基于電場傳感器的VFTO測量方法研究

谷紅霞

摘要：氣體絕緣變電站日益廣泛地應用于電力系統(tǒng)中，在變電站中由于開關合分閘操作引起的快速暫態(tài)過電壓（VFTO）給氣體絕緣變電站帶來的絕緣故障率問題呈上升趨勢。本文的主要目的是研究GIS變電站開關合分閘過程中產(chǎn)生的VFTO，根據(jù)VFTO陡波產(chǎn)生過程，建模分析以及VFTO波形分析，進行基于電場傳感器的VFTO測量系統(tǒng)的設計方案研究。通過電場傳感器中電壓和電場的固定關系利用編程方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析和存儲，最終確定采用電場傳感器對VFTO進行檢測測量研究。

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.

關鍵詞：電場傳感器;VFTO;測量方法

Key words： electric field sensor;VFTO;measurement method

中圖分類號：TM933.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）16-0182-03

0? 引言

氣體絕緣變電站（Gas Insulated Substation，簡稱GIS）是由被密封在充滿SF6氣體的接地金屬氣體管道中的隔離開關、斷路器、母線、避雷器、電流互感器等高壓電器組合而成的高壓配電裝置[1]。當隔離開關與該裝置中的母線斷開或者閉合時，由于斷開閉合的過程中閘片觸頭運動速度較慢，同時開關的滅弧性能較差，故在此過程中觸頭會多次發(fā)生重燃，引起快速暫態(tài)過電壓。VFTO己經(jīng)成為使變電站中設備產(chǎn)生故障的主要原因之一。目前國內(nèi)外關于VFTO的測量方法有采用套管傳感器測量;微分積分測量法，采用內(nèi)置探頭結構測量，寬帶預埋環(huán)測量等方法。這些方法在不同的適用情況下均取得了一定的測量效果，但由于受到外界影響較大，效率較低和適用范圍有限等缺點，本文針對針對500kV GIS/HGIS變電站的開關動作時產(chǎn)生的ns級快速暫態(tài)過電壓（VFTO）測量技術的研究提出一種基于電場傳感器的VFTO測量方法

1? 基于電場傳感器的無接觸VFTO測量法

快速暫態(tài)過電壓VFTO的實際測量技術一直是國內(nèi)外十分關注的研究，從1980年開始，國內(nèi)外關于VFTO測量法不斷創(chuàng)新，提出多種具有實際效果的測量方法，比如：內(nèi)置探頭法、預埋電極法、微積分方法、套管末屏法等方法。通過實驗可得，在這四種較為經(jīng)典的方法中，套管末屏法比較適用于測量振蕩頻率較低的GIS外部過電壓，其測量頻帶較低。地電容等客觀因素的存在會對微積分方法測量造成影響，使其頻帶裕度有限。在測量頻帶很有限方面，預埋電極法與與微積分方法一致，此外受到高低壓臂電容連接引線引入電感的影響，再加上該方法需要在盆式絕緣子中預置預埋環(huán)電極，極容易造成高頻振蕩問題。在電壓過高的情況下，通過分壓，直接從線路上連線進行信號的測量不容易實現(xiàn)。鑒于現(xiàn)有的高壓測量技術方面有著較高的要求，且在高壓情況下較難實現(xiàn)，在這種形勢下，再加上鏈接的系統(tǒng)本身存在負載，可能對高壓造成極短時間抑制，影響最終的采樣結果精準度。對于VFTO來說，最好采用無接觸的方式進行檢測。現(xiàn)有具有能在低壓和電壓輸電線路附近測量電場的傳感器。利用這樣的傳感器可以對因分閘而產(chǎn)生的VFTO進行測量。將電場傳感器放在被測線路旁，保持與線路的相對位置固定不變。在電路工作于穩(wěn)定的情況下，對電場進行測量。所測量到的電場的強度與線路上的電壓有關，并與線路中的電壓成線性關系。當輸電線路中的電壓變化時可以觀測到電場的變化，并由此通過已知電壓和測得電場強度對傳感器進行定標，再進行VFTO的測量。在電路穩(wěn)定的情況下，測到了一個穩(wěn)定的電場。當分閘時，電場發(fā)生變化，將電場變化曲線進行記錄。根據(jù)電場的變化規(guī)律就可以通過數(shù)據(jù)分析獲得線路內(nèi)部電壓的變化情況。對于現(xiàn)有的高壓測量手段也提出極高的要求，且在高壓情況下不僅實現(xiàn)測量的難度很大，其最終的采樣結果也可能存在較大誤差。

對于VFTO來說，最好采用無接觸的方式進行檢測。在其線路的附近無論是低噪聲穩(wěn)定的直流或交流電路，其電場是穩(wěn)定的。由于開關分合閘會影響電路，電場也必然會因此受到擾動。有研究表明，電場擾動會隨著電路內(nèi)部擾動的增強而逐漸變強。由此可知，既然穩(wěn)定電場可被測量，那么由于擾動引起的變化也能夠被及時發(fā)現(xiàn)。也就是說，無接觸的測量VFTO是可行的，通過測量電場即可實現(xiàn)。

2? VFTO測量系統(tǒng)架構

如圖1所示測量系統(tǒng)架構圖，使用傳感器對高壓脈沖信號進行采集，為采集ns級高速放電信號，選用高端ADC板卡進行采集，然而由于諸多客觀原因的限制，只有將系統(tǒng)小型化才能更便于實現(xiàn)和操作，為此，系統(tǒng)依據(jù)實際情況，集成整個裝置，設計小型化VFTO測量系統(tǒng)。并通過高精度ADC板卡對數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)過分析和存儲數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化技術方案。

同時合理布置傳感器點陣，以在GIS的不同節(jié)點進行測量，同時在不同負載的情況下對在相同的節(jié)點測試VFTO，對數(shù)據(jù)進行記錄和分析。結合模型合理布置傳感器，力爭用最少的傳感器實現(xiàn)GIS的VFTO監(jiān)護。整個過程需要采集大量數(shù)據(jù)以做深入分析和一般性的規(guī)律總結。分析電壓和電場的關系，當電路分閘時，電場傳感器可測量出電場的變化情況及線路內(nèi)部電壓的變化情況，實現(xiàn)VFTO的測量。圖1表示VFTO測量的系統(tǒng)架構。

3? 基于VFTO實際測量實驗

3.1 電場的傳感器

該傳感器主要采用中科電場傳感器，在同一平面內(nèi)，電場傳感器內(nèi)部由兩個部分組成，分別是感應電極和驅動電極，正是由于這兩者的存在，產(chǎn)生的邊緣電場穿過被測物，有利于VFTO特性檢測。對于一個電容單元，其電容的大小可表示為：

3.2 固定傳感器位置，改變電壓等級

為測試VFTO測量系統(tǒng)，在實驗室環(huán)境搭建了一個測試平臺，實驗系統(tǒng)框圖如圖5所示，實驗采用脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生正常工頻信號，使用小型高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高壓脈沖信號，使用中科電場傳感器測量，用NI USB 6522采集板卡進行數(shù)據(jù)采集，然后傳輸給上位機，通過上位機LabVIEW程序VFTO測量系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)處理部分采用NI LabVIEW進行編程，將采集到的電壓波形數(shù)據(jù)觀察并分析，即可完成VFTO測量的實驗室測試平臺。

電場傳感器實際測試裝置如圖6所示。傳感器位于平行板的內(nèi)部，兩極板進行加壓實驗，通過上位機讀出中科電場傳感器的輸出數(shù)據(jù)，并記錄于表1所示。平行板的面積為0.47平方米的正方形，極板間的距離為70cm左右。傳感器位于極板中心位置。

3.3 固定電壓等級，改變傳感器位置

電場傳感器實際測試裝置如圖7所示。通過固定10kV、20kV、35kV電壓等級進行測試實驗，并重復三次實驗，將實驗結果記錄在表2中。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，傳感器輸出的為峰值電壓信號，并與場強成正比。

通過固定10kV、20kV、35kV電壓等級進行測試實驗，并重復三次實驗，將實驗結果記錄在表2中。根據(jù)表2，傳感器輸出的為峰值電壓信號，并與場強成正比，可以看出以下特征：①距離高壓越近、場強越大;②相同的距離電壓越高，場強越大;③同一電壓等級在不同的距離時，參數(shù)的場強可能相等;④同一高壓源下，隨著距離的增加，電場強度在遞減，可以認為線性關系或者雙曲線的第一上限的部分。

用電場傳感器測量電壓方法的關鍵在于在電壓和電場間存在確定的關系。通過上述分析我們發(fā)現(xiàn)，電路上電壓與周圍固定點電場的確定關系是存在的。因此，利用電場傳感器進因分閘而在線路內(nèi)部引起的VFTO的測量是有理論和實驗依據(jù)的。

4? 結論

根據(jù)VFTO陡波產(chǎn)生過程，建模分析以及VFTO波形分析研究，進行總體的基于電場傳感器的VFTO測量系統(tǒng)的設計方案研究;依據(jù)傳感器中電壓和電場的固定關系，選用電場傳感器檢測測量研究VFTO。利用電場傳感器、數(shù)據(jù)采集板卡以及利用編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和存儲功能，建立了完整的VFTO測量的測試實驗平臺，利用上位機可編程功能開發(fā)VFTO信號采集軟軟件對采集的數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型，對VFTO進行數(shù)學關系的分析，為快速暫態(tài)過電壓（VFTO）深入研究的技術方案奠定基礎。

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