[发明专利]一种适用于GIS本体式数字采集装置的VFTO滤波器

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种适用于GIS本体式数字采集装置的VFTO噪声滤波器。

背景技术

气体绝缘金属封闭式开关装置GIS以其占地面积小、运行稳定和维护方便等一系列优点，越来越多地用于电力系统、尤其是变电站建设中。随着变电站智能化建设的推广，一次设备智能化技术不断突破传统观念，包括变压器、断路器、互感器、可控电抗和隔离开关等在内的一次设备，直接由设备制造商设计、制造数字接口，实现数字化和信息化。作为变电站保护和测控系统的核心设备，电子式互感器与电磁式互感器相比具有体积小、重量轻、频带宽、无铁磁饱和等明显的技术优势，更能适应智能变电站一次设备智能化的需要，特别是GIS型和套管型电子式互感器能够集成到GIS本体安装，因此受到广泛的应用。

GIS中的隔离开关DS在倒闸操作时，由于触头运动速度慢、大约1cm/s数量级，本身的灭弧性能差，触头间隙间会发生多次重燃，引起特快速暂态过电压VFTO。这种过电压具有截波特征，幅值高：可达2倍额定电压、波头陡：几纳秒到几十纳秒，产生的阶跃电压波会在GIS内不断地产生、来回地传递，并且发生复杂的折射，反射和叠加，最终暂态振荡的频率剧增，可高达数百兆赫兹。在GIS本体安装的电子式互感器，由于安装位置更加接近隔离开关DS等操作元件，形成了典型的强弱电耦合结构，其处于开关场下的数字采集装置由弱电器件构成，因而经常面临致命的安全威胁。工程实践证明，GIS刀闸带电操作瞬间，会在电子式互感器数字采集装置信号输入端产生高达数十千伏的瞬态干扰电压，经常导致电路击穿、死机、信号失效、保护误动等影响电力系统安全稳定运行的现象发生。

在数字采集装置中配置合理的滤波器能有效抑制VFTO所产生的传导噪声，减轻其对数字采集装置的干扰。但是，滤波器的阻抗匹配程度、滤波元件寄生参数和空间近场耦合，能极大地减弱滤波器的效果。因此，研究一种能有效抑制VFTO噪声的滤波器是成功实现电子式互感器GIS本体化的关键因素之一。

VFTO噪声主要以共模电流及共模电压形式对电子式互感器产生影响。因此，在已有的工程应用中，如图1（a）所示的共模EMI滤波器被广泛用来滤除VFTO噪声。但是实际效果并不理想，国内以GIS为主的智能变电站建设实践中，电路击穿、死机、信号失效、保护误动等现象时有发生。

如图1（a）所示，共模LC滤波器由对称的两臂组成，一臂为共模电感L₁末端并联接地旁路电容C₁，另一臂为共模电感L₁’末端并联接地旁路电容C₁’。其中，L₁和L₁’对称绕制在一个磁芯上。考虑共模电感L₁、L₁’的线圈匝间寄生电容Cp和旁路电容C₁、C₁’的串联寄生电感Les后，其等效电路如图1（b）所示。

如图1（b）中虚线框内所示，对于共轭对称绕制的共模电感L₁、L₁’来说，其单匝线圈用内在电阻Rs1、线圈之间的寄生电容与线圈磁芯之间的寄生电容之和Cp1和线圈的内在电感Ls1并联表示，另一组就用Rs1’、Cp1’和Ls1’并联表示，两组线圈通过共轭磁芯耦合；L₁、L₁’相当于N个线圈串联，在等效电路上就用N个虚线框内所示电路级联表示，这里N为自然数，根据实际需要取值。显然，由于Cp1,Cp2,…,CpN的存在，电感的高频性能会大幅下降，不能起到“阻波”作用。

同理，EMI滤波器中使用的旁路电容器C₁、C₁’，从制作工艺上来看是由两个极板中间夹着介质绕制而成的，因而是一个复杂的分布式传输线结构，由于寄生串联电感Les1和Les1’的存在，在高频时会呈现电感的阻抗特性，不能起到旁路噪声的作用。

图1（b）中“VFTO噪声流”和“信号流”路径图给出了VFTO噪声和有用信号通过共模滤波器的流向。很明显，由于滤波器中电感和电容元件的寄生参数的影响，导致有高频噪声会跨过滤波器耦合到后面的数字采集卡中，影响其正常工作。