氧化锌阀片分压提取GIS暂态过电压信号

唐峰，谢俊文，刘顺桂，黄政，王金皇

(1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000； 2.西华大学 电气与电子信息学院，成都 610039)

0 引 言

随着电力系统电压等级的提高，电网主要以500 kV输电线路为骨干。在110 kV以下的输电网中主要以外置电容分压器提取过电压信号，但是在电压等级更高的电网中却少有暂态过电压的提取装置[1-3]。

随着计算机通信能力的发展，使得在线监测暂态过电压成为可能，在线监测过电压不仅能在绝缘配合、事故分析、标准修订及智能识别方面起着举足轻重的作用[4-5]，还在电网故障责任界定、过电压治理起着重要作用。在城市化中，变电站主要以GIS变电站为主，这不仅节约用地，而且还能屏蔽高频电磁波干扰[6-7]。对于GIS过电压的测量，国内外做了大量研究，有部分学者提出基于管套末屏的过电压测量方法，但考虑安全，管套末屏必须可靠接地。国外有学者提出通过测量过电压形成的空间电场反演过电压波形的方法，并研制了电场测量用的球形电场传感器。但被测电场容易被其它导电耦合电场影响而畸变[8-9]。四川电科院和重庆大学曾联合研制了用于高压架空输电线路过电压测量的非接触式测量装置。但输电线路与感应极板的分布电容易受外部影响。

为此，提出了一种基于氧化锌阀片分压的测量方法用来测量GIS的暂态过电压信号。这种方法在氧化锌避雷器与接地体之间的电流表里面加一个氧化锌阀片，这种方法不仅方便，直接采用已有的氧化锌避雷器作为电压传感器，而且精度在可接受范围内。

1 测量方法

1.1 基本原理

本分压器以氧化锌避雷器为高压臂，以氧化锌阀片为低压臂，信号从低压臂取出，这样得到一次侧的电压波形，其原理如图1所示。

图1 阀片分压结构示意图

氧化锌避雷器在低电流区域电阻较大，避雷器成容性，在大电流区域，避雷器成阻性。因此在不同区域氧化锌阀片的分压比不同。

1.2 氧化锌避雷器模型

氧化锌阀片作为分压式提取电压的传感器，其分压比的确定尤为重要，由于氧化性避雷器材料本身受冲击电压波形频率的影响，氧化锌阀片存在频率响应特性。为此，对氧化锌避雷器的建模就尤为重要。本文采用Voronoi网格描述氧化锌阀片的显微结构，并通过调整通过调整Voronoi网格种子和无序度改变晶粒尺寸和不均匀度，对氧化锌避雷器的冲击分压特性进行仿真如图2所示。

晶粒的尺寸和不均匀度不同对氧化性避雷器的分压特性影响比较大，尤其是在大电流区域，其影响比在小电流区域要大得多，但是都比较小，都在误差可接受范围内。在氧化锌避雷器和阀片的晶粒的尺寸和不均匀度相差不大的情况下，可以完整的采集到暂态过电压信号。所以在选择氧化锌阀片时要选择与避雷器同批次烧制的或者材料相近的阀片。

图2 Voronoi网格图

1.3 氧化锌避雷器阀片分压的仿真

为验证氧化锌避雷器在导通和未导通及在各种冲击波的情况下的分压比特性，运用EMTP-ATP进行仿真计算。得出如图3所示的数据。

图3 阀片工频分压仿真波形

从图3中可得，虽然波形不一样，但是在工频、操作冲击、雷电冲击下，其分压比基本不变，验证了氧化锌阀片分压的可行性，以及在雷电冲击的波型中看出由于波头时间短出现了过冲和振荡，所以对氧化锌避雷器的扫频就很重要，不过在雷电冲击的波形中，其分压比也基本不变。暂态过电压与操作过电压的波前时间都比雷电过电压长，所以氧化锌避雷器适用于暂态过电压、操作过电压以及雷电过电压如图4、图5所示。

图4 阀片操作冲击分压仿真波形

图5 阀片雷电冲击分压仿真波形

1.4 氧化锌避雷器阀片扫频实验研究

为研究氧化锌避雷器的频率响应特性，对氧化锌避雷器进行正弦扫频实验。此实验是为了验证氧化锌阀片分压提取暂态过电压的可行性，由于氧化锌避雷器的电感电容参数受频率的影响，所以需要做扫频实验得出在什么频率范围内装置的可行性，及装置能否提取操作过电压和雷电过电压。频率响应分析仪输出幅值为5 V，峰值为10 V，频率范围为50 MHz～10 MHz的正弦波。

1.4.1 110 kV氧化锌避雷器扫频实验

由图6可得110 kV避雷器在50 kHz～600 kHz衰减倍数不变。在600 kHz后衰减快速衰减。所以在50 kHz～600 kHz有较好的分频作用。

图6 110 kV 避雷器不同阀片频率响应

1.4.2 35 kV氧化锌避雷器扫频实验

对35 kV氧化锌避雷器采用不同的阀片A、B和与其相同的阀片进行扫频实验如图7～图9所示。

图7 35 kV 串接阀片 A 频率响应

图9 35 kV 串接相同阀片频率响应

不同氧化锌避雷器串联不同阀片的扫频实验，在串联不同阀片A、B时，由于氧化锌避雷器的内部晶粒大小、晶界厚度等参数的不同，结果导致B的频率响应比A的好，在1.2 MHz左右开始衰减，A在360 kHz开始衰减，而在串联与氧化锌避雷器相同的氧化锌阀片时，频率响应在4 MHz左右才开始衰减，所以氧化锌阀片最好选择与氧化锌避雷器同批次出厂的型号。而在做同种氧化锌阀片扫频实验时，其频率响应不随氧化锌阀片数量的变化而变化，所以同种阀片之间频率响应没有差别。

1.5 过电压信号去噪研究

氧化锌阀片分压实时监测的工频电压信号信噪比不高，包含了大量噪声，实际监测的信号也包含了大量噪声，为此采用了小波变换的去噪方法。小波变换相比与傅里叶变换不仅具备其优点，还具备傅里叶级数欠缺的一部分，其在信号的局部分析的处理得更好，并可以多分辨率分析，小波变换定义如下：

(1)

软硬阀值函数都是传统的阀值函数，在实际应用中也存在局限性。新的阀值函数不仅小布区域里连续，而且高阶可导，其函数表达式如下：

(2)

小波变换适合处理频率成分丰富的非周期信号，其高分辨率适合分析信号高频的细节部分。其在过电压去噪领域表现好，且构造的新阀值函数能较好的去除过电压的噪声，其去噪效果比传统的软硬阀值函数要好。

2 结束语

提出一种氧化锌阀片分压提取GIS暂态过电压的装置，该装置不仅不需要单独安装分压装置，直接利用氧化锌避雷器作为分压器的高压臂，而且在安装氧化锌分压阀片时安装在避雷器的测电流的电流表里，非常方便。通过对氧化锌避雷器在不同冲击电压下的实验，得出其分压比基本不变，在雷电冲击下，波头有过冲和振荡。于是在氧化锌避雷器的扫频实验中得出频率在1.5 MHz内，氧化锌避雷器的频率特性基本不变，满足暂态过电压、操作过电压、雷电过电压的测量。最后提出小波阀值去噪，其去噪效果好，适合处理频率成分丰富的非周期信号，其高分辨率适合分析信号高频的细节部分，其效果比传统软、硬阀值好。