500 kV 智慧變電站過電壓監(jiān)測設計及應用

孫澤中，易輝，李欣，劉衛(wèi)東，楊慶

(1.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007；2.國網湖南省電力有限公司岳陽供電公司，湖南 岳陽 414000；3.國網湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長沙 410004；4.重慶大學，重慶 400044)

0 引言

隨著國民經濟不斷發(fā)展，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的要求也越來越高[1]。理論研究與實際運行經驗表明，系統(tǒng)承受的各類外部和內部過電壓是引發(fā)電力系統(tǒng)絕緣事故的重要原因[2－5]。故障發(fā)生時，系統(tǒng)內常出現(xiàn)幅值大、頻率高的過電壓與過電流，常規(guī)故障錄波器采樣頻率多為10 kHz 左右，對于高頻率故障波形監(jiān)測能力不足，無法實現(xiàn)波形的完整記錄。

針對以上問題，部分地區(qū)開始推進智慧變電站項目建設，關注關鍵電力設備的狀態(tài)監(jiān)測能力，不斷提高故障波形的實時監(jiān)測能力[6－20]。文獻[11－12] 基于容性設備電容分壓原理，設計了電壓在線監(jiān)測裝置，并分析不同情況下的裝置監(jiān)測效果。文獻[13－14] 基于電流互感器，設計了對應的硬件電路，并基于特定環(huán)境設計了環(huán)境參量測量、移動控制與顯示等定制化功能，提高了雷電流的感知能力。文獻[15－20] 基于已有的監(jiān)測數據，側重于利用蒙特卡洛、大數據分析等不同方法對監(jiān)測數據結果進行特征提取，實現(xiàn)過電壓故障類型的識別。綜合以上研究可知，雖然已有研究開展了變電站的在線監(jiān)測工作，但通常側重于過電壓或過電流單項監(jiān)測，尚未開展站內設備整體性監(jiān)測。同時，已有狀態(tài)檢測工作多針對于110 kV、220 kV 變電站，500 kV變電站站內設備狀態(tài)監(jiān)測能力仍有待進一步提高。

針對該問題，研制了電容式電壓互感器(capacitor voltage transfor，CVT) 過電壓監(jiān)測裝置與避雷器放電電流監(jiān)測裝置，并運用于500 kV 智慧變電站改造中，實現(xiàn)站內500 kV 側三相CVT 過電壓、避雷器動作電流的在線監(jiān)測，實時獲取電網故障量波形數據及其特征參數，提高500 kV變電站數據監(jiān)測能力，對于分析電網事故原因、改進電網絕緣配合、防止過電壓造成次生災害等方面具有重大作用。

1 500 kV 變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)

在線監(jiān)測系統(tǒng)包含CVT 過電壓監(jiān)測裝置與避雷器放電電流監(jiān)測裝置，采用多點分布監(jiān)測、集中控制的運行方式，硬件部分由過電壓采集裝置與避雷器泄放電流采集裝置組成。在線監(jiān)測系統(tǒng)整體結構如圖1 所示，經過過電壓采集裝置以及放電電流采集裝置采集的波形信號，經衰減、信號調理與變換后，最后傳輸數據至計算機后臺與內部網絡，基于采集的波形可開展進一步的數據分析。

圖1 在線監(jiān)測采集系統(tǒng)原理圖

1.1 CVT 過電壓監(jiān)測裝置

對于變電站內過電壓監(jiān)測，目前主要有兩種技術方案:一是容性設備末屏過電壓傳感器，利用變壓器套管、電容式電壓互感器等容性設備末屏，接入全密封、長壽命、高可靠專用電容分壓單元，組成容性設備末屏過電壓傳感器，該方法測量準確性高，受干擾少；二是高壓電場過電壓傳感器，采用非接觸式設計理念，利用高壓交變電場感應原理監(jiān)測過電壓信號，與一次設備無接觸，結構簡潔安全可靠。

考慮電壓互感器二次側電壓信號易受繞組材質、變比、空間磁場影響，無法準確真實反映一次側過電壓完整波形特征。因此，選擇直接在一次側串接分壓電容，實現(xiàn)電壓信號采集。由于后端設備要求采集電壓不大于200 V，選擇在CVT 末屏串接10～50 μF 大電容，過電壓監(jiān)測裝置從該串接電容取電壓信號，實現(xiàn)母線電壓采集。

分壓電容安裝于電容式電壓互感器末屏測量抽頭處，接入串接電容前，首先需將CVT 末屏接地解開，并分別連接無感雙屏蔽同軸電纜，電纜中間串接分壓電容后經另一端接地。如圖2 所示，CVT末屏N 端解開，串接分壓電容C串接，串接分壓電容另一端接地。

圖2 容性設備末屏過電壓傳感器

對于串接分壓電容后的組合設備，如圖3 所示，電容式電壓互感器與串接分壓電容可分別等效為兩個大電容，其中C總為電壓互感器一次側總電容，C串接為串接分壓電容，U1為一次側電壓值，U2為串接電容分壓。則有分壓電容采集的電壓U2如下式所示:

圖3 CVT 串接分壓電容后的等效原理圖

如上式可知，由于C總對于站內設備為定值，因此裝置采集電壓U2僅與C串接相關，設計合理的電容值便能實現(xiàn)高電壓的采集。

1.2 避雷器放電電流監(jiān)測裝置

雷電放電電流為幅值極高、頻率極高的沖擊電流，普通電流測量裝置無法實現(xiàn)雷電放電電流波形的實時監(jiān)測。避雷器放電電流監(jiān)測裝置基于非接觸式原理，利用皮爾遜寬帶脈沖電流互感器，感應流過避雷器的泄放電流。當被測電流沿軸線通過測量線圈中心時，在環(huán)形繞組所包圍的體積內產生相應變化的磁場，磁場強度H由安培環(huán)路定律得:

當次級線圈感應到變化的磁通量后，便會在線圈上感應出電壓，通過測量該電壓便能實現(xiàn)電流的測量。圖4 為避雷器放電電流監(jiān)測裝置實物，泄流電流經電流互感器中心穿過。

圖4 避雷器放電電流監(jiān)測裝置實物

1.3 基于EMTP－ATP 的串接分壓電容影響分析

串接分壓電容接入后，將對原電壓互感器一次側電壓分布產生影響，如圖5 所示為電壓互感器電容分壓原理圖。串接分壓電容前，二次側采集的電壓主要受一次側C下2電容分壓影響。當CVT 一次側末屏串接分壓電容后，二次側采集電壓受C下2與串接電容C串接共同影響。在二次側變比未改變時，二次側電壓變化率與一次C下2、串接電容C分壓變化率相 同。根據公式 (1)，并結合仿真軟件AtpDraw，計算出串接電容前后，測量的一次側電壓測量情況如圖6 與表1 所示。

圖5 串接電容前后電容分壓情況

圖6 500 kV 側CVT 串接電容前后一次側測量電壓

表1 CVT 串接電容前后采集一次側電壓

由圖6 與表1 可知，串接分壓電容后，對原電壓互感器電壓采集影響很小，變化率小于0.5%，在二次保護及非計量端的誤差容許范圍內。因此，可采用串接分壓電容方式采集一次側電壓信號。

1.4 信號傳輸電纜電感對參數采集的影響

在電壓采集過程中，串接分壓電容后，電壓信號經一根長電纜傳輸，應充分考慮電纜本身電感對采集波形的影響。對于采集裝置的電纜，有電感可通過式(3) 計算:

式中，L為電纜電感量，H；l為電纜長度，m；r為電纜半徑，mm；μ0為真空磁導率，4π×10－7。

以使用的ZR－YJV22－1000－2×2.5 型電纜為例，橫截面 積2.5 mm2，長度20 m，半徑0.892 mm，則根據式 (3)，有電纜電感L＝39.84 μH，在EMTP－ATP 中建立CVT 過電壓采集裝置電纜電感影響仿真模型如圖7 所示。

圖7 EMTP－ATP 中電纜電感量影響仿真模型

其中，設置C1為5 000 pF，C2為35 μF，線路電感為39.84 μH，輸出阻抗為50 Ω，則有輸入輸出信號如圖8 所示。

圖8 輸入輸出電壓信號對比示意圖

由圖8 可知，電壓信號輸入輸出波形一致，信號傳輸電纜電感對過電壓信號采集影響較小。

2 裝置安裝與現(xiàn)場測試

2.1 裝置選取與參數確定

2.1.1 CVT 過電壓監(jiān)測裝置設備選取

選擇串接分壓電容時，應獲取容性設備一次側總電容，在線監(jiān)測裝置用于500 kV 變電站智慧化改造，涉及的1 號主變壓器500 kV 側CVT 三相與220 kV 備用間隔A 相CVT 額定電容均為5 000 pF，即圖3 中C總電容量為5 000 pF。

選取分壓電容大小時，考慮到選取的后端過電壓數據采集裝置要求采集電壓信號應小于200 V，因此根據式(1)，設計220 kV 間隔串接電容設計值為16 μF、500 kV 間隔為35 μF，計算典型運行工況下的分壓電容分壓值見表2。

表2 典型電壓下的CVT 裝置取樣電壓值

如表2 所示，經串接分壓電容采集的電壓值較小，在后端采集裝置要求范圍內，能夠實現(xiàn)電壓采集工作。

2.1.2 避雷器放電電流設備選擇

雷電流通常較大，幅值范圍分布在幾千安到上百千安，根據文獻[21]，雷擊放電電流集中在0～20 kA的概率為40.74%，由于線路兩側存在分流以及傳播過程衰減，實際傳輸到站內的雷擊過電流已基本小于20 kA。本次選擇的電流傳感器量程為0～25 kA，參數見表3，能實現(xiàn)避雷器泄放電流的測量工作。

表3 Pearson 寬帶脈沖電流互感器參數

安裝電流傳感器時，應不破壞原站內設備布置情況。如圖9 所示，電流傳感器安裝在500 kV 變電站原HVM2000 數字式就地監(jiān)測單元箱內，泄流電纜經電流傳感器中心穿過，采用非接觸穿心式安裝，不會影響原有裝置功能。

圖9 泄流電纜經電流傳感器內部通過

電流互感器取樣輸出電壓值見表4，在正常運行時，避雷器無泄放電流，取樣電壓為0 V，出現(xiàn)雷電過電壓時，雷電流經避雷器泄放。

表4 不同情況下避雷器電流互感器取樣電壓值

2.1.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝測試

500 kV 變電站CVT 過電壓監(jiān)測裝置與避雷器放電電流監(jiān)測裝置現(xiàn)場安裝情況如圖10 所示。CVT 過電壓、避雷器釋放電流監(jiān)測采集裝置實時采集母線上的電壓波形、流過避雷器的放電電流，并經衰減后，經采集卡轉換為數字信號，隨后傳送至后臺終端，完成數據采集。

圖10 CVT 過電壓、避雷器釋放電流監(jiān)測裝置實物圖

2.2 裝置功能現(xiàn)場實測

為測試在線監(jiān)測系統(tǒng)性能，在裝置安裝后開展監(jiān)測裝置信號采集功能現(xiàn)場測試。試驗中，在衰減器前施加不同幅值的正弦波信號，模擬系統(tǒng)運行電壓，在后臺讀取監(jiān)測系統(tǒng)采集數據，記錄輸入信號與輸出信號，并對監(jiān)測設備運行穩(wěn)定性與數據采集能力進行分析。

為更好衡量測試效果，定義測量變比K和正弦波對稱軸偏移率H。其中，變比K為輸入電壓與輸出電壓之比，如式(4) 所示:

定義正弦波對稱軸偏移率H，衡量對稱軸偏離程度，越趨于0 表明偏離越小，如式(5) 所示:

經現(xiàn)場測試，參考式(4)、(5) 計算得到變比K與正弦波對稱軸偏移率H如圖11 所示。

圖11 變比K 和正弦波對稱軸偏移率H 隨施加電壓變化

從圖11 可以看出，隨著外施信號源電壓幅值增大，變比逐漸增加，趨于100，正弦波對稱軸偏移率逐漸趨于0，即電壓越大，監(jiān)測設備的取樣效果越好；當施加電壓大于10 V 時，逐步趨于穩(wěn)定，此時數據傳輸效果好。由于電壓取樣信號經過衰減器，其誤差常呈現(xiàn)中間低、兩頭高的現(xiàn)象，因此隨著外施電壓的增大，設備取樣效果變好。

500 kV 變電站過電壓和放電電流對應的采樣電壓值在50～350 V，處于衰減器的中間范圍，信號傳輸變形小，準確率相對較高，能夠滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)的信號采集與傳輸要求。

3 結論

本文從采集方案理論設計、設備參數選取以及現(xiàn)場實測方面開展了包含CVT 過電壓監(jiān)測裝置與避雷器放電電流監(jiān)測裝置的500 kV 變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)設計工作，具體包含以下內容:

1) 基于電容分壓原理，在電容式電壓互感器末屏接入分壓電容，依據電容分壓原理實現(xiàn)母線電壓取樣。

2) 選用Pearson 寬帶脈沖電流互感器，測量避雷器泄流通道放電電流，實現(xiàn)高幅值、高頻率雷電放電電流的實時監(jiān)測。

3) 基于電磁暫態(tài)仿真軟件，論證分壓電容接入對原電壓互感器測量不會產生明顯誤差，信號傳輸電纜電感不會對分壓電容取樣電壓波形產生明顯影響。

4) 開展在線監(jiān)測系統(tǒng)測量性能現(xiàn)場測試工作，發(fā)現(xiàn)測量設備采集端電壓在10 V 以上時，監(jiān)測裝置能夠較好記錄波形幅值，在實際測量中應注意測量中不同采集電壓幅值下的波形畸變問題。

監(jiān)測系統(tǒng)旨在提高500 kV 變電站異常狀態(tài)感知能力，為提升電網故障診斷能力、改進系統(tǒng)絕緣配合等工作提供數據測量基礎。在后續(xù)工作中，將進一步研究500 kV 變電站內智能感知技術，進一步提高設備在線監(jiān)測能力，深入推進智慧變電站建設與應用，為保障電網安全穩(wěn)定運行提供技術支撐。