变电设备过电压在线监测应用研究

何文林，杨 智

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

电网中的过电压是极应避免而又无法完全避免的恶性事件，其幅值大大超过电网系统额定电压值[1-3]。按不同的频率范围，过电压分为工频过电压、操作过电压和雷电过电压3类。工频过电压的频率在Hz级，操作过电压的频率在kHz级，而雷电过电压的频率高达MHz级[4]。

无论是工频过电压、操作过电压还是雷电过电压，这些暂态过电压都严重威胁电网的安全运行[5-7]，甚至导致电网意外跳闸，停止供电。过电压易破坏高压设备的绝缘进而引发更为重大的事故，严重的会引起火灾。因此，电力企业花费大量的人力、财力进行过电压治理。

治理的前提是准确监测到过电压最易发生在哪些设备群、哪条线路上，实时获得过电压的峰值、何时发生、何时结束及波形特性。准确获取各种过电压水平对预测设备安全运行能力起到重要作用。

过电压测量的常规做法主要有3类[8-10]。

（1）利用分压器进行电压测量。分压器分为电阻分压器、电容分压器和阻容分压器，分压器属于试验设备，不能在电力系统中长期运行。

（2）利用运行中容性设备，如套管或CT（电流互感器）的末屏进行过电压测量。在容性设备停电的工况下，接入电压取样装置。设备带电测量过电压水平后，再次停电拆除电压取样装置，然后恢复系统正常运行。这种测试方式需在容性设备的末屏处串联电压取样装置，出于设备安全考虑，仅适用于基建调试阶段，不能用于系统运行时过电压的在线监测。

（3）利用电容式PT（电压互感器）进行过电压测量。该互感器的频率响应范围仅在50 Hz左右，无法满足操作过电压和雷电过电压的测量要求。

本文研发的变电设备过电压在线测量装置，在不改变电力设备一次接线方式的前提下，能够准确测量包括工频过电压、操作过电压以及雷电过电压在内的各种过电压，实现过电压的宽频域在线监测。

1 测试原理

电力网中运行的CT和套管等容性设备，属于电容同轴结构[11]，具有末屏引出抽头，拥有良好的频率响应特性[12]，末屏接地电流在10 Hz～2 MHz频率范围内能跟随一次电压变化，通过监测末屏接地电流可以获得电网过电压的暂态变化过程[13]。

容性设备在一次电压U1的作用下，流过末屏接地线的电流为I1，在末屏接地线安装宽频带电流传感器，电流传感器实时感应电缆对地泄漏电流，并输出一个与对地泄漏电流成线性关系的二次电流信号I2。将二次电流信号I2经过I/V（电流/电压）转换，形成二次电压信号U2，经过积分器对二次电压信号进行信号还原，得到容性设备的一次电压U1。过电压在线测试原理见图1。

图1 过电压在线测试原理

具体技术路线如下：

（1）建立一次电压与末屏接地线电流的关系。容性设备的主绝缘形成等效电容C，在一次电压U1（t）的作用下， 末屏接地线上流过泄漏电流 I1（t）。

（2）末屏接地线泄漏电流的获取。利用宽频带电流传感器，将末屏接地线泄漏电流线性无零漂的转换成二次电流 I2（t）。

式中：K1为电流转换线性系数。

（3）I/V转换。利用I/V转换模块，将二次电流I2（t）转换成二次电压信号 U2（t）。

式中：K2为I/V转换线性系数。

（4）二次电压积分。利用积分模块，将二次电压信号U2（t）进行积分处理，积分时间常数为T，得到电压信号 U（t）。

（5）一次电压获得。将积分模块输出的电压信号U（t）输入到波形恢复模块，得到容性设备对地电压 U1（t）。

式中：T，C，K1，K2均为常数，这4个常量共同组成换算系数K。

（6）K值的获取。过电压在线监测装置安装结束后，从运行监控平台上获取正常运行时容性设备对地电压的峰值U1（p），从在线监测装置读取测量电压的峰值U（p），再根据公式（6），计算得到换算系数K。

2 电网过电压实时监测的技术难点

电网过电压测量的技术难点主要体现在不同类型的过电压，频率范围差异极大、过电压幅值差异大引起的末屏电流幅值差异极大和不同类型的电压叠加问题。

频率范围问题：CT带电运行时频率为50 Hz，操作过电压时频率为kHz级，雷电过电压时频率为MHz级。这就要求电流传感器及信号采集、处理装置应具有较大的频率响应范围。

电流变化范围大：CT带电运行时，流过末屏接地线的电流幅值为mA级；雷电过电压时，流过末屏接地线的电流接近kA级。这就要求电流传感器应具有较大的量程，同时对小电流应具有足够的灵敏度。

电压叠加问题：电网过电压实时监测时，被监测信号除运行电压外，同时叠加了操作过电压或雷电过电压，最严重的情况是运行电压同时叠加了操作过电压和雷电过电压。这就要求电流传感器及监测单元应具有良好的相位特性，即不同频率下电流传感器及监测单元的相位应基本保持不变。

3 实现手段

变电设备过电压在线测量装置由宽频大量程电子式电流传感器、宽频域监测单元和系统IED（智能电子设备）主机组成，详见图2。电流传感器获取CT末屏电流，宽频域监测单元就地实现波形信号的数字化，站内各被测CT数字信号汇集到IED主机。

CT采用穿心式结构，末屏接地引下线直接穿过该电流传感器，电流传感器频率范围为50 Hz～1 MHz，量程范围 1 mA～100 A，具有宽频域、大量程、不改变CT原有接地方式、安全可靠等特点，在原有末屏引下装置基础上能实现带电安装。

监测单元由电量信号同步采集调理电路、ADC（数模转换器）信号采集器件和DSP（数字信号处理器）组成。ADC信号采集器件为多路100 MHz的ADC信号采集器件，DSP采用BF7070。

IED主机用于监测单元的数据同步采集和管理，安装在站控层组件柜内，采用IEC 61850规约实现在线监测数据上送。

4 装置实验室验证

依据文献[4]的规定，不同电压等级CT的绝缘耐受水平见表1。

表1 不同电压等级CT的绝缘耐受水平规定值

选取126 kV和550 kV产品，在试验室对变电设备过电压在线监测装置进行测量误差测试，测试回路如图3所示，测试电压取表1的相对值，具体见表2。

表2 测试电压

测试结果表明，不同种类、不同幅值的电压测试误差能满足电网过电压测量要求。不同电压下测试最大偏差见表3，波形比对结果见图4。

5 现场应用

截至2018年7月，在宁波、台州、杭州等地供电公司的多个220 kV变电站开展了变电设备过电压在线监测试点安装，共计99台装置投入运行。

图2 变电设备过电压在线测量装置原理

图3 测试回路

表3 不同电压下测试偏差

5.1 装置安装

安装步骤关键点如下：

（1）在CT停电的状态下，打开二次接线盒。

（2）拆除CT末屏引出端子至接地端子引线，接入新末屏接地引下线。新末屏接地引下线套上Φ20 mm的不锈钢波纹保护管，采用304不锈钢扎带将波纹保护管捆扎在CT的安装支柱上。

（3）在CT底部支柱1.5 m高度位置安装监测单元箱。

（4）在监测单元箱对应接线端子安装CT末屏引下线，确保接地良好、末屏电流方向正确。

（5）安装IED主机，利用光纤与站内的CAC平台连接，实现数据上传和远程访问。

5.2 应用效果

装置安装后运行正常，通过对监测数据的分析发现了2起过电压事件。

事件1：2018-01-26，监测到某220 kV变电站的220 kV电压等级线路有电压波动，波形见图5。经与该线路主管单位核实，确认该变电站电源侧500 kV变电站有500 kV线路断路器操作。

事件2：2018-07-14，监测到某线路有过电压波形。装置成功监测到危害设备安全的过电压事件，其波形见图6。

6 结语

图4 标准器与测试装置波形对比

在不改变电力设备一次接线方式的前提下，准确测量包括工频过电压、操作过电压以及雷电过电压在内的各种过电压，实现过电压的在线监测，可为设备故障分析提供直接依据。

图5 事件1电压波动波形

图6 事件2过电压波形

目前的雷电观测仅能知道落雷点和落雷强度，却无法掌握线路和变电设备上的过电压水平，通过变电设备过电压在线监测，可获取过电压幅值、波形和发生时刻，有利于设备绝缘故障的原因分析。

广泛开展变电设备过电压在线监测，对监测结果进行深度分析，可为绘制电网过电压分布图提供技术支撑。