基于電場(chǎng)的快速暫態(tài)過電壓測(cè)量*

陳葉倩,吳光敏*,張文斌,譚向宇,王 科

(1.昆明理工大學(xué),昆明 650500;2.云南電網(wǎng)責(zé)任有限公司電力科學(xué)研究院,昆明 650011)

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基于電場(chǎng)的快速暫態(tài)過電壓測(cè)量*

陳葉倩1,吳光敏1*,張文斌1,譚向宇2,王 科2

(1.昆明理工大學(xué),昆明 650500;2.云南電網(wǎng)責(zé)任有限公司電力科學(xué)研究院,昆明 650011)

提出了一種基于電場(chǎng)的VFTO測(cè)量方法,以實(shí)現(xiàn)氣體絕緣變電站(Gas Insulated Substations GIS)開關(guān)操作引起的快速暫態(tài)過電壓(Very Fast Transient Overvoltage VFTO)的測(cè)量。通過MEMS電場(chǎng)傳感器測(cè)量GIS母線周圍的電場(chǎng),進(jìn)行大量試驗(yàn)確定電場(chǎng)強(qiáng)度與母線電壓的線性關(guān)系,并對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定,實(shí)現(xiàn)VFTO的測(cè)量。從理論上對(duì)GIS變電站不同負(fù)載的VFTO建模并進(jìn)行仿真數(shù)值計(jì)算;使用掃頻法、方波響應(yīng)法對(duì)電場(chǎng)傳感器的響應(yīng)特征進(jìn)行了測(cè)試,高頻截止頻率>134 MHz;在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了高幅值電壓測(cè)量實(shí)驗(yàn),在云南電網(wǎng)公司超高壓試驗(yàn)研究基地進(jìn)行GIS變電站現(xiàn)場(chǎng)VFTO測(cè)量實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明利用電場(chǎng)傳感器能夠進(jìn)行快速暫態(tài)過電壓的測(cè)量。

快速暫態(tài)過電壓;氣體絕緣變電站;電場(chǎng)傳感器;開關(guān)操作電場(chǎng)

氣體絕緣變電站GIS(Gas Insulated Substations)在進(jìn)行開關(guān)操作時(shí),會(huì)引起的快速暫態(tài)過電壓VFTO(Very Fast Transient Overvoltage)造成GIS管道的絕緣擊穿和設(shè)備故障。因此,對(duì)VFTO特性的研究也是十分迫切的。由于VFTO波頭的上升時(shí)間在ns級(jí),其頻率成分在幾Hz至上百M(fèi)Hz之間,最高幅值接近3 pu[1]。不僅對(duì)GIS變電站和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是極大的威脅,而且對(duì)電網(wǎng)的發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),同時(shí)對(duì)現(xiàn)有的高壓測(cè)量手段也提出極高的要求[3-4]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)VFTO測(cè)量的裝置和系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。其中研究方法主要有理論分析、建模計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等,且相繼提出了套管末屏法[5],預(yù)埋電極法[6],微積分方法[7-8]等。其中,套管末屏法在變壓器的出線套管中串入電容,形成電容分壓器,但測(cè)量頻帶較低,且適合于測(cè)量振蕩頻率較低的GIS外部過電壓。預(yù)埋電極法需要在盆式絕緣子中預(yù)置預(yù)埋環(huán)電極,對(duì)已經(jīng)運(yùn)行的GIS設(shè)備并不適用,且由于高低壓臂電容連接引線引入電感的影響,易發(fā)生高頻振蕩,測(cè)量頻帶也很有限。微積分方法測(cè)量頻帶受到對(duì)地電容等因素的影響,導(dǎo)致其測(cè)量頻帶有限。并且鏈接的系統(tǒng)本身將成為一個(gè)有能耗的負(fù)載,對(duì)于極短時(shí)間內(nèi)的高壓會(huì)產(chǎn)生抑制作用,導(dǎo)致采樣結(jié)果發(fā)生大幅度的變化。而且,此類傳感器的分壓比固定,對(duì)于被測(cè)GIS管道的VFTO幅值存在局限性。

為能夠?qū)ΜF(xiàn)有運(yùn)行設(shè)備的VFTO進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)能夠調(diào)整分壓比,本文設(shè)計(jì)了一種利用電場(chǎng)傳感器的測(cè)量方法,通過對(duì)電場(chǎng)的測(cè)量實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸的測(cè)量VFTO。由于根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度與線路中電壓的線性關(guān)系來實(shí)現(xiàn)VFTO測(cè)量,因此只需要通過改變測(cè)量點(diǎn)與線路的距離,就能夠?qū)崿F(xiàn)不同電壓等級(jí)的測(cè)量,不受被測(cè)電壓的限制。不會(huì)破壞GIS管道,測(cè)量點(diǎn)的選擇自由,將整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)小型化,安裝維護(hù)方便,并且可采用編程功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ),對(duì)深入研究提供技術(shù)支持。

1 VFTO波形分析和測(cè)量要求

GIS變電站斷路器、隔離開關(guān)操作發(fā)生觸頭多次擊穿。產(chǎn)生VFTO的單相等效電路如圖1所示。L和R是GIS回路中電抗器內(nèi)部的等效電感和等效電阻,DS是隔離開關(guān),C是開關(guān)兩極間的分布等效電容。當(dāng)DS分合閘時(shí),在DS觸頭上會(huì)產(chǎn)生工頻電源和母線之間的電壓差,導(dǎo)致觸頭擊穿產(chǎn)生嚴(yán)重的電弧,從而產(chǎn)生快速暫態(tài)。當(dāng)電弧熄滅后,觸頭間又重新產(chǎn)生電壓差,不斷反復(fù)擊穿、產(chǎn)生電弧、產(chǎn)生快速暫態(tài)[9]。

圖1 產(chǎn)生VFTO的單相等效電路

在各類變電站中都存在隔離開關(guān)和斷路器,會(huì)對(duì)其進(jìn)行操作,但是GIS變電站引起的快速暫態(tài)過程最為嚴(yán)重。以SF6氣體為絕緣介質(zhì),氣壓為0.3 MPa～0.4 MPa,絕緣恢復(fù)強(qiáng)度高于空氣的10倍,幅值較高;GIS的對(duì)地電容比常規(guī)線路大,容性電流較大,導(dǎo)致殘留電荷電壓較高。根據(jù)GB/T 18134.1-2000,VFTO的波形如圖2所示,通常由4個(gè)分量組成:階躍電壓;在GIS母線管道內(nèi)的100 MHz高頻f1分量;母線管道末端和電纜或架空線終端處的30 MHzf2分量;由于外部的大電容設(shè)備引起的0.1 MHz～5 MHz范圍f3分量[10]。在重復(fù)擊穿過程中,最高擊穿電壓為工頻峰峰值,VFTO最高幅值達(dá)3 pu。

圖2 VFTO波形

根據(jù)上述分析結(jié)果,確定測(cè)量系統(tǒng)的基本要求:具有較寬的頻帶、較好的高頻響應(yīng)特性,至少100 MHz;分壓比為106數(shù)量級(jí);測(cè)量系統(tǒng)能夠滿足200 ms的記錄時(shí)間。

2 電場(chǎng)傳感器

2.1 傳感器原理

本文的VFTO測(cè)量系統(tǒng)中采用的是電場(chǎng)傳感器,其工作原理如圖3所示。當(dāng)一組正負(fù)感應(yīng)電極暴露在電場(chǎng)E中時(shí),該電極間會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷。屏蔽電極會(huì)按圖中所指的方向做相應(yīng)的周期運(yùn)動(dòng)。同時(shí)對(duì)應(yīng)的正負(fù)感應(yīng)電極的感應(yīng)電荷數(shù)量也相應(yīng)的產(chǎn)生周期變化,能產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的交變電流。再將改交變電流經(jīng)放大電路等處理之后便可以得到與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比的電壓信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)的測(cè)量[11]。

圖3 電場(chǎng)傳感器基本原理

圖4 傳感器響應(yīng)測(cè)試圖

2.2 傳感器響應(yīng)特性的測(cè)試

為了確定傳感器的響應(yīng)特性,本文主要使用掃頻法、方波響應(yīng)法,對(duì)傳感器的響應(yīng)特性進(jìn)行了測(cè)試。響應(yīng)特性測(cè)試如圖4所示。圖4中,分別使用正弦信號(hào)和方波信號(hào)測(cè)試。

2.2.1 正弦掃頻測(cè)試

掃頻測(cè)試采用Agilent3320A信號(hào)發(fā)生器,產(chǎn)生15 Hz～20 MHz的正弦掃頻信號(hào),直接輸入給傳感器[15]。將傳感器的輸出信號(hào)通過Agilent 10073D500MHz高頻探頭輸入到示波器,結(jié)果如圖3所示。

圖5中橫坐標(biāo)為頻率,單位Hz,縱坐標(biāo)為傳感器輸出值的歸一化系數(shù)。由測(cè)試結(jié)果可知,傳感器的低頻截止頻率<20 Hz,高頻截止頻率>20 MHz。

圖5 傳感器正弦掃頻測(cè)試圖

2.2.2 方波響應(yīng)特性測(cè)試

方波響應(yīng)測(cè)試采用Agilent3320A信號(hào)發(fā)生器,產(chǎn)生上升沿為6.5 ns,幅值為5 V的方波信號(hào),通過Agilent 10073D 500 MHz高頻探頭和傳感器,同時(shí)使用兩個(gè)通道傳輸給示波器顯示,測(cè)量結(jié)果如圖6所示[16-17]。

圖6 傳感器方波響應(yīng)測(cè)試圖(5 V/200 mV/16 ns)

圖6中為CH1為高頻探頭測(cè)得的信號(hào),CH2W為電場(chǎng)傳感器測(cè)得的信號(hào),根據(jù)其上升時(shí)間約為7 ns,則

得tr約為2.6ns,再根據(jù)上升時(shí)間計(jì)算出高頻截止頻率

fBW=0.35/tr

則高頻截止頻率>134MHz。

3 GIS變電站等效模型的不同負(fù)載分析

在GIS變電站中,對(duì)于單相輸電線路,在電路無(wú)顯著電磁輻射的情況下,設(shè)每單位長(zhǎng)的傳輸線具有電阻為R、電容為C、自感為L(zhǎng)。把傳輸線細(xì)分為許多極小的小段,以區(qū)間(x,x+dx)為研究對(duì)象,如圖7所示。

圖7 GIS傳輸線模型

小段線路兩端的電流并不相等,原因是兩線之間的電容存在充放電(這里忽略兩線之間的電漏),則有:

式中:CVdx為dx上電容所帶的電荷。小段線路dx兩端的電壓也不相等,原因是導(dǎo)線上的電阻Rdx電壓降(Rdx)I,還有兩線之間電感Ldx上的自感電動(dòng)勢(shì)Ldx(?I/?t),有:

dV=-RIdx-Ldx(?I/?t)

傳輸線上的電壓方程為:

在x=l處的負(fù)載Z0為電阻R0、電感L0和電容C0的串聯(lián),電壓為:

在傳輸線上電壓的振動(dòng)頻率只能與電源相同,因此有ω=ω0。將邊界條件代入

V=(Aekx+Be-kx)ejω0t

得:

(A+B)ejω0t=U0ej(ω0t+φ)

(Aekl-Be-kl)ejω0t

令

穩(wěn)態(tài)解為:

對(duì)于任意負(fù)載,有:

3.1 純電阻負(fù)載

取負(fù)載為純電阻,電阻值為R0=100 Ω、R0=500 Ω、R0=1 000 Ω,分別用紅色、藍(lán)色、黑色表示。在下面計(jì)算結(jié)果中縱坐標(biāo)為電壓,單位是V,橫坐標(biāo)式傳輸線長(zhǎng)度,單位是m。取n=1∶1∶6,l1=nλ/4為傳輸線長(zhǎng)度。

圖8 n=6,l1=8.811×106 m

3.2 純感抗負(fù)載

取負(fù)載為純電感,電感量為L(zhǎng)0=0 H∶0.5 H∶5 H。在下面計(jì)算結(jié)果中縱坐標(biāo)為電壓,單位是V,橫坐標(biāo)式傳輸線長(zhǎng)度,單位是m。計(jì)算結(jié)果如圖9所示。l1=nλ/4為傳輸線長(zhǎng)度。其中紅線是L0=0 H的計(jì)算結(jié)果。

圖9 n=5,l1=7.342 5×106 m

3.3 純?nèi)菘关?fù)載

取電容量為C0=1.0×10-6F∶2.0×10-6∶2.0×10-5F,在下面計(jì)算結(jié)果中縱坐標(biāo)為電壓,單位是V,橫坐標(biāo)式傳輸線長(zhǎng)度,單位是m。計(jì)算結(jié)果如圖10所示。l1=nλ/4為傳輸線長(zhǎng)度。其中紅線C0=1.0×10-6F是的計(jì)算結(jié)果。

圖10 n=5,l1=7.342 5×106 m

在電壓過高的情況下,直接從線路上取信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)困難的。如果直接連線取樣,則需要通過特殊措施在分壓后,才能進(jìn)行測(cè)量。這種高壓情況下實(shí)現(xiàn)是不容易的,并且鏈接的系統(tǒng)本身將成為一個(gè)有能耗的負(fù)載,對(duì)于極短時(shí)間內(nèi)的高壓會(huì)產(chǎn)生抑制作用,導(dǎo)致采樣結(jié)果發(fā)生大幅度的變化。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

VFTO的兩大主要特征是頻率高、幅值大。為驗(yàn)證電場(chǎng)傳感器是否能夠滿足VFTO的測(cè)量要求在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立如圖7所示的高幅值電壓測(cè)量平臺(tái),以及根據(jù)GIS電路等效模型建立的快速暫態(tài)過程模擬平臺(tái)。

4.1 高幅值電壓測(cè)量線性度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了確定電場(chǎng)與線路中電壓的固定關(guān)系,驗(yàn)證通過電場(chǎng)測(cè)量電壓方式的可行性,同時(shí)為了得到正確的VFTO波形,需要對(duì)測(cè)得的電場(chǎng)信息波形進(jìn)行還原,還原成電壓數(shù)據(jù)。因此在實(shí)驗(yàn)室100 kV高壓試驗(yàn)臺(tái)建立了如圖11所示的電場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。主要由工頻變壓器、保護(hù)電阻以及球形電極構(gòu)成。將電場(chǎng)傳感器置于球形電極周圍確定距離處,用來測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度信息,由示波器記錄數(shù)據(jù)。

圖11 電場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn),得到了傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù),典型的結(jié)果如圖12所示,圖12中固定電場(chǎng)傳感器與高壓源距離為1.5 m,逐漸改變高壓源輸出電壓幅值,獲得電場(chǎng)強(qiáng)度與電壓的關(guān)系,擬合結(jié)果為f(x)=0.078 91x+0.169。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電壓與電場(chǎng)之間存在固定關(guān)系,并且可以被測(cè)量獲得,即能夠采用電場(chǎng)測(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)高電壓的測(cè)量,解決了VFTO幅值高的測(cè)量難點(diǎn)。在圖5中電場(chǎng)傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)為電壓,與所測(cè)量點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度具有線性關(guān)系。

圖12 測(cè)量結(jié)果

4.2 GIS變電站的VFTO現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

盧斌先等人對(duì)500 kV變電站開關(guān)操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,驗(yàn)證了電場(chǎng)傳感器能夠測(cè)量GIS變電站產(chǎn)生的瞬態(tài)電場(chǎng)[12,18]。

為了驗(yàn)證電場(chǎng)傳感器對(duì)GIS變電站VFTO的測(cè)量的有效性,在云南電網(wǎng)公司超高壓試驗(yàn)研究基地進(jìn)行了數(shù)百次VFTO測(cè)量實(shí)驗(yàn)。該VFTO試驗(yàn)基地由2 MV標(biāo)準(zhǔn)特快速暫態(tài)過電壓發(fā)生器產(chǎn)生VFTO信號(hào),直接注入GIS變電站管道的母線中[19]?，F(xiàn)場(chǎng)布置如圖13所示,測(cè)點(diǎn)位置如圖14所示。

圖13 VFTO測(cè)量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖14 GIS管道測(cè)點(diǎn)位置圖

測(cè)點(diǎn)1位于VFTO信號(hào)發(fā)生器端玻璃法蘭,測(cè)點(diǎn)2位于GIS管道口隔離接地開關(guān)處,測(cè)點(diǎn)3位于GIS管道斷路器前,測(cè)點(diǎn)4位于GIS管道斷路器后。如圖15所示,為測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)圖。數(shù)據(jù)采集箱采用的是德國(guó)Spectrum公司的digitizerNETBOX的高速采集板卡,采樣頻率為1.25 GHz,支持4通道同時(shí)采樣,每通道可存儲(chǔ)268×106個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),能夠完整記錄VFTO波形。

圖15 測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖16 VFTO波形對(duì)比圖

圖16為在VFTO信號(hào)發(fā)生器測(cè)得的VFTO波形全波。圖16(a)為西安交大的錐形電容傳感器的測(cè)量結(jié)果,圖16(b)為本文的電場(chǎng)傳感器的測(cè)量波形。

錐形傳感器測(cè)得的VFTO幅值為:773.476 9 kV,上升沿為320 ns;電場(chǎng)傳感器測(cè)得的VFTO幅值為:780.690 kV,上升沿為310 ns;錐形傳感器在末端加裝了同軸積分器,濾除了部分振蕩,因此在圖16(b)中電場(chǎng)傳感器的波頭部分出現(xiàn)一定的振蕩[20]。由大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可見,本文的測(cè)量系統(tǒng)滿足VFTO的測(cè)量要求[21-22]。

5 結(jié)論

基于電場(chǎng)原理進(jìn)行VFTO的測(cè)量,能夠解決電容傳感器分壓法在不同電壓等級(jí)上的測(cè)量缺陷,測(cè)量范圍大;電容傳感器分壓法的系統(tǒng)本身將成為一個(gè)有能耗的負(fù)載,對(duì)于極短時(shí)間內(nèi)的高壓會(huì)產(chǎn)生抑制作用,導(dǎo)致采樣結(jié)果發(fā)生大幅度的變化,而電場(chǎng)原理測(cè)量法能夠解決。

(1)研究了基于電場(chǎng)的快速暫態(tài)過電壓測(cè)量方法。主要根據(jù)電場(chǎng)跟電壓的固定線性關(guān)系,當(dāng)GIS開關(guān)電路中的電壓變化時(shí)通過電場(chǎng)傳感器采集相應(yīng)的電場(chǎng)變化數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)VFTO的測(cè)量;(2)建立了GIS變電站等效模型。對(duì)GIS變電站不同負(fù)載情況,進(jìn)行理論計(jì)算分析;(3)根據(jù)正弦掃頻和方波響應(yīng)測(cè)試結(jié)果表明,傳感器的低頻截止頻率<20 Hz,高頻截止頻率>134 MHz,滿足了VFTO測(cè)量對(duì)頻率的要求;(4)實(shí)驗(yàn)室結(jié)果證明通過電場(chǎng)傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)線路電壓的測(cè)量,同時(shí)驗(yàn)證了低壓環(huán)境下,能夠通過電場(chǎng)傳感器對(duì)高幅值的電壓進(jìn)行測(cè)量;(5)在云南電網(wǎng)公司超高壓試驗(yàn)研究基地進(jìn)行了數(shù)百次VFTO測(cè)量實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證本文的測(cè)量系統(tǒng)滿足VFTO的測(cè)量要求。

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陳葉倩(1992-),女,昆明理工大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)榍度胧接?jì)算機(jī)系統(tǒng),電力電子技術(shù),calmfs@qq.com;

吳光敏(1957-),男,目前任昆明理工大學(xué)教授、碩士生導(dǎo)師,主要從事嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電力電子技術(shù),實(shí)時(shí)圖像信號(hào)處理、遙感影像分類技術(shù)、RF-MEMS技術(shù)的研究,wugum@qq.com。

Measurement of VFTO Based on Electric Field Sensor*

CHENYeqian1,WUGuangmin1*,ZHANGWenbin1,TANXiangyu2andWANGKe2

(1.Kunming University of science and technology,Kunming 650500,China;2. Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute of LLC,Kunming 650011,China)

A measurement system based on electric field sensor was proposed,which is used to achieve the measurement of very fast transient overvoltage(VFTO)caused by switching operation of gas insulated substations(GIS). Used the miniature electric field sensor to measure electric field of GIS bus bar,calculated the linear relationship between electric field intensity and the voltage of bus bar according to experiments for hundreds times,calibrated the sensor,finished the measurement of VFTO. Firstly,analyzed the VFTO waveform characteristics and the requirements of measurement system;then,made VFTO modeling of different loads on the GIS;tested the response characteristics of the sensor which has the high-frequency cut-off frequency higher than 134 MHz;test the high amplitude of voltage measurements in the laboratory,finally the measurement system was applied in the ultra-high voltage test base of Yunnan power grid electric power research institute and measured for hundreds times,indicating the reliability of measurement of VFTO on electric field sensor.

very fast transient overvoltage;gas insulated substations;electric field sensor;switching operation electric field

2016-09-22 修改日期:2016-10-29

TM63

A

1004-1699(2017)03-0385-06

C:8150;7310B

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.03.009