GIS金屬法蘭孔處的VFTO測量系統(tǒng)設(shè)計

梁世琦，張文斌

(昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

由于高壓電弧重復(fù)擊穿，氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(Gas-Insulated Substation，GIS)在進行斷路器、隔離開關(guān)操作時，會產(chǎn)生快速瞬態(tài)過電壓(Very-Fast Transient voltage，VFTO)[1-6]。VFTO具有高幅值、陡前沿、頻率高等特點，對GIS內(nèi)部及相鄰設(shè)備的絕緣造成威脅，泄露至外部的電磁脈沖也會對二次設(shè)備造成干擾，嚴重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[7-10]，因此VFTO的準(zhǔn)確測量已是GIS運行評估的重要參量。

VFTO的測量方法可分為微積分法與電容分壓法。微積分法[11-12]易受雜散參數(shù)影響且標(biāo)定困難，不適用于帶金屬法蘭的絕緣盆子。電容分壓法主要有套管末屏法[13-14]、預(yù)埋環(huán)法和內(nèi)置傳感器法[15-17]。預(yù)埋環(huán)法和套管末屏法的測量頻帶較窄，無法實現(xiàn)對VFTO波形準(zhǔn)確還原，已逐漸被淘汰。內(nèi)置傳感器法需要在GIS內(nèi)部預(yù)留安裝結(jié)構(gòu)和空間，雖然可進行VFTO全過程測量，但是傳感探頭尺寸過大，影響被測設(shè)備周圍的電場分布，增加了測量誤差。此外，內(nèi)置傳感器法需要的低壓臂電容不易匹配，雜散參數(shù)不一致，難以保證傳感探頭的一致性，不適用于在運的GIS。

針對目前內(nèi)置式傳感法存在的問題，并考慮到GIS金屬法蘭孔處無金屬屏蔽[18-19]，提出了一種適用于GIS金屬法蘭孔處的VFTO測量系統(tǒng)。本文基于柔性電路板(Flexible-Printed Circuit，F(xiàn)PC)工藝制造電容分壓探頭，并結(jié)合阻容分壓器構(gòu)建了寬頻VFTO測量傳感器。通過理論分析與實際測量對傳感探頭結(jié)構(gòu)、阻容分壓器、匹配電阻及同軸電纜各項參數(shù)進行設(shè)計，使得測量系統(tǒng)性能滿足VFTO的測量要求。本文設(shè)計的VFTO傳感器與傳統(tǒng)VFTO傳感器相比，傳感探頭尺寸小，一致性高，不影響周圍電場分布，無需改造GIS設(shè)備，也不會影響GIS的氣密性。

1 VFTO測量系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 性能指標(biāo)參數(shù)

VFTO的上升時間為納秒級，最高頻率達100 MHz，且疊加在工頻電壓上，因此要求測量系統(tǒng)需具有足夠?qū)挼念l帶。特高壓GIS中的VFTO最大值可達工頻電壓的3倍，因此要求測量系統(tǒng)具有較大的分壓比。傳感器探頭尺寸應(yīng)小于金屬法蘭孔的尺寸，方孔尺寸為45 mm×20 mm。

基于上述要求，本文設(shè)計的VFTO測量系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下：(1)頻率特性。低頻截止頻率<50 Hz，高頻截止頻率>100 MHz；(2)分壓比>100 000；(3)傳感器探頭尺寸<45 mm×20 mm。

1.2 電容分壓器的基本原理

高壓脈沖信號的測量通過電容分壓的原理實現(xiàn)，其等效電路圖如圖1所示，其中C1為高壓臂電容，C2為低壓臂電容值，R為示波器的輸入阻抗，DL為同軸電纜。忽略同軸電纜對測量系統(tǒng)的影響，得到測量系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式(1)所示。

(1)

從傳遞函數(shù)可以看出，電容分壓器為高通濾波器，其分壓比k與下限截止頻率fl為

(2)

(3)

不考率雜散參數(shù)以及電磁波的折反射對測量系統(tǒng)造成的影響，電容分壓器的分壓比主要由C1與C2決定，低頻性能主要由時間常數(shù)τ=R(C1+C2)決定，增加時間常數(shù)τ可以降低測量系統(tǒng)的低頻截止頻率。

圖1 電容分壓器電路模型Figure 1. Circuit model of the capacitive divider

1.3 VFTO測量系統(tǒng)的優(yōu)化方案

為了減少傳感器對被測電場的影響及法蘭孔尺寸的限制，傳感器探頭需要足夠小。但是小型化的傳感器探頭具有的C2容值較小，根據(jù)式(2)與式(3)，測量系統(tǒng)無法實現(xiàn)大的分壓比，低頻性能較差。

本文采取電容傳感器后端加入阻容分壓器的方案來提高測量系統(tǒng)的分壓比，同時降低測量系統(tǒng)的低頻截止頻率。加入阻容分壓器后的等效電路圖如圖2所示，其中C1、C2分別為電容分壓器的高壓臂電容與低壓臂電容，R1為測量系統(tǒng)的匹配電阻，RH、CH為阻容分壓器的前級分壓器，示波器輸入阻抗R、輸入容抗C3與C0為阻容分壓器的后級分壓器。根據(jù)阻容分壓器的原理，測量系統(tǒng)參數(shù)需滿足式(4)。

RH/R=(C0+C3)/CH=n

(4)

根據(jù)圖3所示的等效電路圖并結(jié)合式(4)的條件，得到加入阻容分壓器后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

(5)

低頻下jωnRCH<<1，因此傳遞函數(shù)可以簡化為

(6)

根據(jù)式(6)得到測量系統(tǒng)的分壓比k與低頻截止頻率fl如式(7)與式(8)所示，后端加入阻容分壓器使傳感器的分壓比增加n+1倍，低頻截止頻率降低n+1倍。

水電優(yōu)勢顯著。小浪底電站實行“電調(diào)服從水調(diào)”的原則，截至2013年11月底累計發(fā)電731億kWh，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)燃煤約2953萬t，減少碳排放量7907萬t。

(7)

(8)

由于C1?C2，故式(7)與式(8)可以簡化為下式。

(9)

(10)

高頻信號下測量系統(tǒng)需要考慮傳輸線的折反射，且不能忽略雜散參數(shù)對測量系統(tǒng)的影響，因此通過試驗標(biāo)定的方式對系統(tǒng)的高頻特性進行測試。

本文采用的VFTO測量系統(tǒng)如圖3所示，其中傳感器的感應(yīng)極板與GIS母線形成高壓臂電容，低壓臂電容由感應(yīng)極板、接地電極以及中間的絕緣介質(zhì)構(gòu)成。將感應(yīng)極板上的引出信號經(jīng)匹配電阻、同軸電纜以及阻容分壓單元傳輸至示波器。

圖2 VFTO測量系統(tǒng)等效電路圖Figure 2.Equivalent circuit diagram of VFTO measurement system

圖3 VFTO測量系統(tǒng)示意圖Figure 3. Schematic diagram of VFTO measurement system

2 VFTO測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸直接影響到測量系統(tǒng)的測量精度，傳感器尺寸選擇需考慮以下3個方面：

(1)傳感器的尺寸與GIS母線平行放置，需要感應(yīng)極板為等位面，這要求電極的尺寸遠小于測量VFTO 的波長。傳感器的軸向尺寸可以使用式(11)進行計算[15-16]

(11)

式中，ds為感應(yīng)電極軸向尺寸；c0為光速；fmax為VFTO的最高頻率；ΔU/U為電極表面最大相對電位梯度。取VFTO的最高頻率為100 MHz，電極表面最大相對電位梯度為1%，得到ds=191 mm；

(2)傳感器安裝位置為金屬法蘭孔，根據(jù)現(xiàn)場實測得到金屬法蘭小孔的長為45 mm，寬為20 mm，設(shè)計的傳感器極板尺寸需小于此尺寸；

基于上述條件，選擇傳感器的尺寸為切向尺寸為40 mm，軸向尺寸為18 mm。傳感器采用FPC工藝實現(xiàn)，其中感應(yīng)極板與接地外殼的材料為銅，介質(zhì)材料為聚酰亞胺，厚度為50 μm，通過計算得到傳感器的低壓臂電容值C2為573 pF。為了降低電容傳感器邊緣效應(yīng)并屏蔽干擾信號，將接地外殼布置在感應(yīng)極板周圍，從而提高傳感器的測量精度。傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 4. Schematic diagram of sensor structure

2.2 阻容分壓器參數(shù)設(shè)計

根據(jù)VFTO測量系統(tǒng)的低頻截止頻率<50 Hz的要求，本文中低壓臂電容值C2為573 pF，示波器的輸入阻抗為1 MΩ，由式(4)、式(10)可得阻容分壓器的高壓臂電阻需大于4.5 MΩ。大電阻與電路板布局帶來的寄生參數(shù)會影響阻容分壓單元的高頻性能[20-21]，因此采用圖5所示的阻容分壓方案，通過4個高壓臂電阻RH并聯(lián)補償電容CH的方式，減少高壓臂電阻上雜散參數(shù)。本文使用可調(diào)電容C0消除電容容值誤差、布線雜散電容和示波器入口電容對測量系統(tǒng)的影響。R與C3為示波器的輸入阻抗與容抗。根據(jù)式(4)，阻容分壓器需滿足RHCH=R(C0+C3)，分壓比為4n+1。本文選擇阻容分壓器的分壓比為11∶1，其中RH=2.5 MΩ，CH=13 pF，可調(diào)電容C0的范圍為12～40 pF。由式(10)可知，測量系統(tǒng)的低頻截止頻率為25.25 Hz，滿足VFTO的測量要求。

圖5 阻容分壓器等效電路圖Figure 5. Equivalent circuit diagram of resistance-capacitance voltage divider

2.3 匹配電阻及同軸電纜的選擇

匹配電阻大小及同軸電纜長度會對VFTO測量系統(tǒng)的高頻性能產(chǎn)生影響。由于雜散參數(shù)的存在，無法直接通過理論分析決定二者的參數(shù)值。本文通過測試不同匹配電阻及同軸電纜下測量系統(tǒng)的陡脈沖響應(yīng)，對二者參數(shù)進行選擇。陡脈沖響應(yīng)試驗布置圖如圖6所示，使用陡脈沖信號注入至模擬電極上，模擬電極與傳感器耦合形成高壓臂電容，另一端使用高頻探頭測量陡脈沖信號，然后將傳感器測得信號與高頻探頭測得的信號分別接入示波器，記錄二者的測量波形。

圖6 陡脈沖響應(yīng)試驗布置圖Figure 6.The layout of steep impulse response test

2.3.1 匹配電阻的選擇

匹配電阻一般應(yīng)與同軸電纜的波阻抗相匹配，但是雜散參數(shù)會影響匹配電阻的選擇。本文選用波阻抗為50 Ω的同軸電纜，對匹配電阻分別為22 Ω、30 Ω、50 Ω及100 Ω下的測量系統(tǒng)進行陡脈沖響應(yīng)試驗。測量波形的最大超調(diào)量Mp與上升時間tr如表1所示，其中U0為高頻探頭測量數(shù)據(jù)。圖7(a)與圖7(b)為30 Ω與50 Ω下的測量系統(tǒng)的陡脈沖響應(yīng)。圖7中，縱軸為歸一化的值，橫軸為時間。設(shè)傳感器輸出電壓為U1，取傳感器100～200 ns的穩(wěn)定時的平均值為K，則傳感器輸出電壓的歸一化值為U1/K。

表1 不同電阻下陡脈沖響應(yīng)的超調(diào)量與上升時間

通過表1可以得到，匹配電阻影響系統(tǒng)的高頻響應(yīng)特性。由于測量系統(tǒng)選擇的為首端匹配，抑制從示波器端反射回來的信號發(fā)生再次反射，當(dāng)匹配電阻與傳輸線的特征阻抗不相同時，會導(dǎo)致測量波形發(fā)生畸變。根據(jù)表1與圖7(a)的測量結(jié)果，當(dāng)匹配電阻R1=30 Ω時，測量系統(tǒng)超調(diào)量與上升時間與高頻探頭測量數(shù)據(jù)相比，測量誤差小于3%，測量系統(tǒng)的輸出波形能夠較好地還原陡脈沖波形。

(a)

2.3.2 同軸電纜長度的選擇

VFTO波形需要經(jīng)過一定長度的同軸電纜傳輸至示波器端，同軸電纜長度決定了高頻信號的折反射特性。選擇匹配電阻R1=30 Ω，對同軸電纜長度為0.2 m、0.5 m、1 m、2 m下的測量系統(tǒng)進行陡脈沖響應(yīng)試驗。表2為不同電纜長度下測量波形的最大超調(diào)量Mp與上升時間tr，U0為高頻探頭的測量數(shù)據(jù)。在0.2 m與1 m下的傳感器測得的歸一化數(shù)據(jù)在不同電纜長度下脈沖響應(yīng)信號如圖8所示。

表2 不同電纜長度下陡脈沖響應(yīng)的超調(diào)量與上升時間

通過表2與圖8(a)可以得到，同軸電纜長度影響高頻信號下的折反射，同軸電纜越長，VFTO測量系統(tǒng)輸出的信號振蕩越嚴重。這是由于同軸電纜芯皮間耦合電容增大，導(dǎo)致測量系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分壓比與瞬時的分壓比不相同，使得測量系統(tǒng)的陡脈沖響應(yīng)波形失真。因此在滿足現(xiàn)場的測量條件下，應(yīng)盡量減少同軸電纜的長度。當(dāng)同軸電纜長度為0.2 m時，測量系統(tǒng)超調(diào)量與上升時間與高頻探頭測量數(shù)據(jù)的測量誤差小于3%，能夠較好地還原陡脈沖波形。

3 VFTO測量系統(tǒng)性能測試及分析

3.1 VFTO測量系統(tǒng)頻率特性標(biāo)定

脈沖信號可以對測量系統(tǒng)的高頻與低頻性能進行標(biāo)定，本文搭建了如圖9所示的標(biāo)定試驗回路。罐體與母線的直徑為500 kV GIS實際尺寸等比例縮小，用來模擬VFTO信號的傳播。脈沖信號源的幅值可達2 000 V，上升時間為3 ns。標(biāo)定試驗時，將脈沖信號注入至母線上，脈沖信號的一路通過高頻探頭進行測量，探頭的頻帶為500 MHz，方波響應(yīng)時間低于3 ns；另一路使用傳感器實現(xiàn)對母線電壓的測量，對比二者測量波形，實現(xiàn)對VFTO測量系統(tǒng)的頻域標(biāo)定。

脈沖信號的上升時間決定信號的高頻截止頻率。圖10為傳感器測得-50～200 ns的方波響應(yīng)曲線，兩條曲線分別為高頻探頭測得的輸出電壓信號與傳感器測得的輸出電壓信號，二者測量得到的波形基本一致，相位差則是由于傳輸電纜長度不同導(dǎo)致的。輸入電壓上升時間tr為3.138 ns，根據(jù)式(12)[15]計算得到測量系統(tǒng)的高頻截止頻率fh>111.5 MHz。

(12)

脈沖信號的脈沖寬度決定信號的低頻截止頻率[16]。圖11為-0.5～3 ms傳感器的長脈寬沖擊響應(yīng)曲線，兩條曲線分別為高頻探頭測得的輸出電壓信號與傳感器測得的輸出電壓信號。式(13)式中δ為理想和傳感器實際輸出波形間的相對誤差，τ0為測量誤差的時間長度。根據(jù)式(13)得到VFTO傳感器的低頻截止頻率fl為22.45 Hz。

(13)

(a)

圖9 頻率標(biāo)定試驗示意圖Figure 9. Schematic diagram of frequency calibration test

圖10 測量系統(tǒng)的陡脈沖響應(yīng)Figure 10. Steep impulse response of measurement system

圖11 測量系統(tǒng)長脈寬響應(yīng)Figure 11. Long pulse width response of measurement system

3.2 VFTO測量系統(tǒng)分壓比標(biāo)定

為了確定傳感器在真實環(huán)境下的分壓比，分析傳感器在不同頻率下的分壓比是否一致，需要對傳感器的高低頻下的分壓比進行標(biāo)定。因此本文在模擬GIS平臺上采用1.2/50 μs的雷電波與工頻電壓兩種信號源對VFTO測量系統(tǒng)進行不同電壓等級下的標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如表3所示。

由表3可見，工頻電壓與雷電波的電壓在不同電壓等級下的分壓比基本相同，由于測量系統(tǒng)為高通濾波器的原因，幅頻響應(yīng)曲線并非一條直線，因此雷電波的分壓比略小于工頻電壓的分壓比，二者相差9.07%，滿足VFTO的測量要求。

表3 分壓比標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了適用于GIS金屬法蘭小孔處的VFTO測量系統(tǒng)。基于柔性電路板工藝制作小型化電容分壓器，并采用后端加入阻容分壓器的方式改善測量系統(tǒng)的性能。對于匹配電阻及同軸電纜影響測量系統(tǒng)的高頻性能問題，通過分析VFTO測量系統(tǒng)的陡脈沖響應(yīng)結(jié)果，最終選擇匹配電阻為30 Ω，同軸電纜長度為0.2 m。在實驗室對VFTO測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性以及分壓比大小進行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果表明傳感器的測量頻帶為22.45 Hz～111.45 MHz，分壓比為112 790，滿足VFTO的測量要求。