電子式互感器性能檢測標準要求

0電子式整體因配設備在國內生產中的應用隨著電氣系統向功率、超高壓、特種高壓的發展，對電氣設備的小型、智能和高可靠性的要求越來越高。由于傳感器機制的先進，新電子式傳感器結構相對簡單，動態范圍大，頻率范圍寬。適應電網測量、數字控制技術和自動發展的方向，該行業獲得了廣泛應用。我國的電子式互感器研究從20世紀70年代起步,先后有多家大學、科研院所、生產廠家開展相關的研究和制造生產工作并取得了較大的發展,已有多家單位研制的電子式互感器在10~750kV電力系統上掛網運行,相關行業的大公司已邁向產品化、市場化的道路。國外阿爾斯通、Nxtphase、SDO、ABB、西門子等公司生產的電子式互感器已有成功運行經驗,并有部分產品掛網運行。施耐德電氣、美國的PhotonicPowerSystem公司、德國的ROTZ公司、日本的三菱、東芝等公司也正在開發電子式互感器產品。從目前國內電子式互感器的試點情況來看,電子式互感器可靠性和穩定性較差,在運行中故障率較高。據統計,截止2011年底投運以來,國網公司系統110(66)kV及以上電子式電流互感器共發生故障138臺次,主要故障類型為采集器故障、光纖故障、傳感器故障等;110(66)kV及以上電子式電壓互感器共發生故障51臺次,主要故障類型為絕緣問題、采集器故障、電磁干擾影響和合并單元故障等。為加強電子式互感器質量管控,提升產品質量和性能,促進電子式互感器的工程應用,進一步完善產品技術標準,國家電網公司組織開展了電子式互感器性能檢測工作。檢測工作承擔單位為中國電力科學研究院電力工業電氣設備質量檢驗測試中心,檢測對象涵蓋24個制造單位的41臺產品。本文針對性能檢測的過程和結果,對不同原理結構的產品在檢測中出現的問題進行分析,并針對不同問題提出相應的解決方法。1電子式電壓傳感性能試驗項目本次性能檢測產品傳感原理不限,結構型式為獨立支柱式,具體參數規定為:電子式電流互感器額定電壓110kV、額定電流600A、準確級0.2S/5P30、額定二次輸出為數字信號;電子式電壓互感器額定電壓110kV、準確級0.2/3P,額定二次輸出為數字信號。送樣產品采用的原理如圖1所示。本文依據的性能檢測試驗項目都基于國家標準要求的項目進行,但是對相關項目的標準要求做了提高和修改,以提升產品質量和性能,更符合現場實際運行的需要。除了國家標準規定的例行試驗和型式試驗外,還有多項特殊試驗。由于電子式互感器采用的技術種類很多,而且隨著技術的進步還會有新的技術應用到電子式互感器中來,國家標準列出的項目應根據互感器不同的技術特點進行取舍。對于國家標準未列出而又有必要進行的項目應執行特殊試驗中的“依據所采用技術需要的試驗”。電子式電流互感器性能檢測項目共13項,包括:基本準確度測試、一次端的工頻耐壓測試、額定雷電沖擊測試和截斷雷電沖擊測試、溫度循環準確度測試、短時電流測試、復合誤差測試、電磁兼容測試、MU(mergingunit)發送SV(samplevalue)報文檢驗、可靠性評估、機械強度測試、一次部件的振動測試、局部放電測量、隔離開關分合容性小電流條件下的抗干擾測試。電子式電壓互感器性能檢測項目共8項,包括:基本準確度測試、一次端的工頻耐壓測試、額定雷電沖擊測試和截斷雷電沖擊測試、溫度循環準確度測試、電磁兼容試驗、機械強度測試、局部放電測量、隔離開關分合容性小電流條件下的抗干擾測試。上述檢測項目中專門針對電子式互感器可靠性、穩定性和精確度設置了特殊試驗項目,分別為:基本準確度測試、溫度循環準確度測試、電磁兼容試驗、可靠性評估、隔離開關分合測試。1)基本準確度測試電子式電流互感器除滿足GB/T20840.8—2007要求外,增加以下補充要求:(1)為考核產品傳感器的穩定性和二次算法選取是否恰當,增加了穩定性要求,具體規定為:在100%和5%額定電流下,分別測試電子式電流互感器10min內的誤差,要求其最大值與最小值之差不能超過對應點誤差限值的1/2。(2)為考核周圍磁場環境對產品準確度的影響,增加抗干擾性要求,具體規定為:按實際運行中,兩相之間距離L,在離試品一次導桿L處施加1同相,大小為試品額定電流的干擾電流,要求試品各點誤差均不超出其限值。(3)為考核產品溫度或振動補償是否合理,增加線性度要求,具體規定為:測試過程中,除標準規定的1%、5%、20%、100%和120%額定電流測量點外,隨機增加2個電流測量點,記錄誤差數據。電子式電壓互感器除滿足GB/T20840.7-2007要求外,增加以下補充要求:(1)為考核產品傳感器的穩定性和二次算法選取是否恰當,增加穩定性要求,具體規定為:在100%額定電壓測量點,記錄誤差數據在10min內的波動范圍,要求其最大值與最小值之差不能超過對應點誤差限值的1/2。(2)為考核周圍環境對產品準確度的影響,增加抗干擾性要求,具體規定為:記錄試品置于高低溫箱內外誤差數據的變化,雜散電容的影響引起的誤差變化不超過誤差限值。(3)為考核產品溫度或振動補償是否合理,增加線性度要求,具體規定為:測試過程中,除標準規定的2%、5%、80%、100%、120%和150%額定電壓測量點外,隨機增加電壓測量點,記錄誤差數據。2)溫度循環準確度測試產品由于制造工藝缺陷、元器件溫度系數不匹配、溫度補償算法選取不合理等,溫度循環測試容易出現誤差超差現象,因此本次測試將溫度循環準確度測試作為考核重點,并且在國家標準的基礎上擴大測試環境溫度范圍,增加溫度測量點。如圖2所示,測試過程中15個溫度測量點的誤差數據都應在準確限值內,其中第3測量點、第9測量點和第13測量點分別為升溫、降溫和恢復環境溫度過程中溫度達到設定值時刻的測量點,在滿足溫度變化速率條件下(溫度變化速率≥5K/h),這3點的數據也應滿足標準要求。本次性能檢測提高標準要求,在每個環境溫度升溫和降溫過程中增加1個測量點,即在1、3測量點之間,5、7測量點之間,7、9測量點之間,11、13測量點之間分別增加1個測量點,以便動態檢測電子式互感器準確度隨溫度變化量。溫度循環測試按下圖進行,圖中熱時間常數τ由制造方提供。(1)電磁兼容測試電子式互感器現場運行過程中電磁環境較為復雜,導致運行故障率較高。本次性能檢測電磁兼容測試針對產品的合并單元和一次采樣單元進行,測試內容按照國家標準進行,只是對標準中電磁兼容的判據作出了修改,即將標準中抗擾度要求的評價準則由B級提高到A級。(2)可靠性評估電子式互感器的穩定性和可靠性是目前的研究重點和難點。本次性能檢測根據測試條件和測試能力,提出針對不同原理的電子式互感器的可靠性評估方案。1)故障自診斷試驗對采集器與一次本體一起安裝的電子式互感器,通過剪斷或拔出采集器與合并單元光纖,檢查合并單元輸出數字狀態位是否正確置采樣數據無效,并正確給出互感器需要檢修警告。對采集器與合并單元一起安裝的電子式互感器,通過剪斷或拔出一次本體與采集器光纖、采集器與合并單元光纖,檢查合并單元輸出數字狀態位是否正確置采樣數據無效,并正確給出互感器需要檢修警告。2)雙電源供能可靠性試驗本試驗適用于采集器供電為激光供能與線路取能切換的電子式電流互感器。雙路電源的無縫切換性能要求:一次電流在切換值附近往復波動時,采集器雙路電源應能無縫切換,采集器應正常工作。雙路電源的供電穩定性要求:一次電流在切換值附近頻繁切換時,雙路電源應穩定工作,采集器應正常工作。3)低溫投切可靠性試驗本項試驗可與溫度循環準確度測試同時進行,電子式互感器戶外、戶內部分均處于最低溫時,切斷所有供電電源并保持0.5h以后,合上供電電源,檢查其是否正常啟動和工作,并保證其準確度等級不發生變化。(3)隔離開關分合測試為考核電子式互感器的抗電磁干擾性能,除進行電磁兼容試驗外,本次性能檢測在試驗室搭建隔離開關分合容性小電流試驗回路。將電子式互感器接入試驗回路,模擬現場隔離開關開合過程,產生類似現場暫態強干擾,考核在該條件下電子式互感器的電磁防護性能。圖3、圖4中設備參數:1)高壓試驗變壓器B,輸出電流1A;2)隔離開關配電動操動機構、交流220V操作電源;對電容量較小的產品、電感原理的產品增加負載電容C。3)高壓測量設備,光纖式電壓電流組合測量系統;4)數字式波形記錄儀接互感器合并單元輸出;5)電子式互感器的合并單元安放位置距隔離開關水平位置5m。2結果與分析2.1應用電磁干擾的信號分析和改進措施有源電子式電流互感器性能檢測共有14家制造單位參加,產品傳感器主要采用Rogowski線圈或LPCT(lowpowercurrenttransformer)線圈原理。有源電子式電流互感器在檢測過程中存在的主要問題有:電磁兼容測試導致產品故障、溫度循環測試導致產品故障、短時電流測試導致采集器故障、隔離開關分合測試導致產品故障等。(1)電磁兼容測試導致產品故障本次性能檢測電磁兼容測試導致產品故障率最高,占比達29%,主要問題包括:1)設備受空間電磁輻射干擾影響較大,機箱屏蔽設計不合理。2)設備電源端子騷擾電壓超標,電源端口設計不合理。3)設備在浪涌抗擾度測試過程中出現通信中斷、系統復位、輸出波形畸變或者電源損壞,設備電源口在浪涌抑制方面未采取合理措施,或者電路設計方面未解決浪涌信號所產生的高頻傳導或輻射干擾對電路的影響。圖5為電磁兼容測試過程中,故障錄波儀記錄的產品合并單元輸出的故障波形圖,圖中兩條波形分別代表合并單元輸出的測量通道和保護通道信號。圖5(a)為施加電磁干擾時,輸出波形出現異常尖峰脈沖;圖5(b)為施加電磁干擾時,輸出信號出現丟包,導致波形畸變;圖5(c)為施加電磁干擾時,輸出信號出現直流漂移;圖5(d)為施加電磁干擾時,輸出信號中斷,部分產品在干擾源消失后可以恢復正常,部分產品不能恢復正常,需要人工干預或重啟;圖5(e)為施加電磁干擾時,輸出信號出現周期改變導致波形畸變。針對電磁兼容測試導致的產品故障,本文建議的改進措施為:提高機箱屏蔽性能,特別注意電源、信號外接端口在設計過程中采取濾波接入設計;針對電源口增加濾波器,吸收浪涌過程中相應回路產生的高頻干擾信號;改變電路結構,減少敏感回路在傳導和輻射方面高頻影響;針對敏感回路采取屏蔽,避免高頻輻射干擾;檢查或改變接地方式設計可以克服地電位壓差和高頻信號干擾;采用抑制浪涌的元器件來防范浪涌(沖擊)騷擾所產生的電磁干擾,抑制浪涌騷擾的元器件主要有避雷管、壓敏電阻和瞬態抑制二極管。(2)溫度循環測試導致產品故障本次性能檢測溫度循環測試溫度范圍統一規定為戶外部分-40~+70℃,戶內部分-5~+55℃,溫度循環測試導致產品故障率占比19%,主要問題包括:1)采用SF6絕緣的產品密封破壞,氣體泄漏。2)高溫時采集器激光供能不正常,采集器無法正常工作。3)由于低功率鐵芯線圈取樣電阻高低溫性能不穩定,導致產品誤差超出標準要求或者輸出異常。建議的改進措施為:更換能耐受-40℃低溫的密封圈和適當提高密封圈的設計壓縮率;采取措施增加產品激光功能模塊的散熱功能;選擇耐高低溫的電子元器件。(3)短時電流測試導致采集器故障本次性能檢測統一規定動穩定電流為100kA,熱穩定電流為40kA,持續時間3s。短時電流測試導致采集器故障發生率占比19%,主要問題包括:1)線圈磁路飽和倍數過高,短時電流時輸出電壓超過AD(數模)量程限值,導致采集器某一通道損壞。2)采集器電源部分保護設計不當,導致測試后采集器故障,無數據輸出。3)傳感器取樣電阻容量選擇不合理,導致大電流時電阻擊穿,數據量突變。針對上述問題,本文提出的改進措施為:改進磁路設計和電路保護設計,選取適當的電子元器件。(4)隔離開關分合測試導致產品故障本次性能檢測隔離開關分合測試出現的問題主要分為2類:一類是隔離開關分合過程產品采集器或合并單元損壞,無法正常工作;另一類是隔離開關分合過程中,故障錄波儀記錄的合并單元輸出波形出現異常尖峰脈沖,可能導致保護裝置誤動作。敞開式(AIS)隔離開關分合容性小電流過程是多次電弧擊穿和熄滅過程,由此產生多次脈沖電流,分合閘過程一次電流電壓波形如圖6和圖7所示。圖8是一次從電弧擊穿到熄滅的局部放大電流波形,電流頻率約為500kHz,最大電流幅值1200A,單次電流持續時間20μs。從圖中可以看出,隔離開關分合測試過程中,暫態電流信號持續時間長,頻率高,幅值較大,同時產生高頻率和大陡度的過電壓,同時隔離開關分合過程中的空間電弧放電、輻射電磁波、電場耦合、磁場耦合、操作過電壓,對電子式互感器內部電子元器件、信號線路、裸露引線產生影響,當產品在電路設計方面考慮不周,對隔離開關操作過程中的強電磁干擾或操作過電壓防護措施不力時,可能導致設備損壞或輸出異常。性能檢測結果表明,產品通過國家標準規定的電磁兼容A級性能要求后,不一定能通過隔離開關分合測試,因此隔離開關分合測試對于電子式互感器抗電磁兼容干擾能力的考核具有重要意義,建議制造商針對電子式互感器產品電磁兼容設計高于國家標準要求,滿足實際電力運行需要。2.2測試誤差分析無源電子式電流互感器性能檢測共有15家制造單位參加,主要產品包括磁光玻璃型電流互感器和全光纖電流互感器。無源電子式電流互感器在試驗過程中出現的主要問題有:小電流測試時誤差測試異常、溫度循環測試時輸出異常、電磁兼容測試時產品故障、復合誤差測試產品輸出異常、振動測試時輸出異常、隔離開關分合測試導致產品故障、機械強度測試時產品故障等。(1)小電流測試時誤差測試異常本次性能檢測小電流測試出現異常故障率最高,占比達24%。具體表現為誤差數據穩定性不滿足要求,即在5%和100%額定電流測量點,誤差數據在10min內的波動范圍超過對應點誤差限值的1/2。圖9為某產品準確度試驗時,100%額定電流測量點誤差數據在1min內波動情況,比差最大值和最小值之間變化0.15%,超過誤差限值0.2%的1/2,不符合檢測要求。光學電流互感器的誤差波動主要出現在全光纖原理的電流互感器,誤差波動主要是由互感器白噪聲對測試結果的干擾造成,從噪聲機理和試驗中發現,對測量準確度影響較大的噪聲大多集中于幾十到幾百Hz的頻段內;產品在設計和制造工藝上的區別,也導致誤差結果的差異性。建議對全光纖互感器白噪聲的產生機理、特性進行深入分析與研究,同時提高產品設計和制造工藝水平。同時建議檢測機構應針對無源電子式互感器的準確度測試方法、無源電子式互感器白噪聲對電能計量及繼電保護的影響進行深入分析與研究。(2)溫度循環測試時輸出異常本次溫度循環測試輸出異常故障率達到22%,出現的主要問題包括采集器在極限溫度下無法正常工作、輸出信號誤差嚴重超標。圖10所示為某產品溫度循環測試過程誤差變化情況,測量點1-15對應本文圖2中15個溫度測量點,整個溫度循環過程中,誤差變化量為0.8%,超過標準限值要求。當光學電子式互感器選取的光學器件溫度性能較差時,在高溫或者低溫時可能會損壞,導致產品故障或輸出異常;光學電流互感器二次部分一般采用了溫度修正算法,并在產品內部內置了溫度傳感頭,當溫度補償算法選取不合理,或者內置溫度傳感頭靈敏度較差時,就會出現溫度循環測試誤差超差現象。因此光學互感器應選擇合適的光學器件、合適的誤差算法、采取合適的隔熱措施,降低溫度變化梯度。本次性能檢測過程中無源電子式互感器電磁兼容測試導致的故障率也比較高,占比為24%,由于電磁兼容故障與有源電子式互感器類似,應對方法本文不再重復描述。2.3產品故障較多有源電子式電壓互感器性能檢測共有10家制造單位參加,產品傳感器主要采用電容分壓和電感分壓原理。有源電子式電壓互感器在檢測過程中存在的主要問題有:電磁兼容測試導致產品故障、隔離開關分合測試導致產品故障、溫度循環測試導致產品故障、雷電沖擊測試導致采集器故障、絕緣擊穿等。有源電子式電壓互感器電磁兼容測試導致產品故障率最高,占比達54%,隔離開關分合測試導致產品故障率也達23%。有源電子式電流互感器部分產品采集器處于高電位,采用激光供電的方式;有源電子式電壓互感器采集器處于地電位,采用外部直流電源供電,因此更容易受到電磁兼容影響,故障率高于有源電子式電流互感器。有源電壓互感器電磁兼容故障現象與故障原因與電流互感器基本一致。2.4光學電壓傳感試驗光學電壓互感器是利用晶體的特定物理效應來敏感電壓。它采用非金屬晶體作為傳感頭,光纖作為傳輸介質,使電網與測量電路能有效隔離,從而避免了二次短路的危險;它的工作頻率高,可用于檢測電網諧波及浪涌電壓,這些都是傳統互感器所不具備的。本次性能檢測只有2家制造單位參加,產品傳感器采用Pockels原理,原理圖如圖11所示。光學電壓互感器在試驗中存在的主要問題有:雷電沖擊測試導致產品故障、溫度循環測試不符合標準要求等。光學電壓互感器受溫度和振動影響較大,在惡劣環境下的長期穩定性也沒有嚴格的論證和考核,因此還需進一步的研究和發展。2.5對無源電子式整體傳感穩定性和可靠性的探討(1)有源電子式互感器原理比較成熟,產品也比較穩定,其發展中最重要的問題是一次部分電源供電方法的選擇,遠端電子采樣部分的可靠性,采集單元的可維護性。GIS(gasinsulatedswitchgears)式電子式互感器直接接入變電站直流電源,不需要額外供電,采集單元安裝在與大地緊密相連的接地殼上。這種方式抗干擾能力強,更換維護方便,采集單元異常處理不需要一次系統停電。而對于獨立式電子式互感器,在高壓平臺上的電源及遠端模塊長期工作在高低溫頻繁交替的惡劣環境中,其使用壽命遠不如安裝在主控室或保護小室的保護測控裝置,還需要積累實際工程經驗;另外,當電源或遠端模塊發生異常、需要維護或更換時,需要一次系統停電處理。(2)無源電子式互感器雖然不存在一次供電問題,但是其光學傳感材料的穩定性、傳感頭的組裝技術、微弱信號調制解調、對溫度和振動的敏感性、長期穩定性和可靠性等還需要進一步研究。(3)對于規模較大的電子式互感器生產廠家,他們在元器件的選擇等方面都考慮得較為成熟,產品試驗一次