氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的瞬態(tài)外殼電壓測量方法研究

黃知偉

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司荊州供電公司，湖北荊州 434000）

0 引言

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GⅠS）具有可靠性高、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，已在我國電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。隨著電網(wǎng)電壓等級的逐漸提高，觸頭運(yùn)動較慢，滅弧能力差等原因?qū)е翯ⅠS設(shè)備的開關(guān)操作過程中出現(xiàn)了快速瞬態(tài)過程?？焖偎矐B(tài)過程中，電磁波在GⅠS內(nèi)部經(jīng)過多次折射，形成了快速瞬態(tài)過電壓，導(dǎo)致GⅠS 外殼形成了對地瞬態(tài)外殼電壓[2]。瞬態(tài)外殼電壓將導(dǎo)致電磁波沿著GⅠS 外殼與大地進(jìn)行傳播，危害GⅠS 設(shè)備的可靠性、安全性。GⅠS 設(shè)備的支撐柱、接地網(wǎng)存在阻抗，因此瞬態(tài)外殼過程在阻抗不連續(xù)的地方將來回折射，形成對地的電位差[3]。瞬態(tài)外殼電壓具有隨機(jī)性，峰值可高達(dá)幾十千伏，上升沿時(shí)長為納秒級，曾發(fā)生過1000 kV 的GⅠS 接地刀閘放電故障，就是由瞬態(tài)外殼電壓引起的[4-5]。在我國武漢，曾發(fā)生過瞬態(tài)外殼電壓導(dǎo)致GⅠS的SF6氣體密度傳感器故障的案例[6]。GⅠS 的瞬態(tài)外殼電壓與GⅠS內(nèi)部的殘余電荷、開關(guān)速度、氣體電離狀態(tài)等密切相關(guān)，即使重復(fù)同一工況，測量的瞬態(tài)外殼電壓也每次不同[7]。通過多次重復(fù)測量同一工況下的瞬態(tài)外殼電壓、不同工況下的瞬態(tài)外殼電壓，能夠根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)分析瞬態(tài)外殼電壓的分布特征[8]。測量瞬態(tài)外殼電壓可獲得大量信息，形成數(shù)據(jù)分析，對抑制瞬態(tài)外殼電壓提供技術(shù)指導(dǎo)，有助于后續(xù)改善GⅠS，進(jìn)一步提高其可靠性、安全性。測量瞬態(tài)外殼電壓需要強(qiáng)抗干擾能力的測量裝置，該裝置應(yīng)具備高絕緣耐壓等級，應(yīng)具備遠(yuǎn)距離測量等特點(diǎn)[9]。在特高壓電網(wǎng)中，GⅠS設(shè)備的周圍環(huán)境電磁干擾較大，對于測量裝置的電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)而言，強(qiáng)電磁干擾容易損害測量裝置[10]。

在研究了瞬態(tài)外殼電壓的測量要求、測量原理、測量場景的基礎(chǔ)上，研制測量裝置。該裝置具有較強(qiáng)的電磁兼容能力，高絕緣耐壓能力，且能夠通過屏蔽電纜實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的測量，保障測量工作人員的安全。

1 瞬態(tài)外殼電壓測量要求

1.1 瞬態(tài)外殼電壓測量方法

GⅠS 瞬態(tài)外殼電壓的定義如圖1 所示，其可表示為：

圖1 GS瞬態(tài)外殼電壓定義示意圖

式中，E為GⅠS 外殼的電場強(qiáng)度，l1為圖中A 點(diǎn)到B點(diǎn)的距離，l2為圖中B點(diǎn)到G點(diǎn)的距離。

在圖1 中，瞬態(tài)外殼電壓測量裝置應(yīng)該放置在屏蔽箱中，A點(diǎn)與G點(diǎn)通過屏蔽導(dǎo)線相連。圖中，沿閉合回路ABGMA可知：

式中，B為GⅠS 外殼的磁通密度。因此，結(jié)合式（1）與式（2）可知，瞬態(tài)外殼電壓可表示為：

式中，Φout為穿過ABGFDA 閉合曲線圍成的截面的磁通，Φin為穿過DFGMD 閉合曲線圍成的截面的磁通。對式（3）展開可得外殼瞬態(tài)電壓表示式：

式中，u為測量引出線兩端的電壓。

若式（4）右邊第二項(xiàng)、第三項(xiàng)均為0，則可通過測量引出線兩端電壓測量瞬態(tài)外殼電壓。第二項(xiàng)為0，可通過選擇電導(dǎo)率高、帶有屏蔽層的測量導(dǎo)線及減少裸露在外的導(dǎo)線長度，進(jìn)而削弱電磁場在導(dǎo)線表面產(chǎn)生的電場強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。第三項(xiàng)為0，可通過減小閉合回路面積實(shí)現(xiàn)，即導(dǎo)線沿著GⅠS 的金屬外殼和金屬支架鋪設(shè)，屏蔽箱緊貼GⅠS的箱壁。

1.2 瞬態(tài)外殼電壓特征分析

瞬態(tài)外殼電壓通常由多個(gè)單脈沖信號組成。在合閘時(shí)，動靜觸頭間的距離逐漸變小，間隙擊穿的時(shí)間間隔變短，因此瞬態(tài)外殼電壓呈現(xiàn)出前疏后密、前大后小的特點(diǎn)；在分閘時(shí)，則反之。對于瞬態(tài)外殼電壓單脈沖而言，其頻譜分布呈現(xiàn)出衰減振蕩形式，包含3 種頻率成分，分別為低頻成分、高頻成分以及特高頻成分，如圖2所示。

圖2 瞬態(tài)外殼電壓頻譜

由圖2 可知，瞬態(tài)外殼電壓的幅值通常小于35 kV，持續(xù)時(shí)間低于20 個(gè)工頻周期，頻率常低于60 MHz，上升時(shí)間短，不長于5 ns。因此，測量瞬態(tài)外殼電壓的設(shè)備應(yīng)滿足以下要求：測量的電壓幅值在35 kV，因此測量裝置的輸入電壓需設(shè)計(jì)為超過35 kV；帶寬應(yīng)大于60 MHz，響應(yīng)時(shí)間低于5 ns；測量裝置記錄保存數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于400 ms（即20個(gè)工頻周期），采樣速率應(yīng)大于300 MS/s。

2 瞬態(tài)外殼電壓測量裝置

2.1 分壓器設(shè)計(jì)

瞬態(tài)外殼電壓幅值較大，因此需通過分壓電路進(jìn)行分壓后測量。利用電阻分壓原理設(shè)計(jì)的測量電路的原理圖如圖3 所示。圖3 中，R1為引線電阻，承擔(dān)了大部分電壓，L1、C1分別為電阻器R1的寄生電感、電容，R1、L1與C1構(gòu)成阻抗Z1；R2為匹配阻抗，L2、C2分別為電阻器R2的寄生電感、電容，R2、L2與C2構(gòu)成阻抗Z2；R3與C3分別是可調(diào)電阻器與可調(diào)電容器。由圖3 可知，輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系可表示為：

圖3 分壓器原理

式中，K表示分壓比，可通過可調(diào)電阻、電容R3與C3調(diào)節(jié)，且分壓比與頻率有關(guān)。R3、C3應(yīng)具備阻抗匹配、帶寬調(diào)節(jié)功能。此外，為減小測量誤差，測量裝置應(yīng)具備較大的輸入阻抗，即Z1+Z2應(yīng)設(shè)計(jì)較大。

2.2 測量裝置設(shè)計(jì)

瞬態(tài)外殼電壓的測量裝置應(yīng)包括電壓分壓器、蓄電池供電系統(tǒng)、光電觸發(fā)器、光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)、多通道采集系統(tǒng)、在線顯示功能、屏蔽箱等。在測量過程中，應(yīng)將蓄電池供電系統(tǒng)安裝在屏蔽箱中，防止其對瞬態(tài)外殼電壓測量產(chǎn)生干擾。數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)則由高性能、采樣頻率高、存儲數(shù)據(jù)多的錄波儀構(gòu)成。多通道采集系統(tǒng)可通過命令指令，分別向多個(gè)通道發(fā)送光電脈沖信號，實(shí)現(xiàn)同步測量不同的測試點(diǎn)，觀測瞬態(tài)外殼電壓在GⅠS外殼上的分布特征。測量流程如圖4 所示。由圖4可知，測量裝置開機(jī)后能夠自行測量瞬態(tài)外殼電壓，并自動存儲數(shù)據(jù)。

圖4 測量流程

3 結(jié)果分析

為驗(yàn)證該測量裝置的有效性，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。瞬態(tài)外殼電壓通過信號發(fā)生器模擬，其峰峰值設(shè)置為20 V，上升時(shí)間設(shè)置為5 ns。圖5 所示為測量裝置的輸出電壓波形。由圖5 可知，電壓波形上升時(shí)間較5 ns有延長，波頭處振動幅度大，但是穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓幅值的誤差在10%左右。

圖5 測量電壓波形

4 結(jié)論

根據(jù)GⅠS 設(shè)備的瞬態(tài)外殼電壓的定義、使用環(huán)境、測量要求分析研究了測量瞬態(tài)外殼電壓的方法及設(shè)計(jì)了測量裝置。該測量裝置由分壓器、蓄電池供電系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)等構(gòu)成，具有能夠自動測量、記錄的能力，方便用戶使用且保障用戶安全。