变电站缓波、快速和特快速暂态过电压现场测量技术发展

赵冬一

(厦门ABB避雷器有限公司，厦门 361000)

0 引 言

随着输配电技术的快速发展，许多新型电力设备技术在电力系统中得到了广泛的应用。电力电子类电源(新能源+直流)占比快速提升，电源装机结构和电能生产方式发生重大变化；交直流电网协调发展，大电网资源配置能力不断增强，微网快速发展，电网的功能和形态发生重大变化；负荷结构多元化(数据中心、电动汽车、5G、高铁等等)，配网的有源化特征凸显，储能比例加重。这些新型电能和输电转换方式在电力系统中产生了新型的暂态过程。这些暂态电压对金属氧化物避雷器的应力负载和长期稳定性影响值得学术界和工业界关注。这些新系统和新装备的复杂性及其相互作用产生了电压波形与现有标准中的电流波形有很大不同[1-14]。

近年来，一些研究机构、大学和公司对变电站现场测量快速和特快速暂态电压进行了深入、广泛的研究[15-32]。与通常实验室冲击电压测量不同，现场测量主要具有以下3个特征：1)现场测量结果主要用于暂态分析过程的研究目的，因此，精度要求通常低于实验室冲击电压测量。2)现场环境比实验室环境复杂得多，有些测量不确定度甚至无法评估。3)现场电力系统产生的暂态电压波形特征具有高度的多样性。

快速和特快速暂态态电压通常具有非常短的波前时间(上升时间)，因此具有非常宽的频谱。同时，这些暂态电压的出现是不可预测的。而变电站中常见的传统电压测量设备(如电容式电压互感器、电压互感器等)由于其带宽窄、采样率低，通常无法测量快速和特快速暂态态电压。基于此，我们对近些年来行业内在这方面的研究情况进行了梳理、总结，分为以下4个方面：

1)介绍了6种典型的变电站现场暂态电压测量系统的结构，包括传感技术、信号传输介质。

2)变电站现场暂态电压测量系统的性能要求的提出，讨论了频域和时域两种频率测试方法测量系统的响应。

3)讨论了操作过电压、雷电过电压和特快速过电压现场测量典型案例。

4)讨论、分析了现场测量的快速和特快速暂态过电压特征，以及其对金属氧化物避雷器运行应力研究的影响，指出应该关注这些与现行相关标准规定不同的过电压下避雷器电气应力状态的研究。

1 典型的变电站现场暂态电压测量系统

1.1 典型的变电站现场暂态电压测量系统(传感器)的结构

典型的暂态电压测量系统包括4个部分：传感器、传输装置、记录仪器和分析程序，如图1所示[33]。按照它们的传感器是否与被测高压导体直接接触，可以分为非接触式传感器技术或接触式传感器技术；按照传输媒介可以分为电缆、光纤和无线3类；按照记录仪器分为数字存储示波器(DSO)、采集卡和工控机(IPC)和自行研制的基于A/D转换芯片的采集设备等。对于分析程序，常用反卷积分方法来解决某些传感器的带宽限制问题[34]，合适的解耦程序处理耦合效应[35]。

图1 典型测量系统的组成 Fig.1 Composition of a typical measurement system

典型的暂态电压测量系统的结构有6种：电容套管式、阻容分压式、电场传感式、光电场传感式、GIS中的嵌入式电极传感器和舷窗传感器，如图2所示。

1)电容套管式暂态电压测量

对于按照IEEEC57.01-2017标准设计的电容式套管，设计了一个电压分接头为其他低压装置供电，以便直接用于测量高压导线上的电压。然而，在实际情况中，套管并不是一个理想的电容分压器，其等效电路比图2(a) 所示的更为复杂。再者，套管的标称电容和介质损耗角是在工频电压下的获得的，它们随外加电压的频率会发生变化[36]，因此在测量宽频带快速暂态电压时很难建立精确的数学传递函数。通常，因电容套管固有谐振频率，响应频带大约2 MHz。例如，捷克共的EGU实验室对400 kV 油纸绝缘套管进行了暂态过电压试验[37]。套管的额定电容为468 pF，抽头电容为2 170 pF。为了获得套管传感器的频率特性，发生器输出幅值为3 V、频率为100 Hz至10 MHz的正弦电压。输出信号与输入电压之比如图3所示[37]，频率响应曲线表明，套管传感器的谐振频率约为2.8 MHz，频率上限(3 db)接近2 MHz。

图3 电容套管测量系统的频率响应特性试验及结果Fig.3 Frequency response characteristic test and results of capacitive bushing measurement system

2)阻容分压式暂态电压测量

一般来说，串联电阻电容分压器不能用来测量直流电压。其高频特性主要取决于电阻和电容的配合，阻值太小的测量系统很难抑制由电感和电容引起的高频谐振，而太高的电阻会延长响应时间。并联电阻电容分压器可以用来测量直流电压，因为并联电容可以减少杂散电容对分压器电位分布的影响。然而，在高频电压测量中也很难抑制谐振。复合式分压器兼有上述两种分压器的优点，因此是设计宽频带电阻电容分压器时的首选测量系统结构方案。

3)电场感应式暂态电压测量

自由空间中的无屏蔽高压导体在其周围可以产生电场。当测量空间的尺寸远小于高压导体上瞬态电压的等效波长(一般为100 m)时，可以认为是准静电磁场，特定空间中的电场E(t)与导体上的电压U(t)成正比：E(t)=kU(t)[38]。如图2(c)所示，电场传感器由上、下电极和一个采样电路组成。这两个电极产生一个电压信号，通过传统的同轴电缆与记录仪连接，通常的等效阻抗为50 Ω，整个测试回路的时间常数太小，导致低频响应差。因此，采样电路在大多数应用中是必要的。采样电路可以限制测量回路种各个连接点处的行波反射。在某些场合，采样电路应具有负载驱动能力。

如图4所示，为捷克EGU HV实验室开发的电场传感器。传感电极是两个半径为4.65 cm的圆形金属板，由1.48 mm厚的相对介电常数为4.9的介质板隔开。感测电容(Cs)的电容约为199 pF。采样电容器(C2)为1 000 pF。当传感器处于30 kV/m的空间电场中时，C2上的电压约为1.5 V。放大器用来提供足够高的输入阻抗并驱动后续的光发射极。该测量系统具有非常平坦的频率特性，范围从5 Hz到2 MHz[21]。

图4 EGU高压实验室研制电场传感器外形及采样原理电路Fig.4 The shape and sampling principle circuit of electric field sensor developed by EGU HV LAB

如图5所示,为中国电力科学研究院计量研究所研制的电场传感器。两个半球形电极由一个绝缘板隔开以形成传感单元。半球形电极的半径为5 cm，绝缘板的厚度约为3 mm。Cs电容约为8.6 pF，C2约为3.5 nF。采样电容器直接连接到记录仪器，输入电阻Ra为0.484 MΩ，输入电容Ca为33.128 pF[25]。

图5 中国电力科学研究院计量研究所研制电场传感器外形及采样原理电路Fig.5 The shape and sampling principle circuit of electric field sensor developed by National HV Measurement Station of China

电场感应传感器的主要优点是传感器和高压导体之间的自然隔离(即非接触技术)。因此，安装和现场测量不一定要求高压导线断电。但是，这类传感器存在相间耦合干扰问题。由于耦合问题，很难得到被测电场与目标电压之间的直接关系。因此，在大多数情况下，需要对原始测量信号解耦处理。还有，就是关于测量系统的比例因子。由于传感器安装点会影响传感器处的感应电场以及高压导体与上传感电极之间的杂散电容，因此当测量环境发生变化时，需要重新校准测量系统的比例因子。为了保留非接触测量技术的优点，通常采用导线电压中的工频分量来现场标定标度因数。如果从工频到被测瞬态电压范围内的频率特性是平坦的，或者已知工频标度因数和瞬态电压标度因数之间的相对比值，则适用此方法。

4)光电场传感式暂态电压测量

使用光电场传感器测量瞬态电压也是基于准静态假设和E(t)=kU(t)所示的关系。光电场传感器的种类很多。其中，基于Pockels效应的光学电场传感器具有响应速度快、频带宽等优点，被认为适用于电力系统暂态电场的测量[37]。

根据波导结构和工作原理，集成光电场传感器可分为三种类型：马赫-曾德尔干涉仪(MZI)、耦合器干涉仪(CI)和共程干涉仪(CPI)。测量系统如图2d所示。激光源产生的线偏振光通过保偏光纤传输到传感器。光信号通过波导时，被电场调制为相位调制或偏振态调制。对于MZI或CI类型，在波导的输出端，相位调制转换为强度调制。对于CPI型，分析仪将偏振态调制改为强度调制。然后强度信号通过单模光纤传输到光电转换器，光信号被转换成电信号。

图6为清华大学开发的基于耦合器干涉仪(CPI)的瞬态电场测量的集成光电场传感器。从图7中可以看出，这种传感器具有很快的响应速度(高达4 ns)和很宽的带宽(试验结果表明，在50 Hz～500 MHz范围内具有一致的频率响应)。此外，它是绝缘的，不会改变被测导体的电场分布[29-30]。

图6 清华大学研制的集成光电场传感器Fig.6 Integrated photoelectric field sensor developed by Tsinghua University

图7 集成光电场传感器的频响特性Fig.7 Frequency characteristics of IOES from 5 Hz to 500 MHz

这类传感器的缺点是：易碎，容易受到受外部冲击；成本也较高。此外，测量系统可能会受到各种环境条件的影响，例如温度和湿度等因素。

5)GIS中的嵌入式电极传感器暂态电压测量和舷窗传感器暂态电压测量

一些制造商的GIS盆式绝缘子配备了环形电极，该电极在制造阶段预埋在间隔棒中。这些传感器通常配备有一个外部连接，可以从外部访问，使它们可以用作瞬态传感器，如图2(e)所示。华北电力大学[33]采用嵌入式电极传感器暂态电压测量技术研制了一套750 kV GIS用装置。 他们采用扫频法分别测试了电容分压器和电阻分压器的频率特性。电容分压器的频率特性从10 Hz到16 MHz(±3 dB)的平坦频率响应；二次电阻分压器在整个测试频率范围(10 Hz～80 MHz)内具有平坦的频率响应，因此，整个测量系统的频率特性范围为10 Hz至16 MHz。

应注意的是，如果嵌入式电极传感器暂态电压测量同轴信号电缆过长，则在电缆屏蔽层中流动的电流可能会产生噪声，噪声会叠加在测量信号上。东芝公司的学者在1985年报道了这一现象[39]。东芝公司的学者们提出了另一种解决方案，如图8[40]所示，用光信号传输系统代替同轴信号电缆。

图8 日本东芝公司开发的嵌入式电极传感器暂态电压测量系统结构Fig.8 Structure of embedded electrode sensor transient voltage measurement system developed by Toshiba, Japan

一般来说，设计良好的嵌入式电极传感器暂态电压测量可以实现从5 Hz到16 MHz的带宽和小于30 ns的阶跃响应时间。通过限制电容分压器电路的杂散电感，同时降低低压臂电容器的电容，可以实现高频特性的改善，而低频特性的改善可以通过增加低压臂电容器的电容和增加后续电路的输入阻抗来实现。

嵌入式电极传感器暂态电压测量方法只有在将环形电极嵌入GIS盆式绝缘子内，并提供与外部低电感连接的方法时才可行。然而，在实践中，只有在某些特定情况下才能找到包含嵌入式电极的GIS盆式绝缘子。因此，这限制了嵌入式电极传感器测量内部GIS瞬态过电压的应用。

GIS中舷窗传感器暂态电压测量的工作原理与嵌入式电极传感器类似，都是利用高压导体和传感电极之间的杂散电容来拾取瞬态电压信号。不同的是，要注意传感电极的大小和绝缘介质的材料选择。

许多学者开发的不同舷窗传感器的性能和特点如表1所示。表1中的摘要表明：1)介电薄膜的厚度通常在几十微米(高达100 μm)的范围内，这种薄膜增加了低压电容器的电容，从而提高了分压比，改善了传感器的低频特性。2)传感电极的直径通常小于200 mm，因为较大的传感器电极通常容易振荡。3)使用高阻抗缓冲放大器可以改善低频特性。4)设计良好的连续锥形结构可以降低电路电感，从而改善高频特性。通过适当的设计，基于舷窗传感器的测量系统的带宽可以覆盖从毫赫兹到～百赫兹的频率范围，这个范围足以测量GIS中VFFO。

表1 各种研制的GIS中舷窗传感器暂态电压测量的性能和特点Table 1 Performance and characteristics of transient voltage measurement of porthole sensor in GIS

1.2 典型的信号传输介质方案

信号传输介质分为3类：射频同轴电缆，光纤和无线传输等。如图9所示，对于射频同轴电缆传输方式来讲，在测量快波前瞬态电压时，行波效应不能忽略。任何传输损耗或色散以及沿传输路径的任何反射(例如，在电缆末端)会使原始信号失真。往往现场测量时，需要使用长信号传输电缆，因此，需要仔细的匹配输入、输出阻抗，并尽可能将示波器安装在靠近传感器的位置。还需要注意电缆屏蔽层的接地。在选择测量设备的位置以及测量设备和同轴电缆屏蔽的接地和连接时，必须格外小心。在所有情况下，建议使用双屏蔽电缆。此外，对于GIS中的瞬态测量，消除测量信号干扰的另一种方法是将电缆封装在屏蔽管内，屏蔽管与GIS相连，屏蔽外壳包含测量设备。

图9 TC传感器可以安装在高压导线上示例Fig.9 Example of a TC sensor that can be mounted on a high voltage wire

对于光纤信号传输方式来讲，与电缆传输fangshi 比较，具有[21]：1) 在光纤中传输的信号不受严重的外部电磁干扰的影响。2) 由于两端射频同轴电缆的长度可以保持非常短，因此这些接口处的干扰也可以保持在最小。3) 光电转换器的输入阻抗可以远高于典型射频同轴电缆的波阻抗(50 Ω或75 Ω)；这有助于传感器获得良好的低频特性，因为光电转换器不需要额外的缓冲放大器。4) 光纤将传感器与记录仪器隔离，从而避免不必要的故障发生。5)光电转换器的接地不是强制性的。这允许传感器在浮动电位模式下工作，从而限制地电位波动对测量的影响。6) 假设光纤的外护套清洁干燥且不含任何金属，则允许传感器安装在高压电位下，而记录仪器安装在地电位下。该装置通常用于AIS或OHL中的非接触测量技术，其中传感器靠近被测导体，以限制相邻导体的耦合效应。他也存在一些缺点：1)光电转换器和光电接收器都需要电源。2)光纤不适合用于室外长期运行。

与传统的射频同轴电缆和光纤传输方法不同，无线传输设备通常用于传输数字信号。其优点表现为[25]：1) 由于传感器和记录仪器在物理上是分离的，因此这两个子系统可以独立地设计为各自的最佳性能。2) 由于无线网络可以是本地的，也可以是广域的，因此测量系统的安装非常灵活。传感部分可以安装在高压导线上(如图9所示)[29]，而记录仪器可以安装在数百公里外的中央站或控制室。因此，传感器和记录仪器之间的绝缘/隔离不再是问题。

1.3 典型的数据记录仪/信号接收器

数据记录仪/信号接收器用于对模拟信号进行数字化和存储。目前，有3种主要类型的记录仪器用于测量暂态电压：1) 数字存储示波器；2) 采集卡和工控机；3) 自行开发的基于A/D转换芯片的采集设备。在许多现场测量的具体情况下，预计记录仪器具有一些特殊功能，如体积小、功耗低、形状不规则、非常规触发模式，整个记录仪必须基于A/D转换芯片进行设计和开发。它需要在电子电路开发、混合信号设计、微处理器等方面的专业知识和经验，以及强大的EMC技能。对于一次性现场测量，主要使用示波器。长期在线监测暂态电压，如快波前暂态过电压，后两种技术更受适合些。

2 暂态电压测量系统性能要求和测试技术

2.1 暂态电压测量系统性能要求

暂态电压测量系统的主要技术要求包括：1)比例因子；2)带宽；3)采样频率；3)垂直分辨率；4)测量范围；5)存储容量；6)触发模式；7)连续触发的最小间隔；8)时间同步等等。

1)比例因子 暂态电压波形U(t)可表示为其振幅与其归一化波形UN(t)的乘积，如图10所示[33]。UN(t)表示暂态电压波形。为了准确再现暂态电压波形，必须通过测量系统需要有足够带宽和动态响应。测量系统中的比例因子定义为实际瞬态电压振幅除以测量输出信号的比值；因此，任何刻度的测量不确定度都直接决定了系统的测量精度。

图10 暂态电压示意图Fig.10 Sketch map of the transient voltage

现场暂态电压的测量情况比较复杂。电压波形通常不可预测，且具有高度多样性。因此，在大多数情况下，现场测量的不确定度按照实验室的要求(通常为3%)是不适用的。此外，在某些情况下，无法评估测量系统的现场不确定度。目前，暂态电压的现场测量主要是为了电网故障分析、新的暂态过程识别、实际暂态电压参数记录和绝缘配合参考，而不是为了寻求计量或准确测量，因此，相对较低的测量不确定度要求是可以接受的。考虑到目前测量技术的技术水平和应用要求，建议整个测量系统的比例因数不确定度不高于10%。

2)带宽 许多暂态电压由工频和高频分量组成。特别是在一些现场测量中，工频电压的幅值被用来校准测量系统的比例因子。因此，测量系统的低频极限通常必须低于电源频率(50 Hz或60 Hz)。 为确保电源频率下的比例因数与瞬态电压的上限频率下的比例因数大致相同，建议测量系统的低频极限在10 Hz时优于±3 dB，在50 Hz时优于±1 dB。频率上限取决于需要观察的瞬态电压的最高频率分量。建议测量系统在不同瞬态电压下的频率上限为：① 对于缓波前电压，频率上限(±3 dB)≥ 20 kHz；②对于快波前电压，频率上限(±3 dB)≥ 2 MHz；③ 对于特快波前电压，频率上限(±3 dB)≥ 100 MHz。

3)采样频率 采样率是记录仪表模/数转换的关键参数。采样率越高，数字信号越能保真。然而，仪器的处理速度和成本会过高。采样率的确定应综合考虑测量精度的要求、待测波形的特性以及测量系统的成本。考虑到10%的精度要求，建议记录仪器的采样率Sx不应低于：

(1)

原理如图11所示。这意味着由采样率引起的幅值不确定度应低于1.44%。现场测量的波形通常比图11所示的波形更复杂；一些高频振荡通常会叠加在实际的基本波形上。通常，这些振荡的频率高于基本波形。为了准确测量这些高频振荡的细节，最低采样率应至少为

Ns=4fmax

(2)

式中，fmax是暂态过电压中可能发生的的最大振荡频率。

图11 采样率对模数转换影响的概念示意图

4)垂直分辨率 采样数据点不仅沿时间轴离散，而且沿垂直轴离散。由于模数转换的垂直分辨率，最大相对幅值不确定性(Uvr max)为

(3)

式中Ns是仪器的bit。Uvrmax最大值约为0.11%。目前，大多数典型的数字仪器都具有8 bit分辨率，如果测量范围得到充分利用，则对于暂态电压测量具有足够的精度。但是，如果可能的话，建议使用更高的垂直分辨率，并且普通的现代数字化仪具有10、12甚至14 bit分辨率。

5)测量范围 测量范围应能够记录系统中可能出现的最大暂态电压的幅值。对于缓波前和快波前暂态电压，其最大幅值通常低于相邻电气设备的操作或雷电冲击耐受水平。可参考IEC 60071-1[50]选择测量系统的测量范围。但是根据长空气间隙放电的研究结果，闪络电压的幅值强烈依赖于施加电压的上升时间。与标准冲击电压相比，在现场测量中，电压的上升时间更快。这意味着暂态电压的最大幅值可能高于在标准冲击电压下测试的电气设备的耐受水平。从经验上讲，特快速过电压的幅值通常低于额定工频电压的3倍。因此，建议测量范围为额定工频电压的3倍作起点。

6)存储容量 存储容量决定了记录仪器能够记录的暂态电压数据的长度。仪器存储容量C的选择基本上取决于采样率Ss、垂直分辨率N和需要存储的瞬态波形的持续时间T。所需的存储容量可通过以下公式估算：

C=N×Ss×T

(4)

例如，如果记录仪器的垂直分辨率N为8 bits(1字节)，采样率为20 MS/s，记录长度为0.1 s，则每个通道的仪器存储容量应大于2 M。对于雷电冲击电压，如果雷击没有导致断路器跳闸，则暂态过程通常持续时间小于1个周期。当雷击导致跳闸时，跳闸过程通常在2～5个周期内完成。对于使用断路器开/关母线或输电线路，暂态过程通常在3或4个周期。由于隔离开关的操作时间比断路器的操作时间长得多，因此，在母线或输电线路的开/关过程中，瞬态过程可以持续10～20个周期以上。在测量由雷电或断路器操作引起的暂态过程时，建议记录周期不小于100 ms(5个周期)；用于测量AIS或GIS中隔离开关操作引起的暂态过程，建议记录周期不小于200 ms(10个周期)。

7)触发模式 一旦启动测量系统，记录仪器被设置为“等待触发”模式。如果仪器由传入瞬态事件触发，将记录触发时间前后的数据。根据仪器的触发能力，有几种方法可以解决上述问题。一种实用的方法是，使用高通滤波器，滤掉基频。另一种常用的方法是，估计输入信号的陡度，并将所谓的“智能触发器”设置为仅在满足该标准的波形上触发。应注意，如果触发机制过于敏感，某些噪声或干扰可能导致频繁的虚假触发。在进行多站点测量时，通常使用外部触发模式。多个测量系统由相同的触发信号触发，以同步在多个不同位置进行的测量，从而避免虚假触发或触发丢失。

8)连续触发的最小间隔 例如：对于高压输电线路，一旦线路跳闸，暂态过程就开始。在数百或数千毫秒内重合闸，从而产生另一个暂态过程。再例如：雷击持续时间可能从小于1 ms到数百毫秒不等，一次雷击暂态过电压中可能有5次以上的回击。为了记录整个雷击事件，需要增大存储容量或缩短连续触发器的最小间隔。对于大多数仪器，触发后需要一段时间才能获取数字化暂态波形数据并将其存储在仪器中。在此延迟期间(也称为“死区时间”)，仪器无法处理任何新的输入信号。这意味着，如果在此期间发生新的暂态事件，仪器将无法触发。解决此问题的一种实用方法是，将缓存划分为多个区域并使用多线程处理器。当处理器处理缓存某个区域的暂态数据时，仪器仍在“等待触发”模式下工作，来自传感器的数据存储在缓存的其他区域。该架构导致仪器在“等待触发”模式下连续工作，因此不会错过任何瞬态事件。应注意，每个区域的存储容量应满足存储容量中提出的要求。

9)时间同步 在多个测量系统对同一瞬态过程进行测量的情况下，通常会考虑时间同步要求。有两种常用方法：1) 使用一个源触发所有测量系统。2) 为所有测量系统设置时钟。时间同步的要求取决于应用场景。

2.2 暂态电压测量系统性能测试技术

2.2.1 系统频率响应测量技术

包括：频域(扫频)法和和时域法。频率扫描法是确定测量系统频率响应特性的最直接方法。在该方法中，测量系统在其输入端受到特定频率的正弦电压，并记录输出电压以计算该频率的比例因子。通过改变输入电压的频率，同时保持相同的恒定振幅，可以获得不同频率下的一系列比例因子，从而产生系统的频率响应。如图12所示，暂态电压测量系统的频率响应特性包括幅频响应和相频响应。幅频响应通常由测量系统的比例因子与信号输入频率的曲线表示。此外，比例因子G(f)以归一化或对数形式表示：

(5)

图12 显示输入正弦电压和产生的输出电压示意图Fig. 12 Sketch showing an example of an input sinusoidal voltage and the resulting output voltage

由于现场测量系统输入电压的幅值较低，测量系统的必要的高比例因子将导致输出信号的信噪比非常低。此外，施加的电压远低于要测量的现场瞬态电压水平。当使用扫频法对这些系统进行表征时，必须非常仔细地考虑和设计测量方法，以便获得的频率响应特性能够真正代表系统在实际高压条件下的实际性能。一种办法是在扫频信号发生器之后使用放大器来增加测试信号电压。然而，下会出现测试信号放大器自身的频率响应在要扫描的频率范围内是平坦的这样的问题。因此，很难开发出既具有足够高的幅值、频率输出又具有足够平坦度的正弦电压源，以充分测试暂态电压测量系统。

与依赖于频率响应曲线上一系列数据点的频域方法不同，时域方法仅建立系统的上下限。通常，通过向被测测量系统施加具有陡峭上升沿的阶跃电压波形来获得频率上限fup，而通过长波尾冲击测试或直流测试来获得频率下限flow。测量系统可被看作为线性、因果、时移不变系统，其频域一般传递函数可表示为

Uout(ω)=H(ω)Uin(ω)

(6)

式中H(ω)为传递函数。

当测量系统接受到单位阶跃信号时，输出信号可以近似为指数阶跃或线性递增斜坡函数。对于指数函数，我们定义tr为响应从10%上升到90%的时间间隔。则输出信号频率上限fup为

(7)

输出信号频率下限flow为

(8)

式中，τ1为时间衰减，对应于响应幅值下降至峰值36.8%所用的时间。

为实现对特快速暂态过电压传感器的校准，四川省电力科学研究院苏少春等研制了2 kV 亚纳秒级上升沿方波发生装置，如图13[51]。

图13 2 kV方波发生装置及结构原理图Fig.13 Schematic diagram of 2 kV square wave generator and structure

使用所述方波电压源，对特快速过电压测量系统进行了测试，如图14所示。从10%到90%的上升时间约为1.25 ns。在特快速过电压测量系统上进行了5次重复测试，上升时间的平均值和偏差分别为1.219 ns和0.03 ns。根据公式(7)计算，该测量系统的频率上限fup可达到287 MHz左右。

图14 特快速暂态过电压传感器典型测试结果Fig. 14 Typical testing result of the VFTO sensor

2.2.2 比例因子校准试验

测量系统的频率响应校准试验中，建议使用以下3种试验电压波形：1) 工频电压；2) 陡波冲击电压；3) 雷电冲击电压或操作冲击电压。根据实验室试验是否适用于测量系统以及比例系数是否取决于现场布置， 不同测试原理和结构的6种传感器技术的测量系统可分为3种类型，如表2所示。

表2 基于不同传感器技术的测量系统类型Table 2 Types of the measuring systems based on different sensor techniques

图15给出了不同外加电压下比例因子的原理图。在频率响应谱中，标记了Kb平坦段、-3 dB带宽和-1 dB带宽等不同的比例因子。通常情况下，测量系统的设计应具有足够宽的带宽，覆盖工频频率和待测量的最快暂态电压。3个试验电压下的比例因数均在平段上，比例因数之间的关系为

kac=kim=kff=kb

(9)

式中，kac、kim、kff分别为工频电压、冲击电压和快速波前冲击电压下的比例因子。

应注意，图15中的频率响应曲线可通过相对较低的幅值电压获得。这些标度因子是否与在较高暂态电压下获得的标度因数相同，有待通过线性试验进行验证。有关线性测试的详细信息，可参考IEC 60060-2-2010[53]中的测试方法。

图15 不同电压信号类型的比例因子示例Fig. 15 Example of scale factors for different voltage signal types

3 操作过电压、雷电过电压和特快速过电压现场测量典型案例

3.1 操作过电压现场测量典型案例

2012年，日本利用GIS中的嵌入式电极传感器，研究了应用于特高压系统的操作暂态过电压波形，以确定操作冲击试验波形[54]。图16给出了日本特高压系统(Higashi-Gunma — Minami-Iwaki)的电路参数。在该系统中，输电线路长度为200 km，采用双线配置。避雷器安装在两个变电站的入口处，并联电抗器不工作。在该系统配置中，当Minami Iwaki变电站中的断路器闭合时(合闸电阻700 Ω)，可以观察到过电压峰值，图17所示(Gunma GIS变电站)。 为了缓解过电压，还对断路器闭合电阻值进行了研究。该图显示了闭合电阻为700 Ω时的结果，显示了对过压的最大缓解效果。

图16 操作过电压测试的UHV系统参数Fig. 16 UHV system circuit configuration for switching over voltage

图17 在Higashi-Gunma GIS站处产生的操作过电压波形Fig. 17 Switching overvoltage waveform generated at the Higashi-Gunma

对于实际变电站中产生的非标准操作过电压波形，提出了各种定义来计算峰值时间Tp。其中，日本研究人员采用一种方法，通过将波形上升部分的85%或更多部分拟合为双指数函数来计算Tp。因为波形的上15%部分影响击穿电压。根据式(10)计算Tp，图17中波形的Tp=797 μs。

Tp=1.678×(Tp-T85%)

(10)

根据过电压的形成原理，根据式11计算出Tp约为700 μs，与分析结果非常接近。因此，输电线路的长度是确定操作过电压Tp的主要因素。传输线长度的增加会导致Tp的高值，如果传输线长度超过200 km，Tp可以达到约700 μs或更长。

Tp=200(km)/0.3(km/μs)×4(twice reflection)
×1/4(period)

(11)

在日本和中国的特高压交流输电工程建设之前，对特高压交流输电工程暂态电压的研究很少。仿真与现场实测相结合的结果表明，特高压交流输电工程的断路器操作过电压波前时间可大于700 μs，比标准操作冲击过电压波形(波前时间为250 μs)长。

3.2 雷电过电压现场测量典型案例

克罗地亚多年进行变电站雷电过电压现场测量的研究，取得了大量的研究成果[16-20]。他们在两个110/220 kV变电站的主电力变压器上安装了两套暂态电压监测系统(“TMS+”)。对于每个TMS+，套管传感器安装在主电力变压器的110 kV和220 kV侧。为验证记录的瞬态电压是否由雷击引起并确定雷击位置，TMS+系统与雷击定位系统(LLS)、监控与数据采集(SCADA)和地理信息系统(GIS)同步。在过去几年中，TMS+系统记录了大量雷电暂态波形，其中一个典型的测量结果如下介绍。

在距离变电站I 约16 km(距离变电站II约30 km)的220 kV输电线路沿线发生的多次雷击引起的。多次雷击参数见表3。记录的暂态电压与由LLS检测到的七次后续雷击组成的闪电时间相关。表3中标记的3次雷击突出显示为可能导致记录瞬态的雷击。

表3 雷电定位系统LLS测定的多重雷击参数Table3 Multiple lightning stroke parameters measured by lightning location system LLS

图18显示了由第2次雷击(雷电流幅值：-80.2 kA)引起的TMS+记录的暂态电压及其相应的频谱。同时，SCADA系统在变电站I和II的线路间隔中的断路器自动重合闸操作后检测到所有三相中的线路对地故障。断路器首先中断变电站II中的短路电流。当短路电流仍由变电站I供电时，2次连续的雷击(相隔13 ms)(表3中的第6次和第7次)击中输电线路，并且TMS+在变电站1的电力变压器端子处记录了过电压。图19中可以清楚地观察到这2次雷电过电压，而在记录结束时(约25 ms)，可以看到由于变电站I断路器断开而产生的操作过电压。

图18 现场测量的雷击过电压波形及频谱分析Fig. 18 Waveform and spectrum analysis of lightning overvoltage measured on site

图19 变电站I中由后续雷击引起的暂态过电压及其频谱Fig.19 Transient voltage in substation 1 caused by subsequent strikes

对测量结果的分析表明，雷击引起的双向振荡过电压波形出现在电力变压器的接线端。记录过电压的振荡是由变电站和系统阻抗发生显著变化引起行波多次反射。电力变压器上记录的相对较长的过电压持续时间是多种因素综合作用的结果，包括雷击特性、电力系统的结构拓扑、观测条件、变压器和线路间隔中避雷器的运行，变压器本身的绕组共振等等。记录的雷电过电压是双向振荡的，持续时间为5～6 ms。这种差异引起了对目前广泛用于高压试验的标准雷电冲击电压波形的讨论，例如正在修订的IEC 60071-2[55]、IEEE62.82.2[56]等。

3.3 特快速过电压现场测量典型案例

中国学者对GIS设备中特快速瞬态过电压的现场测量进行了广泛、深入的研究，特别是特高压气体绝缘开关设备特快速瞬态过电压的VFTO，取得了丰硕的科研成果[47,48, 57,58,59，60]。

为了研究特高压交流GIS中的VFFO，中国国家电网公司在特高压交流试验基地建立了1 100 kV交流试验基地。测试电路的原理图和现场照片如图20所示，清华大学和华北电力大学分别开发的基于舷窗传感器的两组测量系统安装在4个测量位置(图20中的P1、P2、P3、P4)[47，48，58]。安装前，已验证这些测量系统的性能，其带宽范围为0.1 Hz至100 MHz。在现场安装后，通过工频和雷电冲击电压校准标度因数。

图20 试验回路测试点布置和现场照片[58]Fig.20 Test circuit, test point layout and site photos [58]

在试验电路上进行了1 300多次试验，以研究隔离开关不同移动速度、预通电电压和阻尼电阻器对VFFOs特性的影响[60]。一些典型的测量VFFO波形如图21～图23所示。在负载侧的测量结果中，电压阶跃和VFFO脉冲是可感知的，而在源侧的电压波形中只有VFFO脉冲是明显的。

图21 接通D1时P4中的VFFO Fig.21 VFFO in P4 during switching on D1

图24显示了VFFO波形高频分量的频谱。VFFO的高频分量可能超过数十兆赫兹。VFFO脉冲的前沿时间可能很短，只有几纳秒。在快速隔离开关的情况下，VFFO的最高值出现在短测试母线的末端，约为2.27 p.u.，而在慢速隔离开关的情况下，VFFO的最大值出现在分支母线的末端，约为2.2 p.u.。研究发现VFFO的最快前沿时间为数ns，最高频率超过50 MHz。

图24 VFFO波形高频分量的频谱Fig.24 Frequency spectrum of the high-frequency components of a VFFO waveform

4 暂态过电压特征对金属氧化物避雷器运行应力的影响

从上述研究的成果来看，电力系统暂态过电压的特征与现有标准中的定义有明显的不同。表现为：操作缓波前暂态过电压持续时间长，雷击快波前暂态过电压多重性以及特快速暂态过电压的高频特性。这些特性对金属氧化物避雷器运行必将带来不同的影响。因此有必要研究这一方面的问题。限于篇幅，我们综述了国际、国内专家学者们在这一方面的研究成果。

在各类用途中，避雷器的核心元件 - ZnO电阻片都同时起到限压和能量吸收的作用。但是，ZnO电阻片在工作过程中，所受的冲击电流波形因应用不同而又有很大差异，能量耐受(或称之为：吸收)能力也显著不同，并且呈现出了不同的破坏形式。ZnO电阻片的能量耐受能力、冲击电流波形及其微观结构之间有着复杂的内在联系[61]。如图25所示，在持续时间较长的电流冲击下ZnO电阻片的能量吸收能力明显下降。

图25 平均失效能量与冲击电流密度关系Fig.25 Mean failure energy vs amplitude of current density

关于不同持续时间下ZnO电阻片的能量吸收能力的微观机理的研究也在深入开展。随着电子显微技术的发展[63]，基于密度泛函理论的第一性原理在ZnO非线性电阻的设计与研究领域的应用研究进展[64]，人们逐渐从微观结构方面得到了深入的了解。这对正确、安全设计、运行和维护金属氧化物避雷器具有重要意义。特别是，近年来随着基于数值仿真计算技术在金属氧化物避雷器研究中的应用研究，给我们提供了关于MOA的电场、热场或多物理场耦合的全过程、多角度的视角[65～66](图26)。

图26 不同荷电率[(a)0:28，(b)1:09，(c)1:18，(d)1:50，(e)1:90, (f)2:50]下的电流密度分布Fig.26 Current density distribution at different charge rates [(a) 0:28, (b) 1:09, (c) 1:18, (d) 1:50, (e) 1:90 , (f)2:50]

变电站多重雷电侵入波对线路侧金属氧化物避雷器的应力，如图27所示的，已经造成多起事故[67]。在多重雷击暂态过电压下，金属氧化物避雷器设计吸收能量值是需要重新验证考虑的。文献[68～69]研究表明：金属氧化物避雷器遭受长连续电流多重雷击时，长连续电流的存在将使故障处难以熄弧，导致其迅速达到热极限而崩溃。

多项研究表明，在多重雷击电流的作用下，ZnO电阻片的破坏形式和机理有所不同(图28)[70]，晶界的导电机理呈现不同的方式，需要进一步深入研究[71～72]。

图28 多重冲击电流试验情况Fig.28 Multiple impulse current test

实践表明，特快速暂态过电压曾经多次引起电气设备绝缘损坏的事故。金属氧化物避雷器对陡波冲击电流的响应的研究很早就开展了，其动态响应与ZnO电阻片的内在特性以及与表征电路和避雷器自身的寄生参数有很大关系[73～74]。早期的研究表明，ZnO电阻片的非线性伏安特性是由双肖特基势垒引起的。

Jie Chen等的研究指出：ZnO电阻片在特快速暂态过电压(VFTO)下表现出不同的阻抗行为。当施加的电压等于阻抗转折电压U0(注：取值约为1.65U1mA。下同)，电阻片呈现电阻特性。如果施加的电压低于U0，电阻片主要呈现电容。只要施加的电压高于U0，电阻片就以电感为主。在冲击电压不同的波前时间和不同的电流峰值范围下，电阻片表现出不同的阻抗行为。此外，电阻片的U0与冲击电流的陡度有关，与电阻片自身规格关系不大。电阻片的电压、电流同时响应，零点位置相同，电压与电流响应时间不存在延时效应，ZnO电阻片即时响应[75]。

5 结语

变电站缓波、快速和特快速暂态过电压现场测量的研究发展带来的新的研究成果，让我们看到了电力系统暂态过电压的复杂性。已经引起行业的广泛关注，IEC正在修订与绝缘配合相关国际标准。这些变化也必将对金属氧化物避雷器技术产生深刻的影响。

值得关注的是，最近GIGRE WG C4.23 出版了TB 839技术手册[76]。基于架空输电线路雷电过电压的研究成果，补充和更新CIGRE手册63“输电线路雷电性能评估程序指南”。

我们需要持续关注电力系统暂态过电压给我们带来的新挑战，借助先进的监测技术、计算机技术，丰富和完善金属氧化物避雷器在各种电压应力下的作用机理，为建设新一代的电力系统而努力。