谷紅霞

摘要：氣體絕緣變電站日益廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，在變電站中由于開(kāi)關(guān)合分閘操作引起的快速暫態(tài)過(guò)電壓（VFTO）給氣體絕緣變電站帶來(lái)的絕緣故障率問(wèn)題呈上升趨勢(shì)。本文的主要目的是研究GIS變電站開(kāi)關(guān)合分閘過(guò)程中產(chǎn)生的VFTO，根據(jù)VFTO陡波產(chǎn)生過(guò)程，建模分析以及VFTO波形分析，進(jìn)行基于電場(chǎng)傳感器的VFTO測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案研究。通過(guò)電場(chǎng)傳感器中電壓和電場(chǎng)的固定關(guān)系利用編程方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ)，最終確定采用電場(chǎng)傳感器對(duì)VFTO進(jìn)行檢測(cè)測(cè)量研究。

Abstract： Gas insulated substations are increasingly used in power systems. The problem of insulation failure rate brought by very fast transient over-voltage （VFTO） caused by switching and opening and closing operations in substations is increasing. The main purpose of this paper is to study the VFTO generated during the switching and closing process of GIS substation. According to the VFTO steep wave generation process， modeling analysis and VFTO waveform analysis， the design scheme of VFTO measurement system based on electric field sensor is studied. The data is analyzed and stored by the programming mode through the fixed relationship between the voltage and the electric field in the electric field sensor. Finally， the electric field sensor is used to detect and measure the VFTO.

關(guān)鍵詞：電場(chǎng)傳感器;VFTO;測(cè)量方法

Key words： electric field sensor;VFTO;measurement method

中圖分類號(hào)：TM933.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）16-0182-03

0? 引言

氣體絕緣變電站（Gas Insulated Substation，簡(jiǎn)稱GIS）是由被密封在充滿SF6氣體的接地金屬氣體管道中的隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、母線、避雷器、電流互感器等高壓電器組合而成的高壓配電裝置[1]。當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)與該裝置中的母線斷開(kāi)或者閉合時(shí)，由于斷開(kāi)閉合的過(guò)程中閘片觸頭運(yùn)動(dòng)速度較慢，同時(shí)開(kāi)關(guān)的滅弧性能較差，故在此過(guò)程中觸頭會(huì)多次發(fā)生重燃，引起快速暫態(tài)過(guò)電壓。VFTO己經(jīng)成為使變電站中設(shè)備產(chǎn)生故障的主要原因之一。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于VFTO的測(cè)量方法有采用套管傳感器測(cè)量;微分積分測(cè)量法，采用內(nèi)置探頭結(jié)構(gòu)測(cè)量，寬帶預(yù)埋環(huán)測(cè)量等方法。這些方法在不同的適用情況下均取得了一定的測(cè)量效果，但由于受到外界影響較大，效率較低和適用范圍有限等缺點(diǎn)，本文針對(duì)針對(duì)500kV GIS/HGIS變電站的開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的ns級(jí)快速暫態(tài)過(guò)電壓（VFTO）測(cè)量技術(shù)的研究提出一種基于電場(chǎng)傳感器的VFTO測(cè)量方法

1? 基于電場(chǎng)傳感器的無(wú)接觸VFTO測(cè)量法

快速暫態(tài)過(guò)電壓VFTO的實(shí)際測(cè)量技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外十分關(guān)注的研究，從1980年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外關(guān)于VFTO測(cè)量法不斷創(chuàng)新，提出多種具有實(shí)際效果的測(cè)量方法，比如：內(nèi)置探頭法、預(yù)埋電極法、微積分方法、套管末屏法等方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得，在這四種較為經(jīng)典的方法中，套管末屏法比較適用于測(cè)量振蕩頻率較低的GIS外部過(guò)電壓，其測(cè)量頻帶較低。地電容等客觀因素的存在會(huì)對(duì)微積分方法測(cè)量造成影響，使其頻帶裕度有限。在測(cè)量頻帶很有限方面，預(yù)埋電極法與與微積分方法一致，此外受到高低壓臂電容連接引線引入電感的影響，再加上該方法需要在盆式絕緣子中預(yù)置預(yù)埋環(huán)電極，極容易造成高頻振蕩問(wèn)題。在電壓過(guò)高的情況下，通過(guò)分壓，直接從線路上連線進(jìn)行信號(hào)的測(cè)量不容易實(shí)現(xiàn)。鑒于現(xiàn)有的高壓測(cè)量技術(shù)方面有著較高的要求，且在高壓情況下較難實(shí)現(xiàn)，在這種形勢(shì)下，再加上鏈接的系統(tǒng)本身存在負(fù)載，可能對(duì)高壓造成極短時(shí)間抑制，影響最終的采樣結(jié)果精準(zhǔn)度。對(duì)于VFTO來(lái)說(shuō)，最好采用無(wú)接觸的方式進(jìn)行檢測(cè)。現(xiàn)有具有能在低壓和電壓輸電線路附近測(cè)量電場(chǎng)的傳感器。利用這樣的傳感器可以對(duì)因分閘而產(chǎn)生的VFTO進(jìn)行測(cè)量。將電場(chǎng)傳感器放在被測(cè)線路旁，保持與線路的相對(duì)位置固定不變。在電路工作于穩(wěn)定的情況下，對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。所測(cè)量到的電場(chǎng)的強(qiáng)度與線路上的電壓有關(guān)，并與線路中的電壓成線性關(guān)系。當(dāng)輸電線路中的電壓變化時(shí)可以觀測(cè)到電場(chǎng)的變化，并由此通過(guò)已知電壓和測(cè)得電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)傳感器進(jìn)行定標(biāo)，再進(jìn)行VFTO的測(cè)量。在電路穩(wěn)定的情況下，測(cè)到了一個(gè)穩(wěn)定的電場(chǎng)。當(dāng)分閘時(shí)，電場(chǎng)發(fā)生變化，將電場(chǎng)變化曲線進(jìn)行記錄。根據(jù)電場(chǎng)的變化規(guī)律就可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析獲得線路內(nèi)部電壓的變化情況。對(duì)于現(xiàn)有的高壓測(cè)量手段也提出極高的要求，且在高壓情況下不僅實(shí)現(xiàn)測(cè)量的難度很大，其最終的采樣結(jié)果也可能存在較大誤差。

對(duì)于VFTO來(lái)說(shuō)，最好采用無(wú)接觸的方式進(jìn)行檢測(cè)。在其線路的附近無(wú)論是低噪聲穩(wěn)定的直流或交流電路，其電場(chǎng)是穩(wěn)定的。由于開(kāi)關(guān)分合閘會(huì)影響電路，電場(chǎng)也必然會(huì)因此受到擾動(dòng)。有研究表明，電場(chǎng)擾動(dòng)會(huì)隨著電路內(nèi)部擾動(dòng)的增強(qiáng)而逐漸變強(qiáng)。由此可知，既然穩(wěn)定電場(chǎng)可被測(cè)量，那么由于擾動(dòng)引起的變化也能夠被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。也就是說(shuō)，無(wú)接觸的測(cè)量VFTO是可行的，通過(guò)測(cè)量電場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)。

2? VFTO測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)圖，使用傳感器對(duì)高壓脈沖信號(hào)進(jìn)行采集，為采集ns級(jí)高速放電信號(hào)，選用高端ADC板卡進(jìn)行采集，然而由于諸多客觀原因的限制，只有將系統(tǒng)小型化才能更便于實(shí)現(xiàn)和操作，為此，系統(tǒng)依據(jù)實(shí)際情況，集成整個(gè)裝置，設(shè)計(jì)小型化VFTO測(cè)量系統(tǒng)。并通過(guò)高精度ADC板卡對(duì)數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)過(guò)分析和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)方案。

同時(shí)合理布置傳感器點(diǎn)陣，以在GIS的不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)在不同負(fù)載的情況下對(duì)在相同的節(jié)點(diǎn)測(cè)試VFTO，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析。結(jié)合模型合理布置傳感器，力爭(zhēng)用最少的傳感器實(shí)現(xiàn)GIS的VFTO監(jiān)護(hù)。整個(gè)過(guò)程需要采集大量數(shù)據(jù)以做深入分析和一般性的規(guī)律總結(jié)。分析電壓和電場(chǎng)的關(guān)系，當(dāng)電路分閘時(shí)，電場(chǎng)傳感器可測(cè)量出電場(chǎng)的變化情況及線路內(nèi)部電壓的變化情況，實(shí)現(xiàn)VFTO的測(cè)量。圖1表示VFTO測(cè)量的系統(tǒng)架構(gòu)。

3? 基于VFTO實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)

3.1 電場(chǎng)的傳感器

該傳感器主要采用中科電場(chǎng)傳感器，在同一平面內(nèi)，電場(chǎng)傳感器內(nèi)部由兩個(gè)部分組成，分別是感應(yīng)電極和驅(qū)動(dòng)電極，正是由于這兩者的存在，產(chǎn)生的邊緣電場(chǎng)穿過(guò)被測(cè)物，有利于VFTO特性檢測(cè)。對(duì)于一個(gè)電容單元，其電容的大小可表示為：

3.2 固定傳感器位置，改變電壓等級(jí)

為測(cè)試VFTO測(cè)量系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境搭建了一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖5所示，實(shí)驗(yàn)采用脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正常工頻信號(hào)，使用小型高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)，使用中科電場(chǎng)傳感器測(cè)量，用NI USB 6522采集板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后傳輸給上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)LabVIEW程序VFTO測(cè)量系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)處理部分采用NI LabVIEW進(jìn)行編程，將采集到的電壓波形數(shù)據(jù)觀察并分析，即可完成VFTO測(cè)量的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)。

電場(chǎng)傳感器實(shí)際測(cè)試裝置如圖6所示。傳感器位于平行板的內(nèi)部，兩極板進(jìn)行加壓實(shí)驗(yàn)，通過(guò)上位機(jī)讀出中科電場(chǎng)傳感器的輸出數(shù)據(jù)，并記錄于表1所示。平行板的面積為0.47平方米的正方形，極板間的距離為70cm左右。傳感器位于極板中心位置。

3.3 固定電壓等級(jí)，改變傳感器位置

電場(chǎng)傳感器實(shí)際測(cè)試裝置如圖7所示。通過(guò)固定10kV、20kV、35kV電壓等級(jí)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在表2中。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，傳感器輸出的為峰值電壓信號(hào)，并與場(chǎng)強(qiáng)成正比。

通過(guò)固定10kV、20kV、35kV電壓等級(jí)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在表2中。根據(jù)表2，傳感器輸出的為峰值電壓信號(hào)，并與場(chǎng)強(qiáng)成正比，可以看出以下特征：①距離高壓越近、場(chǎng)強(qiáng)越大;②相同的距離電壓越高，場(chǎng)強(qiáng)越大;③同一電壓等級(jí)在不同的距離時(shí)，參數(shù)的場(chǎng)強(qiáng)可能相等;④同一高壓源下，隨著距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度在遞減，可以認(rèn)為線性關(guān)系或者雙曲線的第一上限的部分。

用電場(chǎng)傳感器測(cè)量電壓方法的關(guān)鍵在于在電壓和電場(chǎng)間存在確定的關(guān)系。通過(guò)上述分析我們發(fā)現(xiàn)，電路上電壓與周圍固定點(diǎn)電場(chǎng)的確定關(guān)系是存在的。因此，利用電場(chǎng)傳感器進(jìn)因分閘而在線路內(nèi)部引起的VFTO的測(cè)量是有理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)的。

4? 結(jié)論

根據(jù)VFTO陡波產(chǎn)生過(guò)程，建模分析以及VFTO波形分析研究，進(jìn)行總體的基于電場(chǎng)傳感器的VFTO測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案研究;依據(jù)傳感器中電壓和電場(chǎng)的固定關(guān)系，選用電場(chǎng)傳感器檢測(cè)測(cè)量研究VFTO。利用電場(chǎng)傳感器、數(shù)據(jù)采集板卡以及利用編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ)功能，建立了完整的VFTO測(cè)量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用上位機(jī)可編程功能開(kāi)發(fā)VFTO信號(hào)采集軟軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)VFTO進(jìn)行數(shù)學(xué)關(guān)系的分析，為快速暫態(tài)過(guò)電壓（VFTO）深入研究的技術(shù)方案奠定基礎(chǔ)。

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