新一代智能变电站电子式电压互感器异常分析*

丁津津，程志友，张倩，高博，汪玉，俞斌

（1.国网安徽省电力公司电力科学研究院，合肥 230601；2.安徽大学，合肥 230601）

0 引 言

近年来，随着智能变电站和新一代智能变电站技术的快速发展，大量的新设备和新技术被应用在变电站现场。比如新一代智能变电站规约、智能化的保护测控装置、智能终端、合并单元、电子式互感器等等。而作为一次与二次电气量转变的关键设备，电子式互感器大量应用是智能变电站与传统综合自动化变电站的根本区别之一［1-3］。

2016年1月，安徽某110 kV新一代智能变电站在启动过程中，全站8只电子式电压互感器（Electronic Voltage Transformer，EVT）中的3只出现了多次异常，导致合并单元异常告警，闭锁了相关保护装置，使得站内保护装置失效［4-6］。此时如果发生区内故障，保护装置将无法正确动作，可能导致故障范围扩大，产生恶劣影响。

本文从该站电子式电压互感器的报文记录与录波波形出发，分析异常产生原因，推测二次侧电压变换器在开关冲击下出现饱和是异常发生的直接原因。接着设计一种冲击测试方法，在试验环境下进行故障复现，并使用S变换分析电压转换器的输出波形，验证理论和试验的正确性。最后提出整改方案，为类似原理的电子式电压互感器整改和异常分析和提供借鉴和参考。

1 某新一代智能站电子式互感器异常分析

1.1 异常情况描述

2016年1月26日起，安徽第一座110 kV智能变电站启动现场的110 kV侧三个间隔的合并单元不定时发出“AD错误”异常告警信号，具体包括：#1主变A套保护装置告警、#1主变A套保护装置SV总告警、110 kV内桥900开关合智一体A/SV异常、110 kV内桥900开关保护装置故障、110 kV内桥900开关SV总告警、110 kV潜云933开关合智一体A/SV异常、110 kV潜浩912开关合智一体A/SV异常等。以主变保护间隔为例，该变电站现场异常情况如图1所示。

图1 主变保护间隔日志Fig.1 Log ofmain transformer protection

图1中“采集通道03异常”表示存在通信中断，“采集器［3］AD错误［动作］”表示采样回路中ADC芯片的参考电压异常。采集器监测到ADC芯片的参考电压异常后，置错误标上送到合并单元。合并单元进而发出“采样异常”，闭锁保护装置相关功能。

1.2 异常报文与波形分析

综合保护装置等二次设备告警信息和合智一体化装置日志文件，发出异常告警信息的电子式电流互感器采集器具体包括：110 kV内桥900间隔第1组A/B/C相电子式电流互感采集器；110 kV内桥912间隔第1组A/B/C相、第2组A/B/C相电子式电流互感器采集器；110 kV潜云933间隔第1组B/C相，第2组A相电子式电流互感器采集器。安徽电力科学研究院组织查询了投运以来至2016年3月2日的后台SOE所有告警时间，统计如表1所示。

此次异常覆盖装有电子式电压互感器的110 kV多个间隔，出现异常的采集器多，不属于偶然性事件，判断此类问题可能为此型号电子式电压互感器的通用缺陷。

安徽某新一代智能变电站电压互感器为支柱式电子式电压互感器，在投运过程中断路器合闸后一段时间（约五分钟至几十分钟）内，全部8只电子式电压互感器中的3只输出波形畸变，随后恢复正常，故障录波器记录的异常波形如图2所示。

图2 电子式互感器异常波形Fig.2 Abnormal wave of EVT

表1 合并单元日志文件分析Tab.1 Analysis on the log files of merging unit

2 某型号电子式电压互感器结构分析

新一代智能变电站现场安装的某型号电压互感器结构如图3所示。一次传感器由电容分压器构成，低压臂C2的额定输出电压为100 V。在低压臂两端并联一个变比为100：4 V的电压转换器T1，其输出电压作为采集器的输入电压。

图3 某型号电子式互感器结构示意图Fig.3 Schematic diagram of EVT

根据初步分析，前述异常波形可能为电子式电压互感器二次侧的电压转换器铁芯饱和倍数设计不足，在断路器合闸过程中受到冲击电压及直流偏移电压的影响，铁芯产生饱和，同时可能因为元器件参数原因导致电容器C2与转换器T1的谐振。

为验证故障原因，随机选取多个同一型号的原厂电压转换器和一个新款电压转换器进行对比试验。从结构上而言，新旧两款电压转换器所使用的磁性材料相同，但新款转换器的截面积比旧款大30%以上。测试新旧电压转换器的励磁特性曲线，判断其饱和程度，如图4所示。从图中可以看出，原厂的电压转换器均存在着饱和点较低的现象，没有达到2倍额定电压（8 V）就纷纷进入饱和区，而新款电压转换器在2倍额定电压以内完全呈线性状态。

图4 电压转换器励磁曲线波形Fig.4 Excitation curve of voltage converters

3 现场试验

从原厂的转换器选择饱和最快与最慢的两只转换器和新款电压转换器，搭建试验平台。通过在电压互感器一次端子施加额定电压，并用断路器实现一次电压的开断，以再现该站现场的异常波形。并观察在同一电容分压器上使用现场旧款电压转换器和使用新款电压转换器的互感器输出波形。

3.1 现场异常波形的再现

用饱和特性较差的旧电压转换器做试验，试验回路如图5所示。

图5 试验接线示意图Fig.5 Sketch of test connection

在一次施加额定电压Un，断路器合闸时若干个周波出现饱和，波形与某新一代智能变电站现场异常波形一致，如图6所示。需要指出的是，异常波形在数个周波内即可恢复。

图6 饱和性较差的旧款电压转换器在Un冲击下的输出波形Fig.6 Output waveform from old voltage converter with poorer magnetic saturation under Un impact

一次施加1.1Un，断路器合闸时出现饱和，异常波形与一次施加Un时一样，但持续时间达到5 s左右，如图7所示。

图7 饱和性较差的旧款电压转换器在1.1Un冲击下的输出波形Fig.7 Output waveform from old voltage converter with poorer magnetic saturation under 1.1Un impact

一次施加1.2Un，断路器合闸时出现饱和，波形与现场一样，持续5 min以上未恢复正常，如图8所示。当一次电压从76 kV降至70 kV时立刻恢复正常，此时铁芯退磁。

图8 饱和性较差的旧款电压转换器在1.2Un冲击下的输出波形Fig.8 Output waveform from old voltage converter with poorer magnetic saturation under1.2 Un impact

在PT旁边并接负载电容C，值为5 000 pF，如图9所示。重复上述试验，试验波形和饱和持续时间无明显变化，这说明试验结果与系统容性负载大小关系不大。

图9 增加负载电容试验接线图Fig.9 Sketch of test connection with load capacitance

3.2 现场PT差异性的验证

该变电站现场共8只PT，其中3只出现波形异常，这说明现场PT存在差异，为验证电压转换器的饱和特性差异会导致PT输出差异，用饱和特性较好的旧款电压转换器重复上述试验用以对比。

在1.0Un与1.2Un试验电压下，两组转换器试验结果并无差别，而当一次施加1.1Un，断路器合闸时出现饱和时间下降到约2个周波，相对使用饱和特性较差的电压转换器时出现5 s左右饱和较好，如图10所示。

3.3 新款电压转换器的试验

用新款电压转换器按图3的接线进行试验。依次施加一次电压Un、1.1Un、1.2Un和1.5Un，断路器合闸时前几个周波出现直流偏置，随后波形完全恢复正常。这说明新款电压转换器设计的饱和倍数裕度较大，如图11所示。

图10 饱和特性较好的旧款电压转换器在1.1Un冲击下的波形Fig.10 Output waveform from old voltage converter with better magnetic saturation under 1.1Un impact

图11 新款电压转换器 Un、1.1Un、1.2Un和1.5Un时的波形Fig.11 Output waveform from new voltage converter under Un/1.1Un/1.2Un/1.5Un impact

3.4 试验验证

为了进一步验证导致电压互感器异常输出的原因，设计了三组试验，方案如图12、图14、图16所示，通过示波器分别监测外加电容分压器二次端、电子式电压互感器分压器输出端、电子式电压互感器电压转换器（现场所用旧款电压转换器）输出端三个点的电压。

第一组试验中，电子式电压互感器为完整结构，在1.3倍额定电压下合断路器，示波器采集信号如图12所示。从结果可看出外接分压器输出信号良好（图13通道1，下同），而电子式电压互感器100 V（图13通道2，下同）、4 V端口（图13通道4，下同）均出现波形畸变，其中4 V端口畸变波形了互感器最终输出波形一致。

在第二组试验中，去掉采集单元，仅保留电容分压器与电压转换器，如图14所示，进行同样试验，测试波形如图15所示。结果与上述第一组试验完全一致，可排除采集单元导致的异常。

图12 完整结构电子式电压互感器开断试验结构图Fig.12 Complete structure diagram of EVT breaking test

图13 完整结构电子式电压互感器输出波形Fig.13 Output waveform from EVT with complete structure

图14 去掉采集单元后开断试验结构图Fig.14 Breaking test diagram without acquisition unit

图15 去掉采集单元后波形Fig.15 Output waveform without acquisition unit

在第三组试验中，去掉采集单元与电压转换器，仅保留电容分压器，如图16所示，进行同样试验，测试波形如图17所示。异常波形消失，可判断分压器输出无异常，输出异常由电压转换器导致。

图16 去掉采集单元和电压转换器开断试验结构图Fig.16 Breaking test structure diagram without acquisition unit and voltage converter

图17 去掉采集单元与电压转换器后采集波形Fig.17 Output waveform without acquisition unit and voltage converter

4 基于S变换的理论分析

本文使用基于S变换的动态谐波检测方法［7］，对电子式电压互感器的输出波形进行检测，该方法使用窗口宽度与频率成反比的高斯窗，对实际信号进行谐波检测。

S变换是由 Stockwell提出的［8］，一种可逆的局部时频分析方法。该变换可对连续小波变换和短时傅立叶变换两者的延伸。将属于L2（R）空间的信号h（t）在小波基下展开，表达式为：

将小波变换乘上一相位因子，可得到S变换：

为了满足小波零均值允许条件，将S变换进一步写成：

那么，信号h（t）的频谱H（f）就是

将式（3）改写成

其中通过解析相位φ（τ，f0）可求出某一段时间内的瞬时频率［9-10］：

使用式（1）～式（6）中的S变换分析旧款电压转换器的电子式互感器在开关闭合瞬间的波形，如图18所示。

图18 旧款电压转换器输出原始信号及S变换频谱Fig.18 Output waveform and S-transform frequency spectrum of old voltage converter

装载旧款电压转换器的电子式电压互感器在开关闭合后仍存在着明显的谐波，其中以3次谐波和20 Hz、75 Hz和120 Hz的间谐波含量最大，总谐波畸变率达到了30.16%，说明这款电压转换器特性不佳，在开关闭合的冲击下，会产生大量谐波，不能满足电网的实际应用。

使用式（1）～式（6）中的S变换分析新款电压转换器的电子式互感器在开关闭合瞬间的波形，如图19所示。

装载新款电压转换器的电子式电压互感器在开关闭合后很快正常输出工频电压信号，基波含量大，几乎没有谐波产生，总谐波畸变率为1.04%，说明这款电压转换器特性良好，在开关闭合的冲击下，基本不会产生谐波，可满足电网的实际应用。

图19 新款电压转换器输出原始信号及S变换频谱Fig.19 Output waveform and S-transform frequency spectrum of new voltage converter

5 结束语

本文通过试验和信号分析，对比了新旧两款电子式互感器在开关闭合瞬间输出的波形，分析结果表明了使用了新款电压转换器后，电子式电压互感器输出的电压波形有了明显的改善，避免了产生大量谐波，能满足电子式电压互感器的应用需求。

（1）通过对上述试验分析可以得出，安徽某新一代智能变电站投运时出现波形畸变的问题就是由于电压转换器饱和倍数设计裕度不足所致，同时，由于电压转换器存在个体差异，元器件入厂检测缺乏，导致现场8只电子式电压互感器中3只出现异常。使用饱和倍数更高的新款电压转换器可解决电子式电压互感器投运时波形畸变的问题；

（2）某厂家在现场使用的电压转换器与之前型式试验与性能检测中的电压转换器不一致，是导致故障的根本原因；

（3）建议某厂家产品在更换电压转换器后补充进行工频耐压试验、雷电冲击试验与隔离刀闸分合操作试验，对电压转换器进行温度试验等，充分验证其可靠性。通过验证后将现场所有同型号的旧款电压转换器更换为新款电压转换器，对其他型号的电压互感器应进一步进行分析与试验排查。

本文最后介绍了改进的S变换，并使用其对新旧两款电压转换器的输出波形进行了频谱分析，发现旧款电压转换器在开关闭合的冲击下，输出信号存在多种间谐波、总谐波畸变率为30.16%，无法满足在电网正常应用。而新款电压转换器能有效输出工频电压波形，总谐波畸变率仅为1.04%，基本不会产生谐波，可满足电网实际应用。