变电站雷电侵入波过电压测量技术综述

罗易桥 毛宇翔 甘粲

（西华大学电气与电子信息学院）

变电站雷电侵入波过电压测量技术综述

罗易桥 毛宇翔 甘粲

（西华大学电气与电子信息学院）

现在的电力系统缺乏有关雷电波形的真实数据，其主要原因是因为现有的关于雷电侵入波过电压的测量手段有一定局限性，无法切实反映电力设备一次侧的雷电侵入波过电压的波形。本文较为详细地介绍了外接分压器、套管末屏电容分压、分布电容分压、避雷器阀片分压、全光学电压传感器电场反演、二次侧测量波形函数反演以及地线电流反演电压等测量技术，通过分析上述各类测量方式的优缺点，对今后的研究方向与重难点技术攻克提出了自己的见解。

雷电侵入波；测量技术；雷电波形

0 引言

我国幅员辽阔，在全国的大部分地域都属于雷电活动较为频繁的区域，雷电放电所产生的雷电流高达几十、甚至几百千安，并将引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。由雷电过电压侵入变电站后导致的电力设备发生绝缘故障的案例屡见不鲜，因此，通过一些测量手段来较为准确地获得故障前的过电压波形，对于进行故障分析起着相当重要的作用。

国内外的研究学者也由此开展了一系列的有关电力系统雷电侵入波过电压测量技术方面的研究工作，本文将其大致分为直接测量类和反演类两种，直接测量类主要包括：外接分压器法[1-2]、套管末屏电容分压法[3-4]、分布电容分压法[5-6]、避雷器阀片分压法[7]等，反演类主要是有：基于全光学传感器的电场反演测量法[8-9]、二次侧测量波形函数反演法[10-12]以及地线电流反演电压法[13]，适用于不同变电站内不同设备的过电压测量技术。

本文主要分析了以上几种变电站内雷电侵入波过电压测量的方法及其现阶段研究进展，通过分析其优缺点，为今后研究此方面的技术提供了一定的参考基础。

1 外接分压器法

目前，我国较为常见的记录变电站雷电侵入波过电压的方法是外接分压器的方法[1]，即采用电阻分压或者电容分压的原理采集过电压信号。图1是外接分压器法的示意图。

图1 外接分压器法过电压测量方式示意图

此方式对过电压的波形记录较为准确，频响特性也符合标准。但是，由于加装的分压器是在变电站母线或者出线处，且并联在电网中，长期运行可能会造成过热、阻抗匹配或是交流冲击过大等问题，其可靠性不能满足长期挂网稳定运行的基本需求。

因此，该方法如若在变电站中运行，也仅仅适用于110kV及其以下的电压等级的变电站中[2]。根据资料显示，也可将可移动式外接分压器用于输变电设备的启动调试中[1]。

2 套管末屏电容分压法

套管用来把电流引入或引出变压器金属外壳的设备[3]，在电流互感器、变压器以及穿墙的设计中都应用了此设备，110kV及其以上的变电站内常使用电容式套管[4]。本文以变压器上的电容式套管末屏为主要研究对象，阐述基于套管末屏电容分压法的基本思想。

利用油套管电容极板电容与末屏电容串联分压原理，在末屏处获得分压后的过电压信号。构成的电容分压器的高压臂为导体与油套管末屏之间的电容，低压臂为外接标准电容器，使低压臂电容器单元上的正常运行电压不大于监测设备正常运行的安全电压，从而构成电容分压器。图2是基于套管末屏电容分压法的工作原理图。

图2 套管末屏电容分压过电压测量方式原理图

末屏电容分压法的优点是利用电力系统已有的设备，不需停电安装，经济效益高，主回路中仅包含电容器件，高频响应特性好，测试精度较高。但变电站内的油套管末屏较少，存在监测位置的局限性。变压器油套管末屏分压器存在着工频电容电流补偿电抗，即存在50Hz左右范围内的带通滤波，不利于进行过电压的实时监测。在测量原理中可以看到末屏不直接接地也带来了一定安全隐患，安全性并不高。由目前的文献资料看来，其只有110kV变电站内测量的波形数据[4]，在此电压等级以上均未出现成功测量的实例，仅在实验室的平台上有相关研究。据现在的研究进展来看，末屏电容分压法还能应用于穿墙套管和电流互感器，但也存在着一定的应用局限性。因此，该方式要应用于更高电压等级下的变电站的波形测量，还需要进一步地研究开发。

3 分布电容分压法

分布电容分压法的基本思想是利用分布电容与取样电容串联分压的原理设计而成的。由GIS内部悬浮的金属极板构成的电容分压器的高压臂导体与悬浮极板之间的电容，低压臂为外接电容器，形成电容分压器[5--6]。

它的优点是利用纯电容测量回路的思想，暂态响应特性好，且与一次设备无电气连接，安全性较高。但存在着GIS内部悬浮极板需要在GIS出厂时定制的问题，且安装困难，需在变电站建设之前设计。且此方法因为是依靠GIS内部悬浮的金属极板，由此目前只能在GIS内实现，适用范围不广，三相共体的电压相互耦合问题降低了测试精度。图3是基于分布电容分压测量法的工作原理图。

图3 分布电容分压过电压测量方式原理图

4 避雷器阀片分压法

由于避雷器在各个电压等级下的变电站中的进出线、母线、变压器各端口基本都有设置，对其进行不改变原有功能特性的基础改造的话，便于日后的推广运用。避雷器阀片分压法的基本思想是利用避雷器主体阀片与避雷器计数器阀片串联分压原理，在计数器阀片两端获取分压后的过电压信号[7]。图4是基于避雷器阀片分压法的测量原理图。

图4 避雷器阀片分压过电压测量方式原理图

优点是在确保分压阀片与主阀片通流密度一致情况下，可保证避雷器阀片分压比的线性度，测试精度高。同时ZnO避雷器阀片分压过电压测量只需在避雷器计数器端进行改造，不额外增加一次设备，也不需要停电安装，更不用在一次设备上进行调试，在目前暂态过电压监测方法中具有操作性强，安全性高，低成本的优势。

5 全光学电压传感器电场反演式测量法

近段时间，有研究人员利用电容分压装置，从高压母线获得一个较低的电压信号加于光学电压传感器。该方式采用光学电压传感器代替了传统CVT的二次电磁分压单元，利用光学电压传感器响应快、频带宽的特点，避免了二次电磁分压单元频响特性不佳对整个过电压测量装置性能的影响，实现了一次设备和二次设备隔离[8]。但是其存在不太稳定的缺点，且仍然受前端电容分压器对过电压测量的局限。图5是基于全光学电压传感器的原理图。

图5 全光学电压传感器原理图

通过测量架空线及临近设备周围的电场的方法，根据所测工频电场与高频电场的相对值来反映架空连接线等部位的过电压倍数，根据所测电场的频率来反映传感器所在位置(套管出线、架空连接线)等部位过电压频率[9]。图6是基于全光学传感器的电场反演式过电压测量方式原理图。通过研制球形电场传感器，经实验验证，该方案能够达到25MHz的带宽，但是金属的球形传感器会对空间电场有所畸变，空间电场易受外界干扰，测量准确度不高，同时该方式造价贵，安装繁杂，还需进一步优化才可能推广应用。

6 二次侧测量波形函数反演法

目前，电磁式电压互感器PT被广泛应用于6kV及其以上的变电站中，利用变电站内原有的设备PT进行波形的测量是比较方便快捷的一种方式。但是PT的频响特性并不好，对于高频次的过电压经过电磁单元在二次侧进行测量时，往往得到的波形会发生一定程度的畸变，这使得在二次侧测量得到的波形不能直接用于分析过电压产生的机理。为了修正由于电磁单元的存在而出现的波形畸变，学者们提出了时域递归卷积思想来反演波形的方法[10-11]。

此方法主要是建立了变电站侵入波过电压测量系统的反演模型，由电磁式电压互感器TV的二次侧测量得到的电压信号u2(t)，经过二次分压后采集得到的电压信号u4(t)，以时域递归卷积的思想结合频谱网络分析仪测量整个测量系统的二端口散射参数，推导相应的数值计算函数h(t)，得到一次侧的过电压信号u1(t)。如图7所示是整个反演思想的原理示意图。

图6 基于全光学传感器的电场反演式过电压测量方式原理图

图7 基于二次侧测量波形函数反演过电压测量方式原理图

该原理被证明也可以用于电容式电压互感器CVT所建立的线性模型中，二次侧测量得到的波形反演。据文献资料显示，该方法对雷电过电压的计算结果仍存在一定的数值振荡，结合PT或者CVT的等效电路模型进行一定的仿真计算和理论推导，用LOWESS法可以有效地处理数值振荡的问题[12]。但是当前的研究仅限于把PT、CVT考虑成线性模型来处理，如何进一步地研究实际工况下，在考虑了铁心饱和的情况以后，对CVT宽频非线性模型的建立，是今后的研究重点及难点，由此可以反演出更接近于实际的一次侧真实波形。

7 地线电流反演电压法

地线电流反演电压法主要是以容性设备的泄漏电流为主要研究对象来提出的，基本思想是利用两个磁导率不同的线圈来获得泄漏电流的中频率（30Hz～3kHz、3kHz～1MHz）电流成分，通过积分滤波将两种电流信号求和，以此来达到反演为一次侧电压的目的[13]。

以电流作为主要反演对象的类似方法还有将前文中提到的套管末屏，用末屏的抽头电流进行反演[14]，由相应的测量方法测得电容式套管末屏的抽头电流，也是通过积分滤波的方法求得待测电压，此方法只在110kV及以下的设备上进行过测试试验。与套管末屏电容分压法比较，有着相似的不足之处，需要在末屏的接线处进行一定的改造，安全性不高。另外，利用母线CVT响应电流来实施在线监测侵入波过电压[18]，也是一个较为创新的研究方向。

8 结束语

综合现在已有的变电站雷电侵入波测量技术的研究来看，以下两个问题是亟需攻克的重难点：测量方式的安全性以及测量方式的频响特性。

关于测量方式的安全性方面，至少不可以影响到原设备的基本性能和挂网运行的可靠性，也就是不能存在潜在的安全隐患。另外，还应该尽可能地保证不会引起原系统新产生出谐振过电压，增强与原设备间的绝缘配合也是需要注意的。

由于雷电波的高频段主要在300kHz以上，对于测量方式的频响特性来说有极大的考验，如何通过安全性得到保障的前提下，尽量地提升测量方式的频响特性，获取畸变程度较小的一次侧波形是技术难点。

对于今后测量方式的研究提出以下的看法，利用变电站内原有的设备进行测量依然是测量技术中的首选，但是CVT的暂态性能不足以支撑它测量高频段的雷电波形，因此研究提升CVT的高频暂态特性，进一步降低其测量波形的畸变程度是很重要的一点。此外，对于一次设备改动较小、实施比较简单的方法应大力推行，在设备的暂态性能无法短时间内得到飞跃的提升的情况下，此类办法仍然是测量技术的重心。在此基础上，也可以把深入研究的眼光放在“非接触式”的测量方式上，与“改装式”相比来说，其运行安全可靠，与一次设备没有直接的联系。对于已有的测量数据进行反演的计算方法也需要引起重视，通过开发有效的算法，对测量得到的电流、电场以及电压信号进行一定的反演计算，能够真实有效地得到下一步研究需要的一次侧电压数据，也是一个很好的解决办法。

[1] 杜林，司马文霞，杨庆，等. 110kV变电站过电压在线监测系统及其波形分析[J]. 高电压技术，2012,38(3):535-543.

[2] 周凯，张涛，董秀成，等. 10kV电网过电压在线监测装置的研制及波形分析[J]. 电工电能新技术，2006,25(3):73-76.

[3] 明志强，许虎. 通过变压器电容式套管末屏获取过电压信号的方法[J]. 四川电力技术，2009，32(4)：65-68.

[4] 司马文霞，兰海涛，姚陈果，等. 套管末屏电压传感器响应特性研究[J]. 中国电机工程学报，2006，26(21)：172-176.

[5] 倪鹤立，王同磊，袁炜雄，等. 应用耦合电容传感器的变压器类绕组暂态电压非接触式测量方法[J]. 电网技术，2016，40(12)：3930-3937.

[6] 叶 鹏，朱 峰，李建明，等. 架空输电线路过电压在线监测系统[J]. 电网与清洁能源，2013，29(6)：33-38.

[7] 姜聿涵，谢维成，李建明，等. 利用避雷器电阻阀片特性分析过电压[J]. 电测与仪表，2015,52(15)：62-66.

[8] 谢施君，汪海，曾嵘，等. 基于集成光学电场传感器的过电压测量技术[J]. 高电压技术，2016，,42(9)：2929-2935.

[9] 曾 嵘，俞俊杰，牛犇，等. 用于宽频带时域电场测量的光电集成电场传感器[J]. 中国电机工程学报，2014，34(29)：5234-5243.

[10] 张重远，李文博，陈 涛，等. 基于TV宽频特性的过电压在线监测算法[J]. 高电压技术，2014，40(3)：801-807.

[11] 张重远，唐帅，梁贵书，等. 基于电磁型电压互感器传输特性的过电压在线监测方法[J]. 中国电机工程学报，2011，31(22)：142-148.

[12] 李文博. 基于CVT 宽频线性模型的过电压在线监测方法研究[D]. 北京：华北电力大学，2013：7-47.

[13] 杜林,黄旭,司马文霞,等. 基于容性设备泄漏电流的电网电压分频测量方法分析[J].高电压技术,2012,38(6):1307-1312.

[14] 胡泉伟，寇小括，李彦明,等. 基于罗氏线圈原理的500 kV电网过电压监测系统的研究[J]. 高压电器，2011,47(5):59-64.

[15] 谢施君，曾嵘，李建明,等.变电站雷电侵入过电压波形特性及其影响因素的仿真[J]. 高电压技术,2016,42(2):1556-1564.

[16] 黄涛,刘艳,鲁铁成. 配网暂态过电压在线监测装置的研制[J]. 高电压技术,2008，34(10)：2249-2252.

[17] 王娜,林莘,徐建源,等.特高压GIS 变电站中快速暂态过电压仿真及其特性分析[J]. 高电压技术，2012，38(12)：3310-3315.

[18] 彭向阳，钱冠军，王红斌，等. 利用母线CVT响应电流实现变电站雷电侵入波在线监测[J]. 电网技术，2011，35(7)：203-207.

[19] High voltage testing techniques, part I: general test requirements: IEC60060-1[S], 2010.

[20] 高电压试验技术第I部分：一般性试验要求：GB/T16927.1—2011[S]，2011.

2017-08-03）