3

(1.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400044；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；3.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；4.國(guó)網(wǎng)攀枝花供電公司，四川 攀枝花 617000)

0 引 言

電力系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)表明，電網(wǎng)過(guò)電壓是引發(fā)設(shè)備事故的重要原因之一，而已知的過(guò)電壓種類多樣，有波前時(shí)間為納秒級(jí)的快速暫態(tài)過(guò)電壓(very fast transient overvoltage,VFTO)、納秒級(jí)的雷電過(guò)電壓、數(shù)百納秒級(jí)的操作過(guò)電壓和毫秒級(jí)的工頻過(guò)電壓[1-2]。隨著電網(wǎng)的迅速建設(shè)和發(fā)展，雖然已經(jīng)有大量的設(shè)備用于過(guò)電壓的監(jiān)測(cè)與防護(hù)，但過(guò)電壓現(xiàn)象依然時(shí)常發(fā)生。為了電網(wǎng)的安穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)過(guò)電壓的監(jiān)測(cè)和分析具有十分重要的意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)過(guò)電壓的監(jiān)測(cè)展開(kāi)了許多研究工作，其中最傳統(tǒng)的測(cè)量方法是基于分壓器的過(guò)電壓監(jiān)測(cè)。該方法按照分壓器類型分為電阻式、電容式、阻容式等[3-5]，然而分壓器屬于離線設(shè)備，往往難以在運(yùn)行中應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]中又提出基于套管末屏的過(guò)電壓測(cè)量方法，但不接地的測(cè)量方式又會(huì)帶來(lái)許多安全隱患。部分學(xué)者提出了基于新型傳感器的過(guò)電壓監(jiān)測(cè)方案，如利用光纖電壓傳感器[7-12]。但這種測(cè)量方式因?yàn)槠錅y(cè)量的特殊性，極易受到外界環(huán)境和機(jī)械條件的影響，多數(shù)仍處于調(diào)試階段。除此之外，還有應(yīng)用非接觸式電容電壓互感器的過(guò)電壓測(cè)量方法，相比而言，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)便于應(yīng)用，因此在實(shí)際的過(guò)電壓檢測(cè)中逐步得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[13]中提出一種非接觸式傳感器用以測(cè)量高壓架空輸電線路的過(guò)電壓。該方法主要利用傳感器與輸電線路之間存在的雜散電容與傳感器分壓電容構(gòu)成電容分壓器，替代傳統(tǒng)方式獲取架空輸電線路的電壓波形。但此方法中的雜散電容易受環(huán)境影響而變化，因此測(cè)量精度一般。

基于上述研究現(xiàn)狀和應(yīng)用需求，下面從基于空間耦合電容分壓的過(guò)電壓測(cè)量方法出發(fā)，運(yùn)用電路設(shè)計(jì)及傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化拓寬其測(cè)量頻帶，并在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)其雷電沖擊特性進(jìn)行了試驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)一種新型的測(cè)量裝置。

1 電場(chǎng)測(cè)量方法

1.1 基本原理

所研究的暫態(tài)電場(chǎng)測(cè)量裝置實(shí)際是通過(guò)一平行電極板放置在空間電場(chǎng)中獲得感應(yīng)電壓信號(hào)，從而精確測(cè)量電場(chǎng)，進(jìn)行電壓的監(jiān)測(cè)。其測(cè)量原理如下。

如圖1電場(chǎng)測(cè)量示意圖所示，將一平行板電容器放置在電場(chǎng)強(qiáng)度e(t)=Emsinωt的正弦電場(chǎng)中，其兩板之間的感應(yīng)電流ic為

(1)

式中：ε0為真空介電常數(shù)，F(xiàn)/m；A為極板表面積，m2；Em為電場(chǎng)強(qiáng)度幅值，V/m。

取平行板之間放置的外部測(cè)量電容器的電容值為CB，則該電容器在電場(chǎng)E的影響下，其電勢(shì)的大小為

(2)

將式(1)代入式(2)則有

圖1 電場(chǎng)測(cè)量

(3)

根據(jù)式(3)設(shè)轉(zhuǎn)換系數(shù)kE，令

(4)

代入式(3)可得

uc(t)=kE·e(t)

(5)

已知在2個(gè)導(dǎo)體之間產(chǎn)生的電場(chǎng)e(t)取決于電勢(shì)差u(t)的大小。在2個(gè)電極是平行板且間隔距離d的特定情況下，令幾何常數(shù)kG為1/d。它們之間的關(guān)系可表示為

E(t)=kG·u(t)

(6)

結(jié)合式(5)和式(6)，可得到

uc(t)=kE·kG·u(t)

(7)

考慮到電場(chǎng)傳感器與測(cè)量設(shè)備之間會(huì)存在一定的電壓增益GV以適應(yīng)采集的要求，測(cè)量設(shè)備最終獲取的電壓uc0(t)=GV·uc(t)。最終計(jì)算得到平行板兩端施加的電壓u(t)為

(8)

因此即可通過(guò)測(cè)量電容感應(yīng)得到的電壓準(zhǔn)確反映出電場(chǎng)變化情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)電壓的在線監(jiān)測(cè)。同時(shí)，因?yàn)殡妶?chǎng)變化是基于工頻電壓的基礎(chǔ)上，所以無(wú)需得知常數(shù)GV、kE、kG就足以驗(yàn)證電壓波形變化的情況。但若要得到準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)值，考慮到現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜電場(chǎng)情況，必須首先進(jìn)行工頻電壓試驗(yàn)進(jìn)行校準(zhǔn)以確定變比常數(shù)。

1.2 電路設(shè)計(jì)

測(cè)量示意圖如圖2所示，B1、B2為金屬極板，將電壓加在兩金屬極板上后可產(chǎn)生如圖1所示的電場(chǎng)；C2為測(cè)量設(shè)備電容；R2為測(cè)量設(shè)備輸入電阻；C1、R1和C3、R3分別為測(cè)量裝置上下兩端和B1、B2之間空氣間隙形成的電容和電阻。如果直接使用示波器測(cè)量C2端電壓，此時(shí)R2的阻值為兆歐級(jí)，而空氣間隙形成的R1、R3可達(dá)吉?dú)W級(jí)甚至更大，為了做到阻抗匹配，不得不增大設(shè)備的輸入電阻R2以匹配R1、R3。

圖2 直接測(cè)量

在采集設(shè)備輸入端并聯(lián)電容C24，可有效改善跟隨器在50 Hz～5 MHz范圍變化時(shí)的輸出響應(yīng)特性。如圖3所示，在輸入幅值為8.2 V的正弦波電壓時(shí)，隨著頻率的升高，跟隨器輸出電壓在C24取不同的電容值時(shí)而有所不同。在選擇適當(dāng)?shù)碾娙葜禃r(shí)，跟隨器輸出的幅頻特性會(huì)得到改善，減小信號(hào)失真，保持一致的輸入輸出比。

圖3 C24取不同電容值時(shí)的頻率響應(yīng)

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)前述理論，測(cè)量裝置的傳感器部分設(shè)計(jì)為兩塊平行金屬板所構(gòu)成的電容?？紤]到測(cè)量時(shí)外界電磁干擾問(wèn)題以及使用的便利性，因此將該測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成圓筒形結(jié)構(gòu)，如圖4所示，其中頂蓋(不銹鋼材質(zhì))作為平行金屬板電容的上級(jí)，圓筒(不銹鋼材質(zhì))和底座(不銹鋼材質(zhì))的組合作為平行金屬板電容的下級(jí)，在頂蓋和圓筒之間添加環(huán)氧樹(shù)脂材質(zhì)的絕緣介質(zhì)。另外，測(cè)量電路板固定在筒中連接柱處，以達(dá)到屏蔽外部電磁干擾的作用。

圖4 裝置成品

2 測(cè)量裝置試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 工頻電壓試驗(yàn)

首先，對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行工頻高壓試驗(yàn)，以檢驗(yàn)測(cè)量裝置在工頻條件下的運(yùn)行情況，同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)電場(chǎng)分布的復(fù)雜情況，工頻試驗(yàn)可以更好地獲取裝置的測(cè)量變比。

工頻電壓測(cè)量原理圖如圖5所示。圖中左側(cè)框中所示為工頻高壓發(fā)生器，試驗(yàn)變壓器可輸出工頻高壓u1。隨即在施加電壓u1的兩金屬極板B1、B2間就會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的工頻電場(chǎng)。測(cè)試裝置C2同樣置于B1、B2之間，會(huì)在電場(chǎng)中感應(yīng)出電壓u2。通過(guò)測(cè)量u2的大小，即可以反推出u1的大小。

圖5 工頻電壓試驗(yàn)電路

工頻試驗(yàn)的其中一組測(cè)量結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，工頻試驗(yàn)結(jié)果較為理想，可準(zhǔn)確反映跟隨電壓變化情況。對(duì)圖6數(shù)據(jù)進(jìn)一步做歸一化處理，得到的結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩波形歸一化結(jié)果十分吻合，測(cè)量裝置的工頻跟隨特性良好。

隨后進(jìn)行了多組試驗(yàn)，計(jì)算其變比結(jié)果，其變化趨勢(shì)如圖8所示，變比基本維持在5500左右。

圖6 工頻試驗(yàn)結(jié)果

圖7 歸一化處理結(jié)果

圖8 工頻試驗(yàn)變比變化情況

2.2 沖擊電壓實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行了沖擊電壓試驗(yàn)。

圖9 沖擊電壓測(cè)量原理

整體測(cè)量系統(tǒng)如圖9所示，左側(cè)虛線框中為沖擊電壓發(fā)生器等效電路圖，電容C4在初始時(shí)刻即存在電壓u4，發(fā)生器工作時(shí)，C4上的電荷通過(guò)球隙g1放電，在電容C2上產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓u5，然后將該電壓通過(guò)導(dǎo)線引到右側(cè)虛線框所示的B1、B2所構(gòu)成的金屬極板上。此時(shí)，即在B1、B2之間產(chǎn)生跟隨C2電壓變化的電場(chǎng)。與工頻試驗(yàn)同理，在獲得該設(shè)備的測(cè)量變比之后，即可通過(guò)測(cè)量u2的電壓，計(jì)算出u5的電壓，達(dá)到測(cè)量的目的。

由此可見(jiàn)，在過(guò)電壓的測(cè)量中，該方法可以無(wú)需與高壓側(cè)有任何電氣接觸而獲得被測(cè)端的電壓，具有安全可靠的性能。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

選取一組沖擊電壓下的測(cè)量結(jié)果如圖10所示，圖中較深部分為高壓探頭輸出原始電壓波形(單位為kV)，較淺部分為測(cè)量裝置輸出的感應(yīng)電壓波形(單位為V)。原沖擊電壓發(fā)生器輸出的電壓波形波前時(shí)間為1.2 μs，半峰值時(shí)間等于50 μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊全波。歸一化后的結(jié)果如圖11所示，從圖中可看出兩組電壓波形變化趨勢(shì)基本一致，可見(jiàn)測(cè)量結(jié)果理想，感應(yīng)電壓的輸出能夠跟隨沖擊電壓的波形。

圖10 沖擊電壓測(cè)量結(jié)果

圖11 歸一化結(jié)果

在相同條件下進(jìn)行了多組沖擊電壓試驗(yàn)，最終從各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出的變比值情況可以看出，隨沖擊電壓的提升，計(jì)算變比略有變化，但基本維持在5500左右，整體誤差不超過(guò)5%，同時(shí)與工頻試驗(yàn)結(jié)果相同。結(jié)合上述分析可知，在沖擊電壓試驗(yàn)中，所設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置能夠滿足很好的測(cè)量精度，且靈敏度也非常理想。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)空間耦合電容分壓的過(guò)電壓測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了一種新的測(cè)量裝置,并對(duì)電場(chǎng)測(cè)量原理、信號(hào)獲取電路和外部結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了論述，結(jié)合試驗(yàn)分析，得到了以下基本結(jié)論：

1)該測(cè)量裝置與傳統(tǒng)過(guò)電壓測(cè)量設(shè)備相比，其與高壓側(cè)不含任何電氣接觸，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的安全性。

2)裝置測(cè)量精度較高，應(yīng)用在工頻電壓獲取的測(cè)量變比，整體測(cè)量誤差不超過(guò)5%，能夠有效地反映監(jiān)測(cè)電壓變化情況，且跟隨性良好。

3)頻率響應(yīng)在5 Hz～5 MHz較為平坦，測(cè)量頻帶較寬，可以滿足工頻電壓到高頻率的雷電沖擊電壓的測(cè)量。理論上可適用于電力系統(tǒng)各電壓等級(jí)的過(guò)電壓測(cè)量。