何翔宇

(西華大學電氣信息學院，四川成都610039)

?

變電站過電壓數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究分析

何翔宇

(西華大學電氣信息學院，四川成都610039)

摘要運行經(jīng)驗表明過電壓一直是造成變電站事故的主要原因之一，也是變電站電氣設(shè)備絕緣強度設(shè)計及選擇的決定性因素，電力系統(tǒng)過電壓波形數(shù)據(jù)對分析過電壓事故原因和改善系統(tǒng)絕緣配合具有重要的現(xiàn)實意義。本文介紹的兩種傳感器可分別實現(xiàn)對變電站實時監(jiān)測及臨時監(jiān)測，通過理論分析，仿真計算驗證了該傳感器的可靠性，并且應用其采集的波形數(shù)據(jù)較現(xiàn)有手段更加準確，也擁有更佳的頻率響應特性。

關(guān)鍵詞過電壓監(jiān)測避雷器傳感器

0引言

在變電站調(diào)試以及運行階段，對于站內(nèi)過電壓的監(jiān)測一直是一項重要的工作，這對于實的安全可時掌握變電站運行狀態(tài)至關(guān)重要。多年來，國內(nèi)外變電站運行經(jīng)驗以及研究表明，過電壓大小與站內(nèi)設(shè)備絕緣水平直接關(guān)系到系統(tǒng)穩(wěn)定運行，外部和內(nèi)部過電壓是引發(fā)電力系統(tǒng)絕緣事故的主要原因之一[1]。對電力系統(tǒng)過電壓進行監(jiān)測，實時獲取過電壓數(shù)據(jù)不僅可以在出現(xiàn)危害系統(tǒng)安全過電壓時方便運行管理人員查找故障原因分析提出解決方案，還可以為變電站絕緣設(shè)計提供準確的數(shù)據(jù)支持。目前，現(xiàn)有故障錄波器由于頻率響應不夠，難以準確監(jiān)測持續(xù)時間較短、變化速度較快的雷電及操作過電壓。實際運行經(jīng)驗也表明，當系統(tǒng)出現(xiàn)等效頻率較高的過電壓事故時，故障錄波器不能有效反映過電壓波形，其主要原因是故障錄波器受掃描頻率和電壓互感器頻率響應特性的限制[2]；因此，需要研制一種頻率響應特性好、靈活方便的電力系統(tǒng)過電壓監(jiān)測傳感器，以實現(xiàn)對各種過電壓的暫態(tài)變化過程完整準確的采集。于是，如何在保證不影響變電站安全運行前提下，準確、完整得獲取過電壓數(shù)據(jù)成為現(xiàn)在國內(nèi)外研究的重點。本文從變電站內(nèi)避雷器入手，提出了兩種傳感器的設(shè)計。并對這兩種傳感器進行了理論仿真以及現(xiàn)場測試結(jié)果的討論。

1傳感器設(shè)計

依照國標GB11032-2010，非線性電阻片柱是用它的電容及并聯(lián)的非線性電阻特性來表示。這種非線性電阻片柱表示的結(jié)果更符合實際的最大電壓應力。依據(jù)該模型，本文介紹了一種無間隙金屬氧化物避雷器電壓傳感器，該電壓傳感器以無間隙氧化鋅避雷器作為電壓傳感器的高壓臂，選用同避雷器制造廠家同批次或者參數(shù)近似的氧化鋅閥片作為低壓臂，可以實現(xiàn)可接受精確度的高壓、超高壓以及特高壓電力系統(tǒng)電壓分壓轉(zhuǎn)換。

圖1　避雷器閥片分壓電壓傳感器

通常，首先需要進行電容電場計算以確定對地的雜散電容，其次引入電阻特性并通過電路分析、計算電位分布。由于溫度對電阻的影響，需要進行迭代計算程序。然而，對于均壓分布不能滿足要求的氧化鋅避雷器，可以通過在避雷器高壓端加裝均壓環(huán)來橫向補償避雷器各氧化鋅元件的對地雜散電容的影響。所以在本模型中不考慮高壓臂氧化鋅元件對地雜散電容對分壓器精度的影響。實際使用中此雜散電容誤差可以通過低壓臂的取樣電容進行補償校準，從而得到理想的分壓精度。

圖1所示為避雷器簡化的多階等效電路圖。通過電路分析程序和考慮了電容及電阻的影響，它可以用于確定電位分布。避雷器用與電壓有關(guān)的電阻、非線性電阻片柱的電容及對地的雜散電容來模擬。等值回路的每一階可表示為單個金屬氧化物電阻片(極限的情況下)或者非線性電阻片柱的一個單元。每個單元的長度不超過整個避雷器長度的3%。

當現(xiàn)場僅需要做臨時監(jiān)測時，如變電站調(diào)試階段。可在不拆卸避雷器增添閥片改變避雷器結(jié)構(gòu)，且保證安全得前提下將避雷器計數(shù)器作為分壓裝置。本文通過在計數(shù)器兩端并聯(lián)一個容值合適的采樣電容即可實現(xiàn)過電壓監(jiān)測，如圖2所示。

圖2　避雷器計數(shù)器分壓電壓傳感器

2可靠性仿真計算分析

氧化鋅閥片的非線性伏安特性可以用下式所示的函數(shù)描述：

式中A0、A1、A2是通過對試品閥片的電流-電壓測試數(shù)據(jù)進行計算而確定的三個常數(shù)。

氧化鋅元件的非線性電阻率為：

K為氧化鋅元件的極面積與極間距比。

ZnO閥片的非線性電阻值為：

R=αv·d/s

ZnO閥片的極間電容C值為：

其中?=?obs·?0

式中?obs、?0為ZnO閥片的相對介電常數(shù)和真空介電常數(shù)，C為氧化鋅閥片極間電容，S是閥片表面電極的面積，d是閥片的厚度。

其中：氧化鋅閥片的相對介電常數(shù)為：

?obs=[d1d2(σ1-σ2)2/(d1σ2-d2σ1)2]?b

式中：?b是閥片材料的介電常數(shù)；σ1、σ2為顆粒界層區(qū)和晶粒內(nèi)部的導電率，d1、d2是顆粒層和晶體內(nèi)部的平均厚度。

仿真以某220kV避雷器為例，型號為Y10W1-204/532，高壓臂由100片性能相同的氧化鋅元件，由各自的氧化鋅非線性電阻與氧化鋅體電容并聯(lián)后相互串聯(lián)構(gòu)成。為便于觀察，仿真結(jié)果均將低壓臂波形數(shù)據(jù)放大使之與高壓臂波行數(shù)據(jù)為1:3。

當?shù)蛪罕廴∫黄c高壓臂元件相同的氧化鋅元件時，其結(jié)果如圖3。從波頭部分看，通過氧化鋅元件的容性電流也要遠大于阻性電流(圖2,a線)無間隙金屬氧化鋅避雷器分壓器的分壓比由高低壓臂氧化鋅元件的極間電容容抗決定。

χC=1/ωC=1/2π/C

避雷器導通后，流經(jīng)避雷器非線性電阻的電流迅速增加(圖3,b線)，在此之后，避雷器分壓器的分壓比由高低壓臂的非線性電阻決定。

其中：αv是高低壓臂氧化鋅元件的非線性電阻率。

電壓傳感器在大電流區(qū)時的分壓比：

由于高低壓臂的非線性電阻之比與高低壓臂的氧化鋅體電容的容抗之比相同，所以，在避雷器導通前和導通后的分壓比不變，如圖3。

圖3　電流仿真結(jié)果圖

圖4　電壓仿真結(jié)果圖

當利用避雷器計數(shù)器作分壓元件時，其兩端并聯(lián)容抗較小的電容。由于電容組件中缺少閥片中的非線性電阻特性，當頻率過高電壓幅值過大，如雷電過電壓，采樣波形會產(chǎn)生一定畸變。但在變電站調(diào)試階段針對各開關(guān)操作及模擬接地故障等幅值較低頻率較小的試驗作臨時監(jiān)測時，經(jīng)現(xiàn)場測試，如圖5，圖6，將采用該方式測量的接地試驗波形與錄波器所得波形比較，該方式在所得波形在提升了準確度基礎(chǔ)上，傳感器的小電流3db衰減頻率為：700MHz，大電流3db衰減頻率為：3MHz，暫態(tài)過電壓最高頻率為1MHz，精確度得到顯著提升，所得波形數(shù)據(jù)已足以滿足計算分析所用。

圖5　錄波器波形

圖6　避雷器計數(shù)器分壓采集波形

3結(jié)論

通過計算建模仿真分析及實測數(shù)據(jù)比較，可得出本文所介紹的兩種頻率響應寬、幅值線性度高，線性度較好、沖擊電壓測量誤差小、電氣性能優(yōu)良的過電壓傳感器并且測量精度完全滿足電力系統(tǒng)暫態(tài)過電壓監(jiān)測系統(tǒng)要求。在條件允許的情況下，采用無間隙氧化鋅避雷器電壓傳感器可實現(xiàn)對變電站的實時監(jiān)測，準確度經(jīng)測試可達98.17%。在僅需做臨時監(jiān)測時可以采用安裝更加靈活方便的利用避雷器計數(shù)器作分壓裝置的傳感器，，且采集的操作過電壓及工頻過電壓波行數(shù)據(jù)也較錄波器擁有更優(yōu)的頻率響應特性。

參考文獻

[1]張緯鈸，何金良，高玉明.過電壓防護及絕緣配合[M]．北京：清華大學出版社， 2002.

[2]劉翔； 郭克勤； 葉國雄，等. 電磁式電壓互感器沖擊電壓響應特性試驗研究[J]. 高電壓技術(shù),2011(10):2385-2390.

作者：何翔宇(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：電力系統(tǒng)過電壓。

文獻標志碼：中國分類號：TM862A

收稿日期：2015-01-17

文章編號：1008-5580(2015)02-051-03 1008-5580(2015)02-054-04