500 kV GIS变电站VFTO对于电子式互感器的电磁骚扰研究

冯利民　王晓波　吴联梓　王佳颖　刘　赫

（1.国网吉林省电力有限公司　长春　130021 2.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院　长春　130021）

500 kV GIS变电站VFTO对于电子式互感器的电磁骚扰研究

冯利民1王晓波1吴联梓1王佳颖2刘赫2

（1.国网吉林省电力有限公司长春130021 2.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院长春130021）

随着气体绝缘全封闭组合电器（GIS）的广泛使用，由隔离开关和断路器操作引起的快速暂态过电压（VFTO）带来的危害越加明显。以某典型500 kV GIS智能变电站为计算原型，研究500 kV GIS变电站VFTO对电子式互感器的电磁骚扰。以噪声源和传播路径为基础，通过建立噪声耦合近似模型，实现对电子式互感器干扰信息的定性分析研究。通过分析发现，互感器耦合路径上的耦合电容CL和CN越小，VFTO噪声耦合效率越低，VFTO对电子式互感器的噪声影响也越小。研究结果表明，低频段通过修正CL和CN实现对电磁干扰的抑制，高频段采用滤波和屏蔽最为有效。通过现场实测证实，未安装防护装置情况下，测得数字采集卡输入端耦合VFTO最高幅值达到9.9 kV，采用电磁兼容综合防护措施后，VFTO最高幅值为0.61 V。

VFTO电子式互感器噪声耦合模型干扰抑制

0　引言

气体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulated Switchgear，GIS）以能够显著降低制造成本及减少设备占地面积等特点，在变电站，尤其是智能变电站建设中得到广泛应用。然而，GIS中集成安装的隔离开关在分合操作时产生快速暂态过电压（Very Fast Transient Overvoltage，VFTO），会给变电站中的设备和人身带来安全隐患［1-7］。在智能变电站试点建设实践中，已发生过VFTO损坏周边智能设备的案例。

在智能变电站中，由于智能一次设备通常包含智能元件且就近安装［8-11］，在 VFTO伴生电磁干扰下，极易出现功能紊乱甚至损坏。因此，VFTO伴生电磁干扰是影响GIS变电站智能一次设备正常工作的主要因素。工程实践证明，智能变电站中50%以上智能组件的故障是由这种干扰引起的。

近年来，关于特高压VFTO的研究成果丰富［12］，针对GIS母线结构［13］和外壳［14］对VFTO的影响也有研究成果。但是，GIS本体上安装的智能设备所面临的电磁干扰强度大、频带宽，研究成果却较少。

本文研究了500 kV GIS变电站VFTO对电子式互感器的电磁骚扰。以噪声源和传播路径为基础，研究其阻抗特性，有针对性地提出了特定环境下的电磁兼容（Electro-Magnetic Compatibility，简称 EMC）设计思路，最后通过实际运行案例进行了验证。

1　500 kV GIS系统VFTO传播路径阻抗特性分析

图1a为某500 kV GIS智能变电站第一串主接线图，设备布局如图1b所示。该串为不完整串，串中设置两个电子式电流互感器（Electronic Current Transformer，ECT）和1路线路电子式电压互感器（Electronic Voltage Transformer，EVT），均集成在 GIS串中，安装位置与隔离开关邻近。

文献［15］给出了图1a所示单串GIS电路的集中参数提取方法，建立如图2所示的传播路径等效模型。该模型用于解释当5013开关及50131、50132、50121刀开关合位，5012开关分位，空载充电500 kVⅡ母线、合刀开关50122时所产生的VFTO噪声传播情况。

图2中，UP为合刀开关50122时VFTO噪声源，CD为5012开关触头间的等效电容，CO为5012开关右侧导体对地等效电容，CS为50122刀开关左侧导体对地等效电容。相对于500 kV出线Ⅰ的EVT的两个输入端而言，CD、CO与VFTO源UP串联，而CS却与CD、CO和UP并联。L1为引线等效集中电抗，LE为GIS外壳接地电抗，CL为互感器数字采集卡输入端L耦合电容，CN为互感器数字采集卡输入端N耦合电容，RL为EVT的L端等效输入阻抗，RN为EVT的N端等效输入阻抗，G点为大地。回路中的等效电感，除对VFTO及其伴生电磁干扰有影响的外，均进行了合并或忽略。

图1　500 kV某智能变电站第一串主接线图Fig.1　500 kV intelligent substation main connecting diagram

图2　VFTO传播路径等效模型Fig.2　The simplified equivalent circuit in the 500 kV Changchun-south substation

由图2可以看出，刀开关50122的操作产生了VFTO，其沿隔离开关断口向两侧母线传播，传播效率决定于电路的等效寄生参数CS、CO、L1和LE。传播回路以CS、CO为主，这是由GIS电路的大尺寸结构决定的。同时，接地电抗LE的存在导致GIS外壳暂态地电位升高（Transient Grounding Potential Rise，TGPR）。LE=0的极端情况下，GIS外壳E上的电位UTGPR=0，不会有电压波动。频率越高，LE阻抗越大，E点电位就越高，因此负载RL和RN上耦合到的电磁干扰UL和UN强度就越大。

2　EVT噪声耦合的参数敏感性模型

为了研究耦合路径中各元件参数对负载上耦合效率的影响，根据图2所示模型，针对EVT数字采集卡输入端耦合到的对地噪声UL和UN，可以分别解析表示为

由式（1），定义耦合效率系数为

式中，耦合系数ηL和ηN分别为电子式互感器数字采集卡输入端处所耦合VFTO的噪声与噪声源的比值，其值能够反映VFTO噪声通过耦合路径对电子式互感器数字采集卡的影响。耦合效率取值越大，说明电子式互感器数字采集卡输入端耦合到的VFTO噪声越大。

耦合系数ηL和ηN受参数CL、CN、CT和CS影响。为了研究以上参数对耦合系数的影响程度，分析式（2）和式（3），求ηL和ηN对参数CL、CN、CT和CS的偏导数，定义敏感系数SL、SN、S1T、S1S、S2T、S2S。为便于分析，对其偏导数的模取20倍对数。

显然，敏感系数越高，表明该参数的变化对耦合系数的影响也更大。如果要采取措施减小耦合系数，应注意敏感系数高的参数。

3　噪声耦合效率分析

为了研究耦合效率ηL和ηN受寄生电容CL、CN、CT和CS的影响关系，分别比较SN与S2S和S2T随频率变化的特性，如图3、图4所示。

图3　灵敏度增益SN与S2S随频率变化曲线Fig.3　SNand S2Scontrast f curves

图4　灵敏度增益SN与S2T对比曲线Fig.4　SNand S2Tcontrast f curves

从图3可看出，耦合效率ηN对CN的敏感性远比对CS的敏感性高。10 kHz时，前者比后者高100 dB；20 MHz时，前者比后者高50 dB。也就是说，以对ηN的影响而论，改变单位值的CN比改变单位值的CS大300～100 000倍。

从图4可看出，耦合效率ηN对CN的敏感性和对CT的敏感性近似。但是，由于CT关系到GIS的结构参数，其调节和控制难度比CN的大很多。

从以上敏感性系数的分析可知，在影响耦合效率的所有参数中，CL和CN为GIS设备外壳对电子式互感器的寄生电容，对SL和SN的影响最大，而且可较方便地对它们采取设计手段进行控制。同时，分析参数CT和CS，其受GIS的内部结构和生产安全等因素影响，难以控制。所以，为了降低电子式互感器，特别是数字采集卡的噪声耦合效率，应尽量减小CL和CN。

图5　ηL、ηN增益随频率变化曲线Fig.5　ηL、ηNgain curves changing with frequency

4　干扰抑制方法研究

通常隔离开关拉合过程产生的过电压幅值可达系统额定电压的3.0倍［16］，对于该500 kV智能变电站来说，过电压UP幅值可达186 dBmV。而对于数字采集卡核心部件来说，所能允许的噪声信号强度最大为-22 dBmV。因此，系统要求耦合效率 ηL不小于-208 dB。如图5所示，耦合网络本身的耦合效率-85 dB远不能满足要求，需要在耦合路径上额外提供至少-123 dB的衰减。

从以上噪声耦合效率敏感性分析中可得出如下结论:为了降低电子式互感器，特别是数字采集卡的噪声，多采用屏蔽和滤波的方法，但由于低频时，滤波器尺寸均较大，在GIS设备中难以实现3级LC滤波器级联。因此，对于EVT采集卡耦合的VFTO噪声抑制方法为:在1 MHz以下频段要减小 CL和 CN，在1 MHz以上频段要屏蔽和滤波。

因此，在该变电站中分别采用了隔离、屏蔽和滤波3种措施实现对VFTO干扰的抑制。在隔离措施上采用新组合装配技术及接地方式，采集电路（采集箱）布放位置直接影响到双侧干扰强度，根据变电站GIS产品实际布局，将数字采集卡从GIS本体移到2 m以外的铁柜中，寄生电容 CL和 CN由1.7 nF减小到48 pF，减小了35倍；同时，延长的2 m屏蔽引线相当于引入了3.1 μH和76 pF的串联LC滤波网络，在10 MHz以上频段能提供-40 dB/dec的衰减。在屏蔽措施上，采用电磁双层全密封屏蔽壳体，采用高导磁率的电工软铁板做外箱，在减小CL和CN方面能起到显著作用，设计衰减量达到-120dB。在滤波措施上，采用了功率型低通滤波器，可应对8 kV/5 kHz以上的差模干扰。

5　试验验证

在抑制措施采用前后分别对EVT采集卡输入端测试点进行分合闸操作试验，为了有效地统计，每个测试点进行5次分合闸操作，确保同一地点同一工况下采集数据的有效性。试验中共进行150次有效操作（记录到有效数据记为1次有效操作），其中隔离开关有效操作140次，断路器有效操作10次，得到VFTO波形如图6、图7所示。其中，图6a为未采取有效措施时获取的VFTO干扰波形图，最大为9.9 kV，且合闸最大VFTO远高于分闸。图6b为其展开图。

采用本文所述EMC综合防护措施后，现场实测得到的VFTO最高幅值降为0.61 V，VFTO幅值均有很大程度的降低，信号衰减达到-87 dB。

图6　未采用噪声抑制措施前测得VFTO变化曲线Fig.6　The maximum VFTO wave form before measures

图7　采用噪声抑制措施后测得VFTO变化曲线Fig.7　The enlarged drawing of maximum VFTO wave form after suppression

6　结论

以某500 kV GIS智能变电站为计算原型，建立噪声耦合近似模型，实现对电子式互感器干扰信息的定性分析研究。经研究发现，互感器耦合路径上的耦合电容CL和CN越小，VFTO噪声耦合效率越低，VFTO对电子式互感器的噪声影响也越小。本文提出了对GIS变电站中VFTO干扰的抑制措施。对于EVT采集卡的干扰抑制方法主要采取低频段减小CL和CN，高频段屏蔽和滤波。在该智能变电站中，采用新组合装配技术及接地方式、电磁双层全密封屏蔽壳体及其功率型低通滤波器措施实现对VFTO干扰的抑制。通过现场实测发现，未安装防护装置情况下，测得数字采集卡输入端耦合VFTO最高幅值达到9.9 kV，采用EMC综合防护措施后，VFTO最高幅值为0.61 V，证实了干扰防护措施的有效性。

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Study on the Impact of VFTO Electromagnetic Interference on Electronic Transformers in 500 kV GIS Substation

Feng Limin1Wang Xiaobo1Wu Lianzi1Wang Jiaying2Liu He2
（1.State Grid Jilin Electric Power Corporation Ltd.Changchun130021China 2.State Grid Jilin Electric Power Corporation Ltd.Electric Power Research Institute Changchun130021China）

With the widespread use of the gas insulated switchgear（GIS），the harm of very fast transient overvoltage（VFTO）caused by the disconnecting switch（DS）and the circuit breaker（CB）operation becomes increasingly obvious.One 500 kV GIS smart substation is used as a prototype to study the impact of VFTO electromagnetic interference on electronic transformers in 500 kV GIS substation.Base on the noise source and the transmission pathway，a noise coupling model has been set up in order to analyze the VFTO electromagnetic interference on electronic transformers qualitatively.It has been found that the decrease of the coupling capacity of transformer，i.e.CL，and CN，will contribute to the low noise coupling effect of VFTO.The conclusion shows that the most effective method for interference reduction is to revise CL，CNin the low frequency and add low band filter and shielding box in the high frequency.It has been proved by experimental data that the VFTO maximum amplitude is reduced from 9.9 kV to 0.61 V by using this method.

Very fast transient overvoltage，electronic transformer，noise coupling model，interference reduction

TM315

2015-06-25改稿日期 2015-09-07

冯利民男，1976年生，博士，正高级工程师，研究方向为智能电网及电磁兼容。

E-mail:fenglimin@zju.edu.cn

王佳颖女，1981年生，博士，高级工程师，研究方向为智能一次设备、光学测量在电力系统中的应用。

E-mail:imwangjiaying@foxmail.com（通信作者）