電力系統(tǒng)暫態(tài)過電壓測量技術(shù)綜述

穆舟， 江波， 趙偉， 謝施君

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院, 成都 610000； 2.清華大學(xué) 電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系, 北京 100084)

0 引 言

自從19世紀電力系統(tǒng)誕生以來，電壓就成為了反映電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的一個重要基礎(chǔ)參量，伴隨其誕生的，便是測量電壓的技術(shù)手段?；谧儔浩鞯脑恚谝慌_電磁式電壓互感器誕生于1879年，用于測量電力系統(tǒng)工頻電壓[1]。我國第一臺電磁式電壓互感器由沈陽變壓器廠仿制蘇聯(lián)技術(shù)，于1958年試制成功，自此，開始了電磁式互感器國產(chǎn)化歷程[2]。至今，電磁式互感器依然是電力系統(tǒng)中唯一規(guī)?；队玫碾妷罕O(jiān)測手段?；陔姶攀诫妷夯ジ衅鞯碾妷簻y量技術(shù)，具有技術(shù)成熟、可靠性高等優(yōu)勢，但其只能準確測量工頻電壓，而若測量更高頻或更低頻電壓，均會出現(xiàn)明顯誤差。隨著電力系統(tǒng)電壓等級不斷提高，為降低電磁式電壓互感器絕緣強度要求，以及避免電磁式電壓互感器與電網(wǎng)之間可能出現(xiàn)諧振，電容式電壓互感器應(yīng)運而生。截至目前，電容式電壓互感器主要用于測量電力系統(tǒng)中的工頻電壓[3]。

進入20世紀，暫態(tài)過電壓的危害逐漸引起重視。受雷擊、操作、諧振、電磁感應(yīng)等因素影響，均可能引發(fā)電力系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓，且其會在一定范圍內(nèi)傳播，引發(fā)電力設(shè)備絕緣失效，甚至擊穿損壞電氣設(shè)備。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)未配置暫態(tài)過電壓監(jiān)測系統(tǒng)，為應(yīng)對可能的過電壓危害，根據(jù)IEC 60060，電氣設(shè)備的絕緣強度必須通過1.2/50 μs 和250/2500 μs 雙指數(shù)標準波形的沖擊耐壓實驗[4]。傳統(tǒng)的針對暫態(tài)過電壓的電力系統(tǒng)保護，主要依賴于變電站的閥型避雷器或浪涌保護器，合理的接地設(shè)計，各個斷路器，以及輸電走廊中裝設(shè)的雷電屏蔽線等[5-7]。

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電壓等級逐漸升高，供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，加之更多電力電子設(shè)備接入，現(xiàn)行的針對暫態(tài)過電壓的防護日顯不足，暫態(tài)過電壓已逐漸成為制約電力系統(tǒng)可靠運行的重要因素。為保證電力設(shè)備絕緣擁有合理裕度，以及為電力系統(tǒng)加裝更充分、有效的保護措施，對暫態(tài)過電壓的準確測量成為關(guān)鍵和必須。20世紀初，分壓器已經(jīng)用于對沖擊電壓的測量；電阻或電容分壓器是初期最常采用的分壓手段，由于其具有良好的響應(yīng)特性，至今仍普遍在實驗室條件下用于測量沖擊電壓，并且常作為測量高電壓的標準裝置[8-10]。為克服純電阻分壓器和純電容分壓器的雜散參數(shù)和振蕩等易出現(xiàn)的現(xiàn)象，又研發(fā)出了阻容式分壓器，而且，基于阻容元件構(gòu)建的更多種復(fù)合式分壓器也相繼出現(xiàn)[11]。隨后，基于電容分壓原理，可用于多種場合暫態(tài)過電壓測量的技術(shù)小規(guī)模用于現(xiàn)場，其中包括變電站調(diào)試階段采用的基于套管末屏的分壓技術(shù)；用于測量開關(guān)開合時產(chǎn)生的高頻電壓的GIS傳感器技術(shù)；以及可用于常規(guī)暫態(tài)過電壓監(jiān)測的非接觸式電場傳感器技術(shù)，等[12-14]。得益于20世紀70年代光學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展，利用光學(xué)式電壓傳感器測量高電壓的技術(shù)得以產(chǎn)生，并且突破了傳統(tǒng)電工測量技術(shù)的頻率限制，可在很寬頻率帶寬內(nèi)獲得很好的頻帶性能[15]。

按照與高電壓帶電體是否有物理接觸分類，表1列出了現(xiàn)有的電壓測量技術(shù)。

表1 電壓測量技術(shù)Tab.1 High-voltage measurement techniques

文章擬全面梳理截至目前已有的實驗室用和適用于現(xiàn)場的暫態(tài)過電壓測量技術(shù)及其實現(xiàn)手段，并具體闡述其工作原理、性能特征以及適用場景等。

1 暫態(tài)過電壓測量系統(tǒng)

一套完整的暫態(tài)電壓測量系統(tǒng)可分為三部分：傳感器單元、信號傳輸單元和信號采集及處理單元，其原理構(gòu)成見圖1[16]。

圖1 高電壓測量技術(shù)原理架構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of a high-voltagemeasurement technique

圖1中，傳感器單元將高電壓按固定比例降低至可測量的電壓等級，而它往往是決定高電壓測量系統(tǒng)性能最關(guān)鍵的部分，也是暫態(tài)過電壓測量技術(shù)研究的重點[17]。傳統(tǒng)的電壓傳感方式基于電工原理，通過電阻或電容分壓，將高電壓成比例地降低為低電壓信號。而非電工原理的電壓傳感技術(shù)，則主要是基于光學(xué)原理的電壓測量技術(shù)，具體是通過對敞開式高壓線路周圍空間中的電場進行測量，來反映帶電體上的高電壓。

高電壓測量系統(tǒng)中的信號傳輸單元，負責(zé)將傳感器單元輸出的低電壓信號傳輸至遠端的信號采集及處理單元。低電壓信號傳輸過程中，難以避免出現(xiàn)反射和衰減，因此，信號傳輸單元的相關(guān)性能也對整個測量系統(tǒng)的性能有影響。傳統(tǒng)的電壓信號傳輸方式，是采用同軸電纜作為傳輸媒介。同軸電纜自身對高頻電壓信號會有衰減作用；同時，高頻電壓信號在傳輸單元發(fā)生的反射，會造成原信號損失。因此，在同軸傳輸電纜的首、末端，均應(yīng)配置阻抗匹配模塊[18]。對高頻電壓信號的傳輸，現(xiàn)在也大量使用光纖。由于光纖對所傳輸信號的高保真性好，故多被采用在低電壓信號的長距離傳輸上。根據(jù)需求，信號傳輸單元應(yīng)該既可傳輸模擬信號，也能傳輸數(shù)字信號。

高電壓測量系統(tǒng)中的信號采集及處理單元，是一個多功能綜合體，具體包含有暫態(tài)過電壓測量的觸發(fā)、采樣、信號儲存、時間同步等功能；其信號處理部分，一般包含有去噪、過濾、偏置消除、波形參數(shù)提取等功能。在一些已有高電壓測量系統(tǒng)中，信號采集與處理單元還配備有波形恢復(fù)算法，用以補償傳感器性能的不足。高電壓測量系統(tǒng)的信號采集及處理單元設(shè)備，其帶寬和采樣頻率都必須要足夠高，以避免反映被測高電壓的低電壓信號發(fā)生畸變[19]。

2 暫態(tài)過電壓測量技術(shù)

2.1 標準測量設(shè)備

目前，用于表征暫態(tài)過電壓波形的，僅有標準雷電波和標準操作過電壓波形，且它們已形成相應(yīng)標準。根據(jù)IEC 60060-2以及與之等同的國家標準，為實現(xiàn)對沖擊電壓測量的量值傳遞，用于測量標準雷電波或標準操作過電壓波形的標準器，要滿足幅值測量不確定度小于1%、時間參數(shù)測量不確定度小于3%的要求[20]。沖擊電壓的標準測量設(shè)備，主要有電容分壓器和電阻分壓器兩種類型。

(1)電容分壓器。如圖2所示，電容分壓器利用串聯(lián)的高壓臂與低壓臂電容來實現(xiàn)對高電壓的分壓[21]。

圖2 電容分壓原理Fig.2 Principles of the capacitive voltage divider

根據(jù)電路原理，圖2所示電容分壓器的輸出電壓U2，可由式(1)表示，即：

(1)

但電容分壓器的性能，會受到雜散參數(shù)的影響，雜散參數(shù)具體包括電容器自身的寄生電感和對地電容，以及分壓器入口處高壓引線的寄生電感等。在這些雜散參數(shù)共同作用下，電容分壓器的響應(yīng)往往存在明顯的振蕩現(xiàn)象。

電容分壓器多用于實驗室中做沖擊電壓測量的實驗場合。電容分壓器的輸入電阻很大，對高壓電源的帶載能力要求低，可用于大負載阻抗的高電壓測量場合。同時，電容分壓器受自身雜散電容影響較小。不過，電容分壓器易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，對制造工藝與設(shè)計有較高要求，因此，用于快脈沖暫態(tài)波形測量的電容器常配合阻尼電阻使用，且在選材上，多采用高頻下專用的低雜散參數(shù)電容器元件，并要保證其電容量等主參數(shù)對電壓等級和溫度變化均不敏感[22]。

早期的電容分壓器，多采用串聯(lián)式電容單元組成，其上臂、下臂都有獨立的外殼做屏蔽。而現(xiàn)今的電容分壓器內(nèi)部，電容元件多采用疊裝形式，并從疊裝結(jié)構(gòu)中合適的節(jié)點處引出輸出端。20世紀70年代，德國人提出的集中元件式300 kV電容分壓器，是采用單個壓縮氣體電容器做高壓臂電容，該分壓器的響應(yīng)時間可做到低于50 ns。同軸型電容分壓器于20世紀60年代由斯坦福大學(xué)提出，他們試驗測試展現(xiàn)出其具有優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性和較強的抗干擾性，也不易受雜散電容參數(shù)影響；多用于納秒級沖擊電壓測量，也可用于沖擊電壓標準器的研制[23-26]。

(2)電阻分壓器。電阻分壓器利用串聯(lián)的高壓臂和低壓臂電阻器實現(xiàn)對高電壓的分壓。相比于電容分壓器，電阻分壓器對振蕩有較強阻尼作用，且有更快的響應(yīng)速度，常被用來作為測量沖擊電壓用的標準器。

電阻分壓器的性能，明顯會受到雜散參數(shù)影響。與電容分壓器類似，電阻分壓器的性能主要受制于線路寄生電感和對地分布電容的干擾。文獻[27]給出了分別計及線路寄生電感和對地電容時，電阻分壓器輸出電壓的誤差，如式(2)和式(3)所示：

(2)

(3)

由上式可見，過大的寄生電感和對地電容，都會增大式(2)、式(3)等號右側(cè)括號中第二項的誤差，造成分壓誤差。將雜散電感和雜散電容量值控制在合理范圍內(nèi)，對電阻分壓器能否實現(xiàn)準確分壓性能格外重要。對一臺具有穩(wěn)定和良好性能的電阻分壓器，其電阻元件必須具有無感或低感特性，并且要有良好的溫度穩(wěn)定性；同時，為抑制對地電容影響，電阻分壓器往往還要配備良好的屏蔽結(jié)構(gòu)和均壓環(huán)[28]。另一方面，電阻分壓器由于發(fā)熱效應(yīng)明顯，測量過高電壓時，會產(chǎn)生明顯誤差。電阻分壓器有一定的輸入阻抗，需要有特定負載要求的高壓電源與之配合使用。綜合考慮電阻分壓器的響應(yīng)時間與振蕩問題，用于測量沖擊電壓的電阻分壓器的電阻值，一般選在2 kΩ～20 kΩ之間[29]。

制造標準電阻分壓器的電阻元件，一般采用具有高電阻率和高穩(wěn)定溫度性能的卡瑪絲，并采用特殊方式繞制，以形成低感電阻單元[30-34]。通過國際比對，采用上述技術(shù)手段制成的標準電阻分壓器，其測量不確定度可做到小于1%。

金屬膜電阻本身具有較小寄生電感，同時還具有天然的抗集膚效應(yīng)能力，對提高電阻分壓的準確度有本征優(yōu)勢，故常被用于制造電阻分壓器。將金屬膜電阻封裝在同軸屏蔽腔體內(nèi)，能夠獲得響應(yīng)時間小于1 ns的電阻分壓器[35]。

制作電阻分壓器的電阻器，還可以采用無機鹽溶液作材料，制成所謂“水電阻”。這種溶液的電阻，由于具有本征的低雜散電感特性，適用于實驗室環(huán)境下構(gòu)建水電阻分壓器，以測量高電壓等級的快速脈沖電壓。

由于溶液電阻對溫度極為敏感，因此水電阻分壓器需要配備良好的散熱裝置[36-37]。

2.2 阻容分壓器

以電阻器和電容器的組合制作分壓器，不僅可有效阻尼分壓器的振蕩效應(yīng)，還可以減少雜散電容對高電壓測量的影響，因此，阻容分壓器獲得了大量應(yīng)用。電阻器和電容器可以串聯(lián)或并聯(lián)，進而可分別形成阻容串聯(lián)式分壓器或阻容并聯(lián)式分壓器。

(1)阻容串聯(lián)式分壓器。阻容串聯(lián)式分壓器具有高阻抗負載特性，可用于測量高至UHV電壓等級的快速暫態(tài)過電壓。阻容串聯(lián)式分壓器的基本電路結(jié)構(gòu)如圖3所示[38]。

圖3 阻容串聯(lián)式分壓器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of the series-connectedcapacitive-resistive voltage divider

圖3中，R1和R2分別是高低壓臂上串接的電阻，C1和C2分別是高低壓臂上串接的電容，R是匹配電阻。

只計及分壓器本體，分壓比可表示為：

(4)

根據(jù)式(4)，阻容串聯(lián)式分壓器的分壓比可分為高頻分壓比和低頻分壓比。高頻條件下，式(4)可簡化為：

(5)

而在低頻下，式(4)則可簡化為：

(6)

良好的阻容串聯(lián)式分壓器，要求其高頻分壓比與低頻分壓比應(yīng)相等，如此，可致使該分壓器從低頻到高頻都能保持穩(wěn)定的分壓比，并且還保持有低振蕩的優(yōu)勢。

對阻容串聯(lián)式分壓器，Zaegnl提出了一種最優(yōu)參數(shù)設(shè)計原則[39]。在其設(shè)計方案中，要在分壓器高壓輸入端串接一個較大阻值的阻尼電阻Rd，用以阻尼高壓引線造成的振蕩。而高壓臂的每個電阻電容串聯(lián)單元中的電阻值R1，由式(7)計算獲得，即：

(7)

式中L1為高壓臂的寄生電感值；Ce為分壓器的對地電容值。研究結(jié)果表明，對額定電壓高于1 MV的阻容串聯(lián)式分壓器而言，R1的取值應(yīng)在400 Ω～1200 Ω之間。

相對于采用串接阻尼電阻Rd去阻尼高壓引線造成的振蕩，F(xiàn)eser又提出了一種以降低電阻值的方式，來使分壓器阻抗與引線阻抗相匹配，以抑制振蕩的方式。研究發(fā)現(xiàn)，如此制成的阻容串聯(lián)式分壓器更適合于測量高頻高電壓，且還能減小分壓器的時間常數(shù)[40]。Feser提出的設(shè)計模型，也稱低阻尼阻容串聯(lián)式分壓器，其原理電路如圖4所示。

圖4 低阻尼阻容串聯(lián)式分壓器的原理結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of the series-connectedlow-damped voltage divider

串接阻尼電阻的最優(yōu)參數(shù)設(shè)計，使阻容串聯(lián)式分壓器適用于負荷電容較大情況下標準沖擊電壓的測量。低阻尼分壓器可用作負荷電容，其也適用于所有試驗電壓波形的測量，特別是對具有高頻成分的沖擊截波電壓的測量[41]。

(2)阻容并聯(lián)式分壓器。如圖5所示，在電阻分壓器基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，為每個電阻并聯(lián)一個電容，即得到阻容并聯(lián)式分壓器。給每個電阻并聯(lián)電容，可減小雜散電容對測量的影響，也可平均電阻上的電壓分布，有助于提高測量準確性[42]。因此，設(shè)計良好的阻容并聯(lián)式分壓器，擁有良好的幅頻特性和線性度，可用于測量從直流到很寬頻率范圍內(nèi)的電壓波形。與串聯(lián)式阻容分壓器的設(shè)計相反，并聯(lián)式阻容分壓器在低頻時，明顯呈阻性分壓比；而高頻時，則呈容性分壓比。

圖5 阻容并聯(lián)式分壓器結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure diagram of parallel-connectedcapacitive-resistive voltage divider

為保證具有良好的響應(yīng)特性，并聯(lián)式阻容分壓器中每個單元電容器的電容量，應(yīng)至少是對地電容量的三倍。因此，阻容并聯(lián)式分壓器的電容量往往較大。在現(xiàn)場應(yīng)用時，阻容并聯(lián)式分壓器多用于高壓直流系統(tǒng)的電壓測量。

(3)通用型阻容復(fù)合式分壓器。在對暫態(tài)過電壓實施的實際測量中，也有人采用一些復(fù)合式阻容分壓器。如上文所述，阻容并聯(lián)式分壓器常用于對直流高電壓的測量。但隨著直流電力系統(tǒng)的發(fā)展，各種暫態(tài)電壓實驗會加載在直流電力系統(tǒng)上，這就要求分壓器至少應(yīng)從直流到雷電波之間都擁有良好、穩(wěn)定的測量性能。而阻容分壓器的電阻分壓比與電容分壓比難以做到高度吻合，影響分壓器測量寬頻高電壓的準確度。針對于此，文獻[43]提出了一種如圖6所示的通用型分壓器構(gòu)建方案?？梢?，該分壓器由兩條支路并聯(lián)而成，一條是純電阻支路，另一條則是阻容串聯(lián)式支路；Cg表征每個高壓臂電阻和電容單元的對地雜散電容。

對圖6所示的這種分壓器，試驗表明，通過良好的參數(shù)選擇，并采用給電阻加裝屏蔽的設(shè)計，在直流到標準雷電波的頻帶范圍內(nèi)，可使其刻度因數(shù)的波動被控制在1%以內(nèi)，能表現(xiàn)出良好寬頻效應(yīng)[44]。

圖6 通用型分壓器原理結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure diagram of universal voltage divider

2.3 套管末屏技術(shù)

如圖7所示，高壓電氣設(shè)備的套管絕緣系統(tǒng)，多采用多層電容芯子設(shè)計，以均勻絕緣系統(tǒng)內(nèi)的場強。如果將最外層的電容屏(末屏)懸空，將高壓線與末屏之間的電容作為高壓電容，利用末屏的外接口，外接一個定值電容做低壓電容，則可形成一個電容分壓器。

圖7 套管末屏電壓測量系統(tǒng)Fig.7 Bushing tap high-voltage measurement system

理想情況下，該分壓器的分壓比如式(8)所示，即:

(8)

式中CH為電容末屏與套管中央高壓導(dǎo)桿之間形成的電容值，該電容值在常見套管上一般處于200 pF～800 pF量值范圍[45]；CL為外接電容的電容值，作為電容分壓器的低壓臂，其常見的設(shè)計如圖8所示。即：外接電容多采用多電容同軸圓柱并聯(lián)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，旨在抑制寄生電感影響；而保護單元旨在在幅值過高的暫態(tài)電壓侵入低壓臂時，使末屏接地，保護外接電路[46]。

圖8 多電容同軸圓柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)的外接電容設(shè)計Fig.8 Schematic diagram of external coaxial connected capacitances

基于套管末屏形成的電容分壓結(jié)構(gòu)，依然受制于雜散參數(shù)的影響。除了對地雜散電容和寄生電感以外，另一主要雜散參數(shù)是電容屏絕緣系統(tǒng)自身的電阻。該測量系統(tǒng)也可等效為一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的阻容分壓器，見圖9[47]。

圖9 基于套管末屏的分壓器等效電路Fig.9 Equivalent circuit of bushing tap based voltage divider

基于套管末屏的暫態(tài)過電壓測量系統(tǒng)的頻率上限，一般只能達到MHz數(shù)量級，可用于電力系統(tǒng)操作過電壓、雷電過電壓等暫態(tài)過電壓的測量。但基于安全考慮，套管末屏技術(shù)通常僅在調(diào)試變電站設(shè)備階段使用，而長期工況下，相關(guān)高壓電氣設(shè)備的外絕緣末屏是接地的，不適用于暫態(tài)過電壓測量。

2.4 GIS傳感器

GIS作為電力系統(tǒng)中承擔高電壓等級母線快速開斷的設(shè)備，在其開合瞬間，往往會形成明顯的暫態(tài)過電壓現(xiàn)象，尤其是特快速的暫態(tài)過電壓(VFTO， Very Fast Transient Overvoltages)[48]。為測量該類暫態(tài)過電壓，基于GIS結(jié)構(gòu)，有微分積分法和電容分壓器法兩種測量方式。

微分積分法是20世紀90年代出現(xiàn)于GIS電壓測量應(yīng)用上的，其原理如圖10所示[49]。

圖10 基于微積分法的GIS電壓測量原理Fig.10 Schematic diagram of GIS measurement system based on caculus

高電壓信號先經(jīng)微分電路后，再由積分電路恢復(fù)其原始波形。一般而言，GIS的高壓母線與盆式絕緣子內(nèi)環(huán)形電極之間形成微分電容，其與后端電路中的微分電阻Rd共同構(gòu)成微分電路。積分電路則由一個積分電阻Ri與積分電容Ci構(gòu)成，也可采用有源或無源混合積分器。如果積分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)為Ti，則該測量系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分壓比為：

(9)

式中Cd為微分電容。

微分積分法受雜散參數(shù)影響較大。微分環(huán)節(jié)易受對地雜散電容的影響，會增長系統(tǒng)響應(yīng)時間。針對于此，一般會在環(huán)形測量電極外設(shè)置屏蔽電極。而積分環(huán)節(jié)易受元器件自身寄生電容與電感的影響，從而可能造成嚴重的過沖或振蕩。因此，積分環(huán)節(jié)電路應(yīng)采用特制的高頻專用元器件。

微分積分法毋須對原GIS進行改造，并且高頻響應(yīng)良好，加之經(jīng)過良好設(shè)計，可用于測量VFTO[50]。但該方法的低頻響應(yīng)較差，且分壓比一般較大，不適用于測量幅值過低的暫態(tài)過電壓[51]。

而GIS中測量暫態(tài)過電壓更常用的，是電容分壓法。如圖11所示，在GIS內(nèi)部設(shè)置一個感應(yīng)電極，GIS腔體中央的高壓傳輸線與感應(yīng)電極之間的空間電容作為高壓臂電容，利用GIS腔體上的窗口再構(gòu)造或外接低壓臂電容，也可形成一個電容分壓器。

圖11 基于GIS的電容分壓器原理示意圖Fig.11 Schematic diagram of GIS measurement system based capacitive dividing

圖12是表征GIS傳感器特性的等效電路。該等效電路中包含有傳輸單元和數(shù)據(jù)采集單元的等效電路部分，同時，還充分考慮了會對GIS傳感器性能造成明顯影響的高壓臂、低壓臂的寄生電感。

圖12 基于電容分壓的GIS傳感器等效電路Fig.12 Equivalent circuit of GIS measurement system based capacitive dividing

為保證GIS傳感器的寬頻響應(yīng)特性，基于對圖12所示電路模型傳遞特性的分析可知，提升高頻截止頻率的關(guān)鍵在于要減小寄生電感L1；而降低低頻截止頻率的關(guān)鍵，則應(yīng)增大低壓臂電容C2的電容值。

根據(jù)感應(yīng)電極的安裝方式，基于電容分壓法的GIS暫態(tài)過電壓測量技術(shù)可分為兩種。第一種相應(yīng)形成的測量方法，被稱為環(huán)形電容探頭分壓法，如圖13所示，其測量電極是環(huán)狀的，并嵌入在GIS的盆式絕緣子內(nèi)。對于電壓等級較低的GIS，測量電極一般采用雙層環(huán)形結(jié)構(gòu)，用聚合物薄膜做絕緣，其中，內(nèi)層測量電極與高壓導(dǎo)桿之間形成高壓臂電容，而雙層測量電極之間形成的電容則為低壓臂電容。而對于高壓GIS，由于GIS盆式絕緣子在結(jié)構(gòu)上與低壓GIS存在差異，一般內(nèi)側(cè)測量電極嵌入在環(huán)氧樹脂內(nèi)，而由法蘭盤作為外側(cè)的測量電極。該設(shè)計的優(yōu)點在于，其內(nèi)嵌的環(huán)形電容方便使用，毋須改造；但由于其電極尺寸較大，波的傳播易發(fā)生振蕩。

圖13 環(huán)狀感應(yīng)電極式GIS傳感器Fig.13 Schematic diagram of ring-type GIS measurement system

而第二種相應(yīng)形成的常用測量方法，被稱為錐形電容探頭分壓器法，如圖14所示。其中，一個截面為錐形的電極被安裝在GIS腔體的手窗內(nèi)，與腔體通過絕緣膜材料隔開[52]。高壓傳輸線與圓盤電極之間的空間電容作為高壓臂電容，圓盤電極與腔體外殼之間的電容作為低壓臂電容。該錐形探頭采用同軸設(shè)計，雜散電感低，但必須對GIS腔體進行改造。

圖14 錐形電容探頭分壓器法的原理結(jié)構(gòu)示意Fig.14 Schematic diagram of cone-type GIS measurement system

由于GIS窗口的空間有限，信號采集單元往往要被設(shè)置在數(shù)十米之外，并利用長同軸電纜相連。而過長的電纜，會帶來過大的等效電容效應(yīng)，從而影響測量性能；且信號讀取設(shè)備的入口電容，也會影響寬頻信號的傳輸[53]。因此，一方面，電纜多選用高頻電纜，并盡可能減小長度；另一方面，在信號采集單元入口要增加補償措施，一般加裝二次分壓器。

為進一步降低GIS傳感器的低頻限制，日本OKABE研究團隊對第二分壓器進行了優(yōu)化設(shè)計[54]，具體用阻容分壓器后接緩沖器作為整體構(gòu)成的二次分壓器。利用該設(shè)計，他們使基于GIS傳感器構(gòu)成的測量系統(tǒng)的低頻限制可降低至5 Hz。

文獻[55]指出，在分壓器輸出與電纜之間設(shè)置一個緩沖器放大器，完全可能將低頻限制降至1 Hz及以下。文獻[56]介紹了一款在GIS傳感器后配置一個輸入阻抗高達0.04 TΩ的阻抗轉(zhuǎn)換器，其作用是可將低頻限制降至0.003 Hz。

另一種可降低測量高電壓低頻限制的方法，是增大低壓臂電容器的電容量值。如上文所述，低壓臂電容多由測量電極與腔體之間的雜散電容共同構(gòu)成。而通過增大測量電極面積、減小絕緣層厚度以及使用高介電常數(shù)的絕緣材料，均可增大測量電極與腔體之間的雜散電容值，從而降低分壓器的頻帶下限。

限制高電壓測量系統(tǒng)高頻性能的主要因素，是線路中存在寄生電感。采用錐形探頭設(shè)計可有效減少寄生電感值，文獻[57]提出了一種如圖15所示的錐形探頭設(shè)計原則。

圖15 基于錐形電容探頭的低電感GIS傳感器低壓臂設(shè)計Fig.15 Design of low voltage arm of low inductance GIS sensor cone-type capacitance probe

該設(shè)計可為信號通路提供連續(xù)的波阻抗，進一步提高錐形探頭的測量性能；該設(shè)計應(yīng)遵循式(10)，即：

(10)

基于該設(shè)計，H.Murase研制出一種GIS 電壓測量系統(tǒng)，其方波響應(yīng)波頭時間達到了350 ps， 頻率上限拓寬到了1 GHz。

2.5 基于空間電場效應(yīng)的高電壓測量技術(shù)

文獻[58]中提出一種如圖16所示的高電壓測量技術(shù)。它將定值電容封裝在一個橢圓球形的金屬殼內(nèi)，而金屬殼(也稱為高壓探頭)與大地之間的雜散電容與定值電容形成了一個電容分壓結(jié)構(gòu)。由于對地雜散電容一般小于10 pF，高壓探頭對大地依然是高電位，因此，將利用光纖，并將其封裝在高壓探頭內(nèi)，來獲取并傳輸高電壓信號。

圖16 基于空間電場效應(yīng)的測量技術(shù)原理圖Fig.16 Schematic diagram of measurement system based on space electric field effect

由于直接利用空氣絕緣，該測量技術(shù)對絕緣要求較低，且具有僅通過直接掛接就實現(xiàn)安裝的優(yōu)勢。不過，如此形成的電容分壓器中，對地的雜散電容易受環(huán)境影響，一定程度上會影響測量準確度。

2.6 基于電工原理的非接觸式電場傳感技術(shù)

對于開放式的高壓導(dǎo)體，其高電壓會在周圍空間產(chǎn)生電場。如果高壓線周圍受到空間尺寸遠小于高壓線上暫態(tài)過電壓等效波長的電場的影響，則其滿足靜電場效應(yīng)原則，即：如此條件下，其周圍空間的電場強度與高壓線上高電壓之間的關(guān)系如式(11)所示：

E0(t)=k0U0(t)

(11)

因此，對開放式高壓傳輸線周圍空間的電場進行測量，也可獲得高壓線上高電壓的相應(yīng)信息。電場傳感器的原理結(jié)構(gòu)及接線如圖17所示，即：電場作用下，感應(yīng)電極板上會感應(yīng)出電動勢，兩電極之間可接電阻或形成容性連接，從而將空間電場轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電極上可測量的電壓信號[59]。

圖17 電場傳感器示意圖Fig.17 Schematic diagram of electric field sensor

圖17中的采樣電路單元具有高輸入阻抗，采用它，旨在改善傳感單元的低頻響應(yīng)特性。典型的采樣電路如圖18所示。其中，Cs為兩塊測量電極構(gòu)成的電容，C2為采樣電容，R1為用于抑制電路可能發(fā)生振蕩的阻尼電阻；Ria為放大器的輸入阻抗；Rf為放大器反饋電路的阻抗。一般而言，放大器輸入阻抗很高、輸出阻抗很小，既可以實現(xiàn)良好的低頻響應(yīng)，又能滿足傳輸線路阻抗匹配的要求。

圖18 電場傳感器采樣電路Fig.18 Sampling circuit of electric field sensor

典型的電場傳感器采用平板設(shè)計，也可是球形的，其帶寬可覆蓋幾赫茲～數(shù)MHz頻率范圍[60]。

基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，也可實現(xiàn)對電力系統(tǒng)電場的測量，常用的設(shè)計原理如圖19所示。圖19中，上方屏蔽電極會在機械裝置下做機械式往復(fù)式水平位移，如此，感應(yīng)電極上會感應(yīng)出相應(yīng)變化的電壓信號，經(jīng)連接測量電路便可進行測量。

圖19 MEMS電場傳感器原理圖Fig.19 Schematic diagram of MEMS electric field sensor

基于MEMS技術(shù)制成的高電壓測量傳感器，具有靈敏度高、成本低的優(yōu)勢。不過，傳感器的尺寸目前還較大，且易畸變被測電場，即不適于測量狹小空間區(qū)域的電場。

如果對圖17所示的原理示意圖做進一步拓展，將測量電極與高壓電纜之間的空間電容視作高壓臂電容，并再構(gòu)建一個低壓臂電容，則可形成一個電容分壓器，如圖20所示。該項技術(shù)也稱基于空間雜散電容的分壓器技術(shù)。其中，低壓臂電容可由外接的多個電容器并聯(lián)所組成，也可以是由中間加有薄絕緣材料的雙層電極構(gòu)成。測量極板的輸出，也需要加裝采樣電路，以改善該電容分壓器的低頻響應(yīng)特性。

圖20 空間電容分壓器示意圖Fig.20 Schematic diagram of voltage divider based on space capacitance

該項技術(shù)本質(zhì)上與電容分壓器原理相同，因此其性能也與電容分壓器類似，適用于交流高壓線路或開放式開關(guān)動作造成的沖擊電壓的測量。常用的感應(yīng)電極為平板式，而對感應(yīng)電極做特殊設(shè)計，該電場傳感技術(shù)也可用于開放式線路VFTO的測量[61]。

上世紀80年代末，就有人利用微分電容分壓器(D-DOT)技術(shù)對電場進行測量。隨后，該技術(shù)也用于電力系統(tǒng)的電場測量，以測量線路上的暫態(tài)過電壓。該技術(shù)原理如圖21所示，傳感器中間為一圓盤電極，周圍環(huán)繞一圈絕緣材料，Rm為中央電極與地之間的電阻；電極與電阻之間的電位，即為傳感器的輸出[62]。

圖21 D-DOT電場傳感器原理圖Fig.21 Schematic diagram of D-DOT electric field sensor

該傳感器的輸出電壓與被測電場之間的關(guān)系為：

(12)

式中a為高壓導(dǎo)體的半徑；r是傳感器相對于高壓導(dǎo)體的位置矢量；A為感應(yīng)電極的面積；Ψ(t)為感應(yīng)電極的電位。由此可見，這種傳感器實質(zhì)是一個微分電路，因此，需要在其后再接一個積分電路單元，以恢復(fù)波形?；谶@款傳感器形成的測量系統(tǒng)的等效電路，如圖22所示。

圖22 D-DOT電場傳感器等效電路Fig.22 Equivalent circuit of D-DOT electric field sensor

圖22中，Cm和Cs分別為感應(yīng)電極對高壓導(dǎo)體和大地的電容；Rx和Cx分別為積分電路的電阻和電容。而實際用于電力系統(tǒng)電壓測量的D-Dot技術(shù)，多采用多個電極并聯(lián)結(jié)構(gòu)的差分式傳感設(shè)計，具體用兩個電極的電位差作輸入電阻為Rm的差動放大器的輸入，形成寬頻帶自積分傳感器，并用PCB板構(gòu)建多個并聯(lián)的雙電極輸入電路，以增強傳感器的性能。

根據(jù)電力系統(tǒng)高壓導(dǎo)體電場測量的應(yīng)用場景，D-DOT傳感器還可分為兩種設(shè)計：平板型和套管型。平板型傳感器如其他非接觸式技術(shù)一樣，測量時，要放置于測量目標導(dǎo)體的下方。而對于有套管的高壓導(dǎo)體，可采用套管型傳感器，即傳感PCB板中心具有通心圓孔，可嵌套在套管上，當然，該傳感器對于絕緣有著更高的要求。

上述電場傳感器對工頻電壓激勵、標準雷電波激勵和標準操作過電壓波形激勵等，均能展現(xiàn)出良好的頻響特性。其中，利用MEMS技術(shù)、通過多組正負極性傳感器并聯(lián)的設(shè)計，能實現(xiàn)上百兆的帶寬，完全滿足線路VFTO的測量需求[63]。

非接觸式電場傳感器技術(shù)，是利用電工原理對空間電場進行測量，實現(xiàn)了傳感器與高壓部件的分離，因此安全性好，安裝與調(diào)試方便，不需要斷開高壓線路，且成本較低。但是，非接觸式電場傳感器在測量目標為開放式的導(dǎo)電體情況下，存在不可避免的相間耦合影響問題[64]。如圖23所示，以A相電場傳感器為例，其測量的電場是A、B、C三相電壓共同形成的，是如式(13)所示的空間復(fù)合電場。

圖23 三相高壓傳輸線相間耦合示意圖Fig.23 Schematic diagram of phase coupling of three-phase high voltage transmission line

EA-z=EaA-z+EbA-z+EcA-z

(13)

對于三個電場傳感器，則有：

(14)

式(14)展示了非接觸電場傳感器的耦合問題，其中K為耦合系數(shù)。為了給單個傳感器解耦，獲取各個單相真實的電壓波形，必須獲取9個耦合系數(shù)。

獲取耦合系數(shù)矩陣的最理想方式，是將三相線路停電后，給其中的一個單相施加電壓激勵，則可獲得耦合矩陣中一列的數(shù)據(jù)；三相分別如此施加激勵，便可獲取完整的耦合系數(shù)矩陣。但是，在變電站鮮有三相停電的機會，鑒于此，相關(guān)研究人員提出了適用于500 kV及其以上電壓等級的變電站的非接觸式高電壓測量簡易解耦法，具體基于高壓變電站結(jié)構(gòu)上的對稱性，并直接利用工頻穩(wěn)態(tài)電壓去獲取耦合系數(shù)矩陣[65]。

2.7 非接觸式光學(xué)傳感器

20世紀70年代，光學(xué)材料和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，促進了基于光學(xué)材料特性的電場測量技術(shù)的產(chǎn)生和不斷進步。利用光學(xué)材料對電場具有的敏感性，可實現(xiàn)對空間電場的準確測量。如此，與上節(jié)所介紹的原理相仿，可實現(xiàn)對高壓線上高電壓的有效測量。

可用于電場測量的光學(xué)原理與方法眾多，而對電力系統(tǒng)電場的測量，常利用Kerrs效應(yīng)和Pockels效應(yīng)[66-67]。 Kerr效應(yīng)體現(xiàn)的是，在介質(zhì)中，光線折射率與電場強度平方成正比。不過，Kerr效應(yīng)對電場的靈敏度較低，應(yīng)用于電力系統(tǒng)，往往去測量絕緣油內(nèi)的場強。對電力系統(tǒng)高壓線路電壓的測量，最常利用的是Pockels效應(yīng)，其主要特點之一，是某些晶體的電光相位延遲與激勵電場的強度成正比。目前主要應(yīng)用的晶體有鈮酸鋰(LN)、硅酸鉍(BSO)和鍺酸鉍(BGO)等[68]。運用于電力系統(tǒng)電場測量的光學(xué)傳感器，現(xiàn)在主要采用集成光學(xué)傳感器(IOES)技術(shù)來制作，由其搭建的測量系統(tǒng)如圖24所示。激光從光源發(fā)出后，通過保偏光纖達到傳感器。傳感器利用Pockels光學(xué)原理，根據(jù)電場強度對光進行相位調(diào)制，經(jīng)干涉，再轉(zhuǎn)換成光強度信號，后經(jīng)輸出光纖傳輸至光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號，再加以測量。

圖24 光學(xué)電場傳感器測量系統(tǒng)Fig.24 Measurement system of optical electric field

基于光學(xué)傳感器搭建的測量系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，一般可用式(15)表示，即：

Uout=A×[1+b×cos(φo+φ(E)]

(15)

MZI-IOES技術(shù)從上世紀90年代發(fā)展至今，其原理在于制成的傳感器將入射光分為兩束，分別經(jīng)過電場的相反調(diào)制后，在傳感器末端再耦合，將電場信號轉(zhuǎn)換成光強信號。MZI技術(shù)最初用于射頻電場測量。20世紀90年代，英屬哥倫比亞大學(xué)將MZI-IOES技術(shù)用于了變壓器套管出線的高電壓測量[69]。清華大學(xué)研制的單屏蔽電極MZI-IOES技術(shù)，其測量場強范圍高達1200 kV/mm, 可測量納秒級暫態(tài)波形，頻帶覆蓋1 MHz～100 MHz的較寬頻率范圍[70]。不過，MZI-IOES技術(shù)存在著靜態(tài)偏置點不穩(wěn)定和熱穩(wěn)定性差等問題。

CI-IOES技術(shù)的光傳輸與相位調(diào)制，與MZI-IOES技術(shù)是相類似的。不過基于CI-IOES技術(shù)制作的傳感器中，兩條光路的光學(xué)場互相耦合，以此將相位信息轉(zhuǎn)換為光強度信息。相比于MZI-IOES，CI-IOES有著天然的光學(xué)偏置特性，但其傳遞函數(shù)過于復(fù)雜。為用于電力系統(tǒng)的電場測量，文獻[71]將光的輸出端配置一個2×2的定向耦合器。該技術(shù)擁具有簡單的傳遞函數(shù)和穩(wěn)定的靜態(tài)偏置，在實驗室內(nèi)，其對雷電沖擊暫態(tài)過電壓展現(xiàn)出了良好的測量準確度。不過，該技術(shù)目前依然存在熱穩(wěn)定性較差問題。

CPI-IOES技術(shù)利用鈦擴散晶體的特性，將入射光源分成TE或TM兩個模式的光。如圖25所示，兩束光在外電場下受到不同的相位調(diào)制，入射的線偏振光變?yōu)檩敵龅臋E圓偏振光，其相位差與電場強度成正比關(guān)系。因此，可通過對兩束光相位差的測量來獲得電場強度值[72]。雖然CPI-IOES的靈敏度低于MZI-IOES，但由于其具有偏置點穩(wěn)定和溫度穩(wěn)定等優(yōu)點，可用于測量變電站暫態(tài)過電壓的潛力備受關(guān)注。例如，清華大學(xué)根據(jù)該原理研制的適用于變電站暫態(tài)過電壓監(jiān)測的基于鈦擴散的LiNbO3晶體光學(xué)式傳感器，其方波響應(yīng)時間已做到低至4 ns，而且其在工頻、標準雷電波和納秒電壓波形的測量上都展現(xiàn)出了良好的頻率響應(yīng)特性，上限截止頻率甚至可達到6.2 GHz, 并且同時還展現(xiàn)出良好的溫濕度穩(wěn)定性[73]。重慶大學(xué)利用雙晶體結(jié)構(gòu)提高光學(xué)傳感器的溫度穩(wěn)定性，具體通過串聯(lián)兩塊光軸反向的LiNbO3晶體，使自然雙折射在兩塊晶體中產(chǎn)生的相位差互補，從而實現(xiàn)了消除受溫度影響的目的。他們的研究表明，該技術(shù)在-10 °C～60 °C溫度范圍內(nèi)的相對誤差不超過5%[74]。

圖25 CPI-IOES傳感器原理Fig.25 Principles of CPI-IOES sensor

該技術(shù)除擁有非常優(yōu)異的測量性能外，還與電場傳感器一樣，由于實現(xiàn)的使非接觸式測量，故其還擁有很高的安全性和使用靈活性。但非接觸式測量方式所帶來的耦合問題，同樣存在于該技術(shù)當中，因此在現(xiàn)場運用時，必須配合采用合適、有效的解耦方法和技術(shù)手段。

3 評論

對高電壓測量系統(tǒng)的評定，目前僅有工頻、操作過電壓與雷電過電壓有標準波形可以比對。而針對更寬頻電壓測量能力的評估，一般都采用時域的方法。具體而言，對測量系統(tǒng)的頻率上限，可以用過方波相應(yīng)的上升時間tr，根據(jù)式(16)進行計算，即：

(16)

而對頻率下限，則可通過直流響應(yīng)進行評估，所依據(jù)的關(guān)系如式(17)所示，即：

(17)

式中τ1為直流激勵下響應(yīng)波形衰減的時間常數(shù)。

上述所梳理、歸納的各種高電壓測量技術(shù)，可歸類為接觸式和非接觸式測量技術(shù)。其中，接觸式高電壓測量技術(shù)，其由實驗室校準獲取的測量性能參數(shù)，在移至現(xiàn)場時并不會出現(xiàn)嚴重差異。而非接觸式高電壓測量技術(shù)則不然，用做現(xiàn)場應(yīng)用時，必須還要再進行現(xiàn)場校準。

不同的高電壓測量技術(shù)和方法，有著不同的性能特性，并且有不同的適用場景。測量的暫態(tài)過電壓可分為SFO(慢波頭過電壓，Slow Front Overvoltages), FFO (快波頭過電壓，F(xiàn)ast Front Overvoltages)和VFTO。其中SFO以操作過電壓為典型代表，而雷電過電壓則是FFO的典型代表。VFTO尚無典型的波形定義，其波形重要特征在于其波頭時間小于100 ns。測量的對象主要分為具有封閉結(jié)構(gòu)的GIS和開放式結(jié)構(gòu)的AIS、傳輸線等。其中，目前分壓器技術(shù)和套管末屏技術(shù)的設(shè)計性能主要是針對SFO和FFO的準確測量。GIS的微積分與電容分壓傳感器經(jīng)過良好設(shè)計，在GIS內(nèi)可獲得良好的寬頻效應(yīng)，其測量帶寬可覆蓋SFO到VFTO。而基于空間電場效應(yīng)的高電壓測量技術(shù)以及基于電工原理的非接觸式測量技術(shù)的研發(fā)設(shè)計測量帶寬主要覆蓋SFO和FFO，受制于其原理的局限性，它們目前尚不能測量具有金屬封閉結(jié)構(gòu)的GIS等設(shè)備。而非接觸的光學(xué)傳感器由于其優(yōu)異的性能，可用于開放式高壓設(shè)備的SFO、FFO和VFTO測量。目前也出現(xiàn)了通過將光學(xué)傳感器安裝至GIS腔體結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)對GIS母線暫態(tài)過電壓測量的技術(shù)。

4 結(jié)束語

目前在電力系統(tǒng)中，仍普遍裝設(shè)電磁式或電容器式電壓互感器，以用于對工頻電壓的監(jiān)測。電阻分壓器和電容分壓器多作為實驗室中測量沖擊電壓的標準器。GIS手窗式技術(shù)，僅在近年新生產(chǎn)的GIS設(shè)備上才有安裝。套管末屏技術(shù)，出于安全考慮，一般只在變電站的調(diào)試階段使用。還有一些其他的高電壓測量技術(shù)，僅在現(xiàn)場有很小規(guī)模的實驗性布置。因此，目前電力系統(tǒng)尚未鋪設(shè)和建立規(guī)模化的暫態(tài)過電壓監(jiān)測系統(tǒng)，而這正是為確保電力系統(tǒng)的安全可靠運行所迫切需要盡早解決的問題。