GIS用互感器的传递过电压测量装置研究
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），开发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
Study on measurement devicefor transfer over voltage of GIS transformer
Abstract：In order to measure the transfer VFTO of GIS voltage transformer, this paper developed a measurement and control device which based on Lab VIEW 8.6 Workbench. Using this device to test the transmitted over voltage of 110kV GIS Voltage transformer, the result showed that the device 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; voltage transformer; B class shock; transfer over voltage; measurement device
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，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×（1±20%）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1MV[7-9]。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 20840.1-2010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
Tab 1 GIS standardon transient over voltage of transfer
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冲击波类型
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A
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B
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施加电压峰值(Up)
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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)
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0.5×(1±20%)us
≥50us
—
—
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—
—
10×(1±20%)us
﹥100ns
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传递过电压峰值限值(Us)b
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1.6kV
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1.6kV
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a其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
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||
标准的B类冲击波如图1所示：
图1 B类波形
Fig.1 Standard wave of type B
由于B类冲击波的波前时间为10×（1±20%）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
Fig.2 Step wave generating circuit
可知单位阶跃函数为：
（1）
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
(a) Standard step wave
(b)试验电路输出波形
(b) Wave of the generating circuit
图3 阶跃波形
Fig.3 Step wave
其中开关的好坏直接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]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。，研制
图4 B类冲击波
Fig 4 Class B impulse wave
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50Ω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。
图5 GIS用互感器传递过电压试验线路
Fig.5 The over voltage test circuit of transformer used in GIS
传递过电压U2应在开路的二次端子上测量，通过50Ω同轴电缆连接输入阻抗为50Ω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）
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
Tab.2 The test standard of type B overvoltage
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施加电压峰值（Up）
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波前时间（T1）
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波尾时间（T2）
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传递过电压峰值限值（Us）
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10×（1±20%）ns
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＞100 ns
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1.6kV
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2 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NI 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
Fig.6 System hardware structure
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
Fig.7 Generator control panel
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
Fig.8 Transient over voltage measurements interface
图9 传递过电压测量不确定度界面
Fig.9 Uncertainty of transient over voltage measurements interface
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
Fig 10 Portable class B impulse wave measurement equipment
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，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
Fig.11 one time transient over voltage measuring of voltage transformer in GIS
图12 GIS电压互感器传递过电压十次测量
Fig.12 ten times transient overvoltage measuring of voltage transformer in GIS
4 结论
1.利用实验室虚拟仪器工作平台 Lab VIEW 8.6能方便快捷的设计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。
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作者简介：
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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： 1529617254@qq.com
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