葉海峰，談發(fā)力，周恩澤，漆一帆，江子豪，胡傳宇

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州，510000；2.武漢三相電力科技有限公司，武漢，430074）

0 引言

國(guó)內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中頻繁遭受過(guò)電壓的危害，容易造成設(shè)備損毀甚至引發(fā)嚴(yán)重事故[1-2]。盡管在運(yùn)行中已采取了較多的過(guò)電壓抑制及防范措施，但過(guò)電壓現(xiàn)象及其導(dǎo)致的故障仍然時(shí)有發(fā)生。造成這一現(xiàn)象的主要原因是目前缺少高效可靠的監(jiān)測(cè)技術(shù)，無(wú)法精確獲知過(guò)電壓幅值大小及波形特征規(guī)律，使得絕緣配合與實(shí)際運(yùn)行情況存在差異，設(shè)備的安全運(yùn)行無(wú)法得到可靠保障[3-4]。目前關(guān)于電力系統(tǒng)過(guò)電壓機(jī)理、頻率及幅值等特征相關(guān)研究已取得了較多的成果，但這些研究多基于理論分析及仿真建模，尚缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。準(zhǔn)確獲取電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中過(guò)電壓特征，對(duì)于事故分析以及絕緣配合的優(yōu)化改進(jìn)可以提供數(shù)據(jù)支撐，并有助于減少過(guò)電壓事故的發(fā)生，因此，急需一種高效可靠的監(jiān)測(cè)技術(shù)[5-6]。

如何獲取過(guò)電壓信號(hào)是過(guò)電壓監(jiān)測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵，目前已有多種技術(shù)手段及相關(guān)設(shè)備。文獻(xiàn)[7-8]采用并聯(lián)電容分壓器方式來(lái)獲取母線(xiàn)上過(guò)電壓信號(hào)，該方式測(cè)量精度高、傳感器頻響特性?xún)?yōu)異，然而分壓器需要長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行，只適用于35 kV及以下系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]介紹了利用電磁式電壓互感器提取過(guò)電壓信號(hào)，該傳感器鐵芯容易飽和，高頻下響應(yīng)容易產(chǎn)生嚴(yán)重的失真和飽和，難以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)高頻過(guò)電壓信號(hào)。文獻(xiàn)[10-11]介紹了一種基于光電效應(yīng)的光纖式電壓傳感器，該傳感器重量輕、精度高、頻帶寬，且高低壓隔離，但該傳感器長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性差，實(shí)施難度大，難以大范圍推廣使用。重慶大學(xué)司馬文霞[12]等設(shè)計(jì)了一種變壓器套管末屏電壓傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但末屏接地線(xiàn)存在著斷開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致末屏產(chǎn)生嚴(yán)重放電。杜林[13]等通過(guò)測(cè)量容性設(shè)備泄露電流來(lái)間接測(cè)量設(shè)備上過(guò)電壓，該方案操作簡(jiǎn)便易于實(shí)施，但受限于傳感器測(cè)量范圍及頻帶響應(yīng)限制，只能測(cè)量?jī)?nèi)部過(guò)電壓，局限性較大。胡泉偉[14]等提出了一種基于羅氏線(xiàn)圈的過(guò)電壓監(jiān)測(cè)方法，該方法對(duì)高頻過(guò)電壓響應(yīng)特性較好，但難以測(cè)量工頻過(guò)電壓。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者從空間耦合電容分壓原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種耦合電容傳感器，該傳感器高低壓臂分別由傳感器與大地以及傳感器與輸電導(dǎo)線(xiàn)之間耦合電容組成，低壓臂與后級(jí)采集及處理電路均位于被測(cè)量高壓端附近，與低壓端形成電氣隔離。對(duì)傳感器原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出合理參數(shù)，然后對(duì)其雷電沖擊特性進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，表明該測(cè)量技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)過(guò)電壓的監(jiān)測(cè)。

1 監(jiān)測(cè)原理

圖1為過(guò)電壓監(jiān)測(cè)原理示意圖。傳感器與后級(jí)采集及處理系統(tǒng)安裝于被測(cè)高壓端導(dǎo)體上。傳感器金屬片與高壓導(dǎo)體之間耦合電容C1為低壓臂電容，傳感器金屬片對(duì)地耦合電容C2則為高壓臂電容。圖1中4為信號(hào)采集及處理系統(tǒng)，該設(shè)備外殼為一導(dǎo)電性能良好的金屬屏蔽殼，已經(jīng)過(guò)特殊防電暈處理，并具備良好的防水及防塵功能。采集與處理電路安裝于該金屬屏蔽殼內(nèi)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)3G/4G方式發(fā)送至后臺(tái)中心站，中心站對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后輸出最終結(jié)果。

圖1 過(guò)電壓監(jiān)測(cè)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of overvoltage monitoring

設(shè)備工作時(shí)，屏蔽殼與高壓導(dǎo)體等電位連接，并作為采集電路的接地端，傳感器金屬片2耦合出的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)電纜3進(jìn)入采集設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行相關(guān)處理。為滿(mǎn)足長(zhǎng)期工作需要，傳感器金屬片安裝在一絕緣外殼內(nèi)部，并固定于高壓導(dǎo)體上。實(shí)際工程應(yīng)用里，將傳感器以及后級(jí)采集及處理電路等集成在一個(gè)設(shè)備中，稱(chēng)作過(guò)電壓監(jiān)測(cè)終端，簡(jiǎn)稱(chēng)監(jiān)測(cè)終端，下同。被監(jiān)測(cè)的對(duì)象，即高壓導(dǎo)體可以是輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)，變電站母線(xiàn)或者變壓器、GIS進(jìn)出線(xiàn)等等。

2 傳感器參數(shù)確定與標(biāo)定

耦合電容C1及C2的大小決定著分壓比大小，因此對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)算是設(shè)計(jì)本文電壓傳感器的關(guān)鍵。而耦合電容的大小取決于電極形狀、尺寸、空間布置以及極間分布的介質(zhì)有關(guān)[15]。工程應(yīng)用中常采用數(shù)值計(jì)算法來(lái)確定電容值大小，如表面電荷法[16]、有限元法[17]、模擬電荷法[18]等等。

筆者所采用的傳感器金屬片為一圓弧型窄條，其寬度為a，圓弧半徑為R，圓弧角為α，被測(cè)導(dǎo)體半徑為r。金屬片與導(dǎo)體同軸，將金屬片近似看作為同軸圓柱電容器外面圓柱面的一部分，那么近似有

式中C為同軸圓柱電容器單位長(zhǎng)度電容大小，其值為

式中R2和R1分別為外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體半徑，那么由上面兩式可推導(dǎo)出：

當(dāng)a取1 cm，α=π/3，R和r分別取5 cm和1 cm時(shí)，通過(guò)式求出C1=0.093 pF。

由于電容極板與大地均為不規(guī)則形狀，常規(guī)方法難以求取其精確解，參考文獻(xiàn)[19]計(jì)算結(jié)果，估算C2范圍為1 pF～3 pF左右。為測(cè)量500 kV左右過(guò)電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)多次估算和測(cè)試，實(shí)際測(cè)試和工程應(yīng)用中，在C1兩端并聯(lián)了0.1μF電容。

此外，從傳感器等效結(jié)構(gòu)來(lái)看，該傳感器實(shí)際是一個(gè)純電容式傳感器，這種類(lèi)型傳感器對(duì)于雷電過(guò)電壓等高頻電壓信號(hào)響應(yīng)不佳，容易出現(xiàn)高頻震蕩。此時(shí)可以在電容上串聯(lián)阻尼電阻來(lái)消除高頻震蕩，串聯(lián)電阻阻值按如下式確定：

式中L為高壓引線(xiàn)電感，計(jì)算時(shí)取0.94μH；C近似等于高壓臂電容C2。若按1pF考慮，此時(shí)求解R1=242～1 454 Ω。

導(dǎo)線(xiàn)、金屬屏蔽殼以及采集電路接地端等電位連接，將其電位視為0，那么實(shí)際大地可看做為高電位導(dǎo)體，此時(shí)測(cè)量原理圖如圖2所示。

圖2 傳感器等效電路Fig.2 Equivalent circuit of sensor

末端測(cè)量考慮阻抗匹配，此時(shí)，實(shí)際分壓比為

若過(guò)電壓最大幅值為500 kV，采集電路入端電壓為2.5 V，滿(mǎn)足采集的要求。

3 試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

為測(cè)試傳感器波形還原特性及測(cè)量線(xiàn)性度，根據(jù)耦合電容測(cè)量原理，在廣東電力科學(xué)研究院高壓試驗(yàn)大廳搭建了模擬試驗(yàn)環(huán)境，并進(jìn)行了工頻及雷電沖擊特性測(cè)試。試驗(yàn)布置如圖3所示。

圖3中，模擬導(dǎo)線(xiàn)采用外徑為5.1 cm，長(zhǎng)度為5 m的鋼管，其兩端通過(guò)絕緣繩懸掛于吊車(chē)掛鉤下面，其空間位置可以隨意調(diào)整。模擬導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地高度設(shè)置為15 m，且與周?chē)我唤拥伢w距離均大于6米，滿(mǎn)足絕緣要求[20]。模擬導(dǎo)線(xiàn)正下方放置5米*5米鋁制薄板以模擬大地。傳感器及監(jiān)測(cè)終端一體化裝置固定于模擬導(dǎo)線(xiàn)上，終端外殼、采集電路接地端與模擬導(dǎo)線(xiàn)等電位連接。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)電源給模擬導(dǎo)線(xiàn)施加所需電壓，模擬導(dǎo)線(xiàn)上電壓一方面可通過(guò)分壓比為1 000的標(biāo)準(zhǔn)分壓器后接入示波器進(jìn)行測(cè)量，另一方面經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)終端采集后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送至后臺(tái)中心進(jìn)行處理分析。試驗(yàn)電源包括額定電壓為1 000 kV，容量1 000 kVA工頻試驗(yàn)變壓器以及標(biāo)稱(chēng)電壓±2 400 kV的沖擊電壓發(fā)生器。

圖3 耦合電容傳感器試驗(yàn)布置原理圖Fig.3 Schematic diagram of the coupling capacitance sensor

3.1 工頻電壓測(cè)試結(jié)果

首先施加500 kV系統(tǒng)最大運(yùn)行電壓，按±5%波動(dòng)考慮，即500×（1+5%）/1.732=303.1 kV。根據(jù)前面參數(shù)確定結(jié)果，傳感器理論變比為k=200 000:1，上位機(jī)對(duì)上傳波形進(jìn)行計(jì)算后，用采集到波形有效值乘以該變比即可得到實(shí)際電壓大小。以此變比進(jìn)行測(cè)量時(shí)，監(jiān)測(cè)終端上傳電壓波形有效值為451.6 kV，偏差達(dá)49%。分析認(rèn)為誤差主要來(lái)源是高壓臂電容C2估算誤差，該電容相比模擬試驗(yàn)場(chǎng)景的實(shí)際電容偏小。為此對(duì)傳感器變比進(jìn)行3次測(cè)量修正并取平均值，經(jīng)修正后傳感器變比為=134 233，重新進(jìn)行工頻電壓測(cè)試試驗(yàn)。對(duì)比監(jiān)測(cè)終端上傳結(jié)果與示波器測(cè)量結(jié)果，如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)終端工頻電壓測(cè)量結(jié)果與示波器測(cè)量結(jié)果對(duì)比Table 1 comparison of measurement results of power frequency voltage and oscilloscope

從表1可以看出，傳感器變比經(jīng)校核后工頻電壓測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值接近，誤差均在6%以?xún)?nèi)，具有較好的測(cè)量精度。此外，對(duì)比兩者監(jiān)測(cè)波形可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)終端上傳的波形與示波器波形基本一致，表明該傳感器工頻電壓響應(yīng)特性良好。

3.2 雷電沖擊電壓測(cè)試結(jié)果

調(diào)整好變比后，在模擬導(dǎo)線(xiàn)上施加不同電壓的標(biāo)準(zhǔn)±1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓，通過(guò)示波器和監(jiān)測(cè)終端同步采集沖擊電壓，波形分別如圖4（a），（b）所示。

圖4 雷電沖擊電壓下示波器與監(jiān)測(cè)終端監(jiān)測(cè)波形對(duì)比Fig.4 Comparison of the lightning impulsevoltage waveform of the oscilloscope and the monitoring terminal

示波器采集采集電壓幅值經(jīng)換算后為326 kV，本監(jiān)測(cè)終端上傳波形幅值為319 kV，偏差為2.15%。從波形特征來(lái)看，本監(jiān)測(cè)終端上傳波形波頭及波尾時(shí)間分別為1.5 μs和46 μs，與示波器測(cè)量波形相近，具備很好的波形還原能力，傳感器高頻響應(yīng)特性良好，可以用于電網(wǎng)過(guò)電壓的測(cè)量。

對(duì)傳感器進(jìn)行多種不同幅值雷電沖擊過(guò)電壓測(cè)試，并與示波器測(cè)量數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 雷電沖擊電壓測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of lightning impulse voltage measurement

當(dāng)雷電過(guò)電壓幅值小于150 kV時(shí)，最大測(cè)量誤差為12.9%；幅值超過(guò)220 kV時(shí)，平均測(cè)量誤差為3%以?xún)?nèi)。從總體情況來(lái)看，監(jiān)測(cè)終端測(cè)量幅值與示波器結(jié)果較為接近，具備一定的測(cè)量精度。

4 工程應(yīng)用

本文所述監(jiān)測(cè)終端已于2017年在南方電網(wǎng)某500 kV變電站進(jìn)行了工程應(yīng)用。設(shè)備安裝于變電站一500 kV出線(xiàn)上，總計(jì)3臺(tái)，監(jiān)測(cè)終端分別配置于靠近大地的分裂導(dǎo)線(xiàn)上。設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

自設(shè)備投運(yùn)以來(lái)，設(shè)備運(yùn)行良好，能正常采集與收發(fā)數(shù)據(jù)，其中最典型的數(shù)據(jù)為近期設(shè)備所安裝線(xiàn)路上發(fā)生了一起線(xiàn)路漂浮物跳閘故障。通過(guò)設(shè)備采集波形與站內(nèi)裝置記錄故障時(shí)刻進(jìn)行對(duì)比，找到線(xiàn)路故障前后監(jiān)測(cè)終端采集的相關(guān)波形，如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)終端采集的典型電壓數(shù)據(jù)Fig.7 Typical voltage data collected by monitoring terminal

圖7（a）中，故障前工頻電壓幅值約為410 kV，與500 kV線(xiàn)路實(shí)際運(yùn)行相電壓幅值一致。圖7（b）中，設(shè)備監(jiān)測(cè)的故障時(shí)刻暫態(tài)電壓波形，從圖中可以看出，電壓幅值約350 kV左右，略低于運(yùn)行電壓，波形脈寬較寬，其頻率遠(yuǎn)低于雷電過(guò)電壓，符合典型非雷擊故障特征。

5 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了一種基于耦合電容原理的傳感器，對(duì)傳感器原理、信號(hào)檢測(cè)方法、參數(shù)標(biāo)定等進(jìn)行了論述，并結(jié)合試驗(yàn)以及工程應(yīng)用，對(duì)傳感器特性以及檢測(cè)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，得到如下基本結(jié)論。

1）筆者所提出的一種傳感器與傳統(tǒng)的高壓信號(hào)獲取信號(hào)技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且監(jiān)測(cè)終端安裝于高壓導(dǎo)體上，與地形成隔離，安全性高；

2）傳感器測(cè)量精度較高，不僅能測(cè)量工頻電壓，也能測(cè)量高頻率的雷電沖擊電壓。理論上可可適用于電力系統(tǒng)各電壓等級(jí)過(guò)電壓監(jiān)測(cè)；

3）監(jiān)測(cè)終端監(jiān)測(cè)到一次非雷擊故障暫態(tài)電壓信息，表明本技術(shù)能滿(mǎn)足實(shí)際運(yùn)行的要求，且具備較好的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

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