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1、说明：文中技术只通过中国工控网发布，望能保护作者合法权益。GIS 用互感器的传递过电压测量装置设计王彦金，王巍(武汉楚为志远信息科技有限公司，武汉，430074)摘要：为了测量 GIS 用互感器的传递过电压，本文利用实验室虚拟仪器工作平台 Lab VIEW 8.6（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench） ，研制一套适用于互感器传递过电圧试验的测量控制装置。通过该测控装置测量了 110kV GIS 电压互感器的传递过电压，试验结果表明该装置的B 类冲击波产生、控制和测量均能满足国家标准和 IEC 标准的要求，且使用灵活方便，可靠性
2、高，能很好运用于互感器型式试验中传递过电圧的测量及研究传递过电圧的传递特性。关键词：GIS；电压互感器；B 类冲击波；传递过电压；测量装置0 引 言气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear, GIS）中隔离开关例行操作常会引起频率 1-100MHz 的特快速瞬态过电压（VFTO ） 1-2。电力系统的正常运行中如果这种过电压从高电压系统传递到低电压系统，就有可能对低电压系统的电器设备造成损害，影响电气设备的安全运行 3-4。GIS 电压互感器本身就是电容分压和电磁感应原理进行电压测量的线路器件。由于GIS 电压互感器接于线路对地之间，所以这种过电压要传递到二次测量回路
3、，使二次测量设备承受来自一次回路的传递过电压，在 GIS 运行中也出现过互感器传递过电压造成二次设备危害的问题 5-6。为了降低传递过电压对二次设备的危害，互感器国家标准 GB20840.1-2010 规定从互感器一次侧传递到二次侧的传递过电压峰值不大于 1.6kV，同时规范了施加到一次侧的过电压波形。标准中对气体绝缘金属外壳全封闭式组合电器（GIS）用的互感器的传递过电压试验要求施加 B 类冲击电压波，其波前时间为 10（120%）ns ，波尾时间大于 100ns，传统的 MARX 回路冲击发生器很难满足试验要求。如：德国Arches 大学、慕尼黑大学、西安交通大学、清华大学均采用小型冲击发
4、生器与陡化间隙相结合的方法研制的 VFTO 模拟发生器产生的波形波前时间均为 20-50ns，幅值为几十 KV 到 1MV7-9。由于冲击电压发生器回路及高压引线电感会影响冲击源向陡化间隙提供能量的速度，导致陡化间隙击穿后输出电压的上升时间和主振荡频率难以达到标准要求的 10ns 时间要求。因此本文基于 Lab VIEW 8.6 平台，研制了一套满足标准要求的 B 类冲击波试验的便携式测控装置并对 110kV GIS 电压互感器的传递过电压进行了测量分析。1 传递过电压的测量原理1.1 B 类冲击波的产生如同雷电波一样必须将特快速瞬态电压波标准化。目前，电压互感器新标准 GB 20840.1-
5、2010 已将 VFTO 定义为冲击波分为二类：A 类冲击波和 B 类冲击波。A 类冲击波，适用于空气绝缘变电站用的电压互感器；B 类冲击波，适用于气体绝缘金属外壳全封闭用的电压互感器（GIS） 。在实验室进行 GIS 电压互感器的传递过电压测量，标准中 VFTO 波形的定义，分类和要求见表 1。表 1 GIS 电压互感器的传递过电压标准冲击波类型 A B施加电压峰值(U p) mU326.m.1波形参数：常规波前时间(T1) a半峰值时间(T2)波前时间(T1)波尾时间(T2)0.5(120%)us50us10(120%)us100ns传递过电压峰值限值(Us)b 1.6kV 1.6kVa其
6、波形参数代表了开关操作引起的电压振荡b经制造方与用户协商，可选取其他的传递过电压限制标准的 B 类冲击波如图 1 所示：说明：文中技术只通过中国工控网发布，望能保护作者合法权益。图 1 B 类波形由于 B 类冲击波的波前时间为10（120%）ns，波尾时间大于 100ns，与阶跃波类似，因此可以通过对直流电源进行开关合闸来产生。试验电路图如图 2所示。图 2 阶跃波发生电路可知单位阶跃函数为：（1） 01)(tt当试验回路中含有电容电感且开关动作具有响应时间时，图 3 所示的试验电路产生的波形会与标准阶跃波形有所差异。(a) 标准阶跃波形(b)试验电路输出波形图 3 阶跃波形其中开关的好坏直接
7、影响输出波形的质量，纳秒级波形产生系统对开关的要求是：1）结构紧凑，开关的电感小；2）导通时延迟短而且分散性小；3）开关接触电阻小9。在纳秒级波形产生电路中，影响波形输出质量的开关特性有以下因素：开关特性上升时间、从触发到闭合的动作延迟、时间抖动以及开关的电感与电阻。干簧继电器不仅满足上述要求，而且此开关导通时间无回跳、前沿陡，适合于用来开断直流电源产生波头陡度为纳秒级的波形，因此本文选干簧继电器作为开关元件。根据冲击电压发生的原理 7，研制 B 类冲击波发生器，B 类冲击波波形如图 4。对比图 1中的波形可知符合电压互感器新标准 GB 20840.1-2010 中 B 类冲击波要求。图 4
8、B 类冲击波1.2 传递过电压测量方法根据标准GB 20840.1-2010 互感器通用技术要求对于 GIS 用互感器传递过电压的试验要求，应通过 50 同轴电缆适配器将低电压冲击波 U1 施加在任意一次端子与地之间，GIS 外壳应按运行方式接地。试验电路如图 5 所示。说明：文中技术只通过中国工控网发布，望能保护作者合法权益。图 5 GIS 用互感器传递过电压试验线路传递过电压 U2 应在开路的二次端子上测量，通过 50 同轴电缆连接输入阻抗为50 且带宽不低于 100MHz 的示波器读取峰值。当被测互感器有多个二次绕组时，应一次对每一个二次绕组进行测量，在二次绕组具有中间抽头时，只需在绕组
9、满匝数对应的出头上进行测量。传递到二次绕组的过电压 Us 应按式（2）进行计算。（2）12Ups当峰值处有震荡时，须绘制平均曲线，以此曲线的最大幅值作为 U1 的峰值计算传递过电压。传递过电压限值如表 2 所示。表 2 B 类冲击波传递过电压标准施加电压峰值（ Up）波前时间（ T1）波尾时间（ T2）传递过电压峰值限值（ Us）m326.110（120%）ns 100 ns 1.6kV2 测量装置的设计2.1 测量装置的硬件设计便携式传递过电压测量装置包括以下几部分：B 类冲击波发生单元、控制单元和测量单元，系统结构如图 6 所示。B 波发生器由开关电源与干簧管继电器组成，B波控制单元由 N
10、I USB-6501 进入上位机，而一次和二次波形数据通过同轴电缆由 NI PCI-5152 双路同步采样卡进入上位机。图 6 系统硬件结构图2.2 测量装置的软件设计整个测量系统软件包括 B 波控制模块和传递过电压测量模块，其中 B 波控制系统核心部件为数字 I/O NI USB-6501，它具有电压调节、电压指示、试验次数和触发等功能。其发生器的控制界面见图 7。测量装置的测量系统的硬件为高速数字化板卡NI PCI-5152，它具有采集、平滑、拟合(标准 B 类冲击波仿真)、计算和报告自动生成功能。图 7 发生器控制面板互感器传递过电压测量波形拟合程序如图 8，图中红线为实侧波形而蓝线为标
11、准定义波形，波形畸变率小于 3%。此外还可以多次测量传递过电压，求不确定度，传递过电压测量不确定度如图 9。图 8 传递过电压测量界面图 9 传递过电压测量不确定度界面3 现场试验分析整个测控装置构成如图 10 所示，装置轻便灵活，使用方便。为了减少干扰，增加说明：文中技术只通过中国工控网发布，望能保护作者合法权益。了隔离滤波和屏蔽室，提高系统的稳定可靠性。图 10 便携式传递过电压测量装置利用便携式传递过电压测量装置对110kV GIS 电压互感器进行传递过电压测量，分别进行了单次测量和十次测量，波形如图 10 和图 11。从图 10 中可以看出单次测量的 B 冲击波，无论波形特征，波前时间
12、，波尾时间均符合 GB 20840.1-2010要求，测得二次传递过电压小于标准要求的限值 1600V,因此可判断符合要求；而图11 中是相同条件下十次测量得到的二次传递过电压值，可以看出十次产生的 B 类冲击波幅值在 100-300V 之间，波前时间在 8到 10ns（ T1）之间，波尾时间大于 100 ns（T2） 。十次重复测量的标准不确定度小于 2%。图 11 GIS 电压互感器传递过电压单次测量图 12 GIS 电压互感器传递过电压十次测量4 结论1.利用实验室虚拟仪器工作平台 Lab VIEW 8.6 能方便快捷的研制互感器传递过电圧试验的测量控制系统；2.本文设计的 B 类冲击波
13、发生器满足 GB 20840.1-2010 的要求，系统重复测量不确定度小于 2%，可为 GIS 互感器型式试验提供依据；3.便携式传递过电压测量装置具有初步的智能功能，现场使用方便, 同時可作为互感器传递过电压远程试验终端。参考文献1 GB/T 18134-2000 极快速冲击高电压试验技术 第一部分： 气体绝缘变电站中陡波前过电压测量系统.2 岳功昌,刘卫东,等.特高压气体绝缘组合开关设备中特快速瞬态过电压测量系统的标定J.高电压技术 第 2012,38(2):342-343.3 周瑜,李军,徐世山,等.GIS 中快速瞬态过电压的测试技术J.绝缘材料,2009,42(2):68-71.4
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15、波前过电压特性及影响因素研究D.华北电力大学硕士学位论文，2006.9 刘轩东,李登云,孙凤举,等.用于纳秒脉冲高压测量的同轴电容分压器J.高压电器,2008,44(1):32-36.10 凌子恕.高压互感器技术手册M.北京：中国电力出版社,2005.11 GB 20840.1-2010 互感器 第 1 部分：互感器通用技术要求.12 廖传书,黄道斌等.Lab VIEW 与 USB 的直接数据通信J.现代电子技术,2007,259(20):4-6.13 阚宝风,施乐平,马宪民.基于 LABVIEW 的冲击测量系统J仪器仪表学报,2010,31(8):352-353.14 张佩,赵书涛等.基于 Lab VIEW 的变压器直流电阻快速测量系统的设计J.电工电气2013,7:42-45.作者简介：王彦金，高级工程师，从事互感器传递过电压研究及试验仪研制。E-mail：
