35kV變電站過電壓在線監(jiān)測(cè)及波形分析

陳 鑫 楊海龍 李荷薇 劉雨晴 張 洛

（西華大學(xué)電氣信息學(xué)院電力系統(tǒng)研究室，成都 610039）

35kV變電站過電壓在線監(jiān)測(cè)及波形分析

陳 鑫 楊海龍 李荷薇 劉雨晴 張 洛

（西華大學(xué)電氣信息學(xué)院電力系統(tǒng)研究室，成都 610039）

針對(duì)現(xiàn)有變電站內(nèi)故障錄波儀采樣頻率低、不足以記錄高頻暫態(tài)過電壓信號(hào)的問題，設(shè)計(jì)了具有高速采樣頻率的過電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)為解決采樣頻率與存儲(chǔ)深度的矛盾，采用變頻采樣頻率的方式分別對(duì)工頻電壓信號(hào)和高頻過電壓信號(hào)進(jìn)行采樣。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行在多個(gè)變電站內(nèi)，采集記錄到了多條過電壓數(shù)據(jù)，為站內(nèi)絕緣配合及過電壓的防護(hù)提供一定的依據(jù)和參考，同時(shí)為過電壓故障原因的分析提供了有效的數(shù)據(jù)。

過電壓；在線監(jiān)測(cè)；波形分析

實(shí)際運(yùn)行表明，電力系統(tǒng)事故主要由電氣設(shè)備絕緣損壞造成，而過電壓正是絕緣損壞的主因[1-3]。準(zhǔn)確掌握運(yùn)行中電力系統(tǒng)出現(xiàn)的過電壓數(shù)據(jù)，能夠?yàn)榻^緣的配合和過電壓防護(hù)措施的采取提供可靠的依據(jù)，同時(shí)能為故障原因的分析提供有效數(shù)據(jù)。因此，對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行過電壓的監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

現(xiàn)有的電壓監(jiān)測(cè)依靠變電站內(nèi)的故障錄波儀完成，由于變電站內(nèi)故障錄波儀的采樣頻率較低[4-5]，用于工頻電壓信號(hào)的監(jiān)測(cè)，但不能采集到頻率高達(dá)上兆赫茲的雷電過電壓和操作過電壓信號(hào)[6]。因此，為了監(jiān)測(cè)頻率較高的暫態(tài)過電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)了具有高速采樣頻率的過電壓監(jiān)測(cè)儀，以實(shí)現(xiàn)高頻暫態(tài)過電壓的采集；通過變頻采集解決暫時(shí)過電壓在高速采樣頻率下存儲(chǔ)深度的矛盾。該過電壓監(jiān)測(cè)儀布置于多個(gè)變電站內(nèi)，建成了過電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行并采集到了多組過電壓數(shù)據(jù)，對(duì)于站內(nèi)絕緣配合具有指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)組成

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由分壓單元、采集單元、工控機(jī)和后臺(tái)監(jiān)控中心幾部分組成，采用模塊化的設(shè)計(jì)，如圖1所示?；竟ぷ髟頌椋哼^電壓信號(hào)經(jīng)過高壓引線接入分壓單元，將高電壓變換成采集單元能夠接受的低電壓，隔離衰減電路進(jìn)行二次分壓、信號(hào)調(diào)理，高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，工控機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)打包處理后存儲(chǔ)到硬盤，并通過電網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可實(shí)時(shí)接收來自監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的過電壓數(shù)據(jù)，并根據(jù)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

1.1 分壓單元

由于電磁式電壓互感器頻率響應(yīng)特性受限，其二次側(cè)不能良好地反映一次側(cè)的高頻暫態(tài)電壓信號(hào)[7-8]，因此，分壓單元采用如圖2所示的帶寬較高的阻尼式電容分壓器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 分壓器結(jié)構(gòu)圖

分壓器變比設(shè)計(jì)為 k=350，使得分壓器在工頻時(shí)輸出電壓為100/V，因分壓器并聯(lián)在監(jiān)控室外35kV母線上，而工控機(jī)采集卡位于監(jiān)控室內(nèi)，此間有較長距離，若分壓器輸出信號(hào)較低，則在傳輸過程中容易衰減和受到干擾，因而，設(shè)計(jì)分壓器輸出電壓為電壓互感器輸出電壓等級(jí)。

電容參數(shù)的設(shè)計(jì)可由分壓器容量及分壓器的分壓比設(shè)定。流過分壓器的電流只要由高壓臂電容容抗大小決定，選取流過分壓器的額定電流為毫安級(jí)別，高壓臂電容C1設(shè)計(jì)為200pF，那么流過分壓器的額定電流近似為 I=ωC1U=1.256mA。同時(shí)，分壓器的阻抗計(jì)算為千兆歐級(jí)別，滿足電壓測(cè)量輸入阻抗大的要求。低壓臂電容容值大小由分壓器的分壓比確定，由分壓比公式 k=(C1+C2)/C1=350，可計(jì)算低壓臂電容C2為0.07μF。高低壓臂電容采用介電性能穩(wěn)定度高的聚四氟乙烯電容器。其中R2為后端匹配電阻，阻值為同軸電纜的波阻抗值 50Ω，目的是抑制波的折反射。

為解決在雷電等陡波過電壓下因電感而發(fā)生的振蕩問題，在高壓臂中串入金屬陶瓷高壓阻尼電阻R1，其阻值可由兩個(gè)因素確定：首先根據(jù)RLC振蕩電路臨界電阻計(jì)算公式R=1.5計(jì)算[6]，由實(shí)測(cè)電感值約3μH計(jì)算得R1為183Ω；再者由于R1的串入，改變了分壓器的電壓上升時(shí)間，為減小誤差，要求電壓上升時(shí)間小于被測(cè)電壓波形波頭時(shí)間的1/10，取標(biāo)準(zhǔn)雷電波波頭時(shí)間1.2μs，要求電壓上升時(shí)間 C1R1＜120ns，由衰減振蕩臨界電阻阻值取200Ω，電壓上升時(shí)間為40ns，滿足要求。此外，考慮到流過分壓器的額定電流為毫安級(jí)，阻尼電阻的功率要求為1W。

1.2 采集單元

采集單元由隔離衰減電路和數(shù)據(jù)采集卡組成，主要功能是進(jìn)行二次分壓，使之調(diào)理在數(shù)據(jù)采集卡的輸入量程之內(nèi)，然后三路信號(hào)接入采集卡的三路采集通道，由采集卡完成AD轉(zhuǎn)換采樣，當(dāng)外部產(chǎn)生過電壓時(shí)，通過觸發(fā)電路的觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)采集卡的存儲(chǔ)記錄功能。

根據(jù)采樣定理，為了使采樣信號(hào)不至于發(fā)生頻率混疊，需要采樣頻率大于模擬信號(hào)最高頻率的兩倍，工程上一般取采樣頻率為最高頻率的5～10倍[9]。雷電過電壓的波頭陡度高，等效頻率可達(dá)幾百千赫茲～上兆赫茲[10]，為了采集到完整雷電過電壓，采集卡的最高采樣頻率選為10MHz。發(fā)生雷電過電壓時(shí)，過電壓行波的等效頻率很高，需要的采樣頻率也很高才能記錄過電壓的波形，但其波長時(shí)間較短，而要求記錄的數(shù)據(jù)除了雷電過電壓整個(gè)波形，還需其結(jié)束后的若干工頻周期的數(shù)據(jù)，以滿足數(shù)據(jù)分析的需要，若始終以此采樣頻率完成包括雷電過電壓之后的工頻電壓在內(nèi)的整個(gè)采樣過程，將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)緩存容量產(chǎn)生很大的挑戰(zhàn)，因此，采用變頻采樣技術(shù)，在雷電和內(nèi)部過電壓觸發(fā)采樣時(shí)采用較高的采樣頻率f1為10MHz，采樣時(shí)間T1大于最長過電壓波長時(shí)間，系統(tǒng)中設(shè)為 2ms，之后采用較低的采樣頻率f2為6400Hz（每工頻周波采樣128個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)），記錄時(shí)間為5s，這樣解決了采樣頻率和存儲(chǔ)空間之間的矛盾。

1.3 后臺(tái)監(jiān)測(cè)中心

監(jiān)測(cè)子站采集到的過電壓數(shù)據(jù)經(jīng)變電站工控機(jī)由電網(wǎng)內(nèi)部有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)起到數(shù)據(jù)的收發(fā)功能，以及過電壓數(shù)據(jù)的處理，包括波形的顯示、數(shù)據(jù)頻譜分析以及過電壓類型的識(shí)別等。

2 典型波形及數(shù)據(jù)分析

該系統(tǒng)自投入使用以來，監(jiān)測(cè)到大量有意義的過電壓數(shù)據(jù)，以下就四川某變電站 35kV側(cè)監(jiān)測(cè)到的典型過電壓波形和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 典型波形

該系統(tǒng)在四川某變電站投入使用以來，監(jiān)測(cè)到操作和諧振兩類典型過電壓，其中各圖中縱坐標(biāo)表示過電壓的倍數(shù)（基準(zhǔn)值為正常運(yùn)行時(shí)的工頻電壓峰值），橫坐標(biāo)為時(shí)間。

1）操作過電壓波形

圖3波形對(duì)應(yīng)2015年7月25日14點(diǎn)46分28秒發(fā)生的一次操作過電壓，三相均因操作而發(fā)生振蕩，其中A相和B相均產(chǎn)生過電壓，分別為1.6倍和1.49倍。由于發(fā)生操作時(shí)，B相工頻電壓處于零值附近，因而未產(chǎn)生過電壓。

圖3 操作過電壓波形

2）諧振過電壓波形

監(jiān)測(cè)到的諧振過電壓波形如圖4所示，主要有帶暫態(tài)沖擊的諧振過電壓和無暫態(tài)沖擊的諧振過電壓兩種。帶暫態(tài)沖擊的諧振過電壓，相電壓和線電壓幅值最大可達(dá)到正常工作時(shí)的2.03倍，其暫態(tài)沖擊的振蕩時(shí)間在 3～5個(gè)工頻周期，如圖 4（b）所示。無論有無暫態(tài)沖擊，整個(gè)諧振時(shí)間持續(xù)可達(dá)1s。通過頻譜分析得知，低頻諧振分量主要集中在10Hz，也就是該諧振近乎為1/5分頻諧振。

圖4 諧振過電壓波形

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，操作過電壓發(fā)生次數(shù)最多，在統(tǒng)計(jì)的9天時(shí)間范圍內(nèi)達(dá)到了268次，日均近30次，相比而言，該站的操作過電壓產(chǎn)生頻率較高，由該站對(duì)某大型煉鋼廠單獨(dú)供電的背景可以斷定，該煉鋼廠的生產(chǎn)活動(dòng)容易引發(fā)操作過電壓。就過電壓的倍數(shù)而言，操作過電壓的幅值有72%左右集中在 1.10～1.49倍工頻峰值范圍內(nèi)，1.50～1.99倍工頻峰值范圍內(nèi)的過電壓幅值占比 25.7%，兩倍工頻峰值及其以上的過電壓幅值仍記錄到5次，其中，最大過電壓為工頻峰值的2.37倍，如此頻繁的操作過電壓易對(duì)電氣設(shè)備的絕緣造成累計(jì)性的損傷，勢(shì)必應(yīng)該引起重視。各時(shí)段、各倍數(shù)范圍內(nèi)的過電壓次數(shù)分布見表1。

表1 2015年7月操作過電壓統(tǒng)計(jì)

除操作過電壓外，監(jiān)測(cè)到的另一類較為頻繁的過電壓是諧振過電壓。在統(tǒng)計(jì)的6天時(shí)間范圍內(nèi)共監(jiān)測(cè)到174次諧振過電壓，日均29次。諧振過電壓的幅值分布與監(jiān)測(cè)到的操作過電壓的幅值分布大致相同，依然是集中于1.10～1.49倍工頻峰值范圍內(nèi)，其次是1.50～1.99倍工頻峰值，兩倍工頻峰值及以上出現(xiàn)的次數(shù)相對(duì)較少，各倍數(shù)范圍內(nèi)過電壓次數(shù)的占比分別為84.5%、15%和0.5%。諧振過電壓的最大倍數(shù)為 2.03，通過諧振過電壓波形可以得知，多數(shù)是帶暫態(tài)沖擊的諧振，由操作引起的暫態(tài)沖擊加上操作帶來的系統(tǒng)參數(shù)的改變會(huì)激發(fā)諧振過電壓，因此，操作過電壓和諧振過電壓的統(tǒng)計(jì)特性有較大的一致性。同時(shí)應(yīng)該指出，大部分諧振過電壓是由操作產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓激發(fā)的，這里統(tǒng)計(jì)的過電壓倍數(shù)包含了操作過電壓，因此，對(duì)于諧振過電壓而言，過電壓倍數(shù)相對(duì)要小一些。各時(shí)段、各倍數(shù)范圍內(nèi)的過電壓次數(shù)分布見表2。

表2 2015年7月諧振過電壓統(tǒng)計(jì)

由過電壓波形和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得知，該站主要由煉鋼廠頻繁的操作引發(fā)操作過電壓，繼而引發(fā)分頻諧振過電壓，主要原因是在正常運(yùn)行時(shí)，PT勵(lì)磁感抗較大，且大于系統(tǒng)的容抗，當(dāng)煉鋼廠的生產(chǎn)活動(dòng)引發(fā)操作過電壓時(shí)，操作過電壓帶來的暫態(tài)沖擊引發(fā)PT鐵心飽和，使得PT勵(lì)磁感抗下降，在五分之一工頻頻率下，系統(tǒng)感抗與容抗配合形成諧振，因而產(chǎn)生分頻諧振過電壓。在分頻諧振狀態(tài)下，由于 PT勵(lì)磁感抗較低，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的過電流，加之持續(xù)時(shí)間過長，會(huì)引發(fā) PT 高壓側(cè)保險(xiǎn)熔絲熔斷甚至PT燒毀等故障。

3 結(jié)論

1）針對(duì)變電站內(nèi)故障錄波儀采樣頻率較低、不能完成高頻暫態(tài)過電壓的采集任務(wù)的問題，設(shè)計(jì)了具有高速采樣頻率的過電壓在線監(jiān)測(cè)儀，通過變頻采樣頻率記錄工頻電壓信號(hào)和暫態(tài)過電壓信號(hào)，解決了采樣頻率和存儲(chǔ)深度之間的矛盾。

2）由于采用模塊化的設(shè)計(jì)，除分壓單元外，可充分利用變電站現(xiàn)有的工控機(jī)外加采集卡構(gòu)成監(jiān)測(cè)子站；后臺(tái)監(jiān)測(cè)中心也可利用現(xiàn)有服務(wù)器或工作站實(shí)現(xiàn)；而電力系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)子站和監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)通信；因此，該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有成本低的特性。

3）該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在四川某變電站投入使用，監(jiān)測(cè)到的大量過電壓數(shù)據(jù)，為該站的 PT燒毀故障的原因分析提供了有效的數(shù)據(jù)。

4）根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的過電壓數(shù)據(jù)，得出統(tǒng)計(jì)特性，對(duì)變電站絕緣配合、過電壓防治提供參考依據(jù)，為過電壓的模式識(shí)別及故障診斷工作的開展打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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Overvoltage Online Monitoring for 35kV Substation and Its Waveforms Analysis

Chen Xin Yang Hailong Li Hewei Liu Yuqing Zhang Luo
(Research Laboratory of Power System, Electrical &Information Engineering School, Xihua University, Chengdu 610039)

Due to the fact that fault record device with low sampling frequency could not record transient overvoltage, an online overvoltage monitoring system with high sampling frequency is designed.In order to solve the contradiction between sampling frequency and storage depth, varied sampling frequency is applied to the system.The monitoring system has been running in several substations.Overvoltage data recorded by the system has helped operating personnel to analysis fault, in addition, it will provide information for insulation coordination and overvoltage prevention.

overvoltage; on-line monitoring; waveform analysis

陳 鑫（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檫^電壓在線監(jiān)測(cè)。