一种新型暂态过电压监测系统分析和研究

中国南方电网有限责任公司 陈凯华

1　引言

由于GIS的某些优点，如可靠性高、维修周期长且可节省安装空间等，在近二十多年来被越来越多地用于现代高压和超高压系统中。而在实际运行和实验中却发现GIS内部的隔离开关在切合小容性负载时会产生波头很陡、频率高达MHz数量级的操作过电压，称之为快速暂态过电压（VFTO）。

80年代以来，国际上已有许多专家开展了特快速暂态现象产生的机理、特征、影响因素、幅值分布情况，暂态地电位升高(Transient GroundPotentialRiSe，简称TGPR)效应，暂态电磁场和电磁干扰等问题以及绝缘对这种陡波前过电压耐受能力等方面的研究。1998年国际上还组织了由多国实验室参加的强大研究队伍来主攻此课题，并对VFTO对一次设备绝缘的影响及对二次回路和控制、保护系统所产生的干扰给予很大的关注。

近年来随着国内高电压等级GIS的普及使用，电力系统受VFTO的影响也越来越突出，我国学术界也在这方面进行了大量的研究。国内外对快速暂态过电压的研究主要是计算机的数值模拟计算，也有使用物理模型进行实验室模拟实验的。

模拟试验的优点在于能形象地深入了解现象的发展过程。虽然模拟计算和模拟试验在对VFTO的研究中起到了一定的作用，但是它们都无法完全真实的反映现场实测的数据，因此都无法满足对VFTO的研究。

针对G I S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。V FTO的上升时间很短，测量系统必须具有较高的上限频率（100～200MHz）。

另外由于VFTO是叠加于工频电压上并受到残余电荷的影响，因此还要求它有足够低的下限频率。GIS开关操作时会产生很高的瞬态地电位及空间电磁干扰，因此对测量仪器的保护等要求取有效的抗干扰措施。

2　VFTO产生原理

在GIS实际运行和实验中发现，隔离开关在切合小容性负载时，由于触头运动速度慢、隔离开关灭弧能力弱等原因，触头间可能会发生重击穿，产生波头很陡的行波，在GIS设备内发生多次折反射，形成频率高达Mz数量级的操作过电压，称之为快速暂态过电压（V FTO，VeryFastTransientOvervoltage）。

GIS中隔离开关操作时由电弧的熄灭和重燃产生的快速暂态过程和它在GIS母线上的来回折反射所形成的快速暂态过电压（VFTO），具有上升时间短、幅值高及衰减慢的特点，有研究表明，其上升时间在2-20ns，幅值一般低于2.0pu，极端情况可达3.0pu，基本频率为5～10MHz。

3　VFTO过电压的主要危害

随着我国电力工业的高速发展和电压等级的不断提高，GIS设备在近二十年来被广泛地应用于电力系统中。然而随着电压等级的提高，由隔离开关的操作而引起的快速暂态过电压（VFTO）屡见不鲜，类似情形将对电网运行安全造成威胁。因此，对GIS设备内部VFTO的测量及如何预防进行研究，有着重要的现实意义。

随着GIS设备运行电压的提高，特快速暂态过电压的影响日益明显和严重，致使其在220kV及以上电压等级的GIS设备中多次引起故障或其它问题，它不但会在GIS设备的主回路引起对地故障，而且还会造成相邻设备(如变压器等)的绝缘损坏。国内外GIS设备中不乏VFTO危害实例：

(1)1992年广东大亚湾核电工程，在500kv系统调试中，进行切合空载变压器例行操作时，由于快速暂态过电压引起3×350MVA主变压器一相主绝缘被击穿。

(2)巴西的Grajau500kVGIS在运行初期，曾因隔离开关例行操作产生特快速暂态过电压造成500kV油纸套管的炸裂和变压器故障。

(3)华东天荒坪抽水蓄能电厂的500kVGIS自1998年投运以来。由于例行操作，出现了变压器保护用氧化锌避雷器频繁动作的现象，经计算表明也是特快速暂态过电压引起的。

(4) 2001年浙江北仑电厂一台500kV变压器损坏，经初步调查，分析认为也是特快速暂态过电压所致。

3.1　老化效应

与一般切容性负荷的原理相同，GIS设备隔离开关在切、合容性负荷时，会产生多次重燃或预击穿。由于隔离开关动作速度较慢，重燃的时问相对隔离开关的操作时间而言是非常短的，因此重燃次数会较多。每重燃一次，就可能产生一定幅值的特快速暂态过电压。

这过程不同于一般电力系统的暂态过程，每当隔离开关操作一次，就会产生多次的重燃和由它引起的许多次具有一定电压幅值的快速瞬变过程。而隔离开关的操作属于常规操作程序，那么GIS设备及其它电气设备就有可能在一个相当短的时间内经受成百次VFTO的考验，这对绝缘来说无异于接受一种性质与截波相近的老化试验，这会给绝缘带来很大的损伤。

3.2　VFTO在变压器内部造成极不均匀的匝间电位分布和谐振过电压

VFTO的最大受害者是变压器，无论是与GIS设备直接相连还是非直接相连接的变压器，在受到VFTO作用时，都会有两种影响：

一是隔离开关触头击穿瞬间产生的阶跃波到达变压器时，相当于在变压器端部加上了一个陡波波头，对于直接相连的交压器，其上升时间可能只有数十纳秒，远远低于雷电冲击截波试验时波头的上升时间，会在变压器绕组上造成极不均匀的匝间电压分布，危害极大；对非直接相连的变压器，因为经过了两个套管和一段线路，使陡波趋于平缓，其波头上升与雷电冲击截波相似。二是高频振荡可能在变压器内部激发起极高的谐振过电压。

除此之外，VFTO还可能通过电压、电流互感器等容性设备，通过绕组感应到系统的二次设备从而危害二次设备的正常工作。

近十多年来，VFTO给电力系统带来的危害已受到人们的普遍关注，成为国际高压领域的研究热点。我国也有大量GIS设备投入运行，并也曾发生过事故。因而，开展对GIS设备内产生的VFTO的监测很有意义。

本项目就是研发一套VFTO高速采集监测系统，对GIS设备内部的VFTO进行监测、采集并记录，以便于对其进行更加深入地研究。

4　测量VFTO的主要方法

目前，测量VFTO的主要方法有电容传感器电场探头和套管末屏法3种。

4.1　电容传感器法

加拿大研制了测量频率范围分别为1Hz～100MHz和100kHz～500MHz的2种手孔式电容传感器测量系统，并应用该系统对500kVGIS变电站中隔离开关操作产生的VFTO进行了实测。日本东芝公司研制了预埋环电容传感器测量系统，主要用于其产品中的VFTO测量，最高频率为10MHz。

国内研制的手孔式电容传感器测量系统频率范围为3Hz～38MHz，在实验室对252kV隔离开关操作产生的VFTO进行了测量。

4.2　电场探头法

可用于测量GIS的外部VFTO，球状探头被放置在测量点附近，感应电场被转换为瞬态电压信号，通过光纤系统传输至示波器，频率可达100MHz，德国和瑞士尝试用该测量系统对420kV系统的外部VFTO进行了测量，VFTO最高频率为12MHz。该传感器分压比受变电站设备布置等环境条件影响较大，须进行现场标定，且实施较困难。

4.3　套管末屏法

也是采用电容分压原理，在变压器或高压并联电抗器出线套管的末屏处接入二次电容，形成电容分压器测量VFTO，但需采用反卷积方法还原测量信号，测量精度较低，且测点受限。国内在750kV工程调试中用该方法对VFTO进行了测量。

上述情况表明：国外研制的手孔式电容传感器的性能指标较高，国内研制的手孔式电容传感器测量频率范围偏低，难以确保VFTO测量结果的准确性；预埋环电容传感器测量系统的测量带宽较低，套管末屏法的测量精度较低且测点受限。因此使用手孔式电容传感器成为VFTO测量中比较实用的方法，但对其的测量频率范围要求比较高。

4.4　测量意义

目前VFTO的检测只是在试验室做过，没有在运行的电网中实际检测过，无法得到真实的VFTO特征数据信息，而本文将怎么完成将实现试验室向现实的过度，对VFTO的研究具有重大意义。

由于VFTO的特殊性和复杂性，以往的采集监测手段无法记录其全部信息，而使用本项目的高速采集系统可以记录全部VFTO的信息，可为VFTO的研究提供重要现实依据。

5　系统组成

5.1　分压器系统的研究

研制抗冲击电压专用分压器，冲击电压必须保证在工频电压和冲击电压高的电容值稳定性。阻尼电阻布置在高压电容臂电容和低压臂电容内部。抗冲击分压器可精确的测量交流电压、雷电冲击和操作冲击电压，该分压器必须可以在线实时监测和分析短时冲击电压。

5.2　采集系统的设计

与分压系统电缆相连的是采集系统，必须要能达到快速暂态过电压的频率，因为快速暂态过电压的频率最高可以达到几百M频率，我们需要研制能达到几百M采集速率的采集系统，应具有自动触发功能并带有高精度GPS时钟，需要分析断路器触头的同期性，由于VFTO时间极短，鉴于采集记录装置有一定的触发时间（虽然极短但是也会对VFTO的记录完整性有一定的影响），因此建议采用预存储方式，即：无论有无VFTO的触发采集系统在监测过程中始终进行记录，内存数据满后自动删除前面的数据并继续记录，直到有VFTO触发，系统将触发点前一段和后面一部的数据全部传输至主机系统进行硬盘存储，以达到VFTO数据的全记录。

5.3　主机系统

主机必须配有高速处理芯片，为了满足采集系统的大量数据的快速记录要求，建议采用比传统电脑硬盘快几十倍的电子硬盘来进行储存。另外强大的运算系统可以为采集系统的大量数据提供及时的处理，实现了信号频域的解析。

5.4　数据传输系统

采用多种数据传输方式，以太网络传输及USB接口传输。

5.5　用户终端显示系统

采用基于WINXP系统上的软件对于主机处理完成的数据进行图形化处理和人性操作化界面设计，提供历史数据查询分析功能，信号频谱、幅值、波形显示等功能，及VFTO触发提示报警功能等多种监测功能。

6　总结

由于采用的在线监测系统，可以长时间的监视运行的电网及电力设备，而200M的高速采集系统可以完整的记录VFTO的信息，一但有VFTO产生就立刻记录下来，发出报警提醒检测人员注意，为检测人员评估提供了很好的依据。

通过本项目可以很好地对VFTO进行研究，得到的研究成果可以运用到对VFTO的保护措施上，最终可以达到减少VFTO产生及设备故障目的，对电网的安全运行具有重大的意义。