唐峰，謝俊文，劉順桂，黃政，王金皇

(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000； 2.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，成都 610039)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)電壓等級的提高，電網(wǎng)主要以500 kV輸電線路為骨干。在110 kV以下的輸電網(wǎng)中主要以外置電容分壓器提取過電壓信號，但是在電壓等級更高的電網(wǎng)中卻少有暫態(tài)過電壓的提取裝置[1-3]。

隨著計算機通信能力的發(fā)展，使得在線監(jiān)測暫態(tài)過電壓成為可能，在線監(jiān)測過電壓不僅能在絕緣配合、事故分析、標(biāo)準(zhǔn)修訂及智能識別方面起著舉足輕重的作用[4-5]，還在電網(wǎng)故障責(zé)任界定、過電壓治理起著重要作用。在城市化中，變電站主要以GIS變電站為主，這不僅節(jié)約用地，而且還能屏蔽高頻電磁波干擾[6-7]。對于GIS過電壓的測量，國內(nèi)外做了大量研究，有部分學(xué)者提出基于管套末屏的過電壓測量方法，但考慮安全，管套末屏必須可靠接地。國外有學(xué)者提出通過測量過電壓形成的空間電場反演過電壓波形的方法，并研制了電場測量用的球形電場傳感器。但被測電場容易被其它導(dǎo)電耦合電場影響而畸變[8-9]。四川電科院和重慶大學(xué)曾聯(lián)合研制了用于高壓架空輸電線路過電壓測量的非接觸式測量裝置。但輸電線路與感應(yīng)極板的分布電容易受外部影響。

為此，提出了一種基于氧化鋅閥片分壓的測量方法用來測量GIS的暫態(tài)過電壓信號。這種方法在氧化鋅避雷器與接地體之間的電流表里面加一個氧化鋅閥片，這種方法不僅方便，直接采用已有的氧化鋅避雷器作為電壓傳感器，而且精度在可接受范圍內(nèi)。

1 測量方法

1.1 基本原理

本分壓器以氧化鋅避雷器為高壓臂，以氧化鋅閥片為低壓臂，信號從低壓臂取出，這樣得到一次側(cè)的電壓波形，其原理如圖1所示。

圖1 閥片分壓結(jié)構(gòu)示意圖

氧化鋅避雷器在低電流區(qū)域電阻較大，避雷器成容性，在大電流區(qū)域，避雷器成阻性。因此在不同區(qū)域氧化鋅閥片的分壓比不同。

1.2 氧化鋅避雷器模型

氧化鋅閥片作為分壓式提取電壓的傳感器，其分壓比的確定尤為重要，由于氧化性避雷器材料本身受沖擊電壓波形頻率的影響，氧化鋅閥片存在頻率響應(yīng)特性。為此，對氧化鋅避雷器的建模就尤為重要。本文采用Voronoi網(wǎng)格描述氧化鋅閥片的顯微結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)整通過調(diào)整Voronoi網(wǎng)格種子和無序度改變晶粒尺寸和不均勻度，對氧化鋅避雷器的沖擊分壓特性進行仿真如圖2所示。

晶粒的尺寸和不均勻度不同對氧化性避雷器的分壓特性影響比較大，尤其是在大電流區(qū)域，其影響比在小電流區(qū)域要大得多，但是都比較小，都在誤差可接受范圍內(nèi)。在氧化鋅避雷器和閥片的晶粒的尺寸和不均勻度相差不大的情況下，可以完整的采集到暫態(tài)過電壓信號。所以在選擇氧化鋅閥片時要選擇與避雷器同批次燒制的或者材料相近的閥片。

圖2 Voronoi網(wǎng)格圖

1.3 氧化鋅避雷器閥片分壓的仿真

為驗證氧化鋅避雷器在導(dǎo)通和未導(dǎo)通及在各種沖擊波的情況下的分壓比特性，運用EMTP-ATP進行仿真計算。得出如圖3所示的數(shù)據(jù)。

圖3 閥片工頻分壓仿真波形

從圖3中可得，雖然波形不一樣，但是在工頻、操作沖擊、雷電沖擊下，其分壓比基本不變，驗證了氧化鋅閥片分壓的可行性，以及在雷電沖擊的波型中看出由于波頭時間短出現(xiàn)了過沖和振蕩，所以對氧化鋅避雷器的掃頻就很重要，不過在雷電沖擊的波形中，其分壓比也基本不變。暫態(tài)過電壓與操作過電壓的波前時間都比雷電過電壓長，所以氧化鋅避雷器適用于暫態(tài)過電壓、操作過電壓以及雷電過電壓如圖4、圖5所示。

圖4 閥片操作沖擊分壓仿真波形

圖5 閥片雷電沖擊分壓仿真波形

1.4 氧化鋅避雷器閥片掃頻實驗研究

為研究氧化鋅避雷器的頻率響應(yīng)特性，對氧化鋅避雷器進行正弦掃頻實驗。此實驗是為了驗證氧化鋅閥片分壓提取暫態(tài)過電壓的可行性，由于氧化鋅避雷器的電感電容參數(shù)受頻率的影響，所以需要做掃頻實驗得出在什么頻率范圍內(nèi)裝置的可行性，及裝置能否提取操作過電壓和雷電過電壓。頻率響應(yīng)分析儀輸出幅值為5 V，峰值為10 V，頻率范圍為50 MHz～10 MHz的正弦波。

1.4.1 110 kV氧化鋅避雷器掃頻實驗

由圖6可得110 kV避雷器在50 kHz～600 kHz衰減倍數(shù)不變。在600 kHz后衰減快速衰減。所以在50 kHz～600 kHz有較好的分頻作用。

圖6 110 kV 避雷器不同閥片頻率響應(yīng)

1.4.2 35 kV氧化鋅避雷器掃頻實驗

對35 kV氧化鋅避雷器采用不同的閥片A、B和與其相同的閥片進行掃頻實驗如圖7～圖9所示。

圖7 35 kV 串接閥片 A 頻率響應(yīng)

圖9 35 kV 串接相同閥片頻率響應(yīng)

不同氧化鋅避雷器串聯(lián)不同閥片的掃頻實驗，在串聯(lián)不同閥片A、B時，由于氧化鋅避雷器的內(nèi)部晶粒大小、晶界厚度等參數(shù)的不同，結(jié)果導(dǎo)致B的頻率響應(yīng)比A的好，在1.2 MHz左右開始衰減，A在360 kHz開始衰減，而在串聯(lián)與氧化鋅避雷器相同的氧化鋅閥片時，頻率響應(yīng)在4 MHz左右才開始衰減，所以氧化鋅閥片最好選擇與氧化鋅避雷器同批次出廠的型號。而在做同種氧化鋅閥片掃頻實驗時，其頻率響應(yīng)不隨氧化鋅閥片數(shù)量的變化而變化，所以同種閥片之間頻率響應(yīng)沒有差別。

1.5 過電壓信號去噪研究

氧化鋅閥片分壓實時監(jiān)測的工頻電壓信號信噪比不高，包含了大量噪聲，實際監(jiān)測的信號也包含了大量噪聲，為此采用了小波變換的去噪方法。小波變換相比與傅里葉變換不僅具備其優(yōu)點，還具備傅里葉級數(shù)欠缺的一部分，其在信號的局部分析的處理得更好，并可以多分辨率分析，小波變換定義如下：

(1)

軟硬閥值函數(shù)都是傳統(tǒng)的閥值函數(shù)，在實際應(yīng)用中也存在局限性。新的閥值函數(shù)不僅小布區(qū)域里連續(xù)，而且高階可導(dǎo)，其函數(shù)表達式如下：

(2)

小波變換適合處理頻率成分豐富的非周期信號，其高分辨率適合分析信號高頻的細(xì)節(jié)部分。其在過電壓去噪領(lǐng)域表現(xiàn)好，且構(gòu)造的新閥值函數(shù)能較好的去除過電壓的噪聲，其去噪效果比傳統(tǒng)的軟硬閥值函數(shù)要好。

2 結(jié)束語

提出一種氧化鋅閥片分壓提取GIS暫態(tài)過電壓的裝置，該裝置不僅不需要單獨安裝分壓裝置，直接利用氧化鋅避雷器作為分壓器的高壓臂，而且在安裝氧化鋅分壓閥片時安裝在避雷器的測電流的電流表里，非常方便。通過對氧化鋅避雷器在不同沖擊電壓下的實驗，得出其分壓比基本不變，在雷電沖擊下，波頭有過沖和振蕩。于是在氧化鋅避雷器的掃頻實驗中得出頻率在1.5 MHz內(nèi)，氧化鋅避雷器的頻率特性基本不變，滿足暫態(tài)過電壓、操作過電壓、雷電過電壓的測量。最后提出小波閥值去噪，其去噪效果好，適合處理頻率成分豐富的非周期信號，其高分辨率適合分析信號高頻的細(xì)節(jié)部分，其效果比傳統(tǒng)軟、硬閥值好。