孫澤中，易輝，李欣，劉衛(wèi)東，楊慶

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司岳陽供電公司，湖南 岳陽 414000；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長沙 410004；4.重慶大學(xué)，重慶 400044)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的要求也越來越高[1]。理論研究與實際運行經(jīng)驗表明，系統(tǒng)承受的各類外部和內(nèi)部過電壓是引發(fā)電力系統(tǒng)絕緣事故的重要原因[2－5]。故障發(fā)生時，系統(tǒng)內(nèi)常出現(xiàn)幅值大、頻率高的過電壓與過電流，常規(guī)故障錄波器采樣頻率多為10 kHz 左右，對于高頻率故障波形監(jiān)測能力不足，無法實現(xiàn)波形的完整記錄。

針對以上問題，部分地區(qū)開始推進(jìn)智慧變電站項目建設(shè)，關(guān)注關(guān)鍵電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測能力，不斷提高故障波形的實時監(jiān)測能力[6－20]。文獻(xiàn)[11－12] 基于容性設(shè)備電容分壓原理，設(shè)計了電壓在線監(jiān)測裝置，并分析不同情況下的裝置監(jiān)測效果。文獻(xiàn)[13－14] 基于電流互感器，設(shè)計了對應(yīng)的硬件電路，并基于特定環(huán)境設(shè)計了環(huán)境參量測量、移動控制與顯示等定制化功能，提高了雷電流的感知能力。文獻(xiàn)[15－20] 基于已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)，側(cè)重于利用蒙特卡洛、大數(shù)據(jù)分析等不同方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行特征提取，實現(xiàn)過電壓故障類型的識別。綜合以上研究可知，雖然已有研究開展了變電站的在線監(jiān)測工作，但通常側(cè)重于過電壓或過電流單項監(jiān)測，尚未開展站內(nèi)設(shè)備整體性監(jiān)測。同時，已有狀態(tài)檢測工作多針對于110 kV、220 kV 變電站，500 kV變電站站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測能力仍有待進(jìn)一步提高。

針對該問題，研制了電容式電壓互感器(capacitor voltage transfor，CVT) 過電壓監(jiān)測裝置與避雷器放電電流監(jiān)測裝置，并運用于500 kV 智慧變電站改造中，實現(xiàn)站內(nèi)500 kV 側(cè)三相CVT 過電壓、避雷器動作電流的在線監(jiān)測，實時獲取電網(wǎng)故障量波形數(shù)據(jù)及其特征參數(shù)，提高500 kV變電站數(shù)據(jù)監(jiān)測能力，對于分析電網(wǎng)事故原因、改進(jìn)電網(wǎng)絕緣配合、防止過電壓造成次生災(zāi)害等方面具有重大作用。

1 500 kV 變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)

在線監(jiān)測系統(tǒng)包含CVT 過電壓監(jiān)測裝置與避雷器放電電流監(jiān)測裝置，采用多點分布監(jiān)測、集中控制的運行方式，硬件部分由過電壓采集裝置與避雷器泄放電流采集裝置組成。在線監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，經(jīng)過過電壓采集裝置以及放電電流采集裝置采集的波形信號，經(jīng)衰減、信號調(diào)理與變換后，最后傳輸數(shù)據(jù)至計算機(jī)后臺與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，基于采集的波形可開展進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。

圖1 在線監(jiān)測采集系統(tǒng)原理圖

1.1 CVT 過電壓監(jiān)測裝置

對于變電站內(nèi)過電壓監(jiān)測，目前主要有兩種技術(shù)方案:一是容性設(shè)備末屏過電壓傳感器，利用變壓器套管、電容式電壓互感器等容性設(shè)備末屏，接入全密封、長壽命、高可靠專用電容分壓單元，組成容性設(shè)備末屏過電壓傳感器，該方法測量準(zhǔn)確性高，受干擾少；二是高壓電場過電壓傳感器，采用非接觸式設(shè)計理念，利用高壓交變電場感應(yīng)原理監(jiān)測過電壓信號，與一次設(shè)備無接觸，結(jié)構(gòu)簡潔安全可靠。

考慮電壓互感器二次側(cè)電壓信號易受繞組材質(zhì)、變比、空間磁場影響，無法準(zhǔn)確真實反映一次側(cè)過電壓完整波形特征。因此，選擇直接在一次側(cè)串接分壓電容，實現(xiàn)電壓信號采集。由于后端設(shè)備要求采集電壓不大于200 V，選擇在CVT 末屏串接10～50 μF 大電容，過電壓監(jiān)測裝置從該串接電容取電壓信號，實現(xiàn)母線電壓采集。

分壓電容安裝于電容式電壓互感器末屏測量抽頭處，接入串接電容前，首先需將CVT 末屏接地解開，并分別連接無感雙屏蔽同軸電纜，電纜中間串接分壓電容后經(jīng)另一端接地。如圖2 所示，CVT末屏N 端解開，串接分壓電容C串接，串接分壓電容另一端接地。

圖2 容性設(shè)備末屏過電壓傳感器

對于串接分壓電容后的組合設(shè)備，如圖3 所示，電容式電壓互感器與串接分壓電容可分別等效為兩個大電容，其中C總為電壓互感器一次側(cè)總電容，C串接為串接分壓電容，U1為一次側(cè)電壓值，U2為串接電容分壓。則有分壓電容采集的電壓U2如下式所示:

圖3 CVT 串接分壓電容后的等效原理圖

如上式可知，由于C總對于站內(nèi)設(shè)備為定值，因此裝置采集電壓U2僅與C串接相關(guān)，設(shè)計合理的電容值便能實現(xiàn)高電壓的采集。

1.2 避雷器放電電流監(jiān)測裝置

雷電放電電流為幅值極高、頻率極高的沖擊電流，普通電流測量裝置無法實現(xiàn)雷電放電電流波形的實時監(jiān)測。避雷器放電電流監(jiān)測裝置基于非接觸式原理，利用皮爾遜寬帶脈沖電流互感器，感應(yīng)流過避雷器的泄放電流。當(dāng)被測電流沿軸線通過測量線圈中心時，在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場，磁場強(qiáng)度H由安培環(huán)路定律得:

當(dāng)次級線圈感應(yīng)到變化的磁通量后，便會在線圈上感應(yīng)出電壓，通過測量該電壓便能實現(xiàn)電流的測量。圖4 為避雷器放電電流監(jiān)測裝置實物，泄流電流經(jīng)電流互感器中心穿過。

圖4 避雷器放電電流監(jiān)測裝置實物

1.3 基于EMTP－ATP 的串接分壓電容影響分析

串接分壓電容接入后，將對原電壓互感器一次側(cè)電壓分布產(chǎn)生影響，如圖5 所示為電壓互感器電容分壓原理圖。串接分壓電容前，二次側(cè)采集的電壓主要受一次側(cè)C下2電容分壓影響。當(dāng)CVT 一次側(cè)末屏串接分壓電容后，二次側(cè)采集電壓受C下2與串接電容C串接共同影響。在二次側(cè)變比未改變時，二次側(cè)電壓變化率與一次C下2、串接電容C分壓變化率相 同。根據(jù)公式 (1)，并結(jié)合仿真軟件AtpDraw，計算出串接電容前后，測量的一次側(cè)電壓測量情況如圖6 與表1 所示。

圖5 串接電容前后電容分壓情況

圖6 500 kV 側(cè)CVT 串接電容前后一次側(cè)測量電壓

表1 CVT 串接電容前后采集一次側(cè)電壓

由圖6 與表1 可知，串接分壓電容后，對原電壓互感器電壓采集影響很小，變化率小于0.5%，在二次保護(hù)及非計量端的誤差容許范圍內(nèi)。因此，可采用串接分壓電容方式采集一次側(cè)電壓信號。

1.4 信號傳輸電纜電感對參數(shù)采集的影響

在電壓采集過程中，串接分壓電容后，電壓信號經(jīng)一根長電纜傳輸，應(yīng)充分考慮電纜本身電感對采集波形的影響。對于采集裝置的電纜，有電感可通過式(3) 計算:

式中，L為電纜電感量，H；l為電纜長度，m；r為電纜半徑，mm；μ0為真空磁導(dǎo)率，4π×10－7。

以使用的ZR－YJV22－1000－2×2.5 型電纜為例，橫截面 積2.5 mm2，長度20 m，半徑0.892 mm，則根據(jù)式 (3)，有電纜電感L＝39.84 μH，在EMTP－ATP 中建立CVT 過電壓采集裝置電纜電感影響仿真模型如圖7 所示。

圖7 EMTP－ATP 中電纜電感量影響仿真模型

其中，設(shè)置C1為5 000 pF，C2為35 μF，線路電感為39.84 μH，輸出阻抗為50 Ω，則有輸入輸出信號如圖8 所示。

圖8 輸入輸出電壓信號對比示意圖

由圖8 可知，電壓信號輸入輸出波形一致，信號傳輸電纜電感對過電壓信號采集影響較小。

2 裝置安裝與現(xiàn)場測試

2.1 裝置選取與參數(shù)確定

2.1.1 CVT 過電壓監(jiān)測裝置設(shè)備選取

選擇串接分壓電容時，應(yīng)獲取容性設(shè)備一次側(cè)總電容，在線監(jiān)測裝置用于500 kV 變電站智慧化改造，涉及的1 號主變壓器500 kV 側(cè)CVT 三相與220 kV 備用間隔A 相CVT 額定電容均為5 000 pF，即圖3 中C總電容量為5 000 pF。

選取分壓電容大小時，考慮到選取的后端過電壓數(shù)據(jù)采集裝置要求采集電壓信號應(yīng)小于200 V，因此根據(jù)式(1)，設(shè)計220 kV 間隔串接電容設(shè)計值為16 μF、500 kV 間隔為35 μF，計算典型運行工況下的分壓電容分壓值見表2。

表2 典型電壓下的CVT 裝置取樣電壓值

如表2 所示，經(jīng)串接分壓電容采集的電壓值較小，在后端采集裝置要求范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓采集工作。

2.1.2 避雷器放電電流設(shè)備選擇

雷電流通常較大，幅值范圍分布在幾千安到上百千安，根據(jù)文獻(xiàn)[21]，雷擊放電電流集中在0～20 kA的概率為40.74%，由于線路兩側(cè)存在分流以及傳播過程衰減，實際傳輸?shù)秸緝?nèi)的雷擊過電流已基本小于20 kA。本次選擇的電流傳感器量程為0～25 kA，參數(shù)見表3，能實現(xiàn)避雷器泄放電流的測量工作。

表3 Pearson 寬帶脈沖電流互感器參數(shù)

安裝電流傳感器時，應(yīng)不破壞原站內(nèi)設(shè)備布置情況。如圖9 所示，電流傳感器安裝在500 kV 變電站原HVM2000 數(shù)字式就地監(jiān)測單元箱內(nèi)，泄流電纜經(jīng)電流傳感器中心穿過，采用非接觸穿心式安裝，不會影響原有裝置功能。

圖9 泄流電纜經(jīng)電流傳感器內(nèi)部通過

電流互感器取樣輸出電壓值見表4，在正常運行時，避雷器無泄放電流，取樣電壓為0 V，出現(xiàn)雷電過電壓時，雷電流經(jīng)避雷器泄放。

表4 不同情況下避雷器電流互感器取樣電壓值

2.1.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝測試

500 kV 變電站CVT 過電壓監(jiān)測裝置與避雷器放電電流監(jiān)測裝置現(xiàn)場安裝情況如圖10 所示。CVT 過電壓、避雷器釋放電流監(jiān)測采集裝置實時采集母線上的電壓波形、流過避雷器的放電電流，并經(jīng)衰減后，經(jīng)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，隨后傳送至后臺終端，完成數(shù)據(jù)采集。

圖10 CVT 過電壓、避雷器釋放電流監(jiān)測裝置實物圖

2.2 裝置功能現(xiàn)場實測

為測試在線監(jiān)測系統(tǒng)性能，在裝置安裝后開展監(jiān)測裝置信號采集功能現(xiàn)場測試。試驗中，在衰減器前施加不同幅值的正弦波信號，模擬系統(tǒng)運行電壓，在后臺讀取監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，記錄輸入信號與輸出信號，并對監(jiān)測設(shè)備運行穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)采集能力進(jìn)行分析。

為更好衡量測試效果，定義測量變比K和正弦波對稱軸偏移率H。其中，變比K為輸入電壓與輸出電壓之比，如式(4) 所示:

定義正弦波對稱軸偏移率H，衡量對稱軸偏離程度，越趨于0 表明偏離越小，如式(5) 所示:

經(jīng)現(xiàn)場測試，參考式(4)、(5) 計算得到變比K與正弦波對稱軸偏移率H如圖11 所示。

圖11 變比K 和正弦波對稱軸偏移率H 隨施加電壓變化

從圖11 可以看出，隨著外施信號源電壓幅值增大，變比逐漸增加，趨于100，正弦波對稱軸偏移率逐漸趨于0，即電壓越大，監(jiān)測設(shè)備的取樣效果越好；當(dāng)施加電壓大于10 V 時，逐步趨于穩(wěn)定，此時數(shù)據(jù)傳輸效果好。由于電壓取樣信號經(jīng)過衰減器，其誤差常呈現(xiàn)中間低、兩頭高的現(xiàn)象，因此隨著外施電壓的增大，設(shè)備取樣效果變好。

500 kV 變電站過電壓和放電電流對應(yīng)的采樣電壓值在50～350 V，處于衰減器的中間范圍，信號傳輸變形小，準(zhǔn)確率相對較高，能夠滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)的信號采集與傳輸要求。

3 結(jié)論

本文從采集方案理論設(shè)計、設(shè)備參數(shù)選取以及現(xiàn)場實測方面開展了包含CVT 過電壓監(jiān)測裝置與避雷器放電電流監(jiān)測裝置的500 kV 變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計工作，具體包含以下內(nèi)容:

1) 基于電容分壓原理，在電容式電壓互感器末屏接入分壓電容，依據(jù)電容分壓原理實現(xiàn)母線電壓取樣。

2) 選用Pearson 寬帶脈沖電流互感器，測量避雷器泄流通道放電電流，實現(xiàn)高幅值、高頻率雷電放電電流的實時監(jiān)測。

3) 基于電磁暫態(tài)仿真軟件，論證分壓電容接入對原電壓互感器測量不會產(chǎn)生明顯誤差，信號傳輸電纜電感不會對分壓電容取樣電壓波形產(chǎn)生明顯影響。

4) 開展在線監(jiān)測系統(tǒng)測量性能現(xiàn)場測試工作，發(fā)現(xiàn)測量設(shè)備采集端電壓在10 V 以上時，監(jiān)測裝置能夠較好記錄波形幅值，在實際測量中應(yīng)注意測量中不同采集電壓幅值下的波形畸變問題。

監(jiān)測系統(tǒng)旨在提高500 kV 變電站異常狀態(tài)感知能力，為提升電網(wǎng)故障診斷能力、改進(jìn)系統(tǒng)絕緣配合等工作提供數(shù)據(jù)測量基礎(chǔ)。在后續(xù)工作中，將進(jìn)一步研究500 kV 變電站內(nèi)智能感知技術(shù)，進(jìn)一步提高設(shè)備在線監(jiān)測能力，深入推進(jìn)智慧變電站建設(shè)與應(yīng)用，為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供技術(shù)支撐。