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        變電站地電位升測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)及其應(yīng)用

        2017-12-18 05:28:56張大雨陳明邢琳任紅昕吳景梅李慧奇
        電測(cè)與儀表 2017年17期
        關(guān)鍵詞:示波器屏蔽電位

        張大雨,陳明,邢琳,任紅昕,吳景梅,李慧奇

        (1.華北電力大學(xué)河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北保定071003;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,石家莊050000)

        0 引 言

        變電站的接地網(wǎng)為站內(nèi)各種電氣設(shè)備提供了公共參考地,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地短路或雷擊故障時(shí),故障電流在接地體上的壓降將引起接地體電位升高,如地電位升高超過(guò)一定限制時(shí),就會(huì)危及設(shè)備和人員的安全[1]。流過(guò)接地網(wǎng)中的電流還會(huì)通過(guò)接地網(wǎng)的傳導(dǎo)耦合在二次電纜上產(chǎn)生干擾電壓[2]。從上世紀(jì)60年代開(kāi)始,美國(guó)電力研究院歷時(shí)二十余年完成了變電站電磁瞬態(tài)的研究工作,主要包括變電站電磁環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、變電站瞬態(tài)電磁干擾模型的建立以及變電站電磁環(huán)境的測(cè)量等[3-4]。華北電力大學(xué)研制了瞬態(tài)電磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),建立了變電站一次設(shè)備耦合模型,提出了電磁場(chǎng)的頻域數(shù)值分析方法。地電位升高的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量一般采用人工注入工頻電流或人工引雷試驗(yàn)[5]來(lái)模擬短路和雷擊狀態(tài)下接地網(wǎng)地電位升分布。

        針對(duì)雷擊地電位升高幅值、寬頻帶的特性,選用高分壓比傳感器和高精度數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)的采集;自備工作電源和屏蔽箱,消除了變電站自身電磁環(huán)境和地電位升高對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的影響?;贚abview開(kāi)發(fā)了測(cè)試系統(tǒng)軟件,進(jìn)一步增強(qiáng)了信號(hào)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。在變電站模擬雷擊地電位升現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中準(zhǔn)確獲取了不同測(cè)點(diǎn)間地電位升電壓和二次電纜騷擾電壓,驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的有效性,也為變電站地電位升特性分析和二次電纜抗騷擾積累了原始數(shù)據(jù)。

        1 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        由于變電站自身復(fù)雜的電磁環(huán)境特點(diǎn),測(cè)試系統(tǒng)首先要具有良好屏蔽性能,保證其能在雷電或隔離開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的惡劣電磁環(huán)境下正常工作。直擊雷引起的變電站地電位升高可達(dá)幾十千伏,頻率可達(dá)數(shù)十兆赫茲,這就要求測(cè)試系統(tǒng)要具有較大分壓比和較寬的頻帶。測(cè)試系統(tǒng)需自帶工作電源,可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行,同時(shí)防止干擾信號(hào)由電源線引入進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果。測(cè)試系統(tǒng)的引入不能影響被測(cè)設(shè)備的正常運(yùn)行,且具有可靠的通信能力和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力,可以遠(yuǎn)程控制和處理測(cè)量數(shù)據(jù)[6]。

        測(cè)試系統(tǒng)硬件主要包括信號(hào)采集部分、獨(dú)立不間斷電源部分、通信模塊和屏蔽部分組成見(jiàn)圖1。

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure block diagram

        1.1 信號(hào)采集部分

        信號(hào)采集部分包括信號(hào)傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊,雷擊造成的地電位升高在極端情況下可達(dá)幾十千伏,而后續(xù)數(shù)據(jù)處理等模塊都為低壓電子設(shè)備,因此信號(hào)傳感器電壓上限不應(yīng)小于30 kV,分壓比應(yīng)大于500:1。雷電流具有較寬頻帶特性,信號(hào)傳感器帶寬應(yīng)在30 MHz以上。同時(shí),信號(hào)傳感器的接入不能產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng),輸入阻抗不小于100 MΩ。數(shù)據(jù)處理模塊將傳感器采集的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,模擬帶寬應(yīng)大于75 MHz,采樣率應(yīng)大于1 GS/s。在滿足上述參數(shù)要求的基礎(chǔ)上,綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,信號(hào)傳感器采用P6015A型無(wú)源高壓探頭,信號(hào)處理模塊選用TDS2024C數(shù)字存儲(chǔ)式示波器。P6015A由探頭和補(bǔ)償盒兩部分組成,探頭與補(bǔ)償盒以及連接導(dǎo)線采用了等電位屏蔽技術(shù),在強(qiáng)電場(chǎng)壞境中具有較好的抗干擾能力。采用兩級(jí)分壓結(jié)構(gòu),分壓電路如圖2所示。第一級(jí)分壓在探頭部分,由R1、R2構(gòu)成,在A點(diǎn)獲得輸入電壓100:1的衰減電壓;第二級(jí)分壓在補(bǔ)償部分,由R3、R4和補(bǔ)償電容C1、C2構(gòu)成,將A點(diǎn)的電壓再進(jìn)行10:1的衰減,并進(jìn)行高頻補(bǔ)償,最終在B點(diǎn)獲得1 000:1的衰減輸出電壓提供給示波器[7]。

        圖2 高壓探頭分壓電路圖Fig.2 High voltage probe divider circuit diagram

        示波器將探頭采集來(lái)的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理和存儲(chǔ),高達(dá)2 GS/s的采樣率保證了數(shù)字化的準(zhǔn)確性。二者的組合在滿足測(cè)量需求的同時(shí)還具有緊湊的結(jié)構(gòu),減小了測(cè)試系統(tǒng)的體積。結(jié)合后續(xù)的示波器軟件開(kāi)發(fā),降低了數(shù)據(jù)處理對(duì)示波器存儲(chǔ)深度的硬性要求。

        1.2 電源和通信部分

        系統(tǒng)電源采用大容量鋰電池和逆變器的組合,電池容量60 AH,配合穩(wěn)壓電路,穩(wěn)定輸出12 V直流電,經(jīng)逆變器逆變?yōu)?20 V正弦波交流電,為示波器和通信模塊供電,可支持測(cè)試系統(tǒng)連續(xù)工作24 h以上。屏蔽箱中的通信模塊將示波器輸出電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),與二次設(shè)備室中對(duì)應(yīng)的通信模塊間采用光纖連接,二次設(shè)備室中的通信模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),與上位機(jī)間采用USB線連接。上位機(jī)的選擇可單獨(dú)配置一臺(tái)計(jì)算機(jī),也可與變電站監(jiān)控系統(tǒng)共用一臺(tái)上位機(jī)電腦。避免現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?,保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

        1.3 箱體屏蔽

        針對(duì)測(cè)量環(huán)境和測(cè)試對(duì)象的特殊性,上述測(cè)量?jī)x器全部放入自制屏蔽箱內(nèi)。屏蔽箱采用封閉式設(shè)計(jì),留有測(cè)量引線引出孔,采用絕緣滑輪支撐,移動(dòng)方便,根據(jù)不同測(cè)量需求,可實(shí)現(xiàn)與被測(cè)設(shè)備的單點(diǎn)接地或浮地。測(cè)量地電位升時(shí)應(yīng)避免兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地,以免地電位升高對(duì)測(cè)量系統(tǒng)造成影響。測(cè)量引線應(yīng)采用帶屏蔽的同軸電纜或外加金屬管作為屏蔽。GB/T 17626系列指出變電站屬于典型工業(yè)環(huán)境,工作在其中的電子設(shè)備電磁抗擾度水平應(yīng)達(dá)到3級(jí)。經(jīng)河北省電子信息產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)院專項(xiàng)硬件檢測(cè),測(cè)試系統(tǒng)功能正常,屏蔽性能良好,對(duì)變電站典型電磁環(huán)境如靜電放電、工頻磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)的抗干擾能力高于國(guó)標(biāo)要求,達(dá)到4級(jí)抗擾度水平。

        2 測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        基于Labview開(kāi)發(fā)了測(cè)試系統(tǒng)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互軟件。Labview提供多種不同接口測(cè)試儀器的驅(qū)動(dòng)程序,還支持VISA、SCPI和IVI等最新的程控軟件標(biāo)準(zhǔn)。VISA(虛擬儀器體系結(jié)構(gòu))標(biāo)準(zhǔn)兼容USB、網(wǎng)口等多種硬件接口[8],可實(shí)現(xiàn)與各種儀器總線的通信[9]。SCPI(可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令)是標(biāo)準(zhǔn)化的程控儀器編程語(yǔ)言,通過(guò)VISA調(diào)用SCPI命令完成計(jì)算機(jī)與測(cè)試系統(tǒng)的通信連接,實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸和保存。由于Labview模塊化的圖形語(yǔ)言和SCPI命令良好的兼容性,測(cè)試系統(tǒng)軟件具有良好的可讀性和可移植性,極大地方便了測(cè)試系統(tǒng)軟件的后期維護(hù)和擴(kuò)展。

        2.1 測(cè)試系統(tǒng)連接

        根據(jù)測(cè)試性能要求選擇的TDS2024C數(shù)字示波器采用USB通信,相較于傳統(tǒng)的串口通信,USB通信減少了串口參數(shù)設(shè)置的環(huán)節(jié)[10],提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和外接設(shè)備總數(shù),并具有即插即用和熱插拔功能。安裝測(cè)試系統(tǒng)軟件后的計(jì)算機(jī)即可作為測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī),與測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)通信模塊連接后,上位機(jī)自動(dòng)識(shí)別外接設(shè)備的物理地址,選取測(cè)試系統(tǒng)對(duì)應(yīng)地址即可完成連接。要實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的正確顯示,首先要進(jìn)行示波器的狀態(tài)設(shè)置,主要包括信號(hào)通道選擇、觸發(fā)設(shè)置和X/Y軸范圍設(shè)置。為了方便使用,創(chuàng)建了與傳統(tǒng)示波器類似的控制界面。當(dāng)近距離操作示波器有困難時(shí),即可通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程操作示波器來(lái)完成調(diào)試。

        2.2 數(shù)據(jù)獲取與存儲(chǔ)

        通過(guò)VISA寫入子VI向示波器發(fā)送波形查詢命令,示波器接收命令后將獲取的波形數(shù)據(jù)返回到上位機(jī),然后利用VISA讀取子VI從指定資源名稱的設(shè)備或接口中讀取返回?cái)?shù)據(jù),并使數(shù)據(jù)緩存到讀取緩沖區(qū)。緩存在讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)中除了波形數(shù)據(jù)外還包含儀器型號(hào)和命令格式,且是以字符串格式存在的,需要進(jìn)行篩選和數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換,讀取緩沖區(qū)的空間大小設(shè)置要和緩存數(shù)據(jù)量相匹配。

        圖3 軟件程序圖Fig.3 Software program diagram

        首先查詢數(shù)據(jù)編碼形式,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)后結(jié)合示波器當(dāng)前狀態(tài),包括信號(hào)通道和衰減倍數(shù)、X/Y軸增量、起始點(diǎn)和偏移量進(jìn)行計(jì)算,得到正確的波形數(shù)據(jù)。軟件采用與示波器相似的顯示界面。開(kāi)發(fā)了文件管理功能,波形數(shù)據(jù)以時(shí)間命名自動(dòng)保存在上位機(jī)上,并可對(duì)已保存的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行打開(kāi)、查看和刪除。通過(guò)將示波器采集到的數(shù)據(jù)同步傳輸給上位機(jī),實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的目的,突破了存儲(chǔ)空間的限制,降低了較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)對(duì)采樣率和存儲(chǔ)深度的硬性要求。經(jīng)河北省電子信息產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)院專項(xiàng)軟件檢測(cè),測(cè)試系統(tǒng)軟件操作簡(jiǎn)便、功能正常,軟件程序如圖3所示。

        3 測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

        使用該測(cè)試系統(tǒng)在某220 kV變電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量。針對(duì)變電站地電位升高和試驗(yàn)用屏蔽電纜進(jìn)行了具體試驗(yàn),獲得了浪涌電壓作用于變電站主地網(wǎng)時(shí)的地電位分布和二次電纜端口騷擾電壓時(shí)域波形。試驗(yàn)布置示意圖如圖4所示[11],在P、N點(diǎn)間加入浪涌信號(hào),以P為參考點(diǎn),測(cè)量各個(gè)測(cè)量點(diǎn)(C0~C3)地電位升高情況。

        圖4 試驗(yàn)布置示意圖Fig.4 Sketch map of test arrangement

        圖5 浪涌電壓波形Fig.5 Surge voltage waveform

        浪涌發(fā)生器輸出電壓幅值3 kV,波形如圖5所示。高壓輸出端接7#避雷針接地引線,低壓輸出端接6#避雷針接地引線。覆蓋全部主變及110 kV戶外配電裝置區(qū)域?,F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)分布如圖6所示,自東向西測(cè)量沿虛線a布置的9個(gè)戶外柜接地引線處地電位升和屏蔽電纜不同接地方式下端口騷擾電壓,為降低干擾,使用帶屏蔽層的測(cè)量引線將測(cè)試點(diǎn)電壓引入測(cè)試系統(tǒng),記錄電壓的數(shù)值和波形。1~9號(hào)測(cè)量點(diǎn)地電位升波形如圖7所示,電壓峰值結(jié)果見(jiàn)表1。

        圖6 測(cè)量點(diǎn)分布Fig.6 Measuring points distribution

        圖7 測(cè)量點(diǎn)地電位升Fig.7 Ground potential rise of measurement points

        由于電流在接地網(wǎng)中的反射和疊加,造成了電壓波形的畸變。通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出,接地網(wǎng)地電位升從激勵(lì)注入點(diǎn)向四周降低。3、4號(hào)測(cè)點(diǎn)間電壓梯度突增,除去浪涌電壓本身對(duì)接地網(wǎng)的沖擊特性外,3、4號(hào)測(cè)點(diǎn)間還可能存在電氣連接不均的問(wèn)題。通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)的長(zhǎng)期測(cè)量,積累更多測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)分析接地網(wǎng)的電氣性能和沖擊電位分布特性都有重要意義。

        表1 測(cè)量結(jié)果峰值Tab.1 Peak value of measurement result

        連接二次設(shè)備的電纜兩端接地方式不同時(shí),地電位升高對(duì)電纜端口造成的騷擾電壓也不同。U1為電纜兩接地端都接在一次地網(wǎng)時(shí)騷擾電壓,U2為電纜一端接一次地網(wǎng),一端接二次地網(wǎng)時(shí)的騷擾電壓,具體波形如圖8所示??梢?jiàn)U1>U2,二次電纜接二次地網(wǎng)減小了地電位升對(duì)電纜的騷擾電壓,對(duì)二次電纜的敷設(shè)具有一定的指導(dǎo)作用。

        圖8 不同接地方式下電纜端口騷擾電壓Fig.8 Disturbance voltage of cable port under different grounding modes

        4 結(jié)束語(yǔ)

        針對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)特殊環(huán)境和被測(cè)對(duì)象高幅值、寬頻帶的具體特征,設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)緊湊、效果良好的,適用于變電站現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的地電位升測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取了浪涌電壓作用下接地網(wǎng)地電位升和二次電纜端口騷擾電壓,并將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到計(jì)算機(jī),證明了測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。也為變電站接地網(wǎng)故障診斷、電力設(shè)備接地和二次電纜的敷設(shè)提供了分析依據(jù)。

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