模拟小信号电子式互感器现场应用抗干扰分析

刘超

天津三环乐喜新材料有限公司300457

摘要：电子式互感器是智能变电站技术的热点和难点，其中小信号模拟输出的罗氏线圈或LPCT方案的抗干扰问题一直困扰着设备研发和现场应用。文章针对某110kV变电站在拉合10kV电容器组时的主变保护动作问题，试验分析了低压侧LPCT接入保护装置的回路，发现有关于小信号互感器和二次设备配合的相关电磁兼容标准还不够完善，但保护装置不应因为输入信号幅度的减小而降低隔离和抗共模干扰的要求。同时，由于模拟小信号互感器的额定输出很小，开关柜处的场干扰也成为影响信号质量的重要因素，现场应用时必须采用屏蔽双绞线传输并有效接地。另外，由于增量差动保护对小信号互感器的短时干扰波形敏感，建议在110kV主变保护中不要采用。鉴于现阶段模拟小信号电子互感器应用中的这些问题，应进行更多的试点研究后方能在智能变电站建设中大面积推广。

关键词：电子式互感器；LPCT；电磁兼容；继电保护；增量差动

随着二次设备的微机化,人们在探讨是否能改进互感器的输出方式以实现更小能量且更准确的传变，电子式互感器便应运而生。近年投运的智能变电站中，基于光学传感器件、罗氏线圈(RCT)或者低功率线圈(LPCT)的电子式电流互感器均有试点应用。电子式互感器的输出形式可以为数字式或小信号模拟式，而中低压电压等级的电流互感器受成本和体积等因素制约，采用罗氏线圈或LPCT模拟小信号输出的较多，其抗干扰问题一直困扰着设备研发和现场应用。某智能变电站，110kV为内桥接线方式，配置光纤传感的电子式电流互感器，而10kV为单母双分段接线方式，出于成本考虑，变压器低压侧配置基于LPCT的模拟小信号电子式电流互感器。

1现场情况

1．1变压器保护架构

该站变压器保护装置、合并单元及智能终端采用点对点直连方式，合并单元和智能终端通过光纤直接连接到变压器保护装置，变压器保护装置通过插值再采样完成各侧模拟量的同步，通过面向通用对象的变电站事件(genericobject．orientedsubstationevent，GOOSE)采集开关量并下发跳闸命令。

主变保护装置接入110kV进线、110kV内桥、10kV低压侧合并单元及智能终端，完成差动、各侧后备及测控功能。主变低压侧采用模拟小信号电子式电流互感器(ECT)，基于LPCT架构实现，其输出为小信号模拟量，本站小信号ECT测量电流额定输出4V，保护电流额定输出150mV，通过屏蔽电缆与低压侧合并单元连接。

1．2保护动作分析

主变高压侧带电后，在拉合lOkV电容器组时，主变增量差动保护动作。变压器保护装置显示动作报文如下：

0ms：装置总启动动作；21ms：增量差动保护动作；A相增量差流2．422A；B相增量差流28．198A；C相增量差流16．454A；A相增量制动6．499A；B相增量制动21．634A；C相增量制动20．604A；基准电流262．440A；谐波制动系数0．150。主变低压侧三相电流，在电容器拉合时，输出波形不规则，最大基波幅值达到634A。通过对录波数据分析，增量差流满足增量差动动作判据，增量差动出口。

1．3电磁场干扰确认

在现场查找问题过程中，在主变低压侧开关柜门打开时，使用步话机通话发现主变保护启动，但不动作。

合上低压侧开关柜门,使用步话机在开关柜处通话,保护电流波形元异常.通过反复试验,确定：拉合10kV电容器或步话机电磁发射均会对主变低压侧合并单元,屏蔽电缆和LPCT互感器本体间连接回路造成干扰.

2试验分析

2．1EMC标准

电流波形呈现出衰减振荡特性,这与<GB／T17626．12—1998电磁兼容试验和测量技术振荡波抗扰度试验>中描述的变电站中隔离开关设备操作所引起的振荡波吻合.而我国民用步话机使用频段在400MHz一450MHz,步话机通话相当于<GB／T17626．3-2006电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验>中的450MHz点频检测.目前发布的电子式互感器相关标准,虽然对无线电干扰,振荡波干扰等提出了要求,但是关于电子式互感器和二次设备配合的相关电磁兼容试验如何进行,如何评判等并无详细描述,电子式互感器和二次设备配合的相关标准还不尽完善.允许与保护无关的测量性能暂时下降或能够自动恢复的自诊断动作.不允许复位或重新启动.不允许输出过电压超过500V.对于保护用电子式互感器,不允许性能下降致使继电保护装置误动.”该条款对于电子式互感器和保护装置间用模拟小信号连接的情况就非常难以评价,即没有规定清楚模拟小信号中允许出现的共模和差模干扰有多大,因而就不知道保护需要能容忍怎样的波形畸变.

2．2输入隔离回路试验

如果完全按照上文所述的电子式互感器标准,可以认为任何情况下模拟小信号输出的过电压都不会超过500V,因此小信号接入回路只需要抵御500V的各类共模干扰即可.针对小信号ECT保护电流额定值为150mV情况,二次设备厂家以隔离运放的方式直接采集小电压信号(类似于0到5V的直流变送器信号隔离回路),按照低压信号端口的标准进行了各项EMC试验完全没有问题.然而,根据现场的波形情况,推测应该是电容器拉合开关时的干扰造成了变压器保护动作.为此,考虑模拟小信号输出的LPCT结构类似于传统互感器,如果没有对EMC问题进行特殊处理,其输出的共模干扰强度很可能和传统互感器的输出相当,故而决定采用和传统100V／5A接入交流回路同样的EMC标准重新试验.2012年9月,针对该小信号输入回路的1MHz阻尼振荡波2．5kV共模干扰的试验,非常类似于现场拉合电容器的瞬时波形,并可能导致变压器增量差动保护动作.

根据以上情况可以看出,由于电子式互感器的EMC标准尚不够完善,针对模拟小信号输出的EMC测试方法也不够明确,并且很多互感器厂商的低压小信号输出互感器仍然沿用了传统互感器的设计思路,因此二次设备厂商在模拟小信号输入端口必须仍然要按照DLT4782010中规定的交流输入回路标准进行绝缘和抗干扰设计,并和传统100V/5A输入回路一样进行各项严格的EMC试验。

2.3接地与屏蔽研究

小信号ECT安装位置与合并单元之间有一定距离,其输出的小电压信号在传输过程中容易受到电磁场的干扰。这些干扰在传统互感器二次回路中同样存在,但由于有效信号的额定值不同,相同大小的干扰导致信噪比降低所造成的后果完全不同。为了保证足够的信噪比,一般采用屏蔽双绞线来抵御来自空间的电磁干扰。屏蔽双绞线有单屏蔽和双屏蔽两种,屏蔽层接地有单端接地和双端接地两种方式。单端接地对于低频电场干扰有防护作用,但对磁场干扰失去效用;双端接地则可在屏蔽层和地形成的回路中感应出和磁场变化抵消的环路电路,对空间磁场干扰也有一定的屏蔽效果。然而,在变电站应用中,由于接地故障和雷击均可能造成地电位的局部变化,此时双端接地的屏蔽层中将出现非常大的干扰电流,可能会造成新的干扰甚至引起屏蔽层烧毁。为了获得更好的信号质量,如果是单屏蔽双纹线,应该在接收信号的二次设备侧将屏蔽层单端接地;如果采用了双屏蔽双绞线,则将内屏蔽在二次设备侧接地,外屏蔽层在互感器一次设备侧接地,内外屏蔽相互绝缘。此外,信号回路也应该按照电力系统二次回路的安全要求,在二次设备侧单点接地。

3整改措施

3.1信号输入回路

针对隔离运放不能满足交流回路抗干扰要求的情况,设备厂家在不改变装置浮地设计的前提下,采用了特殊定制的精密小信号电压隔离器来输入ECT的模拟小电压信号。该回路可达到和传统小P类似的隔离和抗干扰效果,满足DLT478-2010中规定的交流输入回路耐压和EMC要求。更换了合并单元模拟量采集插件后,通过了和传统互感器接入标准相同的抗扰度试验,即使在超过标准要求使用步话机靠近采集插件进行干扰测试的情况下,交变强磁场所引起的畸变电流幅值也不到额定电流的5%步话机干扰时的三相电流波形。

同时,根据接地和屏蔽研究的成果,将现场一二次连接的小信号电缆进行了更换,全部采用双屏蔽双绞线,并确保内外屏蔽分别在保护和互感器侧有效接地.

3．2保护配置建议

增量差动保护对于变压器轻微匝间,高阻接地等弱故障,不受正常负荷电流影响,灵敏度高于比率差动,能降低变压器故障损坏程度,一般在220kV及以上电压等级变压器中进行配置.增量差动实际应用中,在变压器区外故障时,尤其当变压器各侧CT特性不一致或某侧CT暂态特性不佳,CT饱和时容易引起增量差动保护误动.对增量差动,建议在变压器各侧CT特性一致情况下投入使用；如主变某侧CT暂态特性不佳(如：易饱和,传变失真等),将会产生增量差流,此时需退出增量差动.对1lOkV采用电子式互感器的主变保护而言,经常出现高低压侧互感器原理不同或采集回路不同的情况,还可能存在模拟小信号传输干扰较大的问题,不应把增量差动作为110kV主变保护的标准配置.

4结语

对整改后的互感器一,二次连接系统,进行了相关EMC实验,并在现场进行了拉合电容器和步话机干扰测试,主变保护未见启动,系统工作正常,该智能变电站已于2012年11月份正式投运.小信号模拟量输出电子式互感器,其抗干扰问题需要一,二次设备厂家配合解决,共同提高设备的现场适用性.对互感器专业而言,应建立标准的,可重复的且能实际执行的EMC试验方法来对其干扰输出水平进行限制；而对二次设备厂家而言,应保证在此最高的干扰水平下必须工作正常.在目前标准和检测方法尚不完备的情况下,应通过更多的试点研究方能在智能变电站建设中对模拟小信号互感器推广应用.

参考文献：

[1]GB／T20840．8-2007,互感器第8部分：电子式电流互感器[s]．

[2]GB—T17626．12-1998,电磁兼容试验和测量技术振荡波[s]

[3]方春恩,李伟,等．10kV低功率电子式电流互感器LPCT的研究[J]．高压电器,2008,44(4)：312—318．