测量快速暂态过电压系统与仿真研究

徐鹏,马仪,谭向宇,陈磊,彭晶

(1.昆明理工大学云南电网公司研究生工作站,昆明 650217 2.云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217)

测量快速暂态过电压系统与仿真研究

徐鹏1,马仪2,谭向宇2,陈磊2,彭晶2

(1.昆明理工大学云南电网公司研究生工作站,昆明 650217 2.云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217)

提出了对GIS操作产生的VFTO(very fast transient over-voltage)波形的的一种电容分压器测量系统,并进行仿真分析对其可能存在的影响因素进行分析并得出结论。

电容分压器；测量系统；快速暂态过电压

0 前言

近年来,气体绝缘变电站 (GIS)在我国电力系统中得到越来越广泛的应用。随着GIS运行电压等级的提高,因隔离开关、接地开关和断路器的操作引起的快速暂态过电压 (VFTO,very fast transient over-voltage)将更加严重。因此,对GIS内部快速暂态过电压进行测量研究,具有重要的意义。

国内外曾对GIS中VFTO的测量开展过较多的研究,并在数值、模拟计算方面取得一些进展,然而通过数值、模拟计算得出的波形数据仍然需要现场实测试验对照检验其正确性,这就对VFTO的测量提出了较高的要求[1]。

对GIS中VFTO的测量不同于常规的冲击电压测量,它具有许多特殊性：

1)VFTO的上升时间很短 (约10 ns),测量系统必须具有较高的上限频率 (100～200 MHz)。

2)由于VFTO是叠加于工频电压上并受到残余电荷 (其等效频率接近直流)的影响,因此测量系统要能反映出这些因素对VFTO波形的影响就必然要求其下限截止频率低至数十Hz,甚至接近直流。

3)GIS开关操作时会产生很高的瞬态地电位(TEV)及空间电磁干扰,因此对测量仪器的保护等要求很严格,并要求采取有效的抗干扰措施[2]。

4)伴随系统电压的提高,尤其是特高压GIS的建设,VFTO的幅值也越来越高,如特高压系统中产生的VFTO,其幅值可达2 MV以上,这要求VFTO测量系统具有很大的分压比。

目前国内外各大公司、科研机构以及高校对VFTO测量方法进行了大量研究,主要有微积分法和电容分压器法[3],本文对在2 MV冲击电压发生器上的VFTO波形测量系统做了设计与仿真测试。

1 测量系统原理

本装置测量系统由安装在GIS母线筒预留观察窗内的锥形电压传感器、双屏蔽电缆、同轴积分器和示波器构成。为了隔离实验时高频信号的干扰,测量系统在GIS外面的部分全部封装在5 mm厚的铝制箱子中,示波器采用锂电池逆变供电。测量结果通过示波器自带网线输出经光纤传送到离发生器较远的电脑进行波形观察和数据处理。为进一步抑制测量信号的失真和畸变,双屏蔽电缆与示波器相连位置加装同轴积分器。通过这些手段来保证测量的有效性与准确性。测量系统的核心是锥形电压传感器,其详细结构如下图1所示。

图1 锥形电压传感器结构图

锥形电压传感器是基于电容分压器的原理设计而成的,其分析方法与电容分压器类似。本测量系统的简化电路如下图2所示。

图2 锥形电压传感器原理图

如上图所示,带同轴积分器的锥形电压传感器原理图只是在首段匹配的电容分压器末端增加了一个RC积分器。考虑到测量电缆的末端匹配以及对测量波形影响的大小,同轴积分器积分电阻Ri取50 Ω,积分电容Ci取150 pF。测量系统的分压比可通过下述过程近似推导。

将RC积分器看作低通滤波器,可粗略认为,当输入信号频率低于整个测量系统的上限截止频率时,信号不衰减,此时示波器所测信号与电缆末端完全一致。故在满足系统上限截至频率的范围内,同轴积分器对信号无影响[4]。此时,锥形电压传感器与首端匹配末端开路的电容分压器完全一致。

与电容分压器分压比的推导类似,电压信号输入之初,电缆呈现为波阻抗,系统初始分压比：

波在多次折反射结束后达到稳定状态,测量电缆可看作一集中电容CZ,故稳态分压比：

比较上述两式,虽然初始与稳态分压比不同,但是当选用的测量电缆长度较短时,稳态CZ值较小。实际上,为了得到很高的分压比,低压臂电容C2远远大于CZ,所以可认为初始分压比与稳态分压比相等。

由波形最终幅值和频率以及发生器效率的简化电路公式,可知回路R、L、C对输出波形影响如下：波形幅值主要由Cp和Ct相对大小来决定。电感和总电容越小,振荡频率越高,同时波形上升时间将越短[5]。电阻越大,波形振荡衰减越快,振荡频率越低,波形上升时间越长。

2 仿真与性能影响因素分析

2.1 仿真与波形测量

锥形电容分压器可以直接等效为电容分压器, ATP仿真模型如图3所示,其中高、低压臂电容值分别取为：C1=0.16 pF,C2=9.6 nF。

图3锥形电容分压器测量系统仿真电路 (电容分压器法Ⅱ)

其中,RP=1 MΩ、CP=13 pF模拟示波器的入口电阻和入口电容；Z为测量电缆波阻抗,Z= 50 Ω；测量电缆长度为0.2 m。

为了研究锥形电容分压器响应特性,用ATP对其进行方波相应特性建模仿真,仿真电路分别如图3所示。其中,方波源设置在t=10 ns时投入上升时间为0 s、幅值为9.6 kV的理想方波。在忽略杂散因素的情况下,锥形电容分压器测量系统的理想方波响应结果分别如图4所示。

图4 忽略杂散因素锥形电容分压器方波仿真结果

如上图所示,仿真输入电压U1=9.6 kV,锥形电容传感器输出电压为0.16 V,可见电容分压器的分压比为60 000：1,响应时间为1.6 ns。由于忽略测量系统的杂散因素,方波为理想方波,从图中看到电容分压器的响应特性接近完美。但在实际测量中,线路、电路元件等杂散参数必然会对电容分压器的响应特性造成影响[6],另外电容分压器的输出信号要经过电缆传输到示波器上,电缆的匹配参数也将对整个测量系统的响应特性产生影响。

2.2 可能影响因素仿真测试

1)引线杂散电感对测量系统方波响应特性的影响：仅考虑测量电缆首端匹配电阻引线电感的情况下,电容分压器的方波响应特性仿真电路如图5所示,仿真结果如图6所示。

图5 考虑线路杂散参数影响时方波响应仿真电路

图6 考虑线路杂散参数影响时方波响应仿真结果

从图6中可以看到,测量系统方波响应时间为1.7 ns(不考虑杂散电感时为1.6 ns),稳态时系统分压比没有发生变化,可见线路杂散电感对系统响应时间没有很大影响。同时,响应波形局部有振荡,过冲小于6%,这对于测量快速陡脉冲波形是不利的。电路中有电容、电感,在某个频率下必然会发生谐振,这种局部振荡叠加于原始波形,使波形畸变,可能导致测不到完整的原始波形。

2)传输电缆的长度对测量系统方波响应特性的影响：电容分压器的输出信号要通过电缆传输到示波器,仅考虑电缆长度的问题下,方波响应的仿真电路如图3所示。图7所示为电缆长度分别为0.2 m和2 m的方波响应仿真结果。

图7 不同电缆下的方波响应仿真结果

从图7中看到,方波源设置方波的投入时间一定,测量波形在不同的电缆长度下出现的时刻不同,电缆的长度对测量系统响应时间没有太大影响。然而,当响应达到稳定时,从图中明显看到系统分压比有所增大,这与理论分析上是一致的。测量电缆长度增加,当系统达到稳态时,电缆等效电容将会增加,从 (2)式可以看出,系统分压比也将会变大。但当电缆长度继续增加,稳态时电缆等效电容的影响将进一步扩大,系统分压比有所增加,但波形有可能出现很大的过冲,这是不希望见到的。所以要选择适当的电缆长度。

3)低压臂电容值对系统方波响应特性的影响：改变分压器低压臂电容值,系统方波响应仿真电路如图3所示,仿真结果如图8所示。

图8 不同低压臂电容值下方波响应仿真结果

从图8中明显可见,低压臂电容值改变对系统响应波形和时间没有影响,仅仅使得系统分压比发生变化。对于幅值达2 MV的VFTO信号,提高低压臂电容有利于被测信号的准确测量。

3 结束语

通过对VFTO信号测量方法的电路结构和测量原理的分析,并且通过ATP仿真分析了各种测量系统的方波响应特性及其影响因素。比较了各种测量方法的响应性能,得到以下结论：

1)对于由锥形电容分压器构成的测量系统,受系统杂散参数影响较小,但是在设计GIS管道时必须考虑其测量点,对已运行的GIS无法安装电容分压器。

2)电容分压器测量系统几乎不受长度的影响,但是在系统响应达到稳态以后,继续扩大的电缆等效电容将可能造成波形过冲,在设计中需要考虑合适的电缆长度。

3)较高的低压臂电容可以使得测量信号更为准确。

[1] MA Guo-ming,LI Cheng-rong,QUAN Jiang-tao,etal.Measurement of Very Fast Transient Overvoltages at the Transformer Entrance[C].Electrical Machines and Systems,2008, ICEMS 2008,International Conference on 2008.

[2] 马亮.GIS中VFTO的测量研究 [D].华中科技大学,2008.

[3] 孙伟,王韵,武增尧,等.500 kV GIS中快速暂态过电压的测量 [J].高压电器,1988.

[4] 史保壮,张文元,王宝利,等.一种新型陡波测量系统的研究 [J].高电压技术,1997.

[5] 张文元,史保壮,邱毓昌.用微积分系统测量快速暂态过电压的研究 [J].西安交通大学学报,1996.

[6] 史保壮,张文元,顾温国,等.GIS中快速暂态过电压的计算及其影响因素分析 [J].高电压技术,1997.

马仪 (1969),男,硕士,高级工程师,云南电网公司电力科学研究院,从事高电压技术研究。

谭向宇 (1980),男,博士,工程师,云南电网公司电力科学研究院,从事高电压技术研究。

Research on VFTO Measurement System and Simulation

XU Peng1,MA Yi2,TAN Xiangyu2,CHEN Lei2,PENG Jing2
(1.Graduate Workstation of Kunming University of Science and Technology, Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650217,China；2.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217,China)

this paper presents a capacitive divider measurement system for the generation of GIS operations VFTO(very fast transient over-voltage)waveform,and simulation analysis of its influencing factors that may exist and draw conclusions.

capacitive divider；measurement system；VFTO

TM76

B

1006-7345(2015)01-0063-03

2014-08-17

徐鹏 (1988),男,硕士研究生,云南电网公司昆明理工大学研究生工作站,从事继电保护与雷电定位系统研究工作 (email)772142377＠qq.com。