电子式互感器性能检测标准要求

电子式互感器性能检测标准要求

0电子式整体因配设备在国内生产中的应用随着电气系统向功率、超高压、特种高压的发展，对电气设备的小型、智能和高可靠性的要求越来越高。由于传感器机制的先进，新电子式传感器结构相对简单，动态范围大，频率范围宽。适应电网测量、数字控制技术和自动发展的方向，该行业获得了广泛应用。我国的电子式互感器研究从20世纪70年代起步,先后有多家大学、科研院所、生产厂家开展相关的研究和制造生产工作并取得了较大的发展,已有多家单位研制的电子式互感器在10~750kV电力系统上挂网运行,相关行业的大公司已迈向产品化、市场化的道路。国外阿尔斯通、Nxtphase、SDO、ABB、西门子等公司生产的电子式互感器已有成功运行经验,并有部分产品挂网运行。施耐德电气、美国的PhotonicPowerSystem公司、德国的ROTZ公司、日本的三菱、东芝等公司也正在开发电子式互感器产品。从目前国内电子式互感器的试点情况来看,电子式互感器可靠性和稳定性较差,在运行中故障率较高。据统计,截止2011年底投运以来,国网公司系统110(66)kV及以上电子式电流互感器共发生故障138台次,主要故障类型为采集器故障、光纤故障、传感器故障等;110(66)kV及以上电子式电压互感器共发生故障51台次,主要故障类型为绝缘问题、采集器故障、电磁干扰影响和合并单元故障等。为加强电子式互感器质量管控,提升产品质量和性能,促进电子式互感器的工程应用,进一步完善产品技术标准,国家电网公司组织开展了电子式互感器性能检测工作。检测工作承担单位为中国电力科学研究院电力工业电气设备质量检验测试中心,检测对象涵盖24个制造单位的41台产品。本文针对性能检测的过程和结果,对不同原理结构的产品在检测中出现的问题进行分析,并针对不同问题提出相应的解决方法。1电子式电压传感性能试验项目本次性能检测产品传感原理不限,结构型式为独立支柱式,具体参数规定为:电子式电流互感器额定电压110kV、额定电流600A、准确级0.2S/5P30、额定二次输出为数字信号;电子式电压互感器额定电压110kV、准确级0.2/3P,额定二次输出为数字信号。送样产品采用的原理如图1所示。本文依据的性能检测试验项目都基于国家标准要求的项目进行,但是对相关项目的标准要求做了提高和修改,以提升产品质量和性能,更符合现场实际运行的需要。除了国家标准规定的例行试验和型式试验外,还有多项特殊试验。由于电子式互感器采用的技术种类很多,而且随着技术的进步还会有新的技术应用到电子式互感器中来,国家标准列出的项目应根据互感器不同的技术特点进行取舍。对于国家标准未列出而又有必要进行的项目应执行特殊试验中的“依据所采用技术需要的试验”。电子式电流互感器性能检测项目共13项,包括:基本准确度测试、一次端的工频耐压测试、额定雷电冲击测试和截断雷电冲击测试、温度循环准确度测试、短时电流测试、复合误差测试、电磁兼容测试、MU(mergingunit)发送SV(samplevalue)报文检验、可靠性评估、机械强度测试、一次部件的振动测试、局部放电测量、隔离开关分合容性小电流条件下的抗干扰测试。电子式电压互感器性能检测项目共8项,包括:基本准确度测试、一次端的工频耐压测试、额定雷电冲击测试和截断雷电冲击测试、温度循环准确度测试、电磁兼容试验、机械强度测试、局部放电测量、隔离开关分合容性小电流条件下的抗干扰测试。上述检测项目中专门针对电子式互感器可靠性、稳定性和精确度设置了特殊试验项目,分别为:基本准确度测试、温度循环准确度测试、电磁兼容试验、可靠性评估、隔离开关分合测试。1)基本准确度测试电子式电流互感器除满足GB/T20840.8—2007要求外,增加以下补充要求:(1)为考核产品传感器的稳定性和二次算法选取是否恰当,增加了稳定性要求,具体规定为:在100%和5%额定电流下,分别测试电子式电流互感器10min内的误差,要求其最大值与最小值之差不能超过对应点误差限值的1/2。(2)为考核周围磁场环境对产品准确度的影响,增加抗干扰性要求,具体规定为:按实际运行中,两相之间距离L,在离试品一次导杆L处施加1同相,大小为试品额定电流的干扰电流,要求试品各点误差均不超出其限值。(3)为考核产品温度或振动补偿是否合理,增加线性度要求,具体规定为:测试过程中,除标准规定的1%、5%、20%、100%和120%额定电流测量点外,随机增加2个电流测量点,记录误差数据。电子式电压互感器除满足GB/T20840.7-2007要求外,增加以下补充要求:(1)为考核产品传感器的稳定性和二次算法选取是否恰当,增加稳定性要求,具体规定为:在100%额定电压测量点,记录误差数据在10min内的波动范围,要求其最大值与最小值之差不能超过对应点误差限值的1/2。(2)为考核周围环境对产品准确度的影响,增加抗干扰性要求,具体规定为:记录试品置于高低温箱内外误差数据的变化,杂散电容的影响引起的误差变化不超过误差限值。(3)为考核产品温度或振动补偿是否合理,增加线性度要求,具体规定为:测试过程中,除标准规定的2%、5%、80%、100%、120%和150%额定电压测量点外,随机增加电压测量点,记录误差数据。2)温度循环准确度测试产品由于制造工艺缺陷、元器件温度系数不匹配、温度补偿算法选取不合理等,温度循环测试容易出现误差超差现象,因此本次测试将温度循环准确度测试作为考核重点,并且在国家标准的基础上扩大测试环境温度范围,增加温度测量点。如图2所示,测试过程中15个温度测量点的误差数据都应在准确限值内,其中第3测量点、第9测量点和第13测量点分别为升温、降温和恢复环境温度过程中温度达到设定值时刻的测量点,在满足温度变化速率条件下(温度变化速率≥5K/h),这3点的数据也应满足标准要求。本次性能检测提高标准要求,在每个环境温度升温和降温过程中增加1个测量点,即在1、3测量点之间,5、7测量点之间,7、9测量点之间,11、13测量点之间分别增加1个测量点,以便动态检测电子式互感器准确度随温度变化量。温度循环测试按下图进行,图中热时间常数τ由制造方提供。(1)电磁兼容测试电子式互感器现场运行过程中电磁环境较为复杂,导致运行故障率较高。本次性能检测电磁兼容测试针对产品的合并单元和一次采样单元进行,测试内容按照国家标准进行,只是对标准中电磁兼容的判据作出了修改,即将标准中抗扰度要求的评价准则由B级提高到A级。(2)可靠性评估电子式互感器的稳定性和可靠性是目前的研究重点和难点。本次性能检测根据测试条件和测试能力,提出针对不同原理的电子式互感器的可靠性评估方案。1)故障自诊断试验对采集器与一次本体一起安装的电子式互感器,通过剪断或拔出采集器与合并单元光纤,检查合并单元输出数字状态位是否正确置采样数据无效,并正确给出互感器需要检修警告。对采集器与合并单元一起安装的电子式互感器,通过剪断或拔出一次本体与采集器光纤、采集器与合并单元光纤,检查合并单元输出数字状态位是否正确置采样数据无效,并正确给出互感器需要检修警告。2)双电源供能可靠性试验本试验适用于采集器供电为激光供能与线路取能切换的电子式电流互感器。双路电源的无缝切换性能要求:一次电流在切换值附近往复波动时,采集器双路电源应能无缝切换,采集器应正常工作。双路电源的供电稳定性要求:一次电流在切换值附近频繁切换时,双路电源应稳定工作,采集器应正常工作。3)低温投切可靠性试验本项试验可与温度循环准确度测试同时进行,电子式互感器户外、户内部分均处于最低温时,切断所有供电电源并保持0.5h以后,合上供电电源,检查其是否正常启动和工作,并保证其准确度等级不发生变化。(3)隔离开关分合测试为考核电子式互感器的抗电磁干扰性能,除进行电磁兼容试验外,本次性能检测在试验室搭建隔离开关分合容性小电流试验回路。将电子式互感器接入试验回路,模拟现场隔离开关开合过程,产生类似现场暂态强干扰,考核在该条件下电子式互感器的电磁防护性能。图3、图4中设备参数:1)高压试验变压器B,输出电流1A;2)隔离开关配电动操动机构、交流220V操作电源;对电容量较小的产品、电感原理的产品增加负载电容C。3)高压测量设备,光纤式电压电流组合测量系统;4)数字式波形记录仪接互感器合并单元输出;5)电子式互感器的合并单元安放位置距隔离开关水平位置5m。2结果与分析2.1应用电磁干扰的信号分析和改进措施有源电子式电流互感器性能检测共有14家制造单位参加,产品传感器主要采用Rogowski线圈或LPCT(lowpowercurrenttransformer)线圈原理。有源电子式电流互感器在检测过程中存在的主要问题有:电磁兼容测试导致产品故障、温度循环测试导致产品故障、短时电流测试导致采集器故障、隔离开关分合测试导致产品故障等。(1)电磁兼容测试导致产品故障本次性能检测电磁兼容测试导致产品故障率最高,占比达29%,主要问题包括:1)设备受空间电磁辐射干扰影响较大,机箱屏蔽设计不合理。2)设备电源端子骚扰电压超标,电源端口设计不合理。3)设备在浪涌抗扰度测试过程中出现通信中断、系统复位、输出波形畸变或者电源损坏,设备电源口在浪涌抑制方面未采取合理措施,或者电路设计方面未解决浪涌信号所产生的高频传导或辐射干扰对电路的影响。图5为电磁兼容测试过程中,故障录波仪记录的产品合并单元输出的故障波形图,图中两条波形分别代表合并单元输出的测量通道和保护通道信号。图5(a)为施加电磁干扰时,输出波形出现异常尖峰脉冲;图5(b)为施加电磁干扰时,输出信号出现丢包,导致波形畸变;图5(c)为施加电磁干扰时,输出信号出现直流漂移;图5(d)为施加电磁干扰时,输出信号中断,部分产品在干扰源消失后可以恢复正常,部分产品不能恢复正常,需要人工干预或重启;图5(e)为施加电磁干扰时,输出信号出现周期改变导致波形畸变。针对电磁兼容测试导致的产品故障,本文建议的改进措施为:提高机箱屏蔽性能,特别注意电源、信号外接端口在设计过程中采取滤波接入设计;针对电源口增加滤波器,吸收浪涌过程中相应回路产生的高频干扰信号;改变电路结构,减少敏感回路在传导和辐射方面高频影响;针对敏感回路采取屏蔽,避免高频辐射干扰;检查或改变接地方式设计可以克服地电位压差和高频信号干扰;采用抑制浪涌的元器件来防范浪涌(冲击)骚扰所产生的电磁干扰,抑制浪涌骚扰的元器件主要有避雷管、压敏电阻和瞬态抑制二极管。(2)温度循环测试导致产品故障本次性能检测温度循环测试温度范围统一规定为户外部分-40~+70℃,户内部分-5~+55℃,温度循环测试导致产品故障率占比19%,主要问题包括:1)采用SF6绝缘的产品密封破坏,气体泄漏。2)高温时采集器激光供能不正常,采集器无法正常工作。3)由于低功率铁芯线圈取样电阻高低温性能不稳定,导致产品误差超出标准要求或者输出异常。建议的改进措施为:更换能耐受-40℃低温的密封圈和适当提高密封圈的设计压缩率;采取措施增加产品激光功能模块的散热功能;选择耐高低温的电子元器件。(3)短时电流测试导致采集器故障本次性能检测统一规定动稳定电流为100kA,热稳定电流为40kA,持续时间3s。短时电流测试导致采集器故障发生率占比19%,主要问题包括:1)线圈磁路饱和倍数过高,短时电流时输出电压超过AD(数模)量程限值,导致采集器某一通道损坏。2)采集器电源部分保护设计不当,导致测试后采集器故障,无数据输出。3)传感器取样电阻容量选择不合理,导致大电流时电阻击穿,数据量突变。针对上述问题,本文提出的改进措施为:改进磁路设计和电路保护设计,选取适当的电子元器件。(4)隔离开关分合测试导致产品故障本次性能检测隔离开关分合测试出现的问题主要分为2类:一类是隔离开关分合过程产品采集器或合并单元损坏,无法正常工作;另一类是隔离开关分合过程中,故障录波仪记录的合并单元输出波形出现异常尖峰脉冲,可能导致保护装置误动作。敞开式(AIS)隔离开关分合容性小电流过程是多次电弧击穿和熄灭过程,由此产生多次脉冲电流,分合闸过程一次电流电压波形如图6和图7所示。图8是一次从电弧击穿到熄灭的局部放大电流波形,电流频率约为500kHz,最大电流幅值1200A,单次电流持续时间20μs。从图中可以看出,隔离开关分合测试过程中,暂态电流信号持续时间长,频率高,幅值较大,同时产生高频率和大陡度的过电压,同时隔离开关分合过程中的空间电弧放电、辐射电磁波、电场耦合、磁场耦合、操作过电压,对电子式互感器内部电子元器件、信号线路、裸露引线产生影响,当产品在电路设计方面考虑不周,对隔离开关操作过程中的强电磁干扰或操作过电压防护措施不力时,可能导致设备损坏或输出异常。性能检测结果表明,产品通过国家标准规定的电磁兼容A级性能要求后,不一定能通过隔离开关分合测试,因此隔离开关分合测试对于电子式互感器抗电磁兼容干扰能力的考核具有重要意义,建议制造商针对电子式互感器产品电磁兼容设计高于国家标准要求,满足实际电力运行需要。2.2测试误差分析无源电子式电流互感器性能检测共有15家制造单位参加,主要产品包括磁光玻璃型电流互感器和全光纤电流互感器。无源电子式电流互感器在试验过程中出现的主要问题有:小电流测试时误差测试异常、温度循环测试时输出异常、电磁兼容测试时产品故障、复合误差测试产品输出异常、振动测试时输出异常、隔离开关分合测试导致产品故障、机械强度测试时产品故障等。(1)小电流测试时误差测试异常本次性能检测小电流测试出现异常故障率最高,占比达24%。具体表现为误差数据稳定性不满足要求,即在5%和100%额定电流测量点,误差数据在10min内的波动范围超过对应点误差限值的1/2。图9为某产品准确度试验时,100%额定电流测量点误差数据在1min内波动情况,比差最大值和最小值之间变化0.15%,超过误差限值0.2%的1/2,不符合检测要求。光学电流互感器的误差波动主要出现在全光纤原理的电流互感器,误差波动主要是由互感器白噪声对测试结果的干扰造成,从噪声机理和试验中发现,对测量准确度影响较大的噪声大多集中于几十到几百Hz的频段内;产品在设计和制造工艺上的区别,也导致误差结果的差异性。建议对全光纤互感器白噪声的产生机理、特性进行深入分析与研究,同时提高产品设计和制造工艺水平。同时建议检测机构应针对无源电子式互感器的准确度测试方法、无源电子式互感器白噪声对电能计量及继电保护的影响进行深入分析与研究。(2)温度循环测试时输出异常本次温度循环测试输出异常故障率达到22%,出现的主要问题包括采集器在极限温度下无法正常工作、输出信号误差严重超标。图10所示为某产品温度循环测试过程误差变化情况,测量点1-15对应本文图2中15个温度测量点,整个温度循环过程中,误差变化量为0.8%,超过标准限值要求。当光学电子式互感器选取的光学器件温度性能较差时,在高温或者低温时可能会损坏,导致产品故障或输出异常;光学电流互感器二次部分一般采用了温度修正算法,并在产品内部内置了温度传感头,当温度补偿算法选取不合理,或者内置温度传感头灵敏度较差时,就会出现温度循环测试误差超差现象。因此光学互感器应选择合适的光学器件、合适的误差算法、采取合适的隔热措施,降低温度变化梯度。本次性能检测过程中无源电子式互感器电磁兼容测试导致的故障率也比较高,占比为24%,由于电磁兼容故障与有源电子式互感器类似,应对方法本文不再重复描述。2.3产品故障较多有源电子式电压互感器性能检测共有10家制造单位参加,产品传感器主要采用电容分压和电感分压原理。有源电子式电压互感器在检测过程中存在的主要问题有:电磁兼容测试导致产品故障、隔离开关分合测试导致产品故障、温度循环测试导致产品故障、雷电冲击测试导致采集器故障、绝缘击穿等。有源电子式电压互感器电磁兼容测试导致产品故障率最高,占比达54%,隔离开关分合测试导致产品故障率也达23%。有源电子式电流互感器部分产品采集器处于高电位,采用激光供电的方式;有源电子式电压互感器采集器处于地电位,采用外部直流电源供电,因此更容易受到电磁兼容影响,故障率高于有源电子式电流互感器。有源电压互感器电磁兼容故障现象与故障原因与电流互感器基本一致。2.4光学电压传感试验光学电压互感器是利用晶体的特定物理效应来敏感电压。它采用非金属晶体作为传感头,光纤作为传输介质,使电网与测量电路能有效隔离,从而避免了二次短路的危险;它的工作频率高,可用于检测电网谐波及浪涌电压,这些都是传统互感器所不具备的。本次性能检测只有2家制造单位参加,产品传感器采用Pockels原理,原理图如图11所示。光学电压互感器在试验中存在的主要问题有:雷电冲击测试导致产品故障、温度循环测试不符合标准要求等。光学电压互感器受温度和振动影响较大,在恶劣环境下的长期稳定性也没有严格的论证和考核,因此还需进一步的研究和发展。2.5对无源电子式整体传感稳定性和可靠性的探讨(1)有源电子式互感器原理比较成熟,产品也比较稳定,其发展中最重要的问题是一次部分电源供电方法的选择,远端电子采样部分的可靠性,采集单元的可维护性。GIS(gasinsulatedswitchgears)式电子式互感器直接接入变电站直流电源,不需要额外供电,采集单元安装在与大地紧密相连的接地壳上。这种方式抗干扰能力强,更换维护方便,采集单元异常处理不需要一次系统停电。而对于独立式电子式互感器,在高压平台上的电源及远端模块长期工作在高低温频繁交替的恶劣环境中,其使用寿命远不如安装在主控室或保护小室的保护测控装置,还需要积累实际工程经验;另外,当电源或远端模块发生异常、需要维护或更换时,需要一次系统停电处理。(2)无源电子式互感器虽然不存在一次供电问题,但是其光学传感材料的稳定性、传感头的组装技术、微弱信号调制解调、对温度和振动的敏感性、长期稳定性和可靠性等还需要进一步研究。(3)对于规模较大的电子式互感器生产厂家,他们在元器件的选择等方面都考虑得较为成熟,产品试验一次