一起智能變電站跳閘事故分析與改進方案

張 平，楊朋威，王 達，劉春暉，周立超

(1．國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020；2.內蒙古工業大學電力學院，內蒙古 呼和浩特 010080)

電子式互感器是智能變電站的核心設備之一，與傳統電磁式互感器相比，電子式互感器具有體積小、重量輕、頻帶響應寬、無飽和現象、無油化結構、絕緣可靠等諸多優點[1]。但電子互感器也存在易受電磁干擾、采集卡供能不穩定而造成采集數據異常或丟失導致保護誤動作等技術難題，因其采集器的二次輸出為弱電信號，一般在200 mV～5 V，對于GIS設備，極易受到強電磁環境的影響。當隔離開關或斷路器操作時產生的快速暫態過電壓(VFTO) 可能引起電子式互感器采集卡采集的數據異常甚至損壞等問題，依然嚴重困擾著電子式互感器的大面積推廣應用[2]。

VFTO的產生是由于GIS內隔離開關、斷路器、接地開關、負載開關等裝置操作引起的電弧重燃現象，是金屬封閉開關電器特有的一種暫態過電壓。通常GIS在分合時，觸頭間可能會發生重擊穿，產生波頭很陡的行波，在GIS內發生多次反射，從而形成頻率很高的操作過電壓[3]。VFTO有以下幾個特征。

a.幅值：VFTO的幅值大小取決于一次設備參數，一般情況下快速暫態過電壓幅值在2.5 p.u.以內，個別情況在3.0 p.u.。

b.頻率：VFTO的頻率范圍較廣，可由0.1 Hz到100 MHz，其中數十MHz的高頻振蕩分量是VFTO的主要成分。

c.波前陡度：VFTO的上升時間極短，波前陡直，只需5～20 ns即可達到峰值[4]。

在某智能變電站完成檢修恢復送電過程中，該站電子式互感器出現異常并導致保護動作跳閘。本文對此進行分析，并提出有效的改進措施，為后續智能變電站電子式互感器的現場運維及事故處理提供借鑒。

1 事故過程

某220 kV智能變電站220 kV系統采用雙母線接線方式，一次設備為HGIS(Hybrid Gas Insulated Switchgear)組合電器，并采用電子式電流、電壓互感器，一次接線方式如圖1。故障前Ⅰ、Ⅱ母經母聯開關并列運行，線路A按計劃停電檢修，站內一、二次設備運行無異常。操作前線路A對側變電站的斷路器處于分位。

圖1 某變電站一次主接線圖

根據線路2套PCS-931線路保護裝置原理，圖2、圖3為對站及本站差動保護邏輯框圖，當滿足邏輯時差動保護動作。

圖2 對站差動保護邏輯框圖

圖3 本站差動保護動作邏輯框圖

某日220 kV線路A空充過程中，線路2套PCS-931裝置差動保護動作，保護動作時，兩套保護的SV電流通道采樣均有效，不閉鎖差動保護。 當發生跳閘異常期間，故障線路本站斷路器處于合位，對站斷路器處于分位，本站裝置采集到的電流即為差動電流。本站A套保護C相電流4.995 A(差動動作電流定值：2.24 A)；B套保護B相電流4.268 A(差動動作電流定值：2.24 A)、C相電流6.244 A(差動動作電流定值：2.24 A)；均滿足差動保護動作條件(對站相同)。

通過以上分析，可判斷在本次空充線路過程中，線路A、B套保護均采集到滿足差動保護動作條件的電流，且SV電流采集有效，致縱聯差動保護動作，線路A、B套保護動作行為正確。故障錄波文件中，線路A的電壓電流波形圖如圖4所示。

圖4 故障時刻電壓電流波形

由圖4看出，在故障時刻線路C相電壓遠遠低于正常電壓，具有單相接地故障特征，但是A、B、C三相電流不符合單相接地故障特征，調閱220 kV母線電壓波形，發現母線電壓未出現明顯波動和電壓降低情況，且線路A、B套保護電流不一致。綜合分析，初步判斷保護跳閘時刻系統無故障，異常電流是由于采集卡輸出異常而造成，同時將輸出異常的電流量、電壓量發送給保護裝置，造成保護動作。

2 故障查找與原因分析

綜合分析保護動作情況、保護錄波波形及現場試驗情況，可得出結論：此次保護動作是由于電子式互感器采集器受到干擾導致輸出異常造成的。電子式互感器采集器通常受到干擾的主要原因是在變電站HGIS結構中，斷路器及隔離開關分合過程中產生了快速暫態過電壓，從而干擾了電子式互感器采集器的采樣，導致輸出異常波形。

電子式電流互感器主要由一次傳感單元、采集單元組成，結構如圖5所示。下面對每個部分受到的干擾情況進行分析。

(a)

(b)圖5 互感器外觀和接線原理示意圖

a.一次傳感單元所受干擾分析

由于空心線圈的頻帶較寬，對于暫態的高頻大電流信號，可能使空心線圈感應出很高的電壓信號，對空心線圈本身產生影響，或通過電氣連接線直接傳輸至采集單元，對采集單元產生影響。當被測電流幅值為10 kA，在電流頻率為工頻50 Hz時空心線圈輸出電壓為0.2 V；而在電流頻率為300 kHz時，空心線圈輸出電壓理論值為1 200 V，因此一次設備操作過程中產生的暫態高頻信號將對線圈本身和采集卡的安全工作帶來嚴重影響。

b.采集單元所受干擾分析

采集單元放置在金屬屏蔽盒內，對外有信號輸入、輸出和電源接口。采集單元可能受到兩個方面的干擾：一是隔離開關開合時空心線圈感應出的暫態信號直接通過電氣連接線傳遞到采集單元的電路中；二是隔離開關開合時的瞬態電磁場以電磁輻射的形式干擾采集單元電路的正常工作。由于該站電子式互感器采集卡就地安裝于和GIS設備相連的箱體內，采集卡及相關二次電纜處于電磁嚴重污染的環境中。在隔離開關、斷路器操作過程中產生VFTO，尤其是GIS中隔離開關在投切空載短引線時，由于觸頭兩端存在電壓差且合閘速度緩慢，SF6氣體間隙會發生多次擊穿并導致電弧重燃，由此產生的電壓行波在GIS內部傳播，遇到波阻抗不連續的地方會發生折反射并不斷疊加，最終形成VFTO。VFTO的高頻振蕩特性既能使其通過電子式互感器的雜散電容傳入二次設備，還會通過輻射耦合的方式使GIS外殼上出現頻率達數十MHz的瞬態電流，在空間內激發出高頻暫態電磁場，使輸入采集卡的模擬信號和信號對地電位都會受到影響。

一般情況下，在采集卡AD采樣回路前端設計防護和濾波電路來屏蔽電磁干擾(如圖6所示)。圖6中器件T1是TVS型防護器件，用來對較高的操作過電壓幅值進行箝位，后端的兩階RC濾波電路對高頻干擾進行濾波。但當MHz級高頻干擾信號進入圖6所示的采集單元模擬前端電路時，陶瓷貼片電容C8、C9呈感性特征。從實際效果來看，上述防護、濾波電路對MHz級干擾信號的濾除作用較差，采集單元運行狀態將受到影響。此外，由于現場所用采集單元采用實地設計思路，即采集單元二次回路與一次回路共地，導致高頻干擾通過接地回路引入采集單元。采集單元的二次地電位不穩定，VFTO干擾信號無法全部泄放而進入AD采樣回路，直接導致其硬件無法正常工作，采集器輸出異常采樣值。

圖6 采集單元前端設計原理示意圖

3 整改方案

3.1 更換采集卡，選用浮地設計的前端防護回路

采集單元前端防護回路采用浮地設計思路，即信號地(二次系統)與機殼地(一次系統)不導通，信號是浮地，操作過電壓高頻信號無法通過采集單元的接地直接進入采集單元的二次回路。這樣，盡管變電站改變運行方式或隔刀操作時，地電位抬升并伴隨高頻的干擾信號，但這些干擾信號無法直接進入采集單元，采集單元依然可以穩定運行。

浮地設計的前端防護回路原理如圖7所示。

圖7 改進的采集單元前端設計原理示意圖

圖7中電路完成箝壓、限流、濾高頻干擾功能，由防護器件、電感、電容等無源器件組成，實現對互感器一次傳感單元引出模擬信號的防護、濾波功能。模擬信號首先進入防護、濾波回路，隔刀操作時產生的高壓、高頻干擾信號疊加在模擬信號上，但這些干擾信號經過回路后大幅衰減。這樣較為干凈的模擬信號再接入采集單元，由采集單元實現數據采集、轉換并上送到合并單元的功能。

3.2 更換采集卡的安裝位置

為減小一次設備操作中產生的VFTO對采集卡等二次設備的影響，將采集卡安裝位置轉移至斷路器旁的采集箱內，如圖8(a)，并對信號線采取雙層屏蔽措施，外層單端接地，內層采用浮地方式。另外，采集器外殼采用浮地設計，增加抗共模干擾能力，在其底部墊環氧板，安裝孔處加絕緣墊片，效果如圖8(b)。

3.3 降低一次設備外殼接地電阻，接地點由一點改為多點

通過加強接地，降低GIS設備外殼至地網之間的電感值，使快速暫態過電壓快速引入地網以降低作用于電子式互感器設備上的過電壓幅值。

(a)

(b)圖8 采集卡安裝箱及其底部浮地設計的環氧板

考慮設備改造周期及改進效果，此站采用更換采集卡、調整操作方案的措施，采用改進方案2，再次投運后該變電站順利投運并穩定運行，驗證了方案的有效性。

4 結束語

本文基于變電站實際工程中出現的問題，查找了故障原因并進行了分析，研究了斷路器、隔離開關操作產生的VFTO對電子式電流互感器輸出的影響，提出了3種有效的改進措施和方案，并驗證了方案的可行性。本文的研究對同類智能變電站的現場運維具有一定的借鑒作用。