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        基于電容式電壓互感器的暫態(tài)過電壓光學(xué)監(jiān)測方法研究

        2023-03-11 06:46:52李其瑩劉祥國于文斌
        山東電力技術(shù) 2023年2期
        關(guān)鍵詞:分壓器暫態(tài)過電壓

        尹 東,李其瑩,劉祥國,萬 斌,于文斌

        (1.國網(wǎng)山東省電力公司,山東 濟(jì)南 250001;2.國網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司,山東 泰安 271000;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150001)

        0 引言

        電網(wǎng)暫態(tài)過電壓威脅著電力設(shè)備的安全運行,監(jiān)測暫態(tài)過電壓對保證電網(wǎng)安全可靠運行非常重要。但目前沒有行之有效的暫態(tài)過電壓監(jiān)測手段,缺乏記錄事故過程的暫態(tài)過電壓數(shù)據(jù),對暫態(tài)過電壓引起的事故分析主要依靠經(jīng)驗,導(dǎo)致對事故原因的分析不明晰。利用暫態(tài)過電壓監(jiān)測系統(tǒng)實時記錄故障發(fā)生的整個過程,通過對記錄電壓數(shù)據(jù)的分析就能準(zhǔn)確確定事故原因,對提升設(shè)備絕緣水平和采取必要的防范措施具有重要意義[1-3]。但在目前的工程實施中,由于沒有效果良好的實用化過電壓在線監(jiān)測手段,并沒有強(qiáng)制要求安裝暫態(tài)過電壓監(jiān)測系統(tǒng),使得暫態(tài)過電壓的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)非常有限。

        目前,雖然已有多種結(jié)構(gòu)和原理的過電壓監(jiān)測方法和裝置被提出,包括從電壓互感器二次側(cè)取電壓信號、加裝專用電容分壓器和在運行設(shè)備末屏加裝低壓臂電容等,但效果都不太理想[4-6]。在高電壓等級的電網(wǎng)中,電容式電壓互感器(Capacitor Voltage Transformer,CVT)被廣泛應(yīng)用,但受限于測量頻帶問題,CVT 主要用于工頻電壓測量,無法用于諧波和暫態(tài)電壓測量[7-12]。為使CVT 兼具工頻測量和暫態(tài)測量的能力,有文獻(xiàn)提出通過加裝低壓電容C3對常規(guī)CVT 進(jìn)行改造[9,13-15]。文獻(xiàn)[14]提出了內(nèi)置低壓電容C3的方案,其電容C3設(shè)計值達(dá)54 μF,由18 個3 μF 電容元件并聯(lián),電容結(jié)構(gòu)較大不利于改裝,且電容材質(zhì)與結(jié)構(gòu)都與原電容器的電容元件差異較大,存在分壓比受溫度影響的問題,而且電容C3兩端電壓信號需通過幾百米的同軸屏蔽電纜傳輸至遠(yuǎn)端繼??刂菩∈?,抗電磁環(huán)境干擾能力較差。而如果將電容C3兩端電壓信號就地數(shù)字化后利用光纜傳輸,現(xiàn)場又需要供電電源。這些工程應(yīng)用問題的存在,使得該方案并不適合現(xiàn)場在線監(jiān)測。

        提出一種基于CVT 的暫態(tài)過電壓光學(xué)監(jiān)測方法,在常規(guī)CVT 的中壓電容C2的低壓端與接地端之間串接暫態(tài)監(jiān)測電容C3,電容C3選用與分壓器電容C1、C2同樣材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和工藝的電容元件并聯(lián)實現(xiàn),再利用基于Pockels 電光效應(yīng)的光學(xué)電壓傳感器(Optical Voltage Sensor,OVS)實現(xiàn)對電容C3兩端電壓的傳感,獲得暫態(tài)過電壓監(jiān)測信號。該方案利用OVS 無源傳感器的優(yōu)勢,實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的一二次電氣隔離,能有效解決目前暫態(tài)過電壓監(jiān)測方案易受現(xiàn)場惡劣電磁環(huán)境干擾的問題[16]。研制OVS 樣機(jī),設(shè)計基于CVT 的暫態(tài)過電壓光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng),并開展暫態(tài)過電壓實驗,以驗證所提方案的可行性。

        1 具備暫態(tài)電壓監(jiān)測功能的CVT

        1.1 測量原理和基本結(jié)構(gòu)

        常規(guī)CVT在工頻信號下的補(bǔ)償電抗器感抗與分壓器容抗相匹配,其測量準(zhǔn)確度能保證。但對于非工頻信號,由于CVT內(nèi)部阻抗匹配被破壞,其輸出會產(chǎn)生較大誤差。因此,常規(guī)CVT 不具備諧波測量和暫態(tài)過電壓監(jiān)測功能。

        設(shè)計具備暫態(tài)電壓監(jiān)測功能的CVT 對常規(guī)CVT進(jìn)行擴(kuò)頻改裝。改裝方案為:在常規(guī)CVT 的中壓電容C2低壓端與接地端之間接入暫態(tài)監(jiān)測電容C3,與CVT 的分壓器電容C1、C2形成分壓電路,實現(xiàn)兼具工頻穩(wěn)態(tài)電壓測量和暫態(tài)電壓監(jiān)測功能,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 具備暫態(tài)電壓監(jiān)測功能CVT的結(jié)構(gòu)

        改造后的CVT 在暫態(tài)電壓監(jiān)測時,暫態(tài)監(jiān)測電容C3兩端輸出電壓U3可以用式(1)表示。

        式中:U1為一次側(cè)電壓。

        1.2 暫態(tài)監(jiān)測電容C3的特點和要求

        加裝暫態(tài)監(jiān)測電容C3后,為保證原CVT 的工頻穩(wěn)態(tài)測量性能,需要考慮電容分壓器分壓比發(fā)生的變化。常規(guī)CVT電容分壓器的分壓比為

        具備暫態(tài)電壓監(jiān)測功能的CVT電容分壓器的分壓比變?yōu)?/p>

        另外,電容器易受溫度變化的影響,致使CVT的電容分壓器的分壓比發(fā)生變化而影響測量準(zhǔn)確度。因此,電容C3應(yīng)選用與電容C1、C2溫度系數(shù)基本相同的材質(zhì)。所設(shè)計的暫態(tài)監(jiān)測電容C3選用與CVT原電容C1和C2同樣材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和工藝的電容元件并聯(lián)實現(xiàn)。這樣,不僅能保證增加電容C3后不對原CVT 產(chǎn)品的壽命造成較大影響,也能基本保證暫態(tài)監(jiān)測電容C3的分壓比不受溫度變化的影響。

        以某型號110 kV CVT 為例,其高壓電容C1和中壓電容C2的容值分別為26 120 pF 和101 500 pF。設(shè)計加裝的暫態(tài)監(jiān)測電容C3由兩個單節(jié)電容元件并聯(lián)而成,其容值為1.74 μF,電容C3上分壓約為750 V。由上文分析可知,加裝電容C3后,CVT 分壓比將會升高1.2%。為了補(bǔ)償對額定分壓比的偏差,CVT 的中間變壓器配有±5%的調(diào)節(jié)繞組。因此,可以通過調(diào)節(jié)繞組接線來補(bǔ)償加裝電容C3后電容分壓器分壓比的變化帶來的影響,保證改裝后CVT 滿足工頻電壓測量基本準(zhǔn)確度的要求。

        1.3 暫態(tài)監(jiān)測電容C3兩端電壓的分析

        1)仿真分析。

        考慮CVT的雜散、分布電容和電感影響,建立具備暫態(tài)電壓監(jiān)測功能的CVT 的高頻暫態(tài)等值電路,如圖2所示。

        圖2 具備暫態(tài)電壓監(jiān)測功能的CVT高頻暫態(tài)等值電路

        圖2中,C1、C2、C3為電容分壓器的分壓電容;RC1、RC2、RC3為其對應(yīng)的介質(zhì)損耗;L為電容分壓器的引線寄生電感;LC為電磁單元補(bǔ)償電抗器的電感,RC和CC分別為其電阻及雜散電容;RT1和LT1分別為中間變壓器一次側(cè)繞組的電阻和電感;Rm和Lm分別為勵磁支路的電阻和電感;RT21和LT21分別為二次側(cè)測量負(fù)載繞組的電阻和電感;RT22和LT22分別為二次側(cè)保護(hù)繞組的電阻和電感;Lf、Rf分別為速飽和電抗器的電感和電阻;R2為二次側(cè)繞組負(fù)載電阻;C121為一次側(cè)和、二次測量繞組之間的耦合電容;C122為一次側(cè)和二次保護(hù)繞組之間的耦合電容;C11為一次繞組的對地電容;Cs1和Cs2為二次繞組的等效對地雜散電容。

        依據(jù)圖2 所示的等值電路,利用電磁暫態(tài)程序(the Electromagnetic Transients Program,EMTP)建立CVT 的高頻暫態(tài)仿真模型,對暫態(tài)電壓監(jiān)測電容C3兩端輸出電壓進(jìn)行仿真分析。

        在CVT 一次側(cè)輸入+20 kV 沖擊電壓,CVT 二次側(cè)1a-1n帶10 VA 負(fù)載,仿真得到輸入電壓與電容C3兩端輸出電壓的對比波形,如圖3 所示。從仿真波形可以看出,電容C3兩端輸出電壓與輸入電壓波形幾乎重合。

        圖3 電容C3兩端輸出電壓與輸入電壓仿真波形對比

        同樣,可以得到有電容分壓器(無電磁單元)和電磁單元是否空載時的仿真波形。分析在不同情況下電容C3兩端輸出電壓與輸入電壓的參數(shù)值,比較結(jié)果見表1。

        表1 電容C3兩端輸出電壓仿真結(jié)果參數(shù)值比較

        電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1351—2014《電力系統(tǒng)暫態(tài)過壓在線測量及記錄系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》中對測量不確定度的要求是:沖擊電壓峰值誤差不超過±5.0%;沖擊時間參數(shù)(波前時間、截斷時間等)測量誤差不超過±15.0%[17]。

        仿真結(jié)果表明:電磁單元存在與否和電磁單元是否帶載,對電容C3用于測量暫態(tài)沖擊電壓的影響,其關(guān)鍵參數(shù)的測量誤差是可以接受的,完全能滿足標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1351—2014規(guī)定的要求。

        2)實驗研究。

        上文仿真模型中電容式電壓互感器雜散電容參數(shù)的準(zhǔn)確獲取是比較困難的,而參數(shù)的準(zhǔn)確性對仿真結(jié)果和所得結(jié)論的準(zhǔn)確性和可信性是非常關(guān)鍵的。為此,在仿真分析的同時對樣機(jī)開展相應(yīng)的試驗研究。

        由沖擊電壓發(fā)生裝置產(chǎn)生幅值為+200 kV 左右的雷電沖擊電壓,施加在含電容C3的CVT 的高壓端,沖擊電壓發(fā)生裝置有一標(biāo)準(zhǔn)分壓器與之配套使用,輸入電壓經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)分壓器后,通過衰減輸入到示波器測量,電容兩端電壓通過高壓探頭接入示波器。

        圖4為含電磁單元,且二次側(cè)1a-1n繞組接10 VA額定負(fù)載時,電容C3兩端輸出電壓與輸入電壓試驗波形對比圖。

        圖4 電容C3兩端輸出電壓與輸入電壓試驗波形對比圖

        同樣,可以得到有電磁單元且二次側(cè)是否空載運行時和將CVT 的分壓器與電磁單元解開(無電磁單元)時的試驗電壓波形。分析在不同試驗條件下電容C3兩端輸出電壓與輸入電壓參數(shù)值,比較結(jié)果見表2。

        表2 電容C3兩端輸出電壓實驗結(jié)果參數(shù)值比較

        實驗表明:電容C3用于測量雷電沖擊電壓,其關(guān)鍵參數(shù)的測量誤差也能滿足標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1351—2014規(guī)定的要求,特別是對于電磁單元是否帶載,其參數(shù)測量值之間的差異是比較小的。

        綜上,增設(shè)電容C3可以用于暫態(tài)電壓監(jiān)測。

        2 光學(xué)電壓傳感器

        2.1 測量原理

        OVS 采用基于Pockels 電光效應(yīng)原理的傳感器,其測量原理如圖5 所示[18-20]。圖中,OVS 以鍺酸鉍(Bi4Ge3O12,BGO)晶體為傳感材料,主要包括LED 光源、起偏器、檢偏器、l/4 波片、電光晶體、準(zhǔn)直透鏡和PIN光電探測器[18]。

        圖5 光學(xué)電壓傳感器的測量原理

        OVS 的基本測量原理是:LED 光源發(fā)出的光通過起偏器后產(chǎn)生線偏振光,在外加電壓U的作用下,波長為l的線偏振光通過長度為l的BGO 晶體時,出射的兩束光產(chǎn)生相位差,可以表示為

        式中:n0和γ41分別為BGO 晶體的折射率和電光系數(shù);d為電壓方向的晶體厚度;Uπ為晶體半波電壓,且

        由式(4)可知,要獲得外加電壓U,需準(zhǔn)確測出相位差δ。采用雙光路信號處理方案,OVS 兩個光路輸出信號可以分別表示為:

        式中:P為傳感光路的靜態(tài)工作光強(qiáng),μW;A為光電轉(zhuǎn)換系數(shù),V/μW;Gq為前置放大倍數(shù)。

        采用差除和信號處理方案,得到OVS的輸出為

        式中:ui為輸入電壓;K電光效應(yīng)常數(shù)。

        K表示為

        由式(8)可知,OVS 的輸出電壓正比于輸入電壓。原理上,OVS 沒有頻帶和響應(yīng)時間問題,能準(zhǔn)確傳變暫態(tài)電壓信號是OVS的最大優(yōu)勢。

        2.2 樣機(jī)研制

        圖6 為封裝好的OVS 樣機(jī),包括3 個光接口和2個電接口,其結(jié)構(gòu)組成如圖7 所示,主要包括準(zhǔn)直器1、起偏器、λ/4 波片、BGO 晶體、檢偏器、準(zhǔn)直器2、準(zhǔn)直器3、高壓電極和地電極。

        圖6 研制的OVS樣機(jī)

        圖7 OVS的結(jié)構(gòu)組成

        LED 光源發(fā)出一定波長的光信號通過光纖傳送到準(zhǔn)直器1,經(jīng)起偏器變成線偏振光,然后經(jīng)λ/4 波片變成圓偏振光,當(dāng)光通過BGO電光晶體時,在外加電壓的作用下發(fā)生雙折射,產(chǎn)生相位差,經(jīng)檢偏器檢偏將輸出光1∶1的分成兩束光,分別由準(zhǔn)直器2和準(zhǔn)直器3 匯聚后通過光纖送入光電探測器,再利用雙輸出差除和信號處理方案進(jìn)行解調(diào)得到被測電壓。

        2.3 OVS的暫態(tài)電壓測試與分析

        圖8為OVS暫態(tài)電壓測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu),圖9為其實物接線,主要包括:暫態(tài)電壓發(fā)生器、光學(xué)電壓傳感器、示波器和信號處理與監(jiān)測分析主機(jī)。

        圖8 OVS暫態(tài)電壓測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        圖9 OVS暫態(tài)電壓測試

        示波器通過探頭采集暫態(tài)電壓發(fā)生器產(chǎn)生的電壓,與OVS 監(jiān)測得到的電壓信號進(jìn)行對比分析,表3為兩臺OVS樣機(jī)的暫態(tài)電壓測量誤差。測試結(jié)果表明,OVS能準(zhǔn)確測量暫態(tài)沖擊電壓信號。

        表3 電容C3兩端輸出電壓與輸入電壓參數(shù)值比較 單位:%

        3 基于CVT的暫態(tài)過電壓光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)

        3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        圖10 為本文設(shè)計的基于CVT 的暫態(tài)過電壓光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖中,信號處理與監(jiān)測分析主機(jī)外殼內(nèi)集成了高速光電轉(zhuǎn)換電路和快速采集板卡,采集卡單通道80 MHz采樣速率可調(diào),實現(xiàn)對信號的快速寬頻測量;監(jiān)測主機(jī)分析軟件基于LabVIEW 軟件平臺開發(fā),用于對采集到的信號波形進(jìn)行存儲、分析。OVS與暫態(tài)監(jiān)測電容C3并聯(lián),其高壓電極與電容C3的高壓端連接,接地極與電容分壓器的接地極連接。

        圖10 基于CVT的暫態(tài)過電壓光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        OVS 不需要CVT 系統(tǒng)提供能量,因此電容C3沒有帶載能力問題。OVS 與遠(yuǎn)端信號處理與監(jiān)測分析主機(jī)通過光纜連接,實現(xiàn)一二次完全電氣隔離,這也是光學(xué)監(jiān)測的另一大優(yōu)勢。

        3.2 雷電沖擊試驗與分析

        圖11 所示為基于CVT 的暫態(tài)過電壓光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)沖擊試驗接線。試驗電壓由沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生,調(diào)節(jié)球隙產(chǎn)生幅值為+241 kV的雷電沖擊電壓施加在含C3電容的CVT 高壓端,輸入電壓經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)分壓器后通過衰減輸入到示波器測量,圖12 為輸入電壓波形。

        圖11 基于CVT的暫態(tài)過電壓光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)沖擊試驗

        圖12 輸入雷電沖擊電壓波形

        信號處理與監(jiān)測分析主機(jī)通過光纜在遠(yuǎn)端監(jiān)測OVS 傳感的雷電沖擊電壓信號,光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)獲得的雷電沖擊電壓波形如圖13所示。

        圖13 光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)獲得的雷電沖擊電壓波形

        同樣的試驗進(jìn)行多次,并對波形進(jìn)行參數(shù)提取,分析得到雷電沖擊電壓波形的關(guān)鍵參數(shù),具體數(shù)值見表4。

        表4 雷電沖擊電壓試驗結(jié)果

        分析結(jié)果表明:研制的基于CVT 的暫態(tài)過電壓光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)能滿足標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1351—2014 規(guī)定的暫態(tài)過電壓監(jiān)測對測量不確定度的要求。

        4 結(jié)語

        1)提出一種基于CVT的暫態(tài)過電壓光學(xué)監(jiān)測方法,通過在常規(guī)CVT 的中壓電容C2低壓端與接地端之間串入暫態(tài)監(jiān)測電容C3,再利用OVS 對電容C3兩端電壓的傳感,實現(xiàn)了對暫態(tài)過電壓監(jiān)測。

        2)建立具備暫態(tài)電壓監(jiān)測功能的CVT的高頻暫態(tài)電路模型,仿真分析CVT 電磁單元對暫態(tài)監(jiān)測電容C3兩端電壓的影響,并進(jìn)行相應(yīng)的實驗研究,仿真和實驗結(jié)果論證了利用電容C3監(jiān)測暫態(tài)電壓的可行性。

        3)研制基于Pockels 電光效應(yīng)原理的OVS 樣機(jī),設(shè)計了基于CVT 的暫態(tài)過電壓光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng),并進(jìn)行了雷電沖擊試驗,試驗結(jié)果表明監(jiān)測系統(tǒng)能滿足對暫態(tài)過電壓監(jiān)測的需求,進(jìn)一步論證了所提方案的有效性。

        本文提出的基于CVT的暫態(tài)過電壓光學(xué)監(jiān)測方案,充分利用了OVS無源傳感器的優(yōu)勢,實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)的一二次完全電氣隔離,有效解決了現(xiàn)有監(jiān)測方法易受現(xiàn)場惡劣電磁環(huán)境干擾的問題,為電網(wǎng)暫態(tài)過電壓在線監(jiān)測裝置提供了一種全新的設(shè)計思路。

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