宽频暂态电场测量装置的研究

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(1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆 400044；2.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041；3.西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031；4.国网攀枝花供电公司，四川 攀枝花 617000)

0 引 言

电力系统故障统计表明，电网过电压是引发设备事故的重要原因之一，而已知的过电压种类多样，有波前时间为纳秒级的快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)、纳秒级的雷电过电压、数百纳秒级的操作过电压和毫秒级的工频过电压[1-2]。随着电网的迅速建设和发展，虽然已经有大量的设备用于过电压的监测与防护，但过电压现象依然时常发生。为了电网的安稳运行，对过电压的监测和分析具有十分重要的意义。

近年来，国内外学者对过电压的监测展开了许多研究工作，其中最传统的测量方法是基于分压器的过电压监测。该方法按照分压器类型分为电阻式、电容式、阻容式等[3-5]，然而分压器属于离线设备，往往难以在运行中应用。文献[6]中又提出基于套管末屏的过电压测量方法，但不接地的测量方式又会带来许多安全隐患。部分学者提出了基于新型传感器的过电压监测方案，如利用光纤电压传感器[7-12]。但这种测量方式因为其测量的特殊性，极易受到外界环境和机械条件的影响，多数仍处于调试阶段。除此之外，还有应用非接触式电容电压互感器的过电压测量方法，相比而言，该方法能够实现在线监测，同时便于应用，因此在实际的过电压检测中逐步得到应用。文献[13]中提出一种非接触式传感器用以测量高压架空输电线路的过电压。该方法主要利用传感器与输电线路之间存在的杂散电容与传感器分压电容构成电容分压器，替代传统方式获取架空输电线路的电压波形。但此方法中的杂散电容易受环境影响而变化，因此测量精度一般。

基于上述研究现状和应用需求，下面从基于空间耦合电容分压的过电压测量方法出发，运用电路设计及传感器结构优化拓宽其测量频带，并在实验室条件下对其雷电冲击特性进行了试验，最终设计一种新型的测量装置。

1 电场测量方法

1.1 基本原理

所研究的暂态电场测量装置实际是通过一平行电极板放置在空间电场中获得感应电压信号，从而精确测量电场，进行电压的监测。其测量原理如下。

如图1电场测量示意图所示，将一平行板电容器放置在电场强度e(t)=Emsinωt的正弦电场中，其两板之间的感应电流ic为

(1)

式中：ε0为真空介电常数，F/m；A为极板表面积，m2；Em为电场强度幅值，V/m。

取平行板之间放置的外部测量电容器的电容值为CB，则该电容器在电场E的影响下，其电势的大小为

(2)

将式(1)代入式(2)则有

图1 电场测量

(3)

根据式(3)设转换系数kE，令

(4)

代入式(3)可得

uc(t)=kE·e(t)

(5)

已知在2个导体之间产生的电场e(t)取决于电势差u(t)的大小。在2个电极是平行板且间隔距离d的特定情况下，令几何常数kG为1/d。它们之间的关系可表示为

E(t)=kG·u(t)

(6)

结合式(5)和式(6)，可得到

uc(t)=kE·kG·u(t)

(7)

考虑到电场传感器与测量设备之间会存在一定的电压增益GV以适应采集的要求，测量设备最终获取的电压uc0(t)=GV·uc(t)。最终计算得到平行板两端施加的电压u(t)为

(8)

因此即可通过测量电容感应得到的电压准确反映出电场变化情况，从而实现对过电压的在线监测。同时，因为电场变化是基于工频电压的基础上，所以无需得知常数GV、kE、kG就足以验证电压波形变化的情况。但若要得到准确的测量数值，考虑到现场复杂电场情况，必须首先进行工频电压试验进行校准以确定变比常数。

1.2 电路设计

测量示意图如图2所示，B1、B2为金属极板，将电压加在两金属极板上后可产生如图1所示的电场；C2为测量设备电容；R2为测量设备输入电阻；C1、R1和C3、R3分别为测量装置上下两端和B1、B2之间空气间隙形成的电容和电阻。如果直接使用示波器测量C2端电压，此时R2的阻值为兆欧级，而空气间隙形成的R1、R3可达吉欧级甚至更大，为了做到阻抗匹配，不得不增大设备的输入电阻R2以匹配R1、R3。

图2 直接测量

在采集设备输入端并联电容C24，可有效改善跟随器在50 Hz～5 MHz范围变化时的输出响应特性。如图3所示，在输入幅值为8.2 V的正弦波电压时，随着频率的升高，跟随器输出电压在C24取不同的电容值时而有所不同。在选择适当的电容值时，跟随器输出的幅频特性会得到改善，减小信号失真，保持一致的输入输出比。

图3 C24取不同电容值时的频率响应

1.3 结构设计

根据前述理论，测量装置的传感器部分设计为两块平行金属板所构成的电容。考虑到测量时外界电磁干扰问题以及使用的便利性，因此将该测量装置的结构设计成圆筒形结构，如图4所示，其中顶盖(不锈钢材质)作为平行金属板电容的上级，圆筒(不锈钢材质)和底座(不锈钢材质)的组合作为平行金属板电容的下级，在顶盖和圆筒之间添加环氧树脂材质的绝缘介质。另外，测量电路板固定在筒中连接柱处，以达到屏蔽外部电磁干扰的作用。

图4 装置成品

2 测量装置试验结果分析

2.1 工频电压试验

首先，对测量装置进行工频高压试验，以检验测量装置在工频条件下的运行情况，同时考虑现场电场分布的复杂情况，工频试验可以更好地获取装置的测量变比。

工频电压测量原理图如图5所示。图中左侧框中所示为工频高压发生器，试验变压器可输出工频高压u1。随即在施加电压u1的两金属极板B1、B2间就会产生稳定的工频电场。测试装置C2同样置于B1、B2之间，会在电场中感应出电压u2。通过测量u2的大小，即可以反推出u1的大小。

图5 工频电压试验电路

工频试验的其中一组测量结果如图6所示。从图中可以看出，工频试验结果较为理想，可准确反映跟随电压变化情况。对图6数据进一步做归一化处理，得到的结果如图7所示。试验结果显示，两波形归一化结果十分吻合，测量装置的工频跟随特性良好。

随后进行了多组试验，计算其变比结果，其变化趋势如图8所示，变比基本维持在5500左右。

图6 工频试验结果

图7 归一化处理结果

图8 工频试验变比变化情况

2.2 冲击电压实验

在实验室条件下对测量装置进行了冲击电压试验。

图9 冲击电压测量原理

整体测量系统如图9所示，左侧虚线框中为冲击电压发生器等效电路图，电容C4在初始时刻即存在电压u4，发生器工作时，C4上的电荷通过球隙g1放电，在电容C2上产生标准雷电冲击电压u5，然后将该电压通过导线引到右侧虚线框所示的B1、B2所构成的金属极板上。此时，即在B1、B2之间产生跟随C2电压变化的电场。与工频试验同理，在获得该设备的测量变比之后，即可通过测量u2的电压，计算出u5的电压，达到测量的目的。

由此可见，在过电压的测量中，该方法可以无需与高压侧有任何电气接触而获得被测端的电压，具有安全可靠的性能。

2.3 实验结果及分析

选取一组冲击电压下的测量结果如图10所示，图中较深部分为高压探头输出原始电压波形(单位为kV)，较浅部分为测量装置输出的感应电压波形(单位为V)。原冲击电压发生器输出的电压波形波前时间为1.2 μs，半峰值时间等于50 μs的标准雷电冲击全波。归一化后的结果如图11所示，从图中可看出两组电压波形变化趋势基本一致，可见测量结果理想，感应电压的输出能够跟随冲击电压的波形。

图10 冲击电压测量结果

图11 归一化结果

在相同条件下进行了多组冲击电压试验，最终从各组试验数据计算出的变比值情况可以看出，随冲击电压的提升，计算变比略有变化，但基本维持在5500左右，整体误差不超过5%，同时与工频试验结果相同。结合上述分析可知，在冲击电压试验中，所设计的测量装置能够满足很好的测量精度，且灵敏度也非常理想。

3 结 语

根据空间耦合电容分压的过电压测量方法，设计了一种新的测量装置,并对电场测量原理、信号获取电路和外部结构等进行了论述，结合试验分析，得到了以下基本结论：

1)该测量装置与传统过电压测量设备相比，其与高压侧不含任何电气接触，且结构简单，具有较强的安全性。

2)装置测量精度较高，应用在工频电压获取的测量变比，整体测量误差不超过5%，能够有效地反映监测电压变化情况，且跟随性良好。

3)频率响应在5 Hz～5 MHz较为平坦，测量频带较宽，可以满足工频电压到高频率的雷电冲击电压的测量。理论上可适用于电力系统各电压等级的过电压测量。