變電站地電位升測試系統的研發及其應用

張大雨，陳明，邢琳，任紅昕，吳景梅，李慧奇

（1.華北電力大學河北省輸變電設備安全防御重點實驗室，河北保定071003；2.國網河北省電力公司經濟技術研究院，石家莊050000）

0 引 言

變電站的接地網為站內各種電氣設備提供了公共參考地，當系統發生接地短路或雷擊故障時，故障電流在接地體上的壓降將引起接地體電位升高，如地電位升高超過一定限制時，就會危及設備和人員的安全［1］。流過接地網中的電流還會通過接地網的傳導耦合在二次電纜上產生干擾電壓［2］。從上世紀60年代開始，美國電力研究院歷時二十余年完成了變電站電磁瞬態的研究工作，主要包括變電站電磁環境測量系統的開發、變電站瞬態電磁干擾模型的建立以及變電站電磁環境的測量等［3-4］。華北電力大學研制了瞬態電磁場測量系統，建立了變電站一次設備耦合模型，提出了電磁場的頻域數值分析方法。地電位升高的現場測量一般采用人工注入工頻電流或人工引雷試驗［5］來模擬短路和雷擊狀態下接地網地電位升分布。

針對雷擊地電位升高幅值、寬頻帶的特性，選用高分壓比傳感器和高精度數據處理模塊實現對電壓信號的采集；自備工作電源和屏蔽箱，消除了變電站自身電磁環境和地電位升高對測試系統的影響。基于Labview開發了測試系統軟件，進一步增強了信號采集系統的數據處理能力。在變電站模擬雷擊地電位升現場試驗中準確獲取了不同測點間地電位升電壓和二次電纜騷擾電壓，驗證了測試系統的有效性，也為變電站地電位升特性分析和二次電纜抗騷擾積累了原始數據。

1 測試系統硬件設計

由于變電站自身復雜的電磁環境特點，測試系統首先要具有良好屏蔽性能，保證其能在雷電或隔離開關操作產生的惡劣電磁環境下正常工作。直擊雷引起的變電站地電位升高可達幾十千伏，頻率可達數十兆赫茲，這就要求測試系統要具有較大分壓比和較寬的頻帶。測試系統需自帶工作電源，可以長時間連續運行，同時防止干擾信號由電源線引入進而影響測量結果。測試系統的引入不能影響被測設備的正常運行，且具有可靠的通信能力和遠程監控能力，可以遠程控制和處理測量數據［6］。

測試系統硬件主要包括信號采集部分、獨立不間斷電源部分、通信模塊和屏蔽部分組成見圖1。

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure block diagram

1.1 信號采集部分

信號采集部分包括信號傳感器和數據處理模塊，雷擊造成的地電位升高在極端情況下可達幾十千伏，而后續數據處理等模塊都為低壓電子設備，因此信號傳感器電壓上限不應小于30 kV，分壓比應大于500：1。雷電流具有較寬頻帶特性，信號傳感器帶寬應在30 MHz以上。同時，信號傳感器的接入不能產生負載效應，輸入阻抗不小于100 MΩ。數據處理模塊將傳感器采集的模擬信號進行模數轉換，模擬帶寬應大于75 MHz，采樣率應大于1 GS/s。在滿足上述參數要求的基礎上，綜合考慮技術經濟性，信號傳感器采用P6015A型無源高壓探頭，信號處理模塊選用TDS2024C數字存儲式示波器。P6015A由探頭和補償盒兩部分組成，探頭與補償盒以及連接導線采用了等電位屏蔽技術，在強電場壞境中具有較好的抗干擾能力。采用兩級分壓結構，分壓電路如圖2所示。第一級分壓在探頭部分，由R1、R2構成，在A點獲得輸入電壓100：1的衰減電壓；第二級分壓在補償部分，由R3、R4和補償電容C1、C2構成，將A點的電壓再進行10：1的衰減，并進行高頻補償，最終在B點獲得1 000：1的衰減輸出電壓提供給示波器［7］。

圖2 高壓探頭分壓電路圖Fig.2 High voltage probe divider circuit diagram

示波器將探頭采集來的模擬信號進行數字化處理和存儲，高達2 GS/s的采樣率保證了數字化的準確性。二者的組合在滿足測量需求的同時還具有緊湊的結構，減小了測試系統的體積。結合后續的示波器軟件開發，降低了數據處理對示波器存儲深度的硬性要求。

1.2 電源和通信部分

系統電源采用大容量鋰電池和逆變器的組合，電池容量60 AH，配合穩壓電路，穩定輸出12 V直流電，經逆變器逆變為220 V正弦波交流電，為示波器和通信模塊供電，可支持測試系統連續工作24 h以上。屏蔽箱中的通信模塊將示波器輸出電信號轉換為光信號，與二次設備室中對應的通信模塊間采用光纖連接，二次設備室中的通信模塊將光信號轉換為電信號，與上位機間采用USB線連接。上位機的選擇可單獨配置一臺計算機，也可與變電站監控系統共用一臺上位機電腦。避免現場電磁環境對數據傳輸的影響，保證了數據的準確性。

1.3 箱體屏蔽

針對測量環境和測試對象的特殊性，上述測量儀器全部放入自制屏蔽箱內。屏蔽箱采用封閉式設計，留有測量引線引出孔，采用絕緣滑輪支撐，移動方便，根據不同測量需求，可實現與被測設備的單點接地或浮地。測量地電位升時應避免兩點或多點接地，以免地電位升高對測量系統造成影響。測量引線應采用帶屏蔽的同軸電纜或外加金屬管作為屏蔽。GB/T 17626系列指出變電站屬于典型工業環境，工作在其中的電子設備電磁抗擾度水平應達到3級。經河北省電子信息產品監督檢驗院專項硬件檢測，測試系統功能正常，屏蔽性能良好，對變電站典型電磁環境如靜電放電、工頻磁場、脈沖磁場的抗干擾能力高于國標要求，達到4級抗擾度水平。

2 測試系統的軟件設計與實現

基于Labview開發了測試系統與上位機的數據交互軟件。Labview提供多種不同接口測試儀器的驅動程序，還支持VISA、SCPI和IVI等最新的程控軟件標準。VISA（虛擬儀器體系結構）標準兼容USB、網口等多種硬件接口［8］，可實現與各種儀器總線的通信［9］。SCPI（可編程儀器標準命令）是標準化的程控儀器編程語言，通過VISA調用SCPI命令完成計算機與測試系統的通信連接，實現了測試系統的遠程控制和測量數據的傳輸和保存。由于Labview模塊化的圖形語言和SCPI命令良好的兼容性，測試系統軟件具有良好的可讀性和可移植性，極大地方便了測試系統軟件的后期維護和擴展。

2.1 測試系統連接

根據測試性能要求選擇的TDS2024C數字示波器采用USB通信，相較于傳統的串口通信，USB通信減少了串口參數設置的環節［10］，提高了數據傳輸速率和外接設備總數，并具有即插即用和熱插拔功能。安裝測試系統軟件后的計算機即可作為測試系統上位機，與測試系統經通信模塊連接后，上位機自動識別外接設備的物理地址，選取測試系統對應地址即可完成連接。要實現被測信號的正確顯示，首先要進行示波器的狀態設置，主要包括信號通道選擇、觸發設置和X/Y軸范圍設置。為了方便使用，創建了與傳統示波器類似的控制界面。當近距離操作示波器有困難時，即可通過上位機遠程操作示波器來完成調試。

2.2 數據獲取與存儲

通過VISA寫入子VI向示波器發送波形查詢命令，示波器接收命令后將獲取的波形數據返回到上位機，然后利用VISA讀取子VI從指定資源名稱的設備或接口中讀取返回數據，并使數據緩存到讀取緩沖區。緩存在讀取緩沖區中的數據中除了波形數據外還包含儀器型號和命令格式，且是以字符串格式存在的，需要進行篩選和數據類型轉換，讀取緩沖區的空間大小設置要和緩存數據量相匹配。

圖3 軟件程序圖Fig.3 Software program diagram

首先查詢數據編碼形式，將數據轉換為十進制數據后結合示波器當前狀態，包括信號通道和衰減倍數、X/Y軸增量、起始點和偏移量進行計算，得到正確的波形數據。軟件采用與示波器相似的顯示界面。開發了文件管理功能，波形數據以時間命名自動保存在上位機上，并可對已保存的數據文件進行打開、查看和刪除。通過將示波器采集到的數據同步傳輸給上位機，實現了長時間測量的目的，突破了存儲空間的限制，降低了較長時間段內對采樣率和存儲深度的硬性要求。經河北省電子信息產品監督檢驗院專項軟件檢測，測試系統軟件操作簡便、功能正常，軟件程序如圖3所示。

3 測試系統的現場應用

使用該測試系統在某220 kV變電站進行現場實際測量。針對變電站地電位升高和試驗用屏蔽電纜進行了具體試驗，獲得了浪涌電壓作用于變電站主地網時的地電位分布和二次電纜端口騷擾電壓時域波形。試驗布置示意圖如圖4所示［11］，在P、N點間加入浪涌信號，以P為參考點，測量各個測量點（C0～C3）地電位升高情況。

圖4 試驗布置示意圖Fig.4 Sketch map of test arrangement

圖5 浪涌電壓波形Fig.5 Surge voltage waveform

浪涌發生器輸出電壓幅值3 kV，波形如圖5所示。高壓輸出端接7#避雷針接地引線，低壓輸出端接6#避雷針接地引線。覆蓋全部主變及110 kV戶外配電裝置區域。現場測量點分布如圖6所示，自東向西測量沿虛線a布置的9個戶外柜接地引線處地電位升和屏蔽電纜不同接地方式下端口騷擾電壓，為降低干擾，使用帶屏蔽層的測量引線將測試點電壓引入測試系統，記錄電壓的數值和波形。1～9號測量點地電位升波形如圖7所示，電壓峰值結果見表1。

圖6 測量點分布Fig.6 Measuring points distribution

圖7 測量點地電位升Fig.7 Ground potential rise of measurement points

由于電流在接地網中的反射和疊加，造成了電壓波形的畸變。通過測量數據可以看出，接地網地電位升從激勵注入點向四周降低。3、4號測點間電壓梯度突增，除去浪涌電壓本身對接地網的沖擊特性外，3、4號測點間還可能存在電氣連接不均的問題。通過測試系統的長期測量，積累更多測量數據，對分析接地網的電氣性能和沖擊電位分布特性都有重要意義。

表1 測量結果峰值Tab.1 Peak value of measurement result

連接二次設備的電纜兩端接地方式不同時，地電位升高對電纜端口造成的騷擾電壓也不同。U1為電纜兩接地端都接在一次地網時騷擾電壓，U2為電纜一端接一次地網，一端接二次地網時的騷擾電壓，具體波形如圖8所示。可見U1＞U2，二次電纜接二次地網減小了地電位升對電纜的騷擾電壓，對二次電纜的敷設具有一定的指導作用。

圖8 不同接地方式下電纜端口騷擾電壓Fig.8 Disturbance voltage of cable port under different grounding modes

4 結束語

針對變電站現場特殊環境和被測對象高幅值、寬頻帶的具體特征，設計了一套結構緊湊、效果良好的，適用于變電站現場應用的地電位升測試系統。通過現場試驗，測試系統準確獲取了浪涌電壓作用下接地網地電位升和二次電纜端口騷擾電壓，并將測量數據實時上傳到計算機，證明了測試系統的可靠性和實用性。也為變電站接地網故障診斷、電力設備接地和二次電纜的敷設提供了分析依據。