GIS互感器的传递过电压试验仪（研制报告）

摘要：为了进行GIS互感器的传递过电压试验，本文利用干簧管继电器，制作了 B类冲击波发生器，开发一套适用于GIS互感器传递过电圧试验的试验仪；通过该试验仪，对110kV GIS电压互感器的传递过电压试验，试验结果分析表明，该试验仪能够满足IEC及国家标准要求，且使用灵活方便，可靠性高，能很好运用于互感器型式试验中传递过电圧的测量及研究传递过电圧的传递特性。

关键词：GIS；B类冲击波；传递过电压；试验仪

Tester for transfer over voltage of GIS transformer（Development report）

Abstract：In order to test  of GIS voltage transformer, Using the dry reed relay，To make the generator this impulse wave of type B，Develop a set of applicable to the tester of GIS voltage transformer；Using this tester to test the transmitted over voltage of 110kV GIS Voltage transformer, the result showed that the tester not only can meet the requirements of IEC and national standards, but also be flexible and reliable to use, which can be well applied to the transformer type test and research of transmitted over  voltage characteristics.

Key words：GIS; impulse wave of type B；; transfer over voltage; tester

0        引 言

 2003年， IEC  60044-2-1997标准要求进行电力互感器传递过电压检测项目。B类冲击波试验要求10ns的上升時间冲击电压发生器。2005年以来，国内外互感器厂和检测中心，分别利用HAFLA单位阶跃发生器TYPE 40方波源、德国的KAL 1000方波源和日本的二万伏方波源；对GIS(gas insulated switch gear, GIS)电压互感器进行传递过电压试验，但均未产生10ns的上升時间冲击电压波[1,8 ]。

  2010年，利用德国MODER公司生产的SIL05-1A31-71D型干簧管继电器，制作了一台220V B类冲击波发生器[5-7]，能产生10ns的上升時间冲击电压波，并对GIS电压互感器进行传递过电压试验；其检测结果符合IEC及国家标准要求 。随后，利用高速数字化板卡NI PCI-5152，完成了基于Lab VIEW 8.6的《GIS电压互感器用传递过电压数字测量系统》[5-7]。

因此，本文根据IEC及国家标准要求，描述了B类冲击波发生器的关键技术，构架了GIS互感器传递过电压(GIS Potential Transformer Pass over voltage)试验仪(以下简称GISPTPOV试验仪)[5-7]，并介绍该试验仪的硬件配置及软件功能；该试验仪对110kV GIS电压互感器，进行了传递过电压试验，并给出结果。

1   B类冲击波的产生原理

1.1 B类冲击波的产生原理

如同雷电波一样必须将特快速瞬态电压波标准化。目前，电压互感器新标准GB 20840.1-2010已将VFTO(very fast transient over voltage)定义为冲击波，分为二类：A类冲击波和B类冲击波。A类冲击波，适用于空气绝缘变电站用的电压互感器；B类冲击波，适用于气体绝缘金属外壳全封闭用的电压互感器（GIS）。在实验室进行GIS电压互感器的传递过电压测量，标准中VFTO波形的定义，分类和要求见表1。

表1 GIS电压互感器的传递过电压标准

Tab 1 GIS standard on transient over voltage of transfer

冲击波类型 A B

施加电压峰值(Up)  

波形参数：

—常规波前时间(T1)a

—半峰值时间(T2)

—波前时间(T1)

—波尾时间(T2)

0.5×(1±20%)us

≥50us

—

—

—

—

10×(1±20%)us

﹥100ns

传递过电压峰值限值(Us)b 1.6kV 1.6kV

a其波形参数代表了开关操作引起的电压振荡

b经制造方与用户协商，可选取其他的传递过电压限制

标准的B类冲击波如图1所示。

    图1  B类冲击波形

Fig.1  impulse wave of type B

 由于B类冲击波的波前时间为10×（1±20%）n s，波尾时间大于100ns，与阶跃波类似，因此可以通过对直流电源进行开关合闸来产生。试验电路图如图2所示。

图2 阶跃波发生电路

Fig.2 Step wave generating circuit

可知单位阶跃函数为：

               （1）

当试验回路中含有电容电感且开关动作具有响应时间时，图3所示的试验电路产生的波形会与标准阶跃波形有所差异。

(a) 标准阶跃波形

(a) Standard step wave

(b)试验电路输出波形

(b) Wave of the generating circuit

图3 阶跃波形

Fig.3 Step wave

图中开关的好坏直接影响输出波形的质量，纳秒级波形产生系统对开关的要求是：1）结构紧凑，开关的电感小；2）导通时延迟短而且分散性小；3）开关接触电阻小。在纳秒级波形产生电路中，影响波形输出质量的开关特性有以下因素：开关特性上升时间、从触发到闭合的动作延迟、时间抖动以及开关的电感与电阻。干簧管继电器不仅满足上述要求，而且此开关导通时间无回跳、前沿陡，适合于用来开断直流电源产生波头陡度为纳秒级的波形，因此本文选干簧管继电器作为开关元件。根据冲击电压发生的原理，研制B类冲击波发生器，B类冲击波波形如图4。对比图1中的波形可知符合电压互感器新标准GB 20840.1-2010中B类冲击波要求。

图4  B类冲击波

Fig 4 Class B impulse wave

2 GISPTPOV试验仪

2.1 GISPTPOV试验仪硬件设计

GISPTPOV试验仪包括以下几部分：B类冲击波发生单元、控制单元和测量单元，系统结构如图5所示。B波发生器由开关电源与干簧管继电器组成，B波控制单元由NI USB-6501进入工控机，而一次和二次波形数据通过同轴电缆由NI PCI-5152双路同步采样卡进入工控机。

图5 GISPTPOV试验仪结构图

Fig.6 System hardware structure

该试验仪轻便灵活，使用方便。为了减少干扰，增加了隔离滤波和屏蔽室，提高系统的稳定可靠性。GISPTPOV试验仪外型如图6所示。

图6 GISPTPOV试验仪照片

Fig 6 Tester photos of GISPTPOV

2.2 GISPTPOV试验仪软件设计

整个试验仪的测控系统软件包括B波控制模块和传递过电压测量模块，其中B波控制系统核心部件为数字I/O NI USB-6501，它具有电压调节、电压指示、试验次数和触发等功能。其发生器的控制界面见图7。

图7 发生器控制面板

Fig.7 Generator control panel

试验仪的测量系统的硬件为高速数字化板卡NI PCI-5152，它具有采集、平滑、拟合(标准B类冲击波仿真)、计算和报告自动生成功能。基于Lab VIEW 8.6的《GIS电压互感器用传递过电压数字测量系统》的传递过电压测量界面如图8；传递过电压参数设定界面如图9。

图8 传递过电压测量界面

Fig.8measurements interface of transient over voltage

图9 传递过电压参数设定界面

Fig.9 Transient over voltage parameter setting interface

3  GISPTPOV试验仪现场试验及结果

3.1传递过电压测量方法

根据标准《GB 20840.1-2010 互感器通用技术要求》对于GIS用互感器传递过电压的试验要求，应通过50Ω同轴电缆适配器将低电压冲击波U1施加在任意一次端子与地之间，GIS外壳应按运行方式接地。试验电路如图10所示。

图10 GIS互感器传递过电压试验线路

Fig.10 The over voltage test circuit of transformer used in GIS

传递过电压U2应在开路的二次端子上测量，通过50Ω同轴电缆连接输入阻抗为50Ω且带宽不低于100MHz的高速数字化板卡读取峰值。当被测互感器有多个二次绕组时，应一次对每一个二次绕组进行测量，在二次绕组具有中间抽头时，只需在绕组满匝数对应的出头上进行测量。

传递到二次绕组的过电压Us应按式（2）进行计算。

                （2）

当峰值处有震荡时，须绘制平均曲线，以此曲线的最大幅值作为U1的峰值计算传递过电压。传递过电压限值如表2所示。

表2  B类冲击波传递过电压标准

Tab.2 The test standard of type B over voltage

施加电压峰值（Up） 波前时间（T1） 波尾时间（T2） 传递过电压峰值限值（Us）

10×（1±20%）n s ＞100 n s 1.6kV

GISPTPOV试验仪对110kV GIS电压互感器进行传递过电压试验，现场试验线路接线图如图11所示。

其试验分别进行了单次试验和十次重复试验，波形如图12和图13。从图12中可以看出单次测量的B冲击波，无论波形特征，波前时间，波尾时间均符合GB 20840.1-2010要求，测得二次传递过电压小于标准要求的限值1600V,因此可判断符合要求；而图13中是相同条件下十次测量得到的二次传递过电压值，可以看出十次产生的B类冲击波幅值在100-300V之间，波前时间在8到10ns（T1）之间，波尾时间大于100ns（T2）。十次重复测量的标准不确定度小于2%。

图11 试验接线图

Fig.11  Test the wiring diagram

图12 GIS电压互感器传递过电压单次测量

Fig.12 one time transient over voltage measuring of voltage transformer in GIS

图13 GIS电压互感器传递过电压十次测量

Fig.13 ten times transient over voltage measuring of voltage transformer in GIS

0结论

1.本文设计的B类冲击波发生器产生的波形，无论波形特征，波前时间，波尾时间均符合GB 20840.1-2010要求；

2.本文设计的GISPTPOV试验仪，满足GB 20840.1-2010的要求，系统重复测量不确定度小于2%，可为GIS互感器型式试验提供依据；

3.GISPTPOV试验仪，具有初步的智能功能，现场使用方便, 同時可作为互感器传递过电压远程试验终端。