一種新型暫態(tài)過電壓監(jiān)測系統(tǒng)分析和研究

中國南方電網(wǎng)有限責任公司 陳凱華

1　引言

由于GIS的某些優(yōu)點，如可靠性高、維修周期長且可節(jié)省安裝空間等，在近二十多年來被越來越多地用于現(xiàn)代高壓和超高壓系統(tǒng)中。而在實際運行和實驗中卻發(fā)現(xiàn)GIS內部的隔離開關在切合小容性負載時會產生波頭很陡、頻率高達MHz數(shù)量級的操作過電壓，稱之為快速暫態(tài)過電壓（VFTO）。

80年代以來，國際上已有許多專家開展了特快速暫態(tài)現(xiàn)象產生的機理、特征、影響因素、幅值分布情況，暫態(tài)地電位升高(Transient GroundPotentialRiSe，簡稱TGPR)效應，暫態(tài)電磁場和電磁干擾等問題以及絕緣對這種陡波前過電壓耐受能力等方面的研究。1998年國際上還組織了由多國實驗室參加的強大研究隊伍來主攻此課題，并對VFTO對一次設備絕緣的影響及對二次回路和控制、保護系統(tǒng)所產生的干擾給予很大的關注。

近年來隨著國內高電壓等級GIS的普及使用，電力系統(tǒng)受VFTO的影響也越來越突出，我國學術界也在這方面進行了大量的研究。國內外對快速暫態(tài)過電壓的研究主要是計算機的數(shù)值模擬計算，也有使用物理模型進行實驗室模擬實驗的。

模擬試驗的優(yōu)點在于能形象地深入了解現(xiàn)象的發(fā)展過程。雖然模擬計算和模擬試驗在對VFTO的研究中起到了一定的作用，但是它們都無法完全真實的反映現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)，因此都無法滿足對VFTO的研究。

針對G I S中VFTO的測量不同于常規(guī)的沖擊電壓測量，它具有許多特殊性。V FTO的上升時間很短，測量系統(tǒng)必須具有較高的上限頻率（100～200MHz）。

另外由于VFTO是疊加于工頻電壓上并受到殘余電荷的影響，因此還要求它有足夠低的下限頻率。GIS開關操作時會產生很高的瞬態(tài)地電位及空間電磁干擾，因此對測量儀器的保護等要求取有效的抗干擾措施。

2　VFTO產生原理

在GIS實際運行和實驗中發(fā)現(xiàn)，隔離開關在切合小容性負載時，由于觸頭運動速度慢、隔離開關滅弧能力弱等原因，觸頭間可能會發(fā)生重擊穿，產生波頭很陡的行波，在GIS設備內發(fā)生多次折反射，形成頻率高達Mz數(shù)量級的操作過電壓，稱之為快速暫態(tài)過電壓（V FTO，VeryFastTransientOvervoltage）。

GIS中隔離開關操作時由電弧的熄滅和重燃產生的快速暫態(tài)過程和它在GIS母線上的來回折反射所形成的快速暫態(tài)過電壓（VFTO），具有上升時間短、幅值高及衰減慢的特點，有研究表明，其上升時間在2-20ns，幅值一般低于2.0pu，極端情況可達3.0pu，基本頻率為5～10MHz。

3　VFTO過電壓的主要危害

隨著我國電力工業(yè)的高速發(fā)展和電壓等級的不斷提高，GIS設備在近二十年來被廣泛地應用于電力系統(tǒng)中。然而隨著電壓等級的提高，由隔離開關的操作而引起的快速暫態(tài)過電壓（VFTO）屢見不鮮，類似情形將對電網(wǎng)運行安全造成威脅。因此，對GIS設備內部VFTO的測量及如何預防進行研究，有著重要的現(xiàn)實意義。

隨著GIS設備運行電壓的提高，特快速暫態(tài)過電壓的影響日益明顯和嚴重，致使其在220kV及以上電壓等級的GIS設備中多次引起故障或其它問題，它不但會在GIS設備的主回路引起對地故障，而且還會造成相鄰設備(如變壓器等)的絕緣損壞。國內外GIS設備中不乏VFTO危害實例：

(1)1992年廣東大亞灣核電工程，在500kv系統(tǒng)調試中，進行切合空載變壓器例行操作時，由于快速暫態(tài)過電壓引起3×350MVA主變壓器一相主絕緣被擊穿。

(2)巴西的Grajau500kVGIS在運行初期，曾因隔離開關例行操作產生特快速暫態(tài)過電壓造成500kV油紙?zhí)坠艿恼押妥儔浩鞴收稀?/p>

(3)華東天荒坪抽水蓄能電廠的500kVGIS自1998年投運以來。由于例行操作，出現(xiàn)了變壓器保護用氧化鋅避雷器頻繁動作的現(xiàn)象，經(jīng)計算表明也是特快速暫態(tài)過電壓引起的。

(4) 2001年浙江北侖電廠一臺500kV變壓器損壞，經(jīng)初步調查，分析認為也是特快速暫態(tài)過電壓所致。

3.1　老化效應

與一般切容性負荷的原理相同，GIS設備隔離開關在切、合容性負荷時，會產生多次重燃或預擊穿。由于隔離開關動作速度較慢，重燃的時問相對隔離開關的操作時間而言是非常短的，因此重燃次數(shù)會較多。每重燃一次，就可能產生一定幅值的特快速暫態(tài)過電壓。

這過程不同于一般電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程，每當隔離開關操作一次，就會產生多次的重燃和由它引起的許多次具有一定電壓幅值的快速瞬變過程。而隔離開關的操作屬于常規(guī)操作程序，那么GIS設備及其它電氣設備就有可能在一個相當短的時間內經(jīng)受成百次VFTO的考驗，這對絕緣來說無異于接受一種性質與截波相近的老化試驗，這會給絕緣帶來很大的損傷。

3.2　VFTO在變壓器內部造成極不均勻的匝間電位分布和諧振過電壓

VFTO的最大受害者是變壓器，無論是與GIS設備直接相連還是非直接相連接的變壓器，在受到VFTO作用時，都會有兩種影響：

一是隔離開關觸頭擊穿瞬間產生的階躍波到達變壓器時，相當于在變壓器端部加上了一個陡波波頭，對于直接相連的交壓器，其上升時間可能只有數(shù)十納秒，遠遠低于雷電沖擊截波試驗時波頭的上升時間，會在變壓器繞組上造成極不均勻的匝間電壓分布，危害極大；對非直接相連的變壓器，因為經(jīng)過了兩個套管和一段線路，使陡波趨于平緩，其波頭上升與雷電沖擊截波相似。二是高頻振蕩可能在變壓器內部激發(fā)起極高的諧振過電壓。

除此之外，VFTO還可能通過電壓、電流互感器等容性設備，通過繞組感應到系統(tǒng)的二次設備從而危害二次設備的正常工作。

近十多年來，VFTO給電力系統(tǒng)帶來的危害已受到人們的普遍關注，成為國際高壓領域的研究熱點。我國也有大量GIS設備投入運行，并也曾發(fā)生過事故。因而，開展對GIS設備內產生的VFTO的監(jiān)測很有意義。

本項目就是研發(fā)一套VFTO高速采集監(jiān)測系統(tǒng)，對GIS設備內部的VFTO進行監(jiān)測、采集并記錄，以便于對其進行更加深入地研究。

4　測量VFTO的主要方法

目前，測量VFTO的主要方法有電容傳感器電場探頭和套管末屏法3種。

4.1　電容傳感器法

加拿大研制了測量頻率范圍分別為1Hz～100MHz和100kHz～500MHz的2種手孔式電容傳感器測量系統(tǒng)，并應用該系統(tǒng)對500kVGIS變電站中隔離開關操作產生的VFTO進行了實測。日本東芝公司研制了預埋環(huán)電容傳感器測量系統(tǒng)，主要用于其產品中的VFTO測量，最高頻率為10MHz。

國內研制的手孔式電容傳感器測量系統(tǒng)頻率范圍為3Hz～38MHz，在實驗室對252kV隔離開關操作產生的VFTO進行了測量。

4.2　電場探頭法

可用于測量GIS的外部VFTO，球狀探頭被放置在測量點附近，感應電場被轉換為瞬態(tài)電壓信號，通過光纖系統(tǒng)傳輸至示波器，頻率可達100MHz，德國和瑞士嘗試用該測量系統(tǒng)對420kV系統(tǒng)的外部VFTO進行了測量，VFTO最高頻率為12MHz。該傳感器分壓比受變電站設備布置等環(huán)境條件影響較大，須進行現(xiàn)場標定，且實施較困難。

4.3　套管末屏法

也是采用電容分壓原理，在變壓器或高壓并聯(lián)電抗器出線套管的末屏處接入二次電容，形成電容分壓器測量VFTO，但需采用反卷積方法還原測量信號，測量精度較低，且測點受限。國內在750kV工程調試中用該方法對VFTO進行了測量。

上述情況表明：國外研制的手孔式電容傳感器的性能指標較高，國內研制的手孔式電容傳感器測量頻率范圍偏低，難以確保VFTO測量結果的準確性；預埋環(huán)電容傳感器測量系統(tǒng)的測量帶寬較低，套管末屏法的測量精度較低且測點受限。因此使用手孔式電容傳感器成為VFTO測量中比較實用的方法，但對其的測量頻率范圍要求比較高。

4.4　測量意義

目前VFTO的檢測只是在試驗室做過，沒有在運行的電網(wǎng)中實際檢測過，無法得到真實的VFTO特征數(shù)據(jù)信息，而本文將怎么完成將實現(xiàn)試驗室向現(xiàn)實的過度，對VFTO的研究具有重大意義。

由于VFTO的特殊性和復雜性，以往的采集監(jiān)測手段無法記錄其全部信息，而使用本項目的高速采集系統(tǒng)可以記錄全部VFTO的信息，可為VFTO的研究提供重要現(xiàn)實依據(jù)。

5　系統(tǒng)組成

5.1　分壓器系統(tǒng)的研究

研制抗沖擊電壓專用分壓器，沖擊電壓必須保證在工頻電壓和沖擊電壓高的電容值穩(wěn)定性。阻尼電阻布置在高壓電容臂電容和低壓臂電容內部?？箾_擊分壓器可精確的測量交流電壓、雷電沖擊和操作沖擊電壓，該分壓器必須可以在線實時監(jiān)測和分析短時沖擊電壓。

5.2　采集系統(tǒng)的設計

與分壓系統(tǒng)電纜相連的是采集系統(tǒng)，必須要能達到快速暫態(tài)過電壓的頻率，因為快速暫態(tài)過電壓的頻率最高可以達到幾百M頻率，我們需要研制能達到幾百M采集速率的采集系統(tǒng)，應具有自動觸發(fā)功能并帶有高精度GPS時鐘，需要分析斷路器觸頭的同期性，由于VFTO時間極短，鑒于采集記錄裝置有一定的觸發(fā)時間（雖然極短但是也會對VFTO的記錄完整性有一定的影響），因此建議采用預存儲方式，即：無論有無VFTO的觸發(fā)采集系統(tǒng)在監(jiān)測過程中始終進行記錄，內存數(shù)據(jù)滿后自動刪除前面的數(shù)據(jù)并繼續(xù)記錄，直到有VFTO觸發(fā)，系統(tǒng)將觸發(fā)點前一段和后面一部的數(shù)據(jù)全部傳輸至主機系統(tǒng)進行硬盤存儲，以達到VFTO數(shù)據(jù)的全記錄。

5.3　主機系統(tǒng)

主機必須配有高速處理芯片，為了滿足采集系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)的快速記錄要求，建議采用比傳統(tǒng)電腦硬盤快幾十倍的電子硬盤來進行儲存。另外強大的運算系統(tǒng)可以為采集系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)提供及時的處理，實現(xiàn)了信號頻域的解析。

5.4　數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

采用多種數(shù)據(jù)傳輸方式，以太網(wǎng)絡傳輸及USB接口傳輸。

5.5　用戶終端顯示系統(tǒng)

采用基于WINXP系統(tǒng)上的軟件對于主機處理完成的數(shù)據(jù)進行圖形化處理和人性操作化界面設計，提供歷史數(shù)據(jù)查詢分析功能，信號頻譜、幅值、波形顯示等功能，及VFTO觸發(fā)提示報警功能等多種監(jiān)測功能。

6　總結

由于采用的在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以長時間的監(jiān)視運行的電網(wǎng)及電力設備，而200M的高速采集系統(tǒng)可以完整的記錄VFTO的信息，一但有VFTO產生就立刻記錄下來，發(fā)出報警提醒檢測人員注意，為檢測人員評估提供了很好的依據(jù)。

通過本項目可以很好地對VFTO進行研究，得到的研究成果可以運用到對VFTO的保護措施上，最終可以達到減少VFTO產生及設備故障目的，對電網(wǎng)的安全運行具有重大的意義。