淺談GIS互感器的傳遞過電壓試驗儀

GIS互感器的傳遞過電壓試驗儀

摘要：為了進行GIS互感器的傳遞過電壓試驗，本文利用干簧管繼電器，制作了?B類沖擊波發(fā)生器，開發(fā)一套適用于GIS互感器傳遞過電圧試驗的試驗儀；通過該試驗儀，對110kV GIS電壓互感器的傳遞過電壓試驗，試驗結(jié)果分析表明，該試驗儀能夠滿足IEC及國家標準要求，且使用靈活方便，可靠性高，能很好運用于互感器型式試驗中傳遞過電圧的測量及研究傳遞過電圧的傳遞特性。

關(guān)鍵詞：GIS；B類沖擊波；傳遞過電壓；試驗儀

Testerfor?transfer?over?voltage?ofGIS?transformer

Wang Yanjin??

(China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China)

Abstract：In order to test??of GIS voltage transformer, Using the dry reed relay，To make the generator?this?impulse wave of type B，Develop a set of applicable to the tester?of GIS voltage transformer；Using this tester?to test the transmitted over?voltage of 110kV GIS Voltage transformer, the result showed that the tester?not only can meet the requirements of IEC and national standards, but also be flexible and reliable to use, which can be well applied to the transformer type test and research of transmitted over??voltage characteristics.

Key words：GIS; impulse wave of type B；; transfer over?voltage; tester

0 ???????引言

2003年， IEC ?60044-2-1997標準要求進行電力互感器傳遞過電壓檢測項目。B類沖擊波試驗要求10ns的上升時間沖擊電壓發(fā)生器。2005年以來，國內(nèi)外互感器廠和檢測中心，分別利用HAFLA單位階躍發(fā)生器TYPE 40方波源、德國的KAL 1000方波源和日本的二萬伏方波源；對GIS(gas insulated switch?gear, GIS)電壓互感器進行傳遞過電壓試驗，但均未產(chǎn)生10ns的上升時間沖擊電壓波[1,8 ]。

2010年，利用德國MODER公司生產(chǎn)的SIL05-1A31-71D型干簧管繼電器，制作了一臺220V?B類沖擊波發(fā)生器[5-7]，能產(chǎn)生10ns的上升時間沖擊電壓波，并對GIS電壓互感器進行傳遞過電壓試驗；其檢測結(jié)果符合IEC及國家標準要求。隨后，利用高速數(shù)字化板卡NI PCI-5152，完成了基于Lab VIEW 8.6的《GIS電壓互感器用傳遞過電壓數(shù)字測量系統(tǒng)》[5-7]。

因此，本文根據(jù)IEC及國家標準要求，描述了B類沖擊波發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)架了GIS互感器傳遞過電壓(GIS?Potential Transformer?Pass over voltage)試驗儀(以下簡稱GISPTPOV試驗儀)[5-7]，并介紹該試驗儀的硬件配置及軟件功能；該試驗儀對110kV GIS電壓互感器，進行了傳遞過電壓試驗，并給出結(jié)果。

1 ??B類沖擊波的產(chǎn)生原理

1.1 B類沖擊波的產(chǎn)生原理

如同雷電波一樣必須將特快速瞬態(tài)電壓波標準化。目前，電壓互感器新標準GB 20840.1-2010已將VFTO(very fast transient over?voltage)定義為沖擊波，分為二類：A類沖擊波和B類沖擊波。A類沖擊波，適用于空氣絕緣變電站用的電壓互感器；B類沖擊波，適用于氣體絕緣金屬外殼全封閉用的電壓互感器（GIS）。在實驗室進行GIS電壓互感器的傳遞過電壓測量，標準中VFTO波形的定義，分類和要求見表1。

表1 GIS電壓互感器的傳遞過電壓標準

Tab 1 GIS standard?on transient over?voltage of transfer

沖擊波類型	A	B
施加電壓峰值(Up)
波形參數(shù)： —常規(guī)波前時間(T1)a —半峰值時間(T2) —波前時間(T1) —波尾時間(T2)	0.5×(1±20%)us ≥50us — —	— — 10×(1±20%)us ﹥100ns
傳遞過電壓峰值限值(Us)b	1.6kV	1.6kV
a其波形參數(shù)代表了開關(guān)操作引起的電壓振蕩 b經(jīng)制造方與用戶協(xié)商，可選取其他的傳遞過電壓限制

標準的B類沖擊波如圖1所示。

圖1 ?B類沖擊波形

Fig.1 ?impulse wave of type B

由于B類沖擊波的波前時間為10×（1±20%）n?s，波尾時間大于100ns，與階躍波類似，因此可以通過對直流電源進行開關(guān)合閘來產(chǎn)生。試驗電路圖如圖2所示。

圖2 階躍波發(fā)生電路

Fig.2 Step wave generating circuit

可知單位階躍函數(shù)為：

??????????（1）?

當試驗回路中含有電容電感且開關(guān)動作具有響應(yīng)時間時，圖3所示的試驗電路產(chǎn)生的波形會與標準階躍波形有所差異。

(a) 標準階躍波形

(a) Standard step wave

(b)試驗電路輸出波形

(b) Wave of the generating circuit

圖3 階躍波形

Fig.3 Step wave

圖中開關(guān)的好壞直接影響輸出波形的質(zhì)量，納秒級波形產(chǎn)生系統(tǒng)對開關(guān)的要求是：1）結(jié)構(gòu)緊湊，開關(guān)的電感??；2）導(dǎo)通時延遲短而且分散性?。?）開關(guān)接觸電阻小。在納秒級波形產(chǎn)生電路中，影響波形輸出質(zhì)量的開關(guān)特性有以下因素：開關(guān)特性上升時間、從觸發(fā)到閉合的動作延遲、時間抖動以及開關(guān)的電感與電阻。干簧管繼電器不僅滿足上述要求，而且此開關(guān)導(dǎo)通時間無回跳、前沿陡，適合于用來開斷直流電源產(chǎn)生波頭陡度為納秒級的波形，因此本文選干簧管繼電器作為開關(guān)元件。根據(jù)沖擊電壓發(fā)生的原理，研制B類沖擊波發(fā)生器，B類沖擊波波形如圖4。對比圖1中的波形可知符合電壓互感器新標準GB 20840.1-2010中B類沖擊波要求。

圖4 ?B類沖擊波

Fig 4 Class B impulse wave

2GISPTPOV試驗儀

2.1GISPTPOV試驗儀硬件設(shè)計

GISPTPOV試驗儀包括以下幾部分：B類沖擊波發(fā)生單元、控制單元和測量單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。B波發(fā)生器由開關(guān)電源與干簧管繼電器組成，B波控制單元由NI USB-6501進入工控機，而一次和二次波形數(shù)據(jù)通過同軸電纜由NI PCI-5152雙路同步采樣卡進入工控機。

圖5?GISPTPOV試驗儀結(jié)構(gòu)圖

Fig.6 System hardware structure

該試驗儀輕便靈活，使用方便。為了減少干擾，增加了隔離濾波和屏蔽室，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。GISPTPOV試驗儀外型如圖6所示。

圖6?GISPTPOV試驗儀照片

Fig 6?Tester photos?of GISPTPOV

2.2 GISPTPOV試驗儀軟件設(shè)計

整個試驗儀的測控系統(tǒng)軟件包括B波控制模塊和傳遞過電壓測量模塊，其中B波控制系統(tǒng)核心部件為數(shù)字，它具有電壓調(diào)節(jié)、電壓指示、試驗次數(shù)和觸發(fā)等功能。其發(fā)生器的控制界面見圖7。

圖7 發(fā)生器控制面板

Fig.7 Generator control panel

試驗儀的測量系統(tǒng)的硬件為高速數(shù)字化板卡NI PCI-5152，它具有采集、平滑、擬合(標準B類沖擊波仿真)、計算和報告自動生成功能?；贚ab VIEW 8.6的《GIS電壓互感器用傳遞過電壓數(shù)字測量系統(tǒng)》的傳遞過電壓測量界面如圖8；傳遞過電壓參數(shù)設(shè)定界面如圖9。

圖8?傳遞過電壓測量界面

Fig.8measurements interface?of transient over?voltage

圖9?傳遞過電壓參數(shù)設(shè)定界面

Fig.9?Transient over?voltage parameter setting?interface

3 ?GISPTPOV試驗儀現(xiàn)場試驗及結(jié)果

3.1傳遞過電壓測量方法

根據(jù)標準《GB 20840.1-2010?互感器通用技術(shù)要求》對于GIS用互感器傳遞過電壓的試驗要求，應(yīng)通過50Ω同軸電纜適配器將低電壓沖擊波U1施加在任意一次端子與地之間，GIS外殼應(yīng)按運行方式接地。試驗電路如圖10所示。

圖10 GIS互感器傳遞過電壓試驗線路

Fig.10?The over?voltage test circuit of transformer used in GIS

傳遞過電壓U2應(yīng)在開路的二次端子上測量，通過50Ω同軸電纜連接輸入阻抗為50Ω且?guī)挷坏陀?00MHz的高速數(shù)字化板卡讀取峰值。當被測互感器有多個二次繞組時，應(yīng)一次對每一個二次繞組進行測量，在二次繞組具有中間抽頭時，只需在繞組滿匝數(shù)對應(yīng)的出頭上進行測量。

傳遞到二次繞組的過電壓Us應(yīng)按式（2）進行計算。

?（2）

當峰值處有震蕩時，須繪制平均曲線，以此曲線的最大幅值作為U1的峰值計算傳遞過電壓。傳遞過電壓限值如表2所示。

表2 ?B類沖擊波傳遞過電壓標準

Tab.2 The test standard of type B over?voltage

施加電壓峰值（Up）	波前時間（T1）	波尾時間（T2）	傳遞過電壓峰值限值（Us）
	10×（1±20%）n?s	＞100 n?s	1.6kV

GISPTPOV試驗儀對110kV GIS電壓互感器進行傳遞過電壓試驗，現(xiàn)場試驗線路接線圖如圖11所示。

其試驗分別進行了單次試驗和十次重復(fù)試驗，波形如圖12和圖13。從圖12中可以看出單次測量的B沖擊波，無論波形特征，波前時間，波尾時間均符合GB 20840.1-2010要求，測得二次傳遞過電壓小于標準要求的限值1600V,因此可判斷符合要求；而圖13中是相同條件下十次測量得到的二次傳遞過電壓值，可以看出十次產(chǎn)生的B類沖擊波幅值在100-300V之間，波前時間在8到10ns（T1）之間，波尾時間大于100ns（T2）。十次重復(fù)測量的標準不確定度小于2%。

圖11?試驗接線圖

Fig.11 ?Test the wiring diagram