一種基于耦合電容的電網(wǎng)過電壓在線監(jiān)測技術(shù)研究

葉海峰，談發(fā)力，周恩澤，漆一帆，江子豪，胡傳宇

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州，510000；2.武漢三相電力科技有限公司，武漢，430074）

0 引言

國內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中頻繁遭受過電壓的危害，容易造成設(shè)備損毀甚至引發(fā)嚴(yán)重事故[1-2]。盡管在運(yùn)行中已采取了較多的過電壓抑制及防范措施，但過電壓現(xiàn)象及其導(dǎo)致的故障仍然時有發(fā)生。造成這一現(xiàn)象的主要原因是目前缺少高效可靠的監(jiān)測技術(shù)，無法精確獲知過電壓幅值大小及波形特征規(guī)律，使得絕緣配合與實(shí)際運(yùn)行情況存在差異，設(shè)備的安全運(yùn)行無法得到可靠保障[3-4]。目前關(guān)于電力系統(tǒng)過電壓機(jī)理、頻率及幅值等特征相關(guān)研究已取得了較多的成果，但這些研究多基于理論分析及仿真建模，尚缺少實(shí)測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。準(zhǔn)確獲取電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中過電壓特征，對于事故分析以及絕緣配合的優(yōu)化改進(jìn)可以提供數(shù)據(jù)支撐，并有助于減少過電壓事故的發(fā)生，因此，急需一種高效可靠的監(jiān)測技術(shù)[5-6]。

如何獲取過電壓信號是過電壓監(jiān)測技術(shù)的關(guān)鍵，目前已有多種技術(shù)手段及相關(guān)設(shè)備。文獻(xiàn)[7-8]采用并聯(lián)電容分壓器方式來獲取母線上過電壓信號，該方式測量精度高、傳感器頻響特性優(yōu)異，然而分壓器需要長期并聯(lián)運(yùn)行，只適用于35 kV及以下系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]介紹了利用電磁式電壓互感器提取過電壓信號，該傳感器鐵芯容易飽和，高頻下響應(yīng)容易產(chǎn)生嚴(yán)重的失真和飽和，難以準(zhǔn)確監(jiān)測高頻過電壓信號。文獻(xiàn)[10-11]介紹了一種基于光電效應(yīng)的光纖式電壓傳感器，該傳感器重量輕、精度高、頻帶寬，且高低壓隔離，但該傳感器長期運(yùn)行穩(wěn)定性差，實(shí)施難度大，難以大范圍推廣使用。重慶大學(xué)司馬文霞[12]等設(shè)計(jì)了一種變壓器套管末屏電壓傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但末屏接地線存在著斷開的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致末屏產(chǎn)生嚴(yán)重放電。杜林[13]等通過測量容性設(shè)備泄露電流來間接測量設(shè)備上過電壓，該方案操作簡便易于實(shí)施，但受限于傳感器測量范圍及頻帶響應(yīng)限制，只能測量內(nèi)部過電壓，局限性較大。胡泉偉[14]等提出了一種基于羅氏線圈的過電壓監(jiān)測方法，該方法對高頻過電壓響應(yīng)特性較好，但難以測量工頻過電壓。

針對上述問題，筆者從空間耦合電容分壓原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種耦合電容傳感器，該傳感器高低壓臂分別由傳感器與大地以及傳感器與輸電導(dǎo)線之間耦合電容組成，低壓臂與后級采集及處理電路均位于被測量高壓端附近，與低壓端形成電氣隔離。對傳感器原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出合理參數(shù)，然后對其雷電沖擊特性進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，表明該測量技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)過電壓的監(jiān)測。

1 監(jiān)測原理

圖1為過電壓監(jiān)測原理示意圖。傳感器與后級采集及處理系統(tǒng)安裝于被測高壓端導(dǎo)體上。傳感器金屬片與高壓導(dǎo)體之間耦合電容C1為低壓臂電容，傳感器金屬片對地耦合電容C2則為高壓臂電容。圖1中4為信號采集及處理系統(tǒng)，該設(shè)備外殼為一導(dǎo)電性能良好的金屬屏蔽殼，已經(jīng)過特殊防電暈處理，并具備良好的防水及防塵功能。采集與處理電路安裝于該金屬屏蔽殼內(nèi)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理后，通過無線3G/4G方式發(fā)送至后臺中心站，中心站對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后輸出最終結(jié)果。

圖1 過電壓監(jiān)測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of overvoltage monitoring

設(shè)備工作時，屏蔽殼與高壓導(dǎo)體等電位連接，并作為采集電路的接地端，傳感器金屬片2耦合出的信號經(jīng)過信號電纜3進(jìn)入采集設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行相關(guān)處理。為滿足長期工作需要，傳感器金屬片安裝在一絕緣外殼內(nèi)部，并固定于高壓導(dǎo)體上。實(shí)際工程應(yīng)用里，將傳感器以及后級采集及處理電路等集成在一個設(shè)備中，稱作過電壓監(jiān)測終端，簡稱監(jiān)測終端，下同。被監(jiān)測的對象，即高壓導(dǎo)體可以是輸電線路導(dǎo)線，變電站母線或者變壓器、GIS進(jìn)出線等等。

2 傳感器參數(shù)確定與標(biāo)定

耦合電容C1及C2的大小決定著分壓比大小，因此對這兩個參數(shù)進(jìn)行精確測算是設(shè)計(jì)本文電壓傳感器的關(guān)鍵。而耦合電容的大小取決于電極形狀、尺寸、空間布置以及極間分布的介質(zhì)有關(guān)[15]。工程應(yīng)用中常采用數(shù)值計(jì)算法來確定電容值大小，如表面電荷法[16]、有限元法[17]、模擬電荷法[18]等等。

筆者所采用的傳感器金屬片為一圓弧型窄條，其寬度為a，圓弧半徑為R，圓弧角為α，被測導(dǎo)體半徑為r。金屬片與導(dǎo)體同軸，將金屬片近似看作為同軸圓柱電容器外面圓柱面的一部分，那么近似有

式中C為同軸圓柱電容器單位長度電容大小，其值為

式中R2和R1分別為外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體半徑，那么由上面兩式可推導(dǎo)出：

當(dāng)a取1 cm，α=π/3，R和r分別取5 cm和1 cm時，通過式求出C1=0.093 pF。

由于電容極板與大地均為不規(guī)則形狀，常規(guī)方法難以求取其精確解，參考文獻(xiàn)[19]計(jì)算結(jié)果，估算C2范圍為1 pF～3 pF左右。為測量500 kV左右過電壓信號，經(jīng)過多次估算和測試，實(shí)際測試和工程應(yīng)用中，在C1兩端并聯(lián)了0.1μF電容。

此外，從傳感器等效結(jié)構(gòu)來看，該傳感器實(shí)際是一個純電容式傳感器，這種類型傳感器對于雷電過電壓等高頻電壓信號響應(yīng)不佳，容易出現(xiàn)高頻震蕩。此時可以在電容上串聯(lián)阻尼電阻來消除高頻震蕩，串聯(lián)電阻阻值按如下式確定：

式中L為高壓引線電感，計(jì)算時取0.94μH；C近似等于高壓臂電容C2。若按1pF考慮，此時求解R1=242～1 454 Ω。

導(dǎo)線、金屬屏蔽殼以及采集電路接地端等電位連接，將其電位視為0，那么實(shí)際大地可看做為高電位導(dǎo)體，此時測量原理圖如圖2所示。

圖2 傳感器等效電路Fig.2 Equivalent circuit of sensor

末端測量考慮阻抗匹配，此時，實(shí)際分壓比為

若過電壓最大幅值為500 kV，采集電路入端電壓為2.5 V，滿足采集的要求。

3 試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

為測試傳感器波形還原特性及測量線性度，根據(jù)耦合電容測量原理，在廣東電力科學(xué)研究院高壓試驗(yàn)大廳搭建了模擬試驗(yàn)環(huán)境，并進(jìn)行了工頻及雷電沖擊特性測試。試驗(yàn)布置如圖3所示。

圖3中，模擬導(dǎo)線采用外徑為5.1 cm，長度為5 m的鋼管，其兩端通過絕緣繩懸掛于吊車掛鉤下面，其空間位置可以隨意調(diào)整。模擬導(dǎo)線對地高度設(shè)置為15 m，且與周圍任一接地體距離均大于6米，滿足絕緣要求[20]。模擬導(dǎo)線正下方放置5米*5米鋁制薄板以模擬大地。傳感器及監(jiān)測終端一體化裝置固定于模擬導(dǎo)線上，終端外殼、采集電路接地端與模擬導(dǎo)線等電位連接。試驗(yàn)時，通過試驗(yàn)電源給模擬導(dǎo)線施加所需電壓，模擬導(dǎo)線上電壓一方面可通過分壓比為1 000的標(biāo)準(zhǔn)分壓器后接入示波器進(jìn)行測量，另一方面經(jīng)過監(jiān)測終端采集后，通過無線方式發(fā)送至后臺中心進(jìn)行處理分析。試驗(yàn)電源包括額定電壓為1 000 kV，容量1 000 kVA工頻試驗(yàn)變壓器以及標(biāo)稱電壓±2 400 kV的沖擊電壓發(fā)生器。

圖3 耦合電容傳感器試驗(yàn)布置原理圖Fig.3 Schematic diagram of the coupling capacitance sensor

3.1 工頻電壓測試結(jié)果

首先施加500 kV系統(tǒng)最大運(yùn)行電壓，按±5%波動考慮，即500×（1+5%）/1.732=303.1 kV。根據(jù)前面參數(shù)確定結(jié)果，傳感器理論變比為k=200 000:1，上位機(jī)對上傳波形進(jìn)行計(jì)算后，用采集到波形有效值乘以該變比即可得到實(shí)際電壓大小。以此變比進(jìn)行測量時，監(jiān)測終端上傳電壓波形有效值為451.6 kV，偏差達(dá)49%。分析認(rèn)為誤差主要來源是高壓臂電容C2估算誤差，該電容相比模擬試驗(yàn)場景的實(shí)際電容偏小。為此對傳感器變比進(jìn)行3次測量修正并取平均值，經(jīng)修正后傳感器變比為=134 233，重新進(jìn)行工頻電壓測試試驗(yàn)。對比監(jiān)測終端上傳結(jié)果與示波器測量結(jié)果，如表1所示。

表1 監(jiān)測終端工頻電壓測量結(jié)果與示波器測量結(jié)果對比Table 1 comparison of measurement results of power frequency voltage and oscilloscope

從表1可以看出，傳感器變比經(jīng)校核后工頻電壓測量值與標(biāo)準(zhǔn)值接近，誤差均在6%以內(nèi)，具有較好的測量精度。此外，對比兩者監(jiān)測波形可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測終端上傳的波形與示波器波形基本一致，表明該傳感器工頻電壓響應(yīng)特性良好。

3.2 雷電沖擊電壓測試結(jié)果

調(diào)整好變比后，在模擬導(dǎo)線上施加不同電壓的標(biāo)準(zhǔn)±1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓，通過示波器和監(jiān)測終端同步采集沖擊電壓，波形分別如圖4（a），（b）所示。

圖4 雷電沖擊電壓下示波器與監(jiān)測終端監(jiān)測波形對比Fig.4 Comparison of the lightning impulsevoltage waveform of the oscilloscope and the monitoring terminal

示波器采集采集電壓幅值經(jīng)換算后為326 kV，本監(jiān)測終端上傳波形幅值為319 kV，偏差為2.15%。從波形特征來看，本監(jiān)測終端上傳波形波頭及波尾時間分別為1.5 μs和46 μs，與示波器測量波形相近，具備很好的波形還原能力，傳感器高頻響應(yīng)特性良好，可以用于電網(wǎng)過電壓的測量。

對傳感器進(jìn)行多種不同幅值雷電沖擊過電壓測試，并與示波器測量數(shù)值進(jìn)行對比，結(jié)果見圖5。

圖5 雷電沖擊電壓測量結(jié)果對比Fig.5 Comparison of lightning impulse voltage measurement

當(dāng)雷電過電壓幅值小于150 kV時，最大測量誤差為12.9%；幅值超過220 kV時，平均測量誤差為3%以內(nèi)。從總體情況來看，監(jiān)測終端測量幅值與示波器結(jié)果較為接近，具備一定的測量精度。

4 工程應(yīng)用

本文所述監(jiān)測終端已于2017年在南方電網(wǎng)某500 kV變電站進(jìn)行了工程應(yīng)用。設(shè)備安裝于變電站一500 kV出線上，總計(jì)3臺，監(jiān)測終端分別配置于靠近大地的分裂導(dǎo)線上。設(shè)備安裝現(xiàn)場如圖6所示。

自設(shè)備投運(yùn)以來，設(shè)備運(yùn)行良好，能正常采集與收發(fā)數(shù)據(jù)，其中最典型的數(shù)據(jù)為近期設(shè)備所安裝線路上發(fā)生了一起線路漂浮物跳閘故障。通過設(shè)備采集波形與站內(nèi)裝置記錄故障時刻進(jìn)行對比，找到線路故障前后監(jiān)測終端采集的相關(guān)波形，如圖7所示。

圖7 監(jiān)測終端采集的典型電壓數(shù)據(jù)Fig.7 Typical voltage data collected by monitoring terminal

圖7（a）中，故障前工頻電壓幅值約為410 kV，與500 kV線路實(shí)際運(yùn)行相電壓幅值一致。圖7（b）中，設(shè)備監(jiān)測的故障時刻暫態(tài)電壓波形，從圖中可以看出，電壓幅值約350 kV左右，略低于運(yùn)行電壓，波形脈寬較寬，其頻率遠(yuǎn)低于雷電過電壓，符合典型非雷擊故障特征。

5 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了一種基于耦合電容原理的傳感器，對傳感器原理、信號檢測方法、參數(shù)標(biāo)定等進(jìn)行了論述，并結(jié)合試驗(yàn)以及工程應(yīng)用，對傳感器特性以及檢測方法進(jìn)行了驗(yàn)證，得到如下基本結(jié)論。

1）筆者所提出的一種傳感器與傳統(tǒng)的高壓信號獲取信號技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)簡單，且監(jiān)測終端安裝于高壓導(dǎo)體上，與地形成隔離，安全性高；

2）傳感器測量精度較高，不僅能測量工頻電壓，也能測量高頻率的雷電沖擊電壓。理論上可可適用于電力系統(tǒng)各電壓等級過電壓監(jiān)測；

3）監(jiān)測終端監(jiān)測到一次非雷擊故障暫態(tài)電壓信息，表明本技術(shù)能滿足實(shí)際運(yùn)行的要求，且具備較好的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

[1]張重遠(yuǎn)，李文博，陳濤．基于TV寬頻特性的過電壓在線監(jiān)測算法[J].高電壓技術(shù)，2014，40（3）：801-807．ZHANG Zhongyuan，LI Wenbo，CHEN Tao．Online overvoltage monitoring algorithm based on broadband parame?ters of TV[J]．High Voltage Engineering，2014，40（3）：801-807．

[2]張重遠(yuǎn)，唐帥，梁貴書，等.基于電磁型電壓互感器傳輸特性的過電壓在線監(jiān)測方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（22）：142-148．ZHANG Zhongyuan，TANG Shuai，LIANG Guishu，et al.Online overvoltage monitoring method based on transmis?sion parameters of voltage transformer[J].Proceedings of the CSEE，2011，31（22）：142-148．

[3]杜林，黃旭，司馬文霞，等.基于容性設(shè)備泄漏電流的電網(wǎng)電壓分頻測量方法分析[J].高電壓技術(shù)，2012，38（6）：1307-1312．DU Lin，HUANG Xu，SIMA Wenxia，et al．Analysis on power grid voltage frequency measurement method based on leakage current of capacitive equipment[J]．High Volt?age Engineering，2012，38（6）:1307-1312．

[4] JUNG J K，SO E，LEE S H，et al．Comparison of sys?tems between KRISS and NRC to evaluate the perfor?mance characteristics of a 400 kV capacitive voltage divid?er[J]．IEEE Transactions on Instrumentation and Measure?ment，2011，60（7）：2634-2641．

[5]張璐，張喬根，劉石，等.特快速瞬態(tài)過電壓和雷電沖擊作用下特高壓GIS絕緣特性[J].高電壓技術(shù)，2012，38（2）：335-341.ZHANG Lu，ZHANG Qiaogen，LIU Shi，et al.Insulation characteristics of UHV GIS under VFTO and lightning im?pulse[J].High Voltage Engineering，2012，38（2）:335-341.

[6]蘭海濤，司馬文霞，姚陳果，等.高壓電網(wǎng)過電壓在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集方法研究[J].高電壓技術(shù)，2007，33（3）:79-82，103．LAN HaiTao，SIMA Wenxia，YAO Chenguo，et al．Study on data acquisition of overvoltage online monitoring sys?tem of high voltage power grid[J]．High Voltage Engineer?ing，2007，33（3）：79-82，103．

[7]周凱，張濤，董秀成，等.基于電容分壓的配電網(wǎng)過電壓在線監(jiān)測[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31（21）:86-89.ZHOU Kai，ZHANG Tao，DONG Xiucheng，et al.On?line monitoring of overvoltage in power distribution net?work based on the capacitance divider.Automation of Elec?tric Power Systems ，2007，31（21）:86-89.

[8]姚陳果，孫才新，米彥，等.配電網(wǎng)過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).電力系統(tǒng)自動化，2004，28（9）:74-76.YAO Chenguo，SUN Cai xin，MI Yan，et al.An on-line monitoring system f or over-voltage of distribution net?work.Automat ion of Electric Power Systems，2004，28（9）:74-76.

[9]邱紅輝.電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)及其相關(guān)理論研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2008．QIU Honghui.Research on the key technology and related theory of electronic transformer[D].DA Lian;Dalian Uni?versity of Technology，2008

[10]ALLIL R C S B，MARCELO M W.Optical high-voltage sensor based on fiber bragg grating and PZT piezoelectric ceramics[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2011，60（6）：2118-2128．

[11]溫海燕，雷林緒，張朝陽，等.基于普克爾效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（4）：1180-1184．WEN Haiyan，Lei Linxu，Zhang Zhaoyang，et al.Design and experimentalresearch of pockels effect based optical voltage transducer[J].Power System Technology，2013，37（4）：1180-1184.

[12]司馬文霞，蘭海濤，杜林，等.套管末屏電壓傳感器響應(yīng)特性研究.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（21）:172-176.SIMA Wenxia，LAN Haitao，DU Lin，et al.Study on re?sponsecharacteristic of voltage sensor mounted at the tap oftransformer bushing.Proceedings of the CSEE，2006，26（21）:172-176.

[13]杜林，劉偉明，司馬文霞，等.基于容性設(shè)備泄漏電流的電網(wǎng)電壓測量方法.電力系統(tǒng)自動化，2008，32（19）:67-76.DU lin，LIU Weiming，SIMA Wenxia，et al.Power grid?voltage measurement based on the leak age current of ca?pacitiveequipment s.Automation of Electric Power Sys?tems，2008，32（19）:67-76.

[14]胡泉偉，黃海波，袁鵬，等．基于羅氏線圈原理的500 kV電網(wǎng)過電壓監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J]．高壓電器，2011，47（5）：59-63．HU Quanwei，Huang Haibo，Yuan Peng，et al．Overvolt?age monitoring system for 500 kV power grid based on Rogowski coil[J]．HighVoltage Apparatus，2011，47（5）;59-63（in Chinese）

[15]馮慈璋，馬西奎.工程電磁場導(dǎo)論[M].北京:高等教育出版社，2003.FENG Cizhang，MA Xikui.Introduction to engineering electromagnetic field[M]. Beijing: Higher Education Press，2003

[16]姚為正，陳彩屏.用表面電荷法計(jì)算高壓設(shè)備的雜散電容[J].高壓電器，1997（2）:45-48.YAO Wei zheng，CHEN Caiping.Calculation of highvolta?geequipment s t ray capacitance by surface charge meth od.HighVoltage Apparatus，1997（2）:45-48.

[17]崔翔.應(yīng)用有限元方法計(jì)算含有電位懸浮導(dǎo)體的電場分布[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1995，22（2）:1-7.CUI Xiang.Calculation of electric field a system with float neglect rods by finite element technique.Journal of North China University:Science and Technology，1995，22（2）:1-7.

[18]任新宇.模擬電荷法原理及其應(yīng)用概述.科學(xué)之友:B版，2009（4）:1-3.REN Xinyu.Tends to the life judge—the cognitive death.Friend of Science Amateurs:B ，2009（4）:1-3.

[19]杜林，常阿飛，司馬文霞，等.一種非接觸式架空輸電線路過電壓傳感器[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34（11）：93-97.DU Lin，CHANG AFei，SIMA Wenxia，et al.A non-con?tact overhead transmission line overvoltage sensor[J].Au?tomation of electric power systems，2010，34（11）;93-97.

[20]呂瑋，吳廣寧，周利軍，等.阻容型高壓沖擊分壓器參數(shù)設(shè)定及仿真[J].儀表技術(shù)，2010（5）:54-56.LV Wei，WU Guangning，ZHOU Lijun，et al.Parameter setting and Simulation of high voltage impact resistance di?vider[J].instrument technology，2010（5）:54-56.