基于电场的快速暂态过电压测量*

陈叶倩,吴光敏*,张文斌,谭向宇,王 科

(1.昆明理工大学,昆明 650500;2.云南电网责任有限公司电力科学研究院,昆明 650011)



基于电场的快速暂态过电压测量*

陈叶倩1,吴光敏1*,张文斌1,谭向宇2,王 科2

(1.昆明理工大学,昆明 650500;2.云南电网责任有限公司电力科学研究院,昆明 650011)

提出了一种基于电场的VFTO测量方法,以实现气体绝缘变电站(Gas Insulated Substations GIS)开关操作引起的快速暂态过电压(Very Fast Transient Overvoltage VFTO)的测量。通过MEMS电场传感器测量GIS母线周围的电场,进行大量试验确定电场强度与母线电压的线性关系,并对传感器进行标定,实现VFTO的测量。从理论上对GIS变电站不同负载的VFTO建模并进行仿真数值计算;使用扫频法、方波响应法对电场传感器的响应特征进行了测试,高频截止频率>134 MHz;在实验室内进行了高幅值电压测量实验,在云南电网公司超高压试验研究基地进行GIS变电站现场VFTO测量实验,结果表明利用电场传感器能够进行快速暂态过电压的测量。

快速暂态过电压;气体绝缘变电站;电场传感器;开关操作电场

气体绝缘变电站GIS(Gas Insulated Substations)在进行开关操作时,会引起的快速暂态过电压VFTO(Very Fast Transient Overvoltage)造成GIS管道的绝缘击穿和设备故障。因此,对VFTO特性的研究也是十分迫切的。由于VFTO波头的上升时间在ns级,其频率成分在几Hz至上百MHz之间,最高幅值接近3 pu[1]。不仅对GIS变电站和电网安全稳定运行是极大的威胁,而且对电网的发展提出了严峻的挑战,同时对现有的高压测量手段也提出极高的要求[3-4]。

国内外对VFTO测量的装置和系统进行了大量研究。其中研究方法主要有理论分析、建模计算、实验室模拟、现场实测等,且相继提出了套管末屏法[5],预埋电极法[6],微积分方法[7-8]等。其中,套管末屏法在变压器的出线套管中串入电容,形成电容分压器,但测量频带较低,且适合于测量振荡频率较低的GIS外部过电压。预埋电极法需要在盆式绝缘子中预置预埋环电极,对已经运行的GIS设备并不适用,且由于高低压臂电容连接引线引入电感的影响,易发生高频振荡,测量频带也很有限。微积分方法测量频带受到对地电容等因素的影响,导致其测量频带有限。并且链接的系统本身将成为一个有能耗的负载,对于极短时间内的高压会产生抑制作用,导致采样结果发生大幅度的变化。而且,此类传感器的分压比固定,对于被测GIS管道的VFTO幅值存在局限性。

为能够对现有运行设备的VFTO进行测量,同时能够调整分压比,本文设计了一种利用电场传感器的测量方法,通过对电场的测量实现无接触的测量VFTO。由于根据电场强度与线路中电压的线性关系来实现VFTO测量,因此只需要通过改变测量点与线路的距离,就能够实现不同电压等级的测量,不受被测电压的限制。不会破坏GIS管道,测量点的选择自由,将整个测量系统小型化,安装维护方便,并且可采用编程功能实现数据的分析和存储,对深入研究提供技术支持。

1 VFTO波形分析和测量要求

GIS变电站断路器、隔离开关操作发生触头多次击穿。产生VFTO的单相等效电路如图1所示。L和R是GIS回路中电抗器内部的等效电感和等效电阻,DS是隔离开关,C是开关两极间的分布等效电容。当DS分合闸时,在DS触头上会产生工频电源和母线之间的电压差,导致触头击穿产生严重的电弧,从而产生快速暂态。当电弧熄灭后,触头间又重新产生电压差,不断反复击穿、产生电弧、产生快速暂态[9]。

图1 产生VFTO的单相等效电路

在各类变电站中都存在隔离开关和断路器,会对其进行操作,但是GIS变电站引起的快速暂态过程最为严重。以SF6气体为绝缘介质,气压为0.3 MPa～0.4 MPa,绝缘恢复强度高于空气的10倍,幅值较高;GIS的对地电容比常规线路大,容性电流较大,导致残留电荷电压较高。根据GB/T 18134.1-2000,VFTO的波形如图2所示,通常由4个分量组成:阶跃电压;在GIS母线管道内的100 MHz高频f1分量;母线管道末端和电缆或架空线终端处的30 MHzf2分量;由于外部的大电容设备引起的0.1 MHz～5 MHz范围f3分量[10]。在重复击穿过程中,最高击穿电压为工频峰峰值,VFTO最高幅值达3 pu。

图2 VFTO波形

根据上述分析结果,确定测量系统的基本要求:具有较宽的频带、较好的高频响应特性,至少100 MHz;分压比为106数量级;测量系统能够满足200 ms的记录时间。

2 电场传感器

2.1 传感器原理

本文的VFTO测量系统中采用的是电场传感器,其工作原理如图3所示。当一组正负感应电极暴露在电场E中时,该电极间会产生感应电荷。屏蔽电极会按图中所指的方向做相应的周期运动。同时对应的正负感应电极的感应电荷数量也相应的产生周期变化,能产生与电场强度成正比的交变电流。再将改交变电流经放大电路等处理之后便可以得到与电场强度E成正比的电压信号,从而实现对电场的测量[11]。

图3 电场传感器基本原理

图4 传感器响应测试图

2.2 传感器响应特性的测试

为了确定传感器的响应特性,本文主要使用扫频法、方波响应法,对传感器的响应特性进行了测试。响应特性测试如图4所示。图4中,分别使用正弦信号和方波信号测试。

2.2.1 正弦扫频测试

扫频测试采用Agilent3320A信号发生器,产生15 Hz～20 MHz的正弦扫频信号,直接输入给传感器[15]。将传感器的输出信号通过Agilent 10073D500MHz高频探头输入到示波器,结果如图3所示。

图5中横坐标为频率,单位Hz,纵坐标为传感器输出值的归一化系数。由测试结果可知,传感器的低频截止频率<20 Hz,高频截止频率>20 MHz。

图5 传感器正弦扫频测试图

2.2.2 方波响应特性测试

方波响应测试采用Agilent3320A信号发生器,产生上升沿为6.5 ns,幅值为5 V的方波信号,通过Agilent 10073D 500 MHz高频探头和传感器,同时使用两个通道传输给示波器显示,测量结果如图6所示[16-17]。

图6 传感器方波响应测试图(5 V/200 mV/16 ns)

图6中为CH1为高频探头测得的信号,CH2W为电场传感器测得的信号,根据其上升时间约为7 ns,则

得tr约为2.6ns,再根据上升时间计算出高频截止频率

fBW=0.35/tr

则高频截止频率>134MHz。

3 GIS变电站等效模型的不同负载分析

在GIS变电站中,对于单相输电线路,在电路无显著电磁辐射的情况下,设每单位长的传输线具有电阻为R、电容为C、自感为L。把传输线细分为许多极小的小段,以区间(x,x+dx)为研究对象,如图7所示。

图7 GIS传输线模型

小段线路两端的电流并不相等,原因是两线之间的电容存在充放电(这里忽略两线之间的电漏),则有:

式中:CVdx为dx上电容所带的电荷。小段线路dx两端的电压也不相等,原因是导线上的电阻Rdx电压降(Rdx)I,还有两线之间电感Ldx上的自感电动势Ldx(∂I/∂t),有:

dV=-RIdx-Ldx(∂I/∂t)

传输线上的电压方程为:

在x=l处的负载Z0为电阻R0、电感L0和电容C0的串联,电压为:

在传输线上电压的振动频率只能与电源相同,因此有ω=ω0。将边界条件代入

V=(Aekx+Be-kx)ejω0t

得:

(A+B)ejω0t=U0ej(ω0t+φ)

(Aekl-Be-kl)ejω0t

令

稳态解为:

对于任意负载,有:

3.1 纯电阻负载

取负载为纯电阻,电阻值为R0=100 Ω、R0=500 Ω、R0=1 000 Ω,分别用红色、蓝色、黑色表示。在下面计算结果中纵坐标为电压,单位是V,横坐标式传输线长度,单位是m。取n=1∶1∶6,l1=nλ/4为传输线长度。

图8 n=6,l1=8.811×106 m

3.2 纯感抗负载

取负载为纯电感,电感量为L0=0 H∶0.5 H∶5 H。在下面计算结果中纵坐标为电压,单位是V,横坐标式传输线长度,单位是m。计算结果如图9所示。l1=nλ/4为传输线长度。其中红线是L0=0 H的计算结果。

图9 n=5,l1=7.342 5×106 m

3.3 纯容抗负载

取电容量为C0=1.0×10-6F∶2.0×10-6∶2.0×10-5F,在下面计算结果中纵坐标为电压,单位是V,横坐标式传输线长度,单位是m。计算结果如图10所示。l1=nλ/4为传输线长度。其中红线C0=1.0×10-6F是的计算结果。

图10 n=5,l1=7.342 5×106 m

在电压过高的情况下,直接从线路上取信号进行测量时困难的。如果直接连线取样,则需要通过特殊措施在分压后,才能进行测量。这种高压情况下实现是不容易的,并且链接的系统本身将成为一个有能耗的负载,对于极短时间内的高压会产生抑制作用,导致采样结果发生大幅度的变化。

4 实验结果与分析

VFTO的两大主要特征是频率高、幅值大。为验证电场传感器是否能够满足VFTO的测量要求在实验室内建立如图7所示的高幅值电压测量平台,以及根据GIS电路等效模型建立的快速暂态过程模拟平台。

4.1 高幅值电压测量线性度验证实验

为了确定电场与线路中电压的固定关系,验证通过电场测量电压方式的可行性,同时为了得到正确的VFTO波形,需要对测得的电场信息波形进行还原,还原成电压数据。因此在实验室100 kV高压试验台建立了如图11所示的电场测量实验平台。主要由工频变压器、保护电阻以及球形电极构成。将电场传感器置于球形电极周围确定距离处,用来测量电场强度信息,由示波器记录数据。

图11 电场测量实验平台

在实验平台上进行了大量的测试实验,得到了传感器的测量数据,典型的结果如图12所示,图12中固定电场传感器与高压源距离为1.5 m,逐渐改变高压源输出电压幅值,获得电场强度与电压的关系,拟合结果为f(x)=0.078 91x+0.169。实验结果表明,电压与电场之间存在固定关系,并且可以被测量获得,即能够采用电场测量的方法实现高电压的测量,解决了VFTO幅值高的测量难点。在图5中电场传感器输出的测量信号为电压,与所测量点的电场强度具有线性关系。

图12 测量结果

4.2 GIS变电站的VFTO现场测量

卢斌先等人对500 kV变电站开关操作产生的瞬态电场进行了测量,验证了电场传感器能够测量GIS变电站产生的瞬态电场[12,18]。

为了验证电场传感器对GIS变电站VFTO的测量的有效性,在云南电网公司超高压试验研究基地进行了数百次VFTO测量实验。该VFTO试验基地由2 MV标准特快速暂态过电压发生器产生VFTO信号,直接注入GIS变电站管道的母线中[19]。现场布置如图13所示,测点位置如图14所示。

图13 VFTO测量实验现场图

图14 GIS管道测点位置图

测点1位于VFTO信号发生器端玻璃法兰,测点2位于GIS管道口隔离接地开关处,测点3位于GIS管道断路器前,测点4位于GIS管道断路器后。如图15所示,为测量系统架构图。数据采集箱采用的是德国Spectrum公司的digitizerNETBOX的高速采集板卡,采样频率为1.25 GHz,支持4通道同时采样,每通道可存储268×106个数据点,能够完整记录VFTO波形。

图15 测量系统架构图

图16 VFTO波形对比图

图16为在VFTO信号发生器测得的VFTO波形全波。图16(a)为西安交大的锥形电容传感器的测量结果,图16(b)为本文的电场传感器的测量波形。

锥形传感器测得的VFTO幅值为:773.476 9 kV,上升沿为320 ns;电场传感器测得的VFTO幅值为:780.690 kV,上升沿为310 ns;锥形传感器在末端加装了同轴积分器,滤除了部分振荡,因此在图16(b)中电场传感器的波头部分出现一定的振荡[20]。由大量实验数据对比分析可见,本文的测量系统满足VFTO的测量要求[21-22]。

5 结论

基于电场原理进行VFTO的测量,能够解决电容传感器分压法在不同电压等级上的测量缺陷,测量范围大;电容传感器分压法的系统本身将成为一个有能耗的负载,对于极短时间内的高压会产生抑制作用,导致采样结果发生大幅度的变化,而电场原理测量法能够解决。

(1)研究了基于电场的快速暂态过电压测量方法。主要根据电场跟电压的固定线性关系,当GIS开关电路中的电压变化时通过电场传感器采集相应的电场变化数据,实现对VFTO的测量;(2)建立了GIS变电站等效模型。对GIS变电站不同负载情况,进行理论计算分析;(3)根据正弦扫频和方波响应测试结果表明,传感器的低频截止频率<20 Hz,高频截止频率>134 MHz,满足了VFTO测量对频率的要求;(4)实验室结果证明通过电场传感器能够实现对线路电压的测量,同时验证了低压环境下,能够通过电场传感器对高幅值的电压进行测量;(5)在云南电网公司超高压试验研究基地进行了数百次VFTO测量实验,验证本文的测量系统满足VFTO的测量要求。

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陈叶倩(1992-),女,昆明理工大学硕士研究生,主要研究方向为嵌入式计算机系统,电力电子技术,calmfs@qq.com;

吴光敏(1957-),男,目前任昆明理工大学教授、硕士生导师,主要从事嵌入式计算机系统、电力电子技术,实时图像信号处理、遥感影像分类技术、RF-MEMS技术的研究,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