特高压GIS设备

2024-09-26

特高压GIS设备（精选6篇）

特高压GIS设备篇1

摘要：随着社会发展,电力作为一个重要的能源支持,与人们正常生活及社会生产和发展息息相关,一旦出现重大问题,不仅对正常生活造成巨大影响,还会带来巨大的经济损失,因此,电力系统的安全运行运行一直受到关注。与此同时,电力系统却一直受到各种自然灾害的考验,本文就电力系统变电站的输变电开关设备——特高压气体绝缘全封闭组合电器(GIS)的抗震性能进行讨论。

关键词：特高压GIS抗震,套管地震真型试验,抗震设防

随着电力系统的发展,对变电站用电气设备的要求也越来越高,而GIS设备由于占地面积小、可靠性高、受外界环境影响小等优势越来越受到电力系统青睐,在电力系统中的运用越来越广,并且为满足市场需求,各种电压等级的GIS设备也应运而生。近几年,随着我国电力系统的发展及规划,800k V及以上特高压输变电项目得到快速发展,国家对特高压电力的建设投资也越来越多,电力设备的安全性也越来越受到重视。而地震是一种毁灭性的突发自然灾害,最容易导致电力系统中电力设备的损害。因此对特高压开关设备的抗震性能进行研究具有重要意义。

目前,对电力设备的抗震性能研究主要是理论计算分析,采用ANSYS、DASAPW等分析软件对电力设备进行地震模拟计算。而目前特高压GIS设备结构为三相分相模式,三相设备之间无机械连接,因此在对特高压设备进行抗震性能分析时,只需对单相设备进行分析即可。根据特高压GIS设备的布置方式建立单相GIS设备模型进行分析,该模型包含特高压GIS实际使用运行过程中包含的所有设备,使该计算分析结果能够反应整个电站中GIS设备的抗震性能。具体分析流程为:建立模型、静力分析、模态分析、地震加速度反应谱分析,最后对分析数据进行处理,得出结果。

数据模型的建立原则:数据模型的准确与否直接关系到分析结果的准确性,因此,在建立模型时,应尽可能的利用多种单元模拟结构形状,以反应设备结构自身的力学特征。断路器、隔离开关、母线、套管、L型母线、T型母线、塔形筒、接地开关、CT、PT等薄壳结构,可使用高精度的位移三次多项式插值的DKT六节点板壳单元。套管、导电管、母线筒、支架等是细长杆件,可使用6自由度的抗弯扭的两节点梁单元。梁单元和有关壳单元的连接可使用刚平面假设,钢支柱底部与基础接触的结点按固定处理。

模型计算分析过程中以特高压交流电气设备抗震设防标准及抗震设计标准谱为基础,合成人工地震波,分别使用X+Z向和Y+Z向两种情况进行响应谱分析,各阶振型地震响应的叠加按平方求和的平方根,地震应力与静载荷应力按绝对值组合。(图1)

其中T为周期,α为地震影响系数,αmax为地震影响系数最大值,γ为衰减指数,η1为斜率调整系数,η2为阻尼调整系数。

2015年,应国网要求,河南平高电气股份有限公司委托第三方研究所对1100k V GIS设备进行计算,计算过程此处不再进行说明。计算结果表明:GIS设备中各开关设备具有较好的抗震性能,在0.5g的地震激励下设备性能满足特高压交流电器设备抗震设防标准等规范要求,安全系数较大,但其套管处加速度综合放大系数及位移值均大于设备主体,为该电气设备的薄弱点。

为验证套管处的抗震性能,2015年公司对特高压使用的硅橡胶套管及瓷套管进行了套管抗震性能真型实验。其中硅橡胶套管抗震试验峰值加速度为0.5g,瓷套管抗震试验峰值加速度为0.4g。抗震试验时安装在支架上,支架固定在振动台台面上。

由于套管为竖向轴对称结构,不会出现明显的扭转振动,且不是大跨度、长悬臂的电气设备,故可以不考虑竖向地震作用,只进行单水平方向的抗震性能考核。试验为地震波单向激励套管,激振方向为Y向。

试验选取了两种时程文件作为振动台的输入波:即白噪声和标准时程波。白噪声用来测定设备的动力特性。标准时程波用来监测套管抗震性能。

试验加载的工况见表1所示。

实验过程中,在套管的端部与重心处均布置应变片。在套管主震Y方向及X方向布置加速度计。

经过地震真型试验结果计算表明:硅橡胶套管在振动台输入地面加速度峰值0.55g时,测得套管根部最大应变值为1460με。根据套管的参数(弹性模量18GPa,许用应力80MPa),计算出相应的应力为26.28MPa。按照试验要求及其他荷载效应进行组合,再组合风压载荷并考虑内压后的应力为计算出荷载组合下应力值为:37.82MPa。以套管的许用应力80MPa计算,套管通过设计地面加速度峰值为0.55g的抗震考核试验。

瓷套管在输入目标峰值加速度0.4g的情况下,瓷套管根部最大应变为135με。瓷套的弹性模量为88×109Pa,最终计算后套管根部法兰处的最大应力为13.99MPa,再组合风压载荷并考虑内压后的应力为17.99MPa,小于瓷套管的容许应力值28MPa,也顺利通过设计地面加速度峰值为0.4g的抗震考核试验。

经过计算分析及真型试验结果表明,目前特高压GIS完全能满足地震峰值加速度为0.5g的抗震要求。

参考文献

[1]杨涛,王社良,刘伟等.GIS高压电气设备抗震性能试验研究[J].世界地震工程,2016,3,32(1).

[2]邱宁,程永峰等.1000k V特高压交流电气设备抗震研究进展与展望[J].高电压技术,2015,5,41(5).

[3]《特高压瓷绝缘电气设备抗震设计及减震装置安装于维护技术规程》Q/GDW 11132-2013.

特高压GIS设备的局放检测技术篇2

局放测量试验的主要依据是异物在电场的作用下发出异常电磁信号, 通过检出局放信号与运行电压相位信号并进行软件分析。局放试验主要用同轴电缆连接圆盘电极-中继箱, 通过放大器、示波器确认有无局放信号, 能够得出异物具体的位置等参数, 从而对工厂装配情况及现场安装情况做出检测, 并对GIS运行情况的影响等。经过现场测试除背景外, 无明显局放出现。目前对局放的测量主要采用UHF法 (高频法) 和ERA法 (电流脉冲法) 。其中ERA法为IEC60270标准中规定的常规测量局放的方法, 本文重点介绍一下采用UHF法测量局放的装置及其测量结果与使用ERA法的对比。

1 UHF法试验装置的原理结构及安装

采用UHF法测量局放的原理是通过接收GIS内局部放电时发出的电磁波来检测局部放电的。这种方法的基础是在高压力的SF6气体中, 局部放电总是在很小的范围内发生, 因此具有极快击穿的时间特性, 而这种具有极快上升时沿的局部放电脉冲包含有从直流到频率超过1GHz的成分。在GIS中, 其同轴结构是一个良好的波导, 超过300MHz的电磁波在其内部可有效的传播。而电力系统中的电晕放电等主要电磁干扰信号的频率一般是在150MHz以下, 而且因其在空气中传播, 其衰减很快。因此可以选择超高频段的电磁波作为检测信号, 可以有效避开现场的各种干扰, 提高信噪比。

采用UHF法进行局部放电测量的装置由放大器、示波器、同轴电缆构成。局部放电测量用UHF传感器的构造参照下图。局部放电测量用UHF传感器是由圆盘式电极、终端电阻、检测接头、接地端子、端子箱构成。测量局部放电时, 将同轴电缆连接到检测接头上, 测量装置通过同轴电缆与UHF传感器连接。

通过局放监测试验能够测出异物存在的大概范围位置等参数, 这种测量方法的理论依据是建立在工厂内无数次试验 (ERA法测量局放) , 模拟现场与设备各种状态下的异物存在时发出的信号值, 试验数据统计后找出内部缺陷与局放量的对应关系, 从而对工厂装配情况及现场安装情况做出评价检测, 并考虑其将来对GIS运行情况的影响等。

2 测量的灵敏度与校正

UHF法与EAR法局部放电同时测量方法参照下图。试验对象筒体Cx处放置了异物, 绝缘盆子把试验对象筒体Cx与试验用GIS分开, 使试验用GIS具有结合电容器Ck的功能。与ERA法相比, UHF法的圆盘式电极可以检测出试验用GIS内部传播的电磁波, 最后可以同时测量出UHF法圆盘式电极的输出信号以及ERA法输出的信号, 再从测量结果当中算出灵敏度校正值。在GIS工厂试验常用ERA法。

UHF法与ERA法同时测量局部放电的波形参照图4。UHF法的校正值可以从图4中各个波形的峰值关系中得出。

依据ERA法测量的放电电荷量UHF法的校正値参照图5。根据此结果, UHF传感器的圆盘式电极在10pC时发生的局部放电约为500mV。

但是只作为定性的测量, 和以前的数据进行比对, 如果有波动就认为放电量异常, 再根据各个采集点的关系进行分析。如果相邻采集点的信号是衰减的, 且三相之间没有关联, 有可能是产品内部出现异常, 如果大多数采集点出现波动, 可能是外界干扰。即使依据ERA法测量的放电电荷量对UHF法的値进行校正也只是作为参照, 不能作为真实的放电量。

3 典型的图谱比对说明

UHF法测量局放在国内晋东南GIS是首次采用, 缺少相应的技术资料和判定依据, 用常见的ERA法图谱和它进行对比, 能更好地做出判断, 帮助识别故障类型。

3.1 气息放电

从图谱上看, 放电脉冲叠加于正及负峰之前的位置, 对称的两边脉冲幅值及频率基本相等, 但有时上下幅值的不对称度3:1仍属正常。放电量与试验电压的关系:起始放电后, 放电量增至某一水平时, 随试验电压上升放电量保持不变。熄灭电压基本相等或略低于起始电压, 若试验电压上升至某一值并维持较长时间 (入30min) , 熄灭电压将会高于起始电压, 且放电量将会下降, 若试验电压持续达1h, 熄灭电压会更大于起始电压, 并且高于第一次 (30min) 的值, 放电量也进一步下降。从以上现象基本可以判断试品绝缘结构中有一个与电场方向垂直的气隙。

3.2 悬浮颗粒放电

悬浮电位放电, 在电场中两悬浮金属物体间, 或金属物与大地间产生的放电。波形有两种情况:1) 正负两边脉冲等幅、等间隔及频率相同;2) 两边脉冲成对出现, 对与对间隔相同, 有时会在基线往复移动。

放电量与试验电压的关系有3种类型:1) 放电量保持不变, 熄灭电压与起始电压完全相等;2) 电压继续上升, 在某一电压下放电突然消失, 电压继续上升后再下降, 会在前一消失电压下再次出现放电;3) 随电压上升, 放电量逐渐减小, 放电脉冲随之增加。

3.3 尖角放电

尖状物对平板或大地的放电。较低电压下产生电晕放电, 放电脉冲总叠加于电压的峰值位置, 如位于负峰值处, 放电源处于高电位;如位于正峰值处, 放电源处于低电位。一对脉冲对称的出现在电压正或负峰处, 没一簇的放电脉冲时间间隔均各自相等。但两簇的幅值及时间间隔不等, 幅值较小的一簇幅值相等、较密。放电量与试验电压的关系:一簇较大的脉冲起始电压较低, 放电量随电压的上升增加;一簇较小的脉冲起始电压较高, 放电量与电压无关, 保持不变;电压上升, 脉冲频率密度增加, 但尚能分辨;电压再升高, 逐渐变得不可分辨。

4 结论

UHF法测量局放, 基于工厂大量的试验数据进行判别故障, 而用户缺乏相应的试验数据, 对测量的数据不能做出准确的判断, 那么利用熟知的EAR法进行图谱比对, 能有效地判断局放量是由那种内部缺陷引起的, 采取适当的措施, 避免产生重大事故。

摘要：对特高压GIS设备采用UHF法测量局放, 这种测量方法的理论依据是建立在工厂内无数次试验, 模拟现场与设备各种状态下的异物存在时发出的信号值, 试验数据统计后找出内部缺陷与局放量的对应关系, 从而对工厂装配情况及现场安装情况做出评价检测, 目前国内缺少相应的技术资料和判定依据, 本文用IEC60270标准规定的ERA法图谱和它进行对比, 能更好地做出判断, 帮助识别故障类型。

特高压GIS设备篇3

西门子与阿海珐的特高压户外敞开式开关设备又有不同。西门子的1100kV断路器为罐式断路器, 而阿海珐的1100kV断路器为支柱式断路器。西门子的1100kV隔离开关为三柱双断口隔离开关, 而阿海珐的为折臂式隔离开关。西门子的互感器推荐电容式电压互感器和支柱式电流互感器, 而阿海珐采用非传统互感器, 是以光学和混合传感器为基础的解决方案。

以下分别介绍西门子和阿海珐特高压户外敞开式开关设备。

1 西门子特高压户外敞开式开关设备

1.1 断路器

采用4断口金属封闭罐式断路器 (8DQ1P5型) , 它是利用了3AP2F1型双断口的成熟设计。瓷柱式具有如下优势:

采用金属封闭设计可避免采用长支撑绝缘子, 特高压瓷柱式断路器需要的支撑绝缘子长度接近10m, 而且得承重断口单元和合闸电阻。金属封闭罐式断路器特别适用于地震多发区。断路器外绝缘相对地的爬电距离会影响其在高污秽区的电气性能。由于所有的部分都位于地面且操作方便, 气体绝缘金属封闭罐式断路器在运行维护时也具有优势。

2008年初KEMA试验站对西门子的1100kV SF6罐式断路器8DQlP5进行了50kA, 恢复电压峰值高达2062kV的开断试验。

T100a试验:直流分量衰减时间为20ms;首相切除因数为1.3p.u.;恢复电压峰值为l600kV;最小燃弧时间为10.3ms。

T10试验:首相切除因素为1.5p.u.;恢复电压峰值为2062kV;最小燃弧时间为5.1ms。

2008年在FGH试验站 (位于德国曼海姆) 对同一断路器成功地进行了电气试验和老化试验。

工频耐受电压如下:相对地为1100kV;断口间为1180kV; (叠加反极性的工频电压) 为320kV。

雷电冲击耐受电压如下:相对地为2400kV;断口间为2400kV; (叠加反极性的工频电压) 为630kV。

操作冲击耐受电压如下:相对地为1800kV;断口间为1675kV; (叠加反极性的工频电压) 为900kV。

成功的型式试验表明西门子的新型罐式断路器可以满足UHV市场的需求。

1.2 隔离开关

隔离开关有多种型式, 对于1100kV等极, 推荐采用三柱双断口结构。

双断口结构的优势有:

(1) 由于减少操作元件的数量而具有高稳定性;

(2) 电流通道更好的旋转和扭动设计;

(3) 由于电流通道的动触头只在水平方向旋转, 节省了垂直方向的空间。

1.3 电流互感器和电压互感器

对于交流1200kV系统推荐采用CVT (电容分压器) 和自立式气体绝缘电流互感器。罐式断路器套管底部也可集成穿心式电流互感器。1200kV自立式电流互感器的主要参数见表1。

气体绝缘电流互感器包括TPY型, 所有型号的测量线圈都需具有较好的暂态性能。

对于罐式断路器, 电流互感器线圈可集成到套管内部, 这种结构下所有的线圈也需具有高稳定性。不像自立式电流互感器, 该结构不用对外绝缘进行特殊考虑, 从而降低了造价。对于1200kV设备仍需对个别方面进行专项研发。

5节电容器单元串联组成CTV的电容分压器。基本技术数据见表2。

※为印度电网有限公司 (PGCIL) 需求

2 阿海珐特高压户外敞开式开关设备

2.1 断路器的设计

1100kV断路器目前由4断口的瓷柱断路器组成, 具有表3所示的电气特性。

由于以下几个因素:阿海珐确信, GL3l9方案是在l100kV的应用中最可靠的技术方案。

(1) 瓷柱式技术易于在全世界试验室里试验;

(2) 断路器具有零压力时对地绝缘水平;

(3) AIS的安全完善, 整个模块是开放的绝缘断口, 亦即断开的开启部位完全可见;

(4) 与罐式断路器或GIS比较, 瓷柱式的方案成本较低;

(5) 与GIS或罐式断路器相比, 地震耐受力的试验和计算没有那么复杂;

(6) 绝缘击穿现象比较容易处理且目前已经掌握;

(7) 一旦发生故障, 瓷柱式断路器比罐式断路器或者GIS断路器的检修时间短得多。

2.2 隔离开关的设计

隔离开关的技术特性见表4。

2006年上半年已对SPOL1100kV做过机械试验和绝缘试验, 结果良好。AREVA准备供应SPOL1100kV垂直折臂式和1100kV水平折臂式2种款式的隔离开关。

1100kV隔离开关配备中国消费者所熟知和很欣赏的“L”触头。“L”触头打开和关合位置都封闭在外壳内, 可防止覆冰和污染。“L”型动触头呈漏斗形, 是一束由不锈钢弹簧压紧的铜触指。“L”形静触头为实心铜棒。

2.3 非传统互感器 (NCIT)

非传统互感器 (NCIT) 的技术特性见表5。

实验室性质的试验和现场实验都己做过, 成功地证明了传感器的技术可行性以及在现行技术规格范围内EHV和UHV电网上实施的可能性。

提供一个独特的电子平台 (CVCOM) , 带有传感器电子电路和各种接口, 可以和它的保护设备兼容, 也和大部分电子仪表兼容, 特别是提供了当前推荐的IEC 61.850-9-2接口。

特高压电器设备绝缘试验技术研究篇4

西安高压电路研究所是专门从事高压电力系统研究的机构, 随着特高压输电线路的规划建设, 针对特高压电器设备的绝缘试验也日益迫切。在特高压电器设备中的电容式套管、绝缘子、罐式断路器、敞开式隔离开关等设备都已陆续研究出来, 针对这些设备也需要进行专门的绝缘试验。加强这些方面的研究已经成为西安高压电路研究所的重要职责。在特高压电器设备绝缘试验中隔离开关小电流试验、套管局部放电测量试验、换流阀单阀冲击试验、开关设备端口间联合电压试验是其中比较典型的几个试验。本文将重点探讨这几个方面的实验。

1 隔离开关小电流试验

所谓隔离开关小电流试验主要指的是隔离开关合容性、感性小电流试验。在该项目实验中合理选择大容量试验变压器、合适电筒以及电感负载非常重要。这是顺利实现试验的关键。在往常设计过程中往往对负载采用集中式电容器。在实验过程中是电压变化会对试验结果造成一定影响, 为了合理控制试验电压有必要对变压器出口并联电容器从而实现电源容量的补偿。在感性小电流试验过程中关键问题是要选择合适的感性负载。变压器高压绕组、高压可调电抗器是其中比较典型的几种负载。变压器高压绕组如果用作感性负载就需要考虑其电流调节能力差的缺点。对于高压可调电抗器, 它的调节能力虽然强, 但是占用空间也很大。这种设备只能应用于那些对空间没有要求的试验中。

在特高压等级敞开式隔离开关绝缘试验过程中, 过电压的产生是其中一个重要问题。此外还存在着很大的电弧。过电压和电弧会对设备的绝缘性能造成一定影响。因而要高度重视实验设备绝缘强度以及试验空间。当前针对过电压的研究还不深, 对于过电压的倍数还没有真正予以确定。这就需要我们今后深入研究。

2 套管实验

这里指的套管试验主要指的是套管局部放电测量试验和套管介质损耗、电容量测量试验。在套管局部放电测量试验过程中关键是要把试验回路背景局放在试验电压下。这是做好试验的基本要求。在实际实验过程中, 研究人员可以通过采用400mm的铝铜把试验回路高压到心啊连接起来, 连接处基本上可以采用双环结构。采用这种方式可以有效杜绝试验电压下出现的电晕。串联法是当前应用较为频繁的一种试验方法, 在今后应该加强对这种方法的研究。

套管介质损耗以及电容量测量试验与套管局部放电量试验类似。在本试验中针对试验电压下电晕的控制同样重要。实际上在实验过程中仍然可以采用上述方式, 采用高压导线以及均压环来保证电晕不会发生。

3 开关设备断口间联合电压试验

开关设备断口间联合电压试验是特高压电气绝缘设备中的重要试验, 对于这个试验有其科学步骤, 在实际工作过程中必须要按照其步骤来进行试验。本实验主要包括以下步骤:一是要研究试验变压器的耐冲击结构。想要实现这个目的就需要建立电磁模拟成套试验设备, 通过这套设备来研究试验变压器内部的波过程。在检测过程中工程人员必须要结合实际情况采取专业措施来进行检测。二是要对外部保护措施进行研究。为了实现对试验的有效地外部保护, 研究人员有必要建立集电容分压器、电阻、试验变压器、断口电容链型回路于一身的数学物理模型。建立该模型的主要目的是要试验过程中的暂态过程以及稳态过程进行专业分析从而确定保护措施。三是要建立各种物理模型、包括450到900KV冲击电压发生器和开关断口等物理模型。建立各种物理模型之后就可以对1100kv断路器以及隔离开关进行联合电压试验。

在本次试验中, 难点主要表现在如何保护变压器的绝缘不会受到损伤。试验过程中当断口被击穿时就会产生很高的冲击电压, 这一冲击电压会对变压器内部绝缘造成一定影响。因而在试验过程中就需要采取专门措施来予以保护, 通常情况下外部回路保护和加强变压器的内部绝缘是两种最为常见的保护方式。在本次试验中采用的是外部保护措施。

4 特高压电器设备绝缘试验过程中的关键问题

特高压电器设备绝缘试验对于保持特高压电气设备的正常运行具有重要意义, 我们要高度重视该试验。在实际试验过程中有些关键问题需要我们高度重视。这些关键问题如果得不到解决就会对整个实验造成影响。

4.1 局部放电测量过程中的去干扰问题。

在局部测量过程中研究人员经常会受到各种因素的干扰, 其中电压高、背景环境噪声大、回路非常大是造成干扰的主要因素。针对实验过程中的各项干扰, 研究人员有必要采取以下措施来予以应对:一是分析外部干扰源, 可以采用超声波探测器来进行探测, 探测到以后马上排除。二是要充分考虑周边环境的接地情况, 要保证接地良好以及屏蔽良好。

4.2 雷击试验中的过冲问题。

在雷击试验过程中雷击过冲往往过大, 这主要是由于回路中的杂散参数不能完全消除的原因, 线路固定参数本身又无法改变这使得过冲无法降低。针对这种情况研究人员可以采用可移动式冲击电压发生器来缩短回路引线从而来进行试验。此外还可以在高压引线段加设滤波装置来抑制过冲, 从而保证试验的顺利进行。特高压电气设备绝缘试验中雷击试验是其中一个重要实验。针对这个实验研究人员必须要高度重视。

4.3 跌落值控制问题。

在开关设备断口间联合电压试验过程中对幅值跌落是有严格限制的, 当幅值跌落超过了一定限度时就会对试验本身造成严重影响。因而需要采取专门措施来予以应对。通常情况下工频侧增加补偿电容是最佳方法。这种方法既可以有效控制跌落值, 同时成本也不大, 相比于其他方式更具优势。

随着我国电力建设事业的快速发展, 特高压电器设备的应用已经成为必然趋势。当前人们对特高压电器设备的认识在不断深化。人们已经普遍认识到了特高压电气设备对于电路运行, 对于电力发展的重要性。特高压电器设备本身的性能会对电力系统造成一定影响。加强该设备的绝缘试验技术的研究是保证电力系统稳定运行的必然选择。本文详细分析了特高压电器设备绝缘试验中几个比较典型的试验。之后又分析了试验过程中的关键问题。在今后应该不断加强这方面的研究。

参考文献

[1]1000kV系统用交流SF断路器技术规范[Z].国家电网公司, 2005.

[2]10000kV系统用气体绝缘金属封闭开关设备技术规范[Z].国家电网公司, 2005.

特高压GIS设备篇5

关键词：特高压,变电站,二次设备,抗扰度,端口,宽频建模,S参数

0 引言

1 000 k V晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程于2006年8月通过国家发改委核准,同年底开工建设。2008年7月关键设备全部研制成功,12月初工程全面竣工。随着电网规模的扩大、电压等级的提高、电磁兼容的问题更加尖锐。安装于特高压变电站的二次设备所面临的电磁环境更为恶劣,从而对二次设备的电磁兼容性提出了更高的要求[1,2,3]。

二次设备的电磁兼容问题直接影响设备的技术指标,影响整个设备的抗干扰性能,直接关系到整个系统的可靠性和稳定性,为此设备投入使用前就应对其抗干扰性测试。对设备模拟信号调理电路、数字芯片敏感端口、敏感电路建立宽频电路模型,利用电路仿真软件进行设备系统级电磁兼容仿真,可为预测设备的抗扰度性能设计提供理论依据;对设备各端口进行电磁兼容抗扰度测试[4,5,6,7],电快速瞬变[8]、静电放电、暗室辐射、阻尼振荡波、浪涌测试[9,10,11]等测试项目,可以验证仿真模型的正确性。

1 设备端口抗扰度分析

现场的模拟电压电流量、开关量输入输出线路、各种通信总线和供电线路暴露在变电站电磁干扰场中,直接把各种骚扰量通过传导方式耦合进二次设备。特高压变电站二次设备中交流模拟量输入端口电路如图1所示。互感器将一次侧的电压、电流信号变换成适合继电保护和测控装置输入要求的小电流、电压信号,并进行有效隔离。缓冲部分往往采用集成运算放大器这类有源模拟器件。由于运放的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出阻抗较低,具有一定的缓冲作用。对于输入的模拟量需要采用低通滤波器将最高信号频率限制在一定的带宽以内,以降低采样频率。一般采用RC无源低通滤波器,主要是因为其结构简单、可靠性高。滤波后的信号经过模数转换后输入到数字器件进行处理。下面我们主要讨论模拟量输入端口的抗扰问题,其他端口分析方法类似。

1.1 模拟调理电路建模

利用电路分析软件对电路进行仿真,可获得电路中各节点和支路的响应特性,输出结果可以是文本方式和波形曲线方式,分析这些结果,可以得知电路的功能和技术指标,可以快速、精确地评价电路抗扰度设计的正确性。

电压、电流互感器的原、副边的耦合电容对干扰信号提供了通道,使干扰信号可直接进入装置内部,对装置的运算放大器、A/D等造成影响,严重时会导致误动、拒动现象。在变压器副边增加限幅和滤波措施可解决上述问题。

在HSPICE仿真软件中建立图1模型,R、C等无源器件直接采用软件库中模型,运算放大器采用模拟器件厂家提供的SPICE电路模型网表,瞬变抑制二极管采用等效电路模型参数,互感器通过测量频域S参数后转化为等效电路,互感器的饱和特性,本文暂不做讨论。在现场模拟量处加浪涌干扰,测试图1中测试点1处加DZ前后的电压波形,分别如图2(a)(b)所示。图2(a)中电压幅值为1.5k V,加瞬变抑制二极管后有效地释放了浪涌能量,使电压嵌位在12 V左右。可以根据后续回路对电压的要求,灵活选择合适参数的瞬变二极管。

通过设计电路元件参数,构成低通滤波器,仿真得到低通滤波器幅频特性曲线,如图3所示。图3(a)为滤波前,即图1中测试点2处的幅频特性曲线,截止频率为100 k Hz,图3(b)为一阶滤波和二阶滤波后,即图1中测试点3处的幅频特性曲线,二阶滤波后的截止频率为100 Hz。通过选取RC的数值,可改变截止频率,滤除高频干扰。

1.2 数字器件端口特性行为级建模

对各部分电路整体时域仿真,分析电路的信号完整性和电磁兼容特性时,端接数字器件的模型很难得到,对于数字芯片可以使用其IBIS(I/O Buffer Information Specification)模型进行端口行为级建模。IBIS模型不同于SPICE模型,其屏蔽了电路的内部技术设计细节,采用I/V和V/T表的形式来描述数字集成电路电源、I/O和地单元的电气特性。从IBIS模型中得到芯片关于封装部分的描述,再通过电磁场计算工具提取PCB板等效参数,可以建立如图4这样的关于数字芯片电源端口的等效模型。

图5为射频干扰在图4中A、B、C、D各点的幅频响应。从图5可得,在芯片电源管脚A处,电源耦合进的射频干扰频率在80 MHz处容易产生,在电源上产生较大的过冲,最高点达到1.45 V。芯片电源管脚A处加0.1μF滤波电容后,此处过冲最高点降到0.5 V。可见,在电源管脚处加滤波电容能起到很好的滤波效果。

2 敏感电路宽频建模

电磁兼容抗扰度测试中电快速瞬变、静电放电、暗室辐射等都体现信号频谱范围宽的特性,干扰量频谱达到GHz级别,这些情况在特高压现场电磁骚扰测量中也得到了证实。传统的集总参数电路模型并不能很好地体现电路的分布参数特性,因此,对二次设备中的各个关键电路中的互连系统、无源器件等进行宽频建模,时域分析时才能完整地描述设备的电磁兼容特性。

网络分析仪和电磁场计算工具可以对相关系统的宽频特性进行参数测量和仿真计算,结果可以用S参数的形式表述。S参数称为散射参数,它是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数,以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。

图1所示网络为二端口网络,定义测试点1对地为发送端口port1,测试点3对地为接受端口port2。用4个S参数来表示其端口特性,各参数的物理含义和特殊网络的特性如下:

S11:port2匹配时,port1的反射系数;

S22:port1匹配时,port2的反射系数;

S12:port1匹配时,port2到port1的反向传输系数;

S21:port2匹配时,port1到port2的正向传输系数;

其中,S21表示有多少能量被传输到port2,这个值越大越好,理想值是1,即0 d B,S21越大传输的效率越高。

如图6所示为网络分析仪实际测得某设备对应图1所示网络的S21参数,与建模仿真所得到的二阶滤波后的幅频响应曲线在低频部分基本吻合,高频部分的误差由于R、C器件的高频非理想特性造成。

在SPICE电路仿真工具进行时域计算时,需要将得到的S参数转化成相应的宽频电路模型。我们采用有理函数逼近的方式[12],通过向量拟合S参数曲线,再转化成对应的电路模型。这样电磁兼容中的敏感电路涉及到的无源器件、PCB布线中不连续的部分都可以转化成相应的宽频等效电路,微带线、带状线可以视为传输线网络,其分布参数可以用如CST MWS和HFSS电磁计算工具得到,这些模型均可加入SPICE电路仿真工具,实现敏感电路的时域分析。图7为有理函数逼近的方法向量拟合一个穿过电源、地平面的通孔的过程,通孔的S参数通过电磁场计算工具CST MWS建模计算得到,最后得到等效的宽频模型。

3 抗扰度测试时域分析

在特高压变电站复杂而恶劣的电磁环境中,会出现工频电流和雷电、操作冲击以及多种放电现象的电磁骚扰。随着变电站一次系统电压的升高、容量的增大,电磁骚扰可能更加严重。

对某设备各端口进行电快速瞬变、静电放电、暗室辐射、阻尼振荡波、浪涌测试,以确定二次设备的抗扰性能[13,14,15,16,17],进一步验证采取限幅、滤波、隔离等措施的正确性。

在未加措施前,测试交流电压输入端口过程中,浪涌共模输入1 k V时检同期功能判断有误;差模输入2 k V时三相电压显示不正确。经检查发现其中A/D有损坏,严重时会导致误动、拒动现象。为此在变压器副边增加限幅和滤波措施可解决上述问题。同时注意,电压、电流互感器原、副边中间的屏蔽层要良好接机箱地,以及进线短,出线远离进线等问题。

3.1 限幅

在图1所示的测试点1处安装双向瞬变二极管,可有效避免过大的电压输入到运放输入端,造成运放饱和的情况。图8为在交流电压输入端加共模0.25 k V浪涌信号,测得图1测试点1处不加瞬变二极管的电压变化。图9为在交流电压输入端加共模0.5 k V浪涌信号,测得测试点1处加上瞬变二极管时的电压变化。可见加上瞬变二极管后可使运放输入电压稳定在10 V以下。加差模信号可得到同样结论,此结论与仿真结果吻合。

3.2 滤波

图1的测试点2、3间采用两级RC滤波可有效地将高频成分滤除,使输入到A/D的波形更加稳定。图10、图11分别为在交流电压输入端加共模0.5 k V浪涌信号,测试点2、3处的电压变化。可见,经过两级滤波后电压变化被控制在1.4 V以下,为软件抗扰度的设计策略提供了参考,可有效避免误动。实测得到的结论与模型仿真结果一致。

为研究数字芯片的抗干扰性,针对IBIS模型,将面板看门狗芯片的电源输入端的去耦电容去除后对该设备进行静电放电抗扰度实验,测试过程中当对某按键进行接触放电时,液晶屏闪了三次,连续上报报文。后经分析发现,主要是静电放电产生高电压、大电流窜入系统内部,看门狗供电电源波动,系统重启所致。在看门狗的电源和地间加一滤波电容后,此问题得到解决。验证了利用芯片的IBIS文件信息对数字器件电源端口进行建模的正确性。

4 结论

本文提出了一种二次设备电磁抗扰度建模的方法,并用一些典型端口电路验证了方法的正确性。文中建立了模拟信号调理电路、数字器件端口建模以及敏感电路宽频等效的方法,在设计的初期为设备有效地提高电磁兼容抗扰度提供参考依据,避免设备生产后期更大的电磁兼容整改投入。