新一代智能變電站電子式電壓互感器異常分析*

丁津津，程志友，張倩，高博，汪玉，俞斌

（1.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，合肥 230601；2.安徽大學(xué)，合肥 230601）

0 引 言

近年來，隨著智能變電站和新一代智能變電站技術(shù)的快速發(fā)展，大量的新設(shè)備和新技術(shù)被應(yīng)用在變電站現(xiàn)場。比如新一代智能變電站規(guī)約、智能化的保護(hù)測控裝置、智能終端、合并單元、電子式互感器等等。而作為一次與二次電氣量轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵設(shè)備，電子式互感器大量應(yīng)用是智能變電站與傳統(tǒng)綜合自動化變電站的根本區(qū)別之一［1-3］。

2016年1月，安徽某110 kV新一代智能變電站在啟動過程中，全站8只電子式電壓互感器（Electronic Voltage Transformer，EVT）中的3只出現(xiàn)了多次異常，導(dǎo)致合并單元異常告警，閉鎖了相關(guān)保護(hù)裝置，使得站內(nèi)保護(hù)裝置失效［4-6］。此時如果發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)裝置將無法正確動作，可能導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大，產(chǎn)生惡劣影響。

本文從該站電子式電壓互感器的報(bào)文記錄與錄波波形出發(fā)，分析異常產(chǎn)生原因，推測二次側(cè)電壓變換器在開關(guān)沖擊下出現(xiàn)飽和是異常發(fā)生的直接原因。接著設(shè)計(jì)一種沖擊測試方法，在試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，并使用S變換分析電壓轉(zhuǎn)換器的輸出波形，驗(yàn)證理論和試驗(yàn)的正確性。最后提出整改方案，為類似原理的電子式電壓互感器整改和異常分析和提供借鑒和參考。

1 某新一代智能站電子式互感器異常分析

1.1 異常情況描述

2016年1月26日起，安徽第一座110 kV智能變電站啟動現(xiàn)場的110 kV側(cè)三個間隔的合并單元不定時發(fā)出“AD錯誤”異常告警信號，具體包括：#1主變A套保護(hù)裝置告警、#1主變A套保護(hù)裝置SV總告警、110 kV內(nèi)橋900開關(guān)合智一體A/SV異常、110 kV內(nèi)橋900開關(guān)保護(hù)裝置故障、110 kV內(nèi)橋900開關(guān)SV總告警、110 kV潛云933開關(guān)合智一體A/SV異常、110 kV潛浩912開關(guān)合智一體A/SV異常等。以主變保護(hù)間隔為例，該變電站現(xiàn)場異常情況如圖1所示。

圖1 主變保護(hù)間隔日志Fig.1 Log ofmain transformer protection

圖1中“采集通道03異常”表示存在通信中斷，“采集器［3］AD錯誤［動作］”表示采樣回路中ADC芯片的參考電壓異常。采集器監(jiān)測到ADC芯片的參考電壓異常后，置錯誤標(biāo)上送到合并單元。合并單元進(jìn)而發(fā)出“采樣異常”，閉鎖保護(hù)裝置相關(guān)功能。

1.2 異常報(bào)文與波形分析

綜合保護(hù)裝置等二次設(shè)備告警信息和合智一體化裝置日志文件，發(fā)出異常告警信息的電子式電流互感器采集器具體包括：110 kV內(nèi)橋900間隔第1組A/B/C相電子式電流互感采集器；110 kV內(nèi)橋912間隔第1組A/B/C相、第2組A/B/C相電子式電流互感器采集器；110 kV潛云933間隔第1組B/C相，第2組A相電子式電流互感器采集器。安徽電力科學(xué)研究院組織查詢了投運(yùn)以來至2016年3月2日的后臺SOE所有告警時間，統(tǒng)計(jì)如表1所示。

此次異常覆蓋裝有電子式電壓互感器的110 kV多個間隔，出現(xiàn)異常的采集器多，不屬于偶然性事件，判斷此類問題可能為此型號電子式電壓互感器的通用缺陷。

安徽某新一代智能變電站電壓互感器為支柱式電子式電壓互感器，在投運(yùn)過程中斷路器合閘后一段時間（約五分鐘至幾十分鐘）內(nèi)，全部8只電子式電壓互感器中的3只輸出波形畸變，隨后恢復(fù)正常，故障錄波器記錄的異常波形如圖2所示。

圖2 電子式互感器異常波形Fig.2 Abnormal wave of EVT

表1 合并單元日志文件分析Tab.1 Analysis on the log files of merging unit

2 某型號電子式電壓互感器結(jié)構(gòu)分析

新一代智能變電站現(xiàn)場安裝的某型號電壓互感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。一次傳感器由電容分壓器構(gòu)成，低壓臂C2的額定輸出電壓為100 V。在低壓臂兩端并聯(lián)一個變比為100：4 V的電壓轉(zhuǎn)換器T1，其輸出電壓作為采集器的輸入電壓。

圖3 某型號電子式互感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of EVT

根據(jù)初步分析，前述異常波形可能為電子式電壓互感器二次側(cè)的電壓轉(zhuǎn)換器鐵芯飽和倍數(shù)設(shè)計(jì)不足，在斷路器合閘過程中受到?jīng)_擊電壓及直流偏移電壓的影響，鐵芯產(chǎn)生飽和，同時可能因?yàn)樵骷?shù)原因?qū)е码娙萜鰿2與轉(zhuǎn)換器T1的諧振。

為驗(yàn)證故障原因，隨機(jī)選取多個同一型號的原廠電壓轉(zhuǎn)換器和一個新款電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行對比試驗(yàn)。從結(jié)構(gòu)上而言，新舊兩款電壓轉(zhuǎn)換器所使用的磁性材料相同，但新款轉(zhuǎn)換器的截面積比舊款大30%以上。測試新舊電壓轉(zhuǎn)換器的勵磁特性曲線，判斷其飽和程度，如圖4所示。從圖中可以看出，原廠的電壓轉(zhuǎn)換器均存在著飽和點(diǎn)較低的現(xiàn)象，沒有達(dá)到2倍額定電壓（8 V）就紛紛進(jìn)入飽和區(qū)，而新款電壓轉(zhuǎn)換器在2倍額定電壓以內(nèi)完全呈線性狀態(tài)。

圖4 電壓轉(zhuǎn)換器勵磁曲線波形Fig.4 Excitation curve of voltage converters

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

從原廠的轉(zhuǎn)換器選擇飽和最快與最慢的兩只轉(zhuǎn)換器和新款電壓轉(zhuǎn)換器，搭建試驗(yàn)平臺。通過在電壓互感器一次端子施加額定電壓，并用斷路器實(shí)現(xiàn)一次電壓的開斷，以再現(xiàn)該站現(xiàn)場的異常波形。并觀察在同一電容分壓器上使用現(xiàn)場舊款電壓轉(zhuǎn)換器和使用新款電壓轉(zhuǎn)換器的互感器輸出波形。

3.1 現(xiàn)場異常波形的再現(xiàn)

用飽和特性較差的舊電壓轉(zhuǎn)換器做試驗(yàn)，試驗(yàn)回路如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)接線示意圖Fig.5 Sketch of test connection

在一次施加額定電壓Un，斷路器合閘時若干個周波出現(xiàn)飽和，波形與某新一代智能變電站現(xiàn)場異常波形一致，如圖6所示。需要指出的是，異常波形在數(shù)個周波內(nèi)即可恢復(fù)。

圖6 飽和性較差的舊款電壓轉(zhuǎn)換器在Un沖擊下的輸出波形Fig.6 Output waveform from old voltage converter with poorer magnetic saturation under Un impact

一次施加1.1Un，斷路器合閘時出現(xiàn)飽和，異常波形與一次施加Un時一樣，但持續(xù)時間達(dá)到5 s左右，如圖7所示。

圖7 飽和性較差的舊款電壓轉(zhuǎn)換器在1.1Un沖擊下的輸出波形Fig.7 Output waveform from old voltage converter with poorer magnetic saturation under 1.1Un impact

一次施加1.2Un，斷路器合閘時出現(xiàn)飽和，波形與現(xiàn)場一樣，持續(xù)5 min以上未恢復(fù)正常，如圖8所示。當(dāng)一次電壓從76 kV降至70 kV時立刻恢復(fù)正常，此時鐵芯退磁。

圖8 飽和性較差的舊款電壓轉(zhuǎn)換器在1.2Un沖擊下的輸出波形Fig.8 Output waveform from old voltage converter with poorer magnetic saturation under1.2 Un impact

在PT旁邊并接負(fù)載電容C，值為5 000 pF，如圖9所示。重復(fù)上述試驗(yàn)，試驗(yàn)波形和飽和持續(xù)時間無明顯變化，這說明試驗(yàn)結(jié)果與系統(tǒng)容性負(fù)載大小關(guān)系不大。

圖9 增加負(fù)載電容試驗(yàn)接線圖Fig.9 Sketch of test connection with load capacitance

3.2 現(xiàn)場PT差異性的驗(yàn)證

該變電站現(xiàn)場共8只PT，其中3只出現(xiàn)波形異常，這說明現(xiàn)場PT存在差異，為驗(yàn)證電壓轉(zhuǎn)換器的飽和特性差異會導(dǎo)致PT輸出差異，用飽和特性較好的舊款電壓轉(zhuǎn)換器重復(fù)上述試驗(yàn)用以對比。

在1.0Un與1.2Un試驗(yàn)電壓下，兩組轉(zhuǎn)換器試驗(yàn)結(jié)果并無差別，而當(dāng)一次施加1.1Un，斷路器合閘時出現(xiàn)飽和時間下降到約2個周波，相對使用飽和特性較差的電壓轉(zhuǎn)換器時出現(xiàn)5 s左右飽和較好，如圖10所示。

3.3 新款電壓轉(zhuǎn)換器的試驗(yàn)

用新款電壓轉(zhuǎn)換器按圖3的接線進(jìn)行試驗(yàn)。依次施加一次電壓Un、1.1Un、1.2Un和1.5Un，斷路器合閘時前幾個周波出現(xiàn)直流偏置，隨后波形完全恢復(fù)正常。這說明新款電壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的飽和倍數(shù)裕度較大，如圖11所示。

圖10 飽和特性較好的舊款電壓轉(zhuǎn)換器在1.1Un沖擊下的波形Fig.10 Output waveform from old voltage converter with better magnetic saturation under 1.1Un impact

圖11 新款電壓轉(zhuǎn)換器 Un、1.1Un、1.2Un和1.5Un時的波形Fig.11 Output waveform from new voltage converter under Un/1.1Un/1.2Un/1.5Un impact

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證導(dǎo)致電壓互感器異常輸出的原因，設(shè)計(jì)了三組試驗(yàn)，方案如圖12、圖14、圖16所示，通過示波器分別監(jiān)測外加電容分壓器二次端、電子式電壓互感器分壓器輸出端、電子式電壓互感器電壓轉(zhuǎn)換器（現(xiàn)場所用舊款電壓轉(zhuǎn)換器）輸出端三個點(diǎn)的電壓。

第一組試驗(yàn)中，電子式電壓互感器為完整結(jié)構(gòu)，在1.3倍額定電壓下合斷路器，示波器采集信號如圖12所示。從結(jié)果可看出外接分壓器輸出信號良好（圖13通道1，下同），而電子式電壓互感器100 V（圖13通道2，下同）、4 V端口（圖13通道4，下同）均出現(xiàn)波形畸變，其中4 V端口畸變波形了互感器最終輸出波形一致。

在第二組試驗(yàn)中，去掉采集單元，僅保留電容分壓器與電壓轉(zhuǎn)換器，如圖14所示，進(jìn)行同樣試驗(yàn)，測試波形如圖15所示。結(jié)果與上述第一組試驗(yàn)完全一致，可排除采集單元導(dǎo)致的異常。

圖12 完整結(jié)構(gòu)電子式電壓互感器開斷試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Complete structure diagram of EVT breaking test

圖13 完整結(jié)構(gòu)電子式電壓互感器輸出波形Fig.13 Output waveform from EVT with complete structure

圖14 去掉采集單元后開斷試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.14 Breaking test diagram without acquisition unit

圖15 去掉采集單元后波形Fig.15 Output waveform without acquisition unit

在第三組試驗(yàn)中，去掉采集單元與電壓轉(zhuǎn)換器，僅保留電容分壓器，如圖16所示，進(jìn)行同樣試驗(yàn)，測試波形如圖17所示。異常波形消失，可判斷分壓器輸出無異常，輸出異常由電壓轉(zhuǎn)換器導(dǎo)致。

圖16 去掉采集單元和電壓轉(zhuǎn)換器開斷試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.16 Breaking test structure diagram without acquisition unit and voltage converter

圖17 去掉采集單元與電壓轉(zhuǎn)換器后采集波形Fig.17 Output waveform without acquisition unit and voltage converter

4 基于S變換的理論分析

本文使用基于S變換的動態(tài)諧波檢測方法［7］，對電子式電壓互感器的輸出波形進(jìn)行檢測，該方法使用窗口寬度與頻率成反比的高斯窗，對實(shí)際信號進(jìn)行諧波檢測。

S變換是由 Stockwell提出的［8］，一種可逆的局部時頻分析方法。該變換可對連續(xù)小波變換和短時傅立葉變換兩者的延伸。將屬于L2（R）空間的信號h（t）在小波基下展開，表達(dá)式為：

將小波變換乘上一相位因子，可得到S變換：

為了滿足小波零均值允許條件，將S變換進(jìn)一步寫成：

那么，信號h（t）的頻譜H（f）就是

將式（3）改寫成

其中通過解析相位φ（τ，f0）可求出某一段時間內(nèi)的瞬時頻率［9-10］：

使用式（1）～式（6）中的S變換分析舊款電壓轉(zhuǎn)換器的電子式互感器在開關(guān)閉合瞬間的波形，如圖18所示。

圖18 舊款電壓轉(zhuǎn)換器輸出原始信號及S變換頻譜Fig.18 Output waveform and S-transform frequency spectrum of old voltage converter

裝載舊款電壓轉(zhuǎn)換器的電子式電壓互感器在開關(guān)閉合后仍存在著明顯的諧波，其中以3次諧波和20 Hz、75 Hz和120 Hz的間諧波含量最大，總諧波畸變率達(dá)到了30.16%，說明這款電壓轉(zhuǎn)換器特性不佳，在開關(guān)閉合的沖擊下，會產(chǎn)生大量諧波，不能滿足電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用。

使用式（1）～式（6）中的S變換分析新款電壓轉(zhuǎn)換器的電子式互感器在開關(guān)閉合瞬間的波形，如圖19所示。

裝載新款電壓轉(zhuǎn)換器的電子式電壓互感器在開關(guān)閉合后很快正常輸出工頻電壓信號，基波含量大，幾乎沒有諧波產(chǎn)生，總諧波畸變率為1.04%，說明這款電壓轉(zhuǎn)換器特性良好，在開關(guān)閉合的沖擊下，基本不會產(chǎn)生諧波，可滿足電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用。

圖19 新款電壓轉(zhuǎn)換器輸出原始信號及S變換頻譜Fig.19 Output waveform and S-transform frequency spectrum of new voltage converter

5 結(jié)束語

本文通過試驗(yàn)和信號分析，對比了新舊兩款電子式互感器在開關(guān)閉合瞬間輸出的波形，分析結(jié)果表明了使用了新款電壓轉(zhuǎn)換器后，電子式電壓互感器輸出的電壓波形有了明顯的改善，避免了產(chǎn)生大量諧波，能滿足電子式電壓互感器的應(yīng)用需求。

（1）通過對上述試驗(yàn)分析可以得出，安徽某新一代智能變電站投運(yùn)時出現(xiàn)波形畸變的問題就是由于電壓轉(zhuǎn)換器飽和倍數(shù)設(shè)計(jì)裕度不足所致，同時，由于電壓轉(zhuǎn)換器存在個體差異，元器件入廠檢測缺乏，導(dǎo)致現(xiàn)場8只電子式電壓互感器中3只出現(xiàn)異常。使用飽和倍數(shù)更高的新款電壓轉(zhuǎn)換器可解決電子式電壓互感器投運(yùn)時波形畸變的問題；

（2）某廠家在現(xiàn)場使用的電壓轉(zhuǎn)換器與之前型式試驗(yàn)與性能檢測中的電壓轉(zhuǎn)換器不一致，是導(dǎo)致故障的根本原因；

（3）建議某廠家產(chǎn)品在更換電壓轉(zhuǎn)換器后補(bǔ)充進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)、雷電沖擊試驗(yàn)與隔離刀閘分合操作試驗(yàn)，對電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度試驗(yàn)等，充分驗(yàn)證其可靠性。通過驗(yàn)證后將現(xiàn)場所有同型號的舊款電壓轉(zhuǎn)換器更換為新款電壓轉(zhuǎn)換器，對其他型號的電壓互感器應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行分析與試驗(yàn)排查。

本文最后介紹了改進(jìn)的S變換，并使用其對新舊兩款電壓轉(zhuǎn)換器的輸出波形進(jìn)行了頻譜分析，發(fā)現(xiàn)舊款電壓轉(zhuǎn)換器在開關(guān)閉合的沖擊下，輸出信號存在多種間諧波、總諧波畸變率為30.16%，無法滿足在電網(wǎng)正常應(yīng)用。而新款電壓轉(zhuǎn)換器能有效輸出工頻電壓波形，總諧波畸變率僅為1.04%，基本不會產(chǎn)生諧波，可滿足電網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用。