基于电场传感器的VFTO测量方法研究

谷红霞

摘要：气体绝缘变电站日益广泛地应用于电力系统中，在变电站中由于开关合分闸操作引起的快速暂态过电压（VFTO）给气体绝缘变电站带来的绝缘故障率问题呈上升趋势。本文的主要目的是研究GIS变电站开关合分闸过程中产生的VFTO，根据VFTO陡波产生过程，建模分析以及VFTO波形分析，进行基于电场传感器的VFTO测量系统的设计方案研究。通过电场传感器中电压和电场的固定关系利用编程方式实现对数据的分析和存储，最终确定采用电场传感器对VFTO进行检测测量研究。

Abstract： Gas insulated substations are increasingly used in power systems. The problem of insulation failure rate brought by very fast transient over-voltage （VFTO） caused by switching and opening and closing operations in substations is increasing. The main purpose of this paper is to study the VFTO generated during the switching and closing process of GIS substation. According to the VFTO steep wave generation process， modeling analysis and VFTO waveform analysis， the design scheme of VFTO measurement system based on electric field sensor is studied. The data is analyzed and stored by the programming mode through the fixed relationship between the voltage and the electric field in the electric field sensor. Finally， the electric field sensor is used to detect and measure the VFTO.

关键词：电场传感器;VFTO;测量方法

Key words： electric field sensor;VFTO;measurement method

中图分类号：TM933.2                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）16-0182-03

0  引言

气体绝缘变电站（Gas Insulated Substation，简称GIS）是由被密封在充满SF6气体的接地金属气体管道中的隔离开关、断路器、母线、避雷器、电流互感器等高压电器组合而成的高压配电装置[1]。当隔离开关与该装置中的母线断开或者闭合时，由于断开闭合的过程中闸片触头运动速度较慢，同时开关的灭弧性能较差，故在此过程中触头会多次发生重燃，引起快速暂态过电压。VFTO己经成为使变电站中设备产生故障的主要原因之一。目前国内外关于VFTO的测量方法有采用套管传感器测量;微分积分测量法，采用内置探头结构测量，宽带预埋环测量等方法。这些方法在不同的适用情况下均取得了一定的测量效果，但由于受到外界影响较大，效率较低和适用范围有限等缺点，本文针对针对500kV GIS/HGIS变电站的开关动作时产生的ns级快速暂态过电压（VFTO）测量技术的研究提出一种基于电场传感器的VFTO测量方法

1  基于电场传感器的无接触VFTO测量法

快速暂态过电压VFTO的实际测量技术一直是国内外十分关注的研究，从1980年开始，国内外关于VFTO测量法不断创新，提出多种具有实际效果的测量方法，比如：内置探头法、预埋电极法、微积分方法、套管末屏法等方法。通过实验可得，在这四种较为经典的方法中，套管末屏法比较适用于测量振荡频率较低的GIS外部过电压，其测量频带较低。地电容等客观因素的存在会对微积分方法测量造成影响，使其频带裕度有限。在测量频带很有限方面，预埋电极法与与微积分方法一致，此外受到高低压臂电容连接引线引入电感的影响，再加上该方法需要在盆式绝缘子中预置预埋环电极，极容易造成高频振荡问题。在电压过高的情况下，通过分压，直接从线路上连线进行信号的测量不容易实现。鉴于现有的高压测量技术方面有着较高的要求，且在高压情况下较难实现，在这种形势下，再加上链接的系统本身存在负载，可能对高压造成极短时间抑制，影响最终的采样结果精准度。对于VFTO来说，最好采用无接触的方式进行检测。现有具有能在低壓和电压输电线路附近测量电场的传感器。利用这样的传感器可以对因分闸而产生的VFTO进行测量。将电场传感器放在被测线路旁，保持与线路的相对位置固定不变。在电路工作于稳定的情况下，对电场进行测量。所测量到的电场的强度与线路上的电压有关，并与线路中的电压成线性关系。当输电线路中的电压变化时可以观测到电场的变化，并由此通过已知电压和测得电场强度对传感器进行定标，再进行VFTO的测量。在电路稳定的情况下，测到了一个稳定的电场。当分闸时，电场发生变化，将电场变化曲线进行记录。根据电场的变化规律就可以通过数据分析获得线路内部电压的变化情况。对于现有的高压测量手段也提出极高的要求，且在高压情况下不仅实现测量的难度很大，其最终的采样结果也可能存在较大误差。

对于VFTO来说，最好采用无接触的方式进行检测。在其线路的附近无论是低噪声稳定的直流或交流电路，其电场是稳定的。由于开关分合闸会影响电路，电场也必然会因此受到扰动。有研究表明，电场扰动会随着电路内部扰动的增强而逐渐变强。由此可知，既然稳定电场可被测量，那么由于扰动引起的变化也能够被及时发现。也就是说，无接触的测量VFTO是可行的，通过测量电场即可实现。

2  VFTO测量系统架构

如图1所示测量系统架构图，使用传感器对高压脉冲信号进行采集，为采集ns级高速放电信号，选用高端ADC板卡进行采集，然而由于诸多客观原因的限制，只有将系统小型化才能更便于实现和操作，为此，系统依据实际情况，集成整个装置，设计小型化VFTO测量系统。并通过高精度ADC板卡对数据采样，经过分析和存储数据，进一步优化技术方案。

同时合理布置传感器点阵，以在GIS的不同节点进行测量，同时在不同负载的情况下对在相同的节点测试VFTO，对数据进行记录和分析。结合模型合理布置传感器，力争用最少的传感器实现GIS的VFTO监护。整个过程需要采集大量数据以做深入分析和一般性的规律总结。分析电压和电场的关系，当电路分闸时，电场传感器可测量出电场的变化情况及线路内部电压的变化情况，实现VFTO的测量。图1表示VFTO测量的系统架构。

3  基于VFTO实际测量实验

3.1 电场的传感器

该传感器主要采用中科电场传感器，在同一平面内，电场传感器内部由两个部分组成，分别是感应电极和驱动电极，正是由于这两者的存在，产生的边缘电场穿过被测物，有利于VFTO特性检测。对于一个电容单元，其电容的大小可表示为：

3.2 固定传感器位置，改变电压等级

为测试VFTO测量系统，在实验室环境搭建了一个测试平台，实验系统框图如图5所示，实验采用脉冲信号发生器产生正常工频信号，使用小型高压脉冲发生器产生高压脉冲信号，使用中科电场传感器测量，用NI USB 6522采集板卡进行数据采集，然后传输给上位机，通过上位机LabVIEW程序VFTO测量系统软件数据处理部分采用NI LabVIEW进行编程，将采集到的电压波形数据观察并分析，即可完成VFTO测量的实验室测试平台。

电场传感器实际测试装置如图6所示。传感器位于平行板的内部，两极板进行加压实验，通过上位机读出中科电场传感器的输出数据，并记录于表1所示。平行板的面积为0.47平方米的正方形，极板间的距离为70cm左右。传感器位于极板中心位置。

3.3 固定电压等级，改变传感器位置

电场傳感器实际测试装置如图7所示。通过固定10kV、20kV、35kV电压等级进行测试实验，并重复三次实验，将实验结果记录在表2中。根据表2中的数据，传感器输出的为峰值电压信号，并与场强成正比。

通过固定10kV、20kV、35kV电压等级进行测试实验，并重复三次实验，将实验结果记录在表2中。根据表2，传感器输出的为峰值电压信号，并与场强成正比，可以看出以下特征：①距离高压越近、场强越大;②相同的距离电压越高，场强越大;③同一电压等级在不同的距离时，参数的场强可能相等;④同一高压源下，随着距离的增加，电场强度在递减，可以认为线性关系或者双曲线的第一上限的部分。

用电场传感器测量电压方法的关键在于在电压和电场间存在确定的关系。通过上述分析我们发现，电路上电压与周围固定点电场的确定关系是存在的。因此，利用电场传感器进因分闸而在线路内部引起的VFTO的测量是有理论和实验依据的。

4  结论

根据VFTO陡波产生过程，建模分析以及VFTO波形分析研究，进行总体的基于电场传感器的VFTO测量系统的设计方案研究;依据传感器中电压和电场的固定关系，选用电场传感器检测测量研究VFTO。利用电场传感器、数据采集板卡以及利用编程实现数据的分析和存储功能，建立了完整的VFTO测量的测试实验平台，利用上位机可编程功能开发VFTO信号采集软软件对采集的数据建立数学模型，对VFTO进行数学关系的分析，为快速暂态过电压（VFTO）深入研究的技术方案奠定基础。

参考文献：

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