羅易橋 毛宇翔 甘粲

（西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院）

變電站雷電侵入波過電壓測量技術(shù)綜述

羅易橋 毛宇翔 甘粲

（西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院）

現(xiàn)在的電力系統(tǒng)缺乏有關(guān)雷電波形的真實數(shù)據(jù)，其主要原因是因為現(xiàn)有的關(guān)于雷電侵入波過電壓的測量手段有一定局限性，無法切實反映電力設(shè)備一次側(cè)的雷電侵入波過電壓的波形。本文較為詳細(xì)地介紹了外接分壓器、套管末屏電容分壓、分布電容分壓、避雷器閥片分壓、全光學(xué)電壓傳感器電場反演、二次側(cè)測量波形函數(shù)反演以及地線電流反演電壓等測量技術(shù)，通過分析上述各類測量方式的優(yōu)缺點，對今后的研究方向與重難點技術(shù)攻克提出了自己的見解。

雷電侵入波；測量技術(shù)；雷電波形

0 引言

我國幅員遼闊，在全國的大部分地域都屬于雷電活動較為頻繁的區(qū)域，雷電放電所產(chǎn)生的雷電流高達(dá)幾十、甚至幾百千安，并將引起巨大的電磁效應(yīng)、機械效應(yīng)和熱效應(yīng)。由雷電過電壓侵入變電站后導(dǎo)致的電力設(shè)備發(fā)生絕緣故障的案例屢見不鮮，因此，通過一些測量手段來較為準(zhǔn)確地獲得故障前的過電壓波形，對于進(jìn)行故障分析起著相當(dāng)重要的作用。

國內(nèi)外的研究學(xué)者也由此開展了一系列的有關(guān)電力系統(tǒng)雷電侵入波過電壓測量技術(shù)方面的研究工作，本文將其大致分為直接測量類和反演類兩種，直接測量類主要包括：外接分壓器法[1-2]、套管末屏電容分壓法[3-4]、分布電容分壓法[5-6]、避雷器閥片分壓法[7]等，反演類主要是有：基于全光學(xué)傳感器的電場反演測量法[8-9]、二次側(cè)測量波形函數(shù)反演法[10-12]以及地線電流反演電壓法[13]，適用于不同變電站內(nèi)不同設(shè)備的過電壓測量技術(shù)。

本文主要分析了以上幾種變電站內(nèi)雷電侵入波過電壓測量的方法及其現(xiàn)階段研究進(jìn)展，通過分析其優(yōu)缺點，為今后研究此方面的技術(shù)提供了一定的參考基礎(chǔ)。

1 外接分壓器法

目前，我國較為常見的記錄變電站雷電侵入波過電壓的方法是外接分壓器的方法[1]，即采用電阻分壓或者電容分壓的原理采集過電壓信號。圖1是外接分壓器法的示意圖。

圖1 外接分壓器法過電壓測量方式示意圖

此方式對過電壓的波形記錄較為準(zhǔn)確，頻響特性也符合標(biāo)準(zhǔn)。但是，由于加裝的分壓器是在變電站母線或者出線處，且并聯(lián)在電網(wǎng)中，長期運行可能會造成過熱、阻抗匹配或是交流沖擊過大等問題，其可靠性不能滿足長期掛網(wǎng)穩(wěn)定運行的基本需求。

因此，該方法如若在變電站中運行，也僅僅適用于110kV及其以下的電壓等級的變電站中[2]。根據(jù)資料顯示，也可將可移動式外接分壓器用于輸變電設(shè)備的啟動調(diào)試中[1]。

2 套管末屏電容分壓法

套管用來把電流引入或引出變壓器金屬外殼的設(shè)備[3]，在電流互感器、變壓器以及穿墻的設(shè)計中都應(yīng)用了此設(shè)備，110kV及其以上的變電站內(nèi)常使用電容式套管[4]。本文以變壓器上的電容式套管末屏為主要研究對象，闡述基于套管末屏電容分壓法的基本思想。

利用油套管電容極板電容與末屏電容串聯(lián)分壓原理，在末屏處獲得分壓后的過電壓信號。構(gòu)成的電容分壓器的高壓臂為導(dǎo)體與油套管末屏之間的電容，低壓臂為外接標(biāo)準(zhǔn)電容器，使低壓臂電容器單元上的正常運行電壓不大于監(jiān)測設(shè)備正常運行的安全電壓，從而構(gòu)成電容分壓器。圖2是基于套管末屏電容分壓法的工作原理圖。

圖2 套管末屏電容分壓過電壓測量方式原理圖

末屏電容分壓法的優(yōu)點是利用電力系統(tǒng)已有的設(shè)備，不需停電安裝，經(jīng)濟效益高，主回路中僅包含電容器件，高頻響應(yīng)特性好，測試精度較高。但變電站內(nèi)的油套管末屏較少，存在監(jiān)測位置的局限性。變壓器油套管末屏分壓器存在著工頻電容電流補償電抗，即存在50Hz左右范圍內(nèi)的帶通濾波，不利于進(jìn)行過電壓的實時監(jiān)測。在測量原理中可以看到末屏不直接接地也帶來了一定安全隱患，安全性并不高。由目前的文獻(xiàn)資料看來，其只有110kV變電站內(nèi)測量的波形數(shù)據(jù)[4]，在此電壓等級以上均未出現(xiàn)成功測量的實例，僅在實驗室的平臺上有相關(guān)研究。據(jù)現(xiàn)在的研究進(jìn)展來看，末屏電容分壓法還能應(yīng)用于穿墻套管和電流互感器，但也存在著一定的應(yīng)用局限性。因此，該方式要應(yīng)用于更高電壓等級下的變電站的波形測量，還需要進(jìn)一步地研究開發(fā)。

3 分布電容分壓法

分布電容分壓法的基本思想是利用分布電容與取樣電容串聯(lián)分壓的原理設(shè)計而成的。由GIS內(nèi)部懸浮的金屬極板構(gòu)成的電容分壓器的高壓臂導(dǎo)體與懸浮極板之間的電容，低壓臂為外接電容器，形成電容分壓器[5--6]。

它的優(yōu)點是利用純電容測量回路的思想，暫態(tài)響應(yīng)特性好，且與一次設(shè)備無電氣連接，安全性較高。但存在著GIS內(nèi)部懸浮極板需要在GIS出廠時定制的問題，且安裝困難，需在變電站建設(shè)之前設(shè)計。且此方法因為是依靠GIS內(nèi)部懸浮的金屬極板，由此目前只能在GIS內(nèi)實現(xiàn)，適用范圍不廣，三相共體的電壓相互耦合問題降低了測試精度。圖3是基于分布電容分壓測量法的工作原理圖。

圖3 分布電容分壓過電壓測量方式原理圖

4 避雷器閥片分壓法

由于避雷器在各個電壓等級下的變電站中的進(jìn)出線、母線、變壓器各端口基本都有設(shè)置，對其進(jìn)行不改變原有功能特性的基礎(chǔ)改造的話，便于日后的推廣運用。避雷器閥片分壓法的基本思想是利用避雷器主體閥片與避雷器計數(shù)器閥片串聯(lián)分壓原理，在計數(shù)器閥片兩端獲取分壓后的過電壓信號[7]。圖4是基于避雷器閥片分壓法的測量原理圖。

圖4 避雷器閥片分壓過電壓測量方式原理圖

優(yōu)點是在確保分壓閥片與主閥片通流密度一致情況下，可保證避雷器閥片分壓比的線性度，測試精度高。同時ZnO避雷器閥片分壓過電壓測量只需在避雷器計數(shù)器端進(jìn)行改造，不額外增加一次設(shè)備，也不需要停電安裝，更不用在一次設(shè)備上進(jìn)行調(diào)試，在目前暫態(tài)過電壓監(jiān)測方法中具有操作性強，安全性高，低成本的優(yōu)勢。

5 全光學(xué)電壓傳感器電場反演式測量法

近段時間，有研究人員利用電容分壓裝置，從高壓母線獲得一個較低的電壓信號加于光學(xué)電壓傳感器。該方式采用光學(xué)電壓傳感器代替了傳統(tǒng)CVT的二次電磁分壓單元，利用光學(xué)電壓傳感器響應(yīng)快、頻帶寬的特點，避免了二次電磁分壓單元頻響特性不佳對整個過電壓測量裝置性能的影響，實現(xiàn)了一次設(shè)備和二次設(shè)備隔離[8]。但是其存在不太穩(wěn)定的缺點，且仍然受前端電容分壓器對過電壓測量的局限。圖5是基于全光學(xué)電壓傳感器的原理圖。

圖5 全光學(xué)電壓傳感器原理圖

通過測量架空線及臨近設(shè)備周圍的電場的方法，根據(jù)所測工頻電場與高頻電場的相對值來反映架空連接線等部位的過電壓倍數(shù)，根據(jù)所測電場的頻率來反映傳感器所在位置(套管出線、架空連接線)等部位過電壓頻率[9]。圖6是基于全光學(xué)傳感器的電場反演式過電壓測量方式原理圖。通過研制球形電場傳感器，經(jīng)實驗驗證，該方案能夠達(dá)到25MHz的帶寬，但是金屬的球形傳感器會對空間電場有所畸變，空間電場易受外界干擾，測量準(zhǔn)確度不高，同時該方式造價貴，安裝繁雜，還需進(jìn)一步優(yōu)化才可能推廣應(yīng)用。

6 二次側(cè)測量波形函數(shù)反演法

目前，電磁式電壓互感器PT被廣泛應(yīng)用于6kV及其以上的變電站中，利用變電站內(nèi)原有的設(shè)備PT進(jìn)行波形的測量是比較方便快捷的一種方式。但是PT的頻響特性并不好，對于高頻次的過電壓經(jīng)過電磁單元在二次側(cè)進(jìn)行測量時，往往得到的波形會發(fā)生一定程度的畸變，這使得在二次側(cè)測量得到的波形不能直接用于分析過電壓產(chǎn)生的機理。為了修正由于電磁單元的存在而出現(xiàn)的波形畸變，學(xué)者們提出了時域遞歸卷積思想來反演波形的方法[10-11]。

此方法主要是建立了變電站侵入波過電壓測量系統(tǒng)的反演模型，由電磁式電壓互感器TV的二次側(cè)測量得到的電壓信號u2(t)，經(jīng)過二次分壓后采集得到的電壓信號u4(t)，以時域遞歸卷積的思想結(jié)合頻譜網(wǎng)絡(luò)分析儀測量整個測量系統(tǒng)的二端口散射參數(shù)，推導(dǎo)相應(yīng)的數(shù)值計算函數(shù)h(t)，得到一次側(cè)的過電壓信號u1(t)。如圖7所示是整個反演思想的原理示意圖。

圖6 基于全光學(xué)傳感器的電場反演式過電壓測量方式原理圖

圖7 基于二次側(cè)測量波形函數(shù)反演過電壓測量方式原理圖

該原理被證明也可以用于電容式電壓互感器CVT所建立的線性模型中，二次側(cè)測量得到的波形反演。據(jù)文獻(xiàn)資料顯示，該方法對雷電過電壓的計算結(jié)果仍存在一定的數(shù)值振蕩，結(jié)合PT或者CVT的等效電路模型進(jìn)行一定的仿真計算和理論推導(dǎo)，用LOWESS法可以有效地處理數(shù)值振蕩的問題[12]。但是當(dāng)前的研究僅限于把PT、CVT考慮成線性模型來處理，如何進(jìn)一步地研究實際工況下，在考慮了鐵心飽和的情況以后，對CVT寬頻非線性模型的建立，是今后的研究重點及難點，由此可以反演出更接近于實際的一次側(cè)真實波形。

7 地線電流反演電壓法

地線電流反演電壓法主要是以容性設(shè)備的泄漏電流為主要研究對象來提出的，基本思想是利用兩個磁導(dǎo)率不同的線圈來獲得泄漏電流的中頻率（30Hz～3kHz、3kHz～1MHz）電流成分，通過積分濾波將兩種電流信號求和，以此來達(dá)到反演為一次側(cè)電壓的目的[13]。

以電流作為主要反演對象的類似方法還有將前文中提到的套管末屏，用末屏的抽頭電流進(jìn)行反演[14]，由相應(yīng)的測量方法測得電容式套管末屏的抽頭電流，也是通過積分濾波的方法求得待測電壓，此方法只在110kV及以下的設(shè)備上進(jìn)行過測試試驗。與套管末屏電容分壓法比較，有著相似的不足之處，需要在末屏的接線處進(jìn)行一定的改造，安全性不高。另外，利用母線CVT響應(yīng)電流來實施在線監(jiān)測侵入波過電壓[18]，也是一個較為創(chuàng)新的研究方向。

8 結(jié)束語

綜合現(xiàn)在已有的變電站雷電侵入波測量技術(shù)的研究來看，以下兩個問題是亟需攻克的重難點：測量方式的安全性以及測量方式的頻響特性。

關(guān)于測量方式的安全性方面，至少不可以影響到原設(shè)備的基本性能和掛網(wǎng)運行的可靠性，也就是不能存在潛在的安全隱患。另外，還應(yīng)該盡可能地保證不會引起原系統(tǒng)新產(chǎn)生出諧振過電壓，增強與原設(shè)備間的絕緣配合也是需要注意的。

由于雷電波的高頻段主要在300kHz以上，對于測量方式的頻響特性來說有極大的考驗，如何通過安全性得到保障的前提下，盡量地提升測量方式的頻響特性，獲取畸變程度較小的一次側(cè)波形是技術(shù)難點。

對于今后測量方式的研究提出以下的看法，利用變電站內(nèi)原有的設(shè)備進(jìn)行測量依然是測量技術(shù)中的首選，但是CVT的暫態(tài)性能不足以支撐它測量高頻段的雷電波形，因此研究提升CVT的高頻暫態(tài)特性，進(jìn)一步降低其測量波形的畸變程度是很重要的一點。此外，對于一次設(shè)備改動較小、實施比較簡單的方法應(yīng)大力推行，在設(shè)備的暫態(tài)性能無法短時間內(nèi)得到飛躍的提升的情況下，此類辦法仍然是測量技術(shù)的重心。在此基礎(chǔ)上，也可以把深入研究的眼光放在“非接觸式”的測量方式上，與“改裝式”相比來說，其運行安全可靠，與一次設(shè)備沒有直接的聯(lián)系。對于已有的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演的計算方法也需要引起重視，通過開發(fā)有效的算法，對測量得到的電流、電場以及電壓信號進(jìn)行一定的反演計算，能夠真實有效地得到下一步研究需要的一次側(cè)電壓數(shù)據(jù)，也是一個很好的解決辦法。

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2017-08-03）