直流電源問題。但是當(dāng)變電站再次申請停電（停電期間，GIS 設(shè)備加裝遮雨罩,調(diào)整刀開關(guān)行程開關(guān)，均未涉及合并單元相關(guān)回路）并排查直流系統(tǒng)時，發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)正常，無交流混入，裝置接地完整可靠。

2.2 第二階段

為了進(jìn)一步查找原因，變電站再次計劃送電，此次重點(diǎn)從直流電源和電磁干擾兩個方面查找原因。

第一步，監(jiān)視直流電壓。倒閘操作時，用示波器監(jiān)視合并單元直流工作電壓，萬用表監(jiān)視柜內(nèi)直流進(jìn)線電壓。示波器設(shè)為電壓下降沿觸發(fā)方式，記錄時間約可達(dá)500ms。合上線路側(cè)刀開關(guān)，合并單元重啟，此時示波器并無想象中的電壓跌落波形，萬用表讀數(shù)穩(wěn)定無變化。

第二步，改用獨(dú)立直流電源。用650 作獨(dú)立直流電源供電，再次操作刀開關(guān)，異常依然存在。由此斷定，變電站直流系統(tǒng)正常，并非導(dǎo)致合并單元重啟的原因。

第三步，排查電磁干擾源。斷開線路PT 空開，異常依然存在；拔出交流采樣頭，異常依然存在；最后，建議將電源板上的接線（包括接地線）全部解掉，用獨(dú)立直流電源供電，拔出交流采樣板，此時，合并單元僅對外的電氣回路完全隔斷，此狀態(tài)下多次分合刀開關(guān)，無異常出現(xiàn)。由此斷定，合并單元重啟是由電磁干擾侵入導(dǎo)致。

第四步，查找電磁干擾侵入路徑。逐步恢復(fù)接線，首先恢復(fù)電源板接線，此時交流板依然拔出，操作發(fā)現(xiàn)合并單元異常再次出現(xiàn)。

第五步，查找電磁干擾耦合方式。交流采樣板依然拔出，將CT 二次短接退出合并單元，操作刀開關(guān)，合并單元異常消失。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，接入合并單元的CT 二次線與電源直流二次線捆扎在一起（見圖3b），雖然交流板已經(jīng)拔出，但干擾源依然可侵入至交流板，并通過內(nèi)部電纜小線間的雜散電容耦合至直流二次線中，進(jìn)而侵入到電源模塊，致使異常出現(xiàn)。

第六步，切斷電磁耦合路徑。將合并單元接線恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)，并將交流電纜與直流電纜隔離，多次操作，合并單元未出現(xiàn)異常。在另外一個進(jìn)線間隔做對比實(shí)驗，電纜隔離前，合并單元出現(xiàn)重啟，電纜隔離后，合并單元無重啟異常。

由上所述可以確定，拉合刀開關(guān)時產(chǎn)生的電磁干擾通過CT 二次回路耦合到直流電源是合并單元發(fā)生重啟的重要原因，將接入合并單元的CT 二次線與直流電源二次線分開之后（見圖3a），雖然合并單元不再重啟，但是丟點(diǎn)現(xiàn)象依然存在。

圖3 利用示波器測量暫態(tài)騷擾信號Fig.3 Measuring transient disturbance signal by oscilioscope

2.3 第三階段

由于合并單元丟點(diǎn)現(xiàn)象依然存在，因此對合并單元重新進(jìn)行了電磁兼容相關(guān)實(shí)驗，并在實(shí)驗基礎(chǔ)上進(jìn)行了整改措施。實(shí)驗記錄和整改措施如下：

2.3.1 實(shí)驗記錄

（1）常規(guī)實(shí)驗

電快速瞬變干擾實(shí)驗：對裝置電源、開入、模擬量輸入回路施加四級（4kV、5kHz/100kHz）干擾波形，裝置運(yùn)行正常、未出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象。

浪涌實(shí)驗：對裝置電源、開入、模擬量輸入回路施加四級（4kV，8/20μs）浪涌波形，裝置運(yùn)行正常、未出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象。

（2）非常規(guī)實(shí)驗

電快速瞬變干擾實(shí)驗：對裝置電源、開入、模擬量輸入回路施加遠(yuǎn)高于四級（4.5kV 以上、100kHz）干擾波形，裝置運(yùn)行正常、但偶爾會出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象。

浪涌實(shí)驗：對裝置電源、開入、模擬量輸入回路施加遠(yuǎn)高于四級（4.4kV，8/20μs）浪涌波形，裝置運(yùn)行正常、未出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象。

2.3.2 整改措施

（1）原設(shè)計采用雙DSP 插件實(shí)現(xiàn)MU 功能，DSP 插件之間經(jīng)過總線背板實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通信，新設(shè)計將雙DSP 模塊集成到一塊插件上，取消經(jīng)過總線背板的通信方式，此改進(jìn)可以進(jìn)一步提高裝置的抗干擾能力。

（2）機(jī)箱加工采用全導(dǎo)電加工方式，機(jī)箱各部分之間電氣連接更加可靠，提高機(jī)箱的完整性，從而提高裝置的整體抗電磁騷擾性能。

通過改進(jìn)MU 機(jī)箱結(jié)構(gòu)，改善箱體整體導(dǎo)電性能、并改進(jìn)分板連接方式后，重新按照上述（1）、（2）中的實(shí)驗過程實(shí)驗，裝置運(yùn)行正常、無丟點(diǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)，抗干擾性能進(jìn)一步提高；新裝置在電快速瞬變干擾實(shí)驗中，能夠確保在4.4kV/100kHz 情況下，無丟點(diǎn)現(xiàn)象。

2.4 第四階段

MU 經(jīng)過整改后，該變電站計劃再次送電，經(jīng)過整改的MU 沒有出現(xiàn)重啟丟點(diǎn)現(xiàn)象。為了定量分析MU 受到的電磁騷擾強(qiáng)度，測錄刀開關(guān)拉合時產(chǎn)生的電磁暫態(tài)騷擾信號[5,6]。測錄設(shè)備示波器選用泰克公司的TDS5034B，采樣頻率1.25GSa/s，帶寬350MHz，存儲深度4Mpts。高壓衰減棒選用PINTECH 公司的HVPˉ15HF 高壓衰減棒，具體參數(shù)如下：量程為DC 0～15kV，AC 0～30kV；信噪比在1MHz時，大于等于50dB；DIVISION RATIO為1:1 000；輸入阻抗為100M?；輸入容抗為3.0pF。電流探頭選用PINTECH 公司的DKˉ1400 型柔性電流探頭，具體參數(shù)如下：輸入阻抗為100k?，靈敏度為5mv/1A。差分探頭選用PINTECH 公司的 PTˉ8110 差分探頭，帶寬100MHz，輸入阻抗4M?，輸入容抗7pF，衰減比例1:1 000。測錄了刀開關(guān)拉合過程中CT 二次側(cè)A 相電流通道、CT 二次側(cè)A相對地電壓通道、直流電源通道、直流電源正極對地電壓通道和MU 地線對銅排通道的電磁騷擾信號。

圖4、圖5分別是當(dāng)CT 二次側(cè)電纜和其他電纜分開和扎起時，直流電源（差模干擾）、直流電源正對地干擾（共模干擾）、合并單元地線對銅排的電壓、CT 二次側(cè)A 相對地電壓和CT 二次側(cè)A 相電源通道的電磁暫態(tài)騷擾時域波形圖。從時域圖可以看出:在線分開時：直流電源（差模干擾）通道騷擾信號最大峰峰值為300V，直流電源正對地（共模干擾）通道騷擾信號最大峰峰值為700V，CT 二次側(cè)A 相對地騷擾信號電壓峰峰值為1 000V，CT 二次側(cè)A相電流通道騷擾信號峰峰值為200V，合并單元地線對銅排的騷擾信號電壓峰峰值為3 000V。

圖4 CT 二次側(cè)電纜和其他電纜分開時，各個通道的電磁暫態(tài)騷擾時域波形Fig.4 The electromagnetic transient disturbance time-domain waveform of every channel during separation of the DC power wires and secondary wires of CT

圖5 CT 二次側(cè)電纜和其他電纜扎在一起，各個通道的電磁暫態(tài)騷擾時域波形Fig.5 The electromagnetic transient disturbance time-domain waveform of every channel during bundling of the DC power wires and secondary wires of CT

在線扎起時，直流電源（差模干擾）通道騷擾信號最大峰峰值為500V，直流電源正對地（共模干擾）通道騷擾信號最大峰峰值為700V，MU 地線對銅排的騷擾信號電壓峰峰值為4 000V，CT 二次側(cè)A相對地騷擾信號電壓峰峰值為1 000V，CT 二次側(cè)A相電流通道騷擾信號峰峰值為200V。

將接入合并單元的CT 二次線與直流電源二次線分開之后，合并單元不再重啟。從時域波形圖看出，線扎起之后，直流電源通道（差模干擾）暫態(tài)騷擾信號峰峰值增加了約200V，合并單元地線對銅排的騷擾信號電壓峰峰值增加了約1 000V。這說明CT 二次線中的暫態(tài)騷擾信號與直流電源線和合并單元地線發(fā)生耦合，且在線扎起的時候，與直流二次線和合并單元地線的耦合騷擾信號更強(qiáng)。

前面分析了刀開關(guān)操作產(chǎn)生的電磁暫態(tài)騷擾時域波形特征。通常傅里葉變換可以用來分析信號的頻譜特性，但是傅里葉變換只提供了頻率信息，卻沒有提供時間信息。刀開關(guān)操作瞬間產(chǎn)生的電磁騷擾信號是一暫態(tài)信號，波形變化較快，若用傅里葉變換來分析此信號，則只能觀察整段時間內(nèi)的頻譜特性，無法分析信號的時頻聯(lián)合特征，而短時傅里葉變換（Short-Time Fourier Transform，STFT）可以同時提供信號的頻率和時間信息[4]。圖6是不同通道測得的電磁暫態(tài)騷擾信號時頻譜圖。圖中橫坐標(biāo)代表信號頻率，縱坐標(biāo)代表信號持續(xù)時間，填充顏色代表信號的功率譜強(qiáng)度。從時頻譜圖上可以看出，不同通道測得的時頻譜圖比較相似。在刀開關(guān)操作后的0.5μs 內(nèi)，波形較強(qiáng)，頻率主要分布范圍為0～40MHz，在20MHz時，頻譜最強(qiáng)。對于CT 二次側(cè)A 相電流通道，連續(xù)間斷出現(xiàn)若干串較強(qiáng)的脈沖，脈沖頻率范圍為0～20MHz。

圖6 電磁暫態(tài)騷擾信號時頻譜圖Fig.6 The time-frequency spectrum of the electromagnetic transient disturbance

3 結(jié)論與建議

變電站合并單元發(fā)生異常后，對產(chǎn)生異常現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析并采取了相關(guān)措施。通過第一階段、第二階段的處理，確認(rèn)了拉合刀開關(guān)時產(chǎn)生的電磁干擾通過CT 二次回路耦合到直流電源是合并單元發(fā)生重啟的真正原因。在第三階段處理中，對合并單元進(jìn)行了電磁兼容相關(guān)實(shí)驗并對合并單元進(jìn)行了升級改造，提高了設(shè)備在強(qiáng)電磁環(huán)境下的抗干擾能力。在合并單元升級改造之后，變電站再次送電，在送電過程中，測錄了刀開關(guān)拉合時產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁騷擾信號，并對騷擾信號的幅值、頻率等進(jìn)行了分析。通過對變電站異常情況的處理，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論和建議。

3.1 結(jié)論

（1）CT 回路在現(xiàn)場一次設(shè)備帶電操作過程中，會引入強(qiáng)烈的電磁干擾，該干擾波形可能通過 CT走線與設(shè)備其他部分的走線與裝置耦合，從而影響裝置正常運(yùn)行。

（2）在對合并單元進(jìn)行IV 級電快速瞬變干擾實(shí)驗和IV 級浪涌實(shí)驗時，合并單元裝置運(yùn)行正常，沒有出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象。當(dāng)對合并單元進(jìn)行遠(yuǎn)高于IV 級的電快速瞬變干擾實(shí)驗和浪涌實(shí)驗時，裝置開始出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象。在拉合刀開關(guān)時，合并單元曾經(jīng)出現(xiàn)過丟點(diǎn)現(xiàn)象，因此拉合刀開關(guān)對合并單元產(chǎn)生的干擾可能大于IV 級浪涌干擾和IV 級電快速瞬變干擾。

（3）從分析測錄的電磁騷擾信號的結(jié)果看，電壓通道的暫態(tài)騷擾信號波形變化較快，而電流通道的騷擾信號變化比較緩慢。對于電壓通道的騷擾信號，在刀開關(guān)操作后的0.5μs 內(nèi)，波形較強(qiáng)，頻率主要分布在0～40MHz，在20MHz時，頻譜最強(qiáng)。對于電流通道的騷擾信號，在刀開關(guān)操作后，連續(xù)間斷出現(xiàn)若干串較強(qiáng)的脈沖，脈沖頻率分布在0～20MHz。

（4）在第二階段處理中，將接入合并單元的CT二次線與直流電源二次線分開之后，合并單元不再重啟。從時域波形圖看出，線扎起之后，直流電源通道（差模干擾）暫態(tài)騷擾信號幅值變大，峰值增加了約200V。這說明了CT 二次線中的暫態(tài)騷擾信號與直流電源線耦合，且在線扎起的時候，與直流二次線耦合的騷擾信號更強(qiáng)。

3.2 建議

（1）建議將CT 二次線和其他線纜分開，以避免刀開關(guān)操作時的干擾通過CT 二次線耦合到其他線纜，從而干擾合并單元正常運(yùn)行。

（2）建議廠家在對就地智能設(shè)備進(jìn)行電磁兼容相關(guān)實(shí)驗時，適當(dāng)提高電磁兼容實(shí)驗等級。

（3）建議改進(jìn)合并單元機(jī)箱整體導(dǎo)電性能，機(jī)箱采用全導(dǎo)電方式加工，取消經(jīng)過背板電路板的通信方式或者加強(qiáng)經(jīng)過背板通信的抗干擾性能。

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