變電站緩波、快速和特快速暫態(tài)過電壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)發(fā)展

趙冬一

(廈門ABB避雷器有限公司，廈門 361000)

0 引 言

隨著輸配電技術(shù)的快速發(fā)展，許多新型電力設(shè)備技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。電力電子類電源(新能源+直流)占比快速提升，電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)和電能生產(chǎn)方式發(fā)生重大變化；交直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，大電網(wǎng)資源配置能力不斷增強(qiáng)，微網(wǎng)快速發(fā)展，電網(wǎng)的功能和形態(tài)發(fā)生重大變化；負(fù)荷結(jié)構(gòu)多元化(數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車、5G、高鐵等等)，配網(wǎng)的有源化特征凸顯，儲(chǔ)能比例加重。這些新型電能和輸電轉(zhuǎn)換方式在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生了新型的暫態(tài)過程。這些暫態(tài)電壓對(duì)金屬氧化物避雷器的應(yīng)力負(fù)載和長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響值得學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注。這些新系統(tǒng)和新裝備的復(fù)雜性及其相互作用產(chǎn)生了電壓波形與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的電流波形有很大不同[1-14]。

近年來，一些研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和公司對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量快速和特快速暫態(tài)電壓進(jìn)行了深入、廣泛的研究[15-32]。與通常實(shí)驗(yàn)室沖擊電壓測(cè)量不同，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量主要具有以下3個(gè)特征：1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果主要用于暫態(tài)分析過程的研究目的，因此，精度要求通常低于實(shí)驗(yàn)室沖擊電壓測(cè)量。2)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比實(shí)驗(yàn)室環(huán)境復(fù)雜得多，有些測(cè)量不確定度甚至無法評(píng)估。3)現(xiàn)場(chǎng)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的暫態(tài)電壓波形特征具有高度的多樣性。

快速和特快速暫態(tài)態(tài)電壓通常具有非常短的波前時(shí)間(上升時(shí)間)，因此具有非常寬的頻譜。同時(shí)，這些暫態(tài)電壓的出現(xiàn)是不可預(yù)測(cè)的。而變電站中常見的傳統(tǒng)電壓測(cè)量設(shè)備(如電容式電壓互感器、電壓互感器等)由于其帶寬窄、采樣率低，通常無法測(cè)量快速和特快速暫態(tài)態(tài)電壓?；诖?，我們對(duì)近些年來行業(yè)內(nèi)在這方面的研究情況進(jìn)行了梳理、總結(jié)，分為以下4個(gè)方面：

1)介紹了6種典型的變電站現(xiàn)場(chǎng)暫態(tài)電壓測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括傳感技術(shù)、信號(hào)傳輸介質(zhì)。

2)變電站現(xiàn)場(chǎng)暫態(tài)電壓測(cè)量系統(tǒng)的性能要求的提出，討論了頻域和時(shí)域兩種頻率測(cè)試方法測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)。

3)討論了操作過電壓、雷電過電壓和特快速過電壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量典型案例。

4)討論、分析了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的快速和特快速暫態(tài)過電壓特征，以及其對(duì)金屬氧化物避雷器運(yùn)行應(yīng)力研究的影響，指出應(yīng)該關(guān)注這些與現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不同的過電壓下避雷器電氣應(yīng)力狀態(tài)的研究。

1 典型的變電站現(xiàn)場(chǎng)暫態(tài)電壓測(cè)量系統(tǒng)

1.1 典型的變電站現(xiàn)場(chǎng)暫態(tài)電壓測(cè)量系統(tǒng)(傳感器)的結(jié)構(gòu)

典型的暫態(tài)電壓測(cè)量系統(tǒng)包括4個(gè)部分：傳感器、傳輸裝置、記錄儀器和分析程序，如圖1所示[33]。按照它們的傳感器是否與被測(cè)高壓導(dǎo)體直接接觸，可以分為非接觸式傳感器技術(shù)或接觸式傳感器技術(shù)；按照傳輸媒介可以分為電纜、光纖和無線3類；按照記錄儀器分為數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)、采集卡和工控機(jī)(IPC)和自行研制的基于A/D轉(zhuǎn)換芯片的采集設(shè)備等。對(duì)于分析程序，常用反卷積分方法來解決某些傳感器的帶寬限制問題[34]，合適的解耦程序處理耦合效應(yīng)[35]。

圖1 典型測(cè)量系統(tǒng)的組成 Fig.1 Composition of a typical measurement system

典型的暫態(tài)電壓測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有6種：電容套管式、阻容分壓式、電場(chǎng)傳感式、光電場(chǎng)傳感式、GIS中的嵌入式電極傳感器和舷窗傳感器，如圖2所示。

1)電容套管式暫態(tài)電壓測(cè)量

對(duì)于按照IEEEC57.01-2017標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電容式套管，設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓分接頭為其他低壓裝置供電，以便直接用于測(cè)量高壓導(dǎo)線上的電壓。然而，在實(shí)際情況中，套管并不是一個(gè)理想的電容分壓器，其等效電路比圖2(a) 所示的更為復(fù)雜。再者，套管的標(biāo)稱電容和介質(zhì)損耗角是在工頻電壓下的獲得的，它們隨外加電壓的頻率會(huì)發(fā)生變化[36]，因此在測(cè)量寬頻帶快速暫態(tài)電壓時(shí)很難建立精確的數(shù)學(xué)傳遞函數(shù)。通常，因電容套管固有諧振頻率，響應(yīng)頻帶大約2 MHz。例如，捷克共的EGU實(shí)驗(yàn)室對(duì)400 kV 油紙絕緣套管進(jìn)行了暫態(tài)過電壓試驗(yàn)[37]。套管的額定電容為468 pF，抽頭電容為2 170 pF。為了獲得套管傳感器的頻率特性，發(fā)生器輸出幅值為3 V、頻率為100 Hz至10 MHz的正弦電壓。輸出信號(hào)與輸入電壓之比如圖3所示[37]，頻率響應(yīng)曲線表明，套管傳感器的諧振頻率約為2.8 MHz，頻率上限(3 db)接近2 MHz。

圖3 電容套管測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性試驗(yàn)及結(jié)果Fig.3 Frequency response characteristic test and results of capacitive bushing measurement system

2)阻容分壓式暫態(tài)電壓測(cè)量

一般來說，串聯(lián)電阻電容分壓器不能用來測(cè)量直流電壓。其高頻特性主要取決于電阻和電容的配合，阻值太小的測(cè)量系統(tǒng)很難抑制由電感和電容引起的高頻諧振，而太高的電阻會(huì)延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。并聯(lián)電阻電容分壓器可以用來測(cè)量直流電壓，因?yàn)椴⒙?lián)電容可以減少雜散電容對(duì)分壓器電位分布的影響。然而，在高頻電壓測(cè)量中也很難抑制諧振。復(fù)合式分壓器兼有上述兩種分壓器的優(yōu)點(diǎn)，因此是設(shè)計(jì)寬頻帶電阻電容分壓器時(shí)的首選測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。

3)電場(chǎng)感應(yīng)式暫態(tài)電壓測(cè)量

自由空間中的無屏蔽高壓導(dǎo)體在其周圍可以產(chǎn)生電場(chǎng)。當(dāng)測(cè)量空間的尺寸遠(yuǎn)小于高壓導(dǎo)體上瞬態(tài)電壓的等效波長(zhǎng)(一般為100 m)時(shí)，可以認(rèn)為是準(zhǔn)靜電磁場(chǎng)，特定空間中的電場(chǎng)E(t)與導(dǎo)體上的電壓U(t)成正比：E(t)=kU(t)[38]。如圖2(c)所示，電場(chǎng)傳感器由上、下電極和一個(gè)采樣電路組成。這兩個(gè)電極產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，通過傳統(tǒng)的同軸電纜與記錄儀連接，通常的等效阻抗為50 Ω，整個(gè)測(cè)試回路的時(shí)間常數(shù)太小，導(dǎo)致低頻響應(yīng)差。因此，采樣電路在大多數(shù)應(yīng)用中是必要的。采樣電路可以限制測(cè)量回路種各個(gè)連接點(diǎn)處的行波反射。在某些場(chǎng)合，采樣電路應(yīng)具有負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

如圖4所示，為捷克EGU HV實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的電場(chǎng)傳感器。傳感電極是兩個(gè)半徑為4.65 cm的圓形金屬板，由1.48 mm厚的相對(duì)介電常數(shù)為4.9的介質(zhì)板隔開。感測(cè)電容(Cs)的電容約為199 pF。采樣電容器(C2)為1 000 pF。當(dāng)傳感器處于30 kV/m的空間電場(chǎng)中時(shí)，C2上的電壓約為1.5 V。放大器用來提供足夠高的輸入阻抗并驅(qū)動(dòng)后續(xù)的光發(fā)射極。該測(cè)量系統(tǒng)具有非常平坦的頻率特性，范圍從5 Hz到2 MHz[21]。

圖4 EGU高壓實(shí)驗(yàn)室研制電場(chǎng)傳感器外形及采樣原理電路Fig.4 The shape and sampling principle circuit of electric field sensor developed by EGU HV LAB

如圖5所示,為中國(guó)電力科學(xué)研究院計(jì)量研究所研制的電場(chǎng)傳感器。兩個(gè)半球形電極由一個(gè)絕緣板隔開以形成傳感單元。半球形電極的半徑為5 cm，絕緣板的厚度約為3 mm。Cs電容約為8.6 pF，C2約為3.5 nF。采樣電容器直接連接到記錄儀器，輸入電阻Ra為0.484 MΩ，輸入電容Ca為33.128 pF[25]。

圖5 中國(guó)電力科學(xué)研究院計(jì)量研究所研制電場(chǎng)傳感器外形及采樣原理電路Fig.5 The shape and sampling principle circuit of electric field sensor developed by National HV Measurement Station of China

電場(chǎng)感應(yīng)傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是傳感器和高壓導(dǎo)體之間的自然隔離(即非接觸技術(shù))。因此，安裝和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不一定要求高壓導(dǎo)線斷電。但是，這類傳感器存在相間耦合干擾問題。由于耦合問題，很難得到被測(cè)電場(chǎng)與目標(biāo)電壓之間的直接關(guān)系。因此，在大多數(shù)情況下，需要對(duì)原始測(cè)量信號(hào)解耦處理。還有，就是關(guān)于測(cè)量系統(tǒng)的比例因子。由于傳感器安裝點(diǎn)會(huì)影響傳感器處的感應(yīng)電場(chǎng)以及高壓導(dǎo)體與上傳感電極之間的雜散電容，因此當(dāng)測(cè)量環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，需要重新校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的比例因子。為了保留非接觸測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通常采用導(dǎo)線電壓中的工頻分量來現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定標(biāo)度因數(shù)。如果從工頻到被測(cè)瞬態(tài)電壓范圍內(nèi)的頻率特性是平坦的，或者已知工頻標(biāo)度因數(shù)和瞬態(tài)電壓標(biāo)度因數(shù)之間的相對(duì)比值，則適用此方法。

4)光電場(chǎng)傳感式暫態(tài)電壓測(cè)量

使用光電場(chǎng)傳感器測(cè)量瞬態(tài)電壓也是基于準(zhǔn)靜態(tài)假設(shè)和E(t)=kU(t)所示的關(guān)系。光電場(chǎng)傳感器的種類很多。其中，基于Pockels效應(yīng)的光學(xué)電場(chǎng)傳感器具有響應(yīng)速度快、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為適用于電力系統(tǒng)暫態(tài)電場(chǎng)的測(cè)量[37]。

根據(jù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和工作原理，集成光電場(chǎng)傳感器可分為三種類型：馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)、耦合器干涉儀(CI)和共程干涉儀(CPI)。測(cè)量系統(tǒng)如圖2d所示。激光源產(chǎn)生的線偏振光通過保偏光纖傳輸?shù)絺鞲衅?。光信?hào)通過波導(dǎo)時(shí)，被電場(chǎng)調(diào)制為相位調(diào)制或偏振態(tài)調(diào)制。對(duì)于MZI或CI類型，在波導(dǎo)的輸出端，相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度調(diào)制。對(duì)于CPI型，分析儀將偏振態(tài)調(diào)制改為強(qiáng)度調(diào)制。然后強(qiáng)度信號(hào)通過單模光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器，光信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

圖6為清華大學(xué)開發(fā)的基于耦合器干涉儀(CPI)的瞬態(tài)電場(chǎng)測(cè)量的集成光電場(chǎng)傳感器。從圖7中可以看出，這種傳感器具有很快的響應(yīng)速度(高達(dá)4 ns)和很寬的帶寬(試驗(yàn)結(jié)果表明，在50 Hz～500 MHz范圍內(nèi)具有一致的頻率響應(yīng))。此外，它是絕緣的，不會(huì)改變被測(cè)導(dǎo)體的電場(chǎng)分布[29-30]。

圖6 清華大學(xué)研制的集成光電場(chǎng)傳感器Fig.6 Integrated photoelectric field sensor developed by Tsinghua University

圖7 集成光電場(chǎng)傳感器的頻響特性Fig.7 Frequency characteristics of IOES from 5 Hz to 500 MHz

這類傳感器的缺點(diǎn)是：易碎，容易受到受外部沖擊；成本也較高。此外，測(cè)量系統(tǒng)可能會(huì)受到各種環(huán)境條件的影響，例如溫度和濕度等因素。

5)GIS中的嵌入式電極傳感器暫態(tài)電壓測(cè)量和舷窗傳感器暫態(tài)電壓測(cè)量

一些制造商的GIS盆式絕緣子配備了環(huán)形電極，該電極在制造階段預(yù)埋在間隔棒中。這些傳感器通常配備有一個(gè)外部連接，可以從外部訪問，使它們可以用作瞬態(tài)傳感器，如圖2(e)所示。華北電力大學(xué)[33]采用嵌入式電極傳感器暫態(tài)電壓測(cè)量技術(shù)研制了一套750 kV GIS用裝置。 他們采用掃頻法分別測(cè)試了電容分壓器和電阻分壓器的頻率特性。電容分壓器的頻率特性從10 Hz到16 MHz(±3 dB)的平坦頻率響應(yīng)；二次電阻分壓器在整個(gè)測(cè)試頻率范圍(10 Hz～80 MHz)內(nèi)具有平坦的頻率響應(yīng)，因此，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的頻率特性范圍為10 Hz至16 MHz。

應(yīng)注意的是，如果嵌入式電極傳感器暫態(tài)電壓測(cè)量同軸信號(hào)電纜過長(zhǎng)，則在電纜屏蔽層中流動(dòng)的電流可能會(huì)產(chǎn)生噪聲，噪聲會(huì)疊加在測(cè)量信號(hào)上。東芝公司的學(xué)者在1985年報(bào)道了這一現(xiàn)象[39]。東芝公司的學(xué)者們提出了另一種解決方案，如圖8[40]所示，用光信號(hào)傳輸系統(tǒng)代替同軸信號(hào)電纜。

圖8 日本東芝公司開發(fā)的嵌入式電極傳感器暫態(tài)電壓測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of embedded electrode sensor transient voltage measurement system developed by Toshiba, Japan

一般來說，設(shè)計(jì)良好的嵌入式電極傳感器暫態(tài)電壓測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)從5 Hz到16 MHz的帶寬和小于30 ns的階躍響應(yīng)時(shí)間。通過限制電容分壓器電路的雜散電感，同時(shí)降低低壓臂電容器的電容，可以實(shí)現(xiàn)高頻特性的改善，而低頻特性的改善可以通過增加低壓臂電容器的電容和增加后續(xù)電路的輸入阻抗來實(shí)現(xiàn)。

嵌入式電極傳感器暫態(tài)電壓測(cè)量方法只有在將環(huán)形電極嵌入GIS盆式絕緣子內(nèi)，并提供與外部低電感連接的方法時(shí)才可行。然而，在實(shí)踐中，只有在某些特定情況下才能找到包含嵌入式電極的GIS盆式絕緣子。因此，這限制了嵌入式電極傳感器測(cè)量?jī)?nèi)部GIS瞬態(tài)過電壓的應(yīng)用。

GIS中舷窗傳感器暫態(tài)電壓測(cè)量的工作原理與嵌入式電極傳感器類似，都是利用高壓導(dǎo)體和傳感電極之間的雜散電容來拾取瞬態(tài)電壓信號(hào)。不同的是，要注意傳感電極的大小和絕緣介質(zhì)的材料選擇。

許多學(xué)者開發(fā)的不同舷窗傳感器的性能和特點(diǎn)如表1所示。表1中的摘要表明：1)介電薄膜的厚度通常在幾十微米(高達(dá)100 μm)的范圍內(nèi)，這種薄膜增加了低壓電容器的電容，從而提高了分壓比，改善了傳感器的低頻特性。2)傳感電極的直徑通常小于200 mm，因?yàn)檩^大的傳感器電極通常容易振蕩。3)使用高阻抗緩沖放大器可以改善低頻特性。4)設(shè)計(jì)良好的連續(xù)錐形結(jié)構(gòu)可以降低電路電感，從而改善高頻特性。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，基于舷窗傳感器的測(cè)量系統(tǒng)的帶寬可以覆蓋從毫赫茲到～百赫茲的頻率范圍，這個(gè)范圍足以測(cè)量GIS中VFFO。

表1 各種研制的GIS中舷窗傳感器暫態(tài)電壓測(cè)量的性能和特點(diǎn)Table 1 Performance and characteristics of transient voltage measurement of porthole sensor in GIS

1.2 典型的信號(hào)傳輸介質(zhì)方案

信號(hào)傳輸介質(zhì)分為3類：射頻同軸電纜，光纖和無線傳輸?shù)?。如圖9所示，對(duì)于射頻同軸電纜傳輸方式來講，在測(cè)量快波前瞬態(tài)電壓時(shí)，行波效應(yīng)不能忽略。任何傳輸損耗或色散以及沿傳輸路徑的任何反射(例如，在電纜末端)會(huì)使原始信號(hào)失真。往往現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，需要使用長(zhǎng)信號(hào)傳輸電纜，因此，需要仔細(xì)的匹配輸入、輸出阻抗，并盡可能將示波器安裝在靠近傳感器的位置。還需要注意電纜屏蔽層的接地。在選擇測(cè)量設(shè)備的位置以及測(cè)量設(shè)備和同軸電纜屏蔽的接地和連接時(shí)，必須格外小心。在所有情況下，建議使用雙屏蔽電纜。此外，對(duì)于GIS中的瞬態(tài)測(cè)量，消除測(cè)量信號(hào)干擾的另一種方法是將電纜封裝在屏蔽管內(nèi)，屏蔽管與GIS相連，屏蔽外殼包含測(cè)量設(shè)備。

圖9 TC傳感器可以安裝在高壓導(dǎo)線上示例Fig.9 Example of a TC sensor that can be mounted on a high voltage wire

對(duì)于光纖信號(hào)傳輸方式來講，與電纜傳輸fangshi 比較，具有[21]：1) 在光纖中傳輸?shù)男盘?hào)不受嚴(yán)重的外部電磁干擾的影響。2) 由于兩端射頻同軸電纜的長(zhǎng)度可以保持非常短，因此這些接口處的干擾也可以保持在最小。3) 光電轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗可以遠(yuǎn)高于典型射頻同軸電纜的波阻抗(50 Ω或75 Ω)；這有助于傳感器獲得良好的低頻特性，因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換器不需要額外的緩沖放大器。4) 光纖將傳感器與記錄儀器隔離，從而避免不必要的故障發(fā)生。5)光電轉(zhuǎn)換器的接地不是強(qiáng)制性的。這允許傳感器在浮動(dòng)電位模式下工作，從而限制地電位波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。6) 假設(shè)光纖的外護(hù)套清潔干燥且不含任何金屬，則允許傳感器安裝在高壓電位下，而記錄儀器安裝在地電位下。該裝置通常用于AIS或OHL中的非接觸測(cè)量技術(shù)，其中傳感器靠近被測(cè)導(dǎo)體，以限制相鄰導(dǎo)體的耦合效應(yīng)。他也存在一些缺點(diǎn)：1)光電轉(zhuǎn)換器和光電接收器都需要電源。2)光纖不適合用于室外長(zhǎng)期運(yùn)行。

與傳統(tǒng)的射頻同軸電纜和光纖傳輸方法不同，無線傳輸設(shè)備通常用于傳輸數(shù)字信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為[25]：1) 由于傳感器和記錄儀器在物理上是分離的，因此這兩個(gè)子系統(tǒng)可以獨(dú)立地設(shè)計(jì)為各自的最佳性能。2) 由于無線網(wǎng)絡(luò)可以是本地的，也可以是廣域的，因此測(cè)量系統(tǒng)的安裝非常靈活。傳感部分可以安裝在高壓導(dǎo)線上(如圖9所示)[29]，而記錄儀器可以安裝在數(shù)百公里外的中央站或控制室。因此，傳感器和記錄儀器之間的絕緣/隔離不再是問題。

1.3 典型的數(shù)據(jù)記錄儀/信號(hào)接收器

數(shù)據(jù)記錄儀/信號(hào)接收器用于對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化和存儲(chǔ)。目前，有3種主要類型的記錄儀器用于測(cè)量暫態(tài)電壓：1) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器；2) 采集卡和工控機(jī)；3) 自行開發(fā)的基于A/D轉(zhuǎn)換芯片的采集設(shè)備。在許多現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的具體情況下，預(yù)計(jì)記錄儀器具有一些特殊功能，如體積小、功耗低、形狀不規(guī)則、非常規(guī)觸發(fā)模式，整個(gè)記錄儀必須基于A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。它需要在電子電路開發(fā)、混合信號(hào)設(shè)計(jì)、微處理器等方面的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以及強(qiáng)大的EMC技能。對(duì)于一次性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，主要使用示波器。長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)暫態(tài)電壓，如快波前暫態(tài)過電壓，后兩種技術(shù)更受適合些。

2 暫態(tài)電壓測(cè)量系統(tǒng)性能要求和測(cè)試技術(shù)

2.1 暫態(tài)電壓測(cè)量系統(tǒng)性能要求

暫態(tài)電壓測(cè)量系統(tǒng)的主要技術(shù)要求包括：1)比例因子；2)帶寬；3)采樣頻率；3)垂直分辨率；4)測(cè)量范圍；5)存儲(chǔ)容量；6)觸發(fā)模式；7)連續(xù)觸發(fā)的最小間隔；8)時(shí)間同步等等。

1)比例因子 暫態(tài)電壓波形U(t)可表示為其振幅與其歸一化波形UN(t)的乘積，如圖10所示[33]。UN(t)表示暫態(tài)電壓波形。為了準(zhǔn)確再現(xiàn)暫態(tài)電壓波形，必須通過測(cè)量系統(tǒng)需要有足夠帶寬和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。測(cè)量系統(tǒng)中的比例因子定義為實(shí)際瞬態(tài)電壓振幅除以測(cè)量輸出信號(hào)的比值；因此，任何刻度的測(cè)量不確定度都直接決定了系統(tǒng)的測(cè)量精度。

圖10 暫態(tài)電壓示意圖Fig.10 Sketch map of the transient voltage

現(xiàn)場(chǎng)暫態(tài)電壓的測(cè)量情況比較復(fù)雜。電壓波形通常不可預(yù)測(cè)，且具有高度多樣性。因此，在大多數(shù)情況下，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的不確定度按照實(shí)驗(yàn)室的要求(通常為3%)是不適用的。此外，在某些情況下，無法評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)不確定度。目前，暫態(tài)電壓的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量主要是為了電網(wǎng)故障分析、新的暫態(tài)過程識(shí)別、實(shí)際暫態(tài)電壓參數(shù)記錄和絕緣配合參考，而不是為了尋求計(jì)量或準(zhǔn)確測(cè)量，因此，相對(duì)較低的測(cè)量不確定度要求是可以接受的。考慮到目前測(cè)量技術(shù)的技術(shù)水平和應(yīng)用要求，建議整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的比例因數(shù)不確定度不高于10%。

2)帶寬 許多暫態(tài)電壓由工頻和高頻分量組成。特別是在一些現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，工頻電壓的幅值被用來校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的比例因子。因此，測(cè)量系統(tǒng)的低頻極限通常必須低于電源頻率(50 Hz或60 Hz)。 為確保電源頻率下的比例因數(shù)與瞬態(tài)電壓的上限頻率下的比例因數(shù)大致相同，建議測(cè)量系統(tǒng)的低頻極限在10 Hz時(shí)優(yōu)于±3 dB，在50 Hz時(shí)優(yōu)于±1 dB。頻率上限取決于需要觀察的瞬態(tài)電壓的最高頻率分量。建議測(cè)量系統(tǒng)在不同瞬態(tài)電壓下的頻率上限為：① 對(duì)于緩波前電壓，頻率上限(±3 dB)≥ 20 kHz；②對(duì)于快波前電壓，頻率上限(±3 dB)≥ 2 MHz；③ 對(duì)于特快波前電壓，頻率上限(±3 dB)≥ 100 MHz。

3)采樣頻率 采樣率是記錄儀表模/數(shù)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵參數(shù)。采樣率越高，數(shù)字信號(hào)越能保真。然而，儀器的處理速度和成本會(huì)過高。采樣率的確定應(yīng)綜合考慮測(cè)量精度的要求、待測(cè)波形的特性以及測(cè)量系統(tǒng)的成本?？紤]到10%的精度要求，建議記錄儀器的采樣率Sx不應(yīng)低于：

(1)

原理如圖11所示。這意味著由采樣率引起的幅值不確定度應(yīng)低于1.44%。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的波形通常比圖11所示的波形更復(fù)雜；一些高頻振蕩通常會(huì)疊加在實(shí)際的基本波形上。通常，這些振蕩的頻率高于基本波形。為了準(zhǔn)確測(cè)量這些高頻振蕩的細(xì)節(jié)，最低采樣率應(yīng)至少為

Ns=4fmax

(2)

式中，fmax是暫態(tài)過電壓中可能發(fā)生的的最大振蕩頻率。

圖11 采樣率對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換影響的概念示意圖

4)垂直分辨率 采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)不僅沿時(shí)間軸離散，而且沿垂直軸離散。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換的垂直分辨率，最大相對(duì)幅值不確定性(Uvr max)為

(3)

式中Ns是儀器的bit。Uvrmax最大值約為0.11%。目前，大多數(shù)典型的數(shù)字儀器都具有8 bit分辨率，如果測(cè)量范圍得到充分利用，則對(duì)于暫態(tài)電壓測(cè)量具有足夠的精度。但是，如果可能的話，建議使用更高的垂直分辨率，并且普通的現(xiàn)代數(shù)字化儀具有10、12甚至14 bit分辨率。

5)測(cè)量范圍 測(cè)量范圍應(yīng)能夠記錄系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的最大暫態(tài)電壓的幅值。對(duì)于緩波前和快波前暫態(tài)電壓，其最大幅值通常低于相鄰電氣設(shè)備的操作或雷電沖擊耐受水平。可參考IEC 60071-1[50]選擇測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍。但是根據(jù)長(zhǎng)空氣間隙放電的研究結(jié)果，閃絡(luò)電壓的幅值強(qiáng)烈依賴于施加電壓的上升時(shí)間。與標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓相比，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，電壓的上升時(shí)間更快。這意味著暫態(tài)電壓的最大幅值可能高于在標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓下測(cè)試的電氣設(shè)備的耐受水平。從經(jīng)驗(yàn)上講，特快速過電壓的幅值通常低于額定工頻電壓的3倍。因此，建議測(cè)量范圍為額定工頻電壓的3倍作起點(diǎn)。

6)存儲(chǔ)容量 存儲(chǔ)容量決定了記錄儀器能夠記錄的暫態(tài)電壓數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。儀器存儲(chǔ)容量C的選擇基本上取決于采樣率Ss、垂直分辨率N和需要存儲(chǔ)的瞬態(tài)波形的持續(xù)時(shí)間T。所需的存儲(chǔ)容量可通過以下公式估算：

C=N×Ss×T

(4)

例如，如果記錄儀器的垂直分辨率N為8 bits(1字節(jié))，采樣率為20 MS/s，記錄長(zhǎng)度為0.1 s，則每個(gè)通道的儀器存儲(chǔ)容量應(yīng)大于2 M。對(duì)于雷電沖擊電壓，如果雷擊沒有導(dǎo)致斷路器跳閘，則暫態(tài)過程通常持續(xù)時(shí)間小于1個(gè)周期。當(dāng)雷擊導(dǎo)致跳閘時(shí)，跳閘過程通常在2～5個(gè)周期內(nèi)完成。對(duì)于使用斷路器開/關(guān)母線或輸電線路，暫態(tài)過程通常在3或4個(gè)周期。由于隔離開關(guān)的操作時(shí)間比斷路器的操作時(shí)間長(zhǎng)得多，因此，在母線或輸電線路的開/關(guān)過程中，瞬態(tài)過程可以持續(xù)10～20個(gè)周期以上。在測(cè)量由雷電或斷路器操作引起的暫態(tài)過程時(shí)，建議記錄周期不小于100 ms(5個(gè)周期)；用于測(cè)量AIS或GIS中隔離開關(guān)操作引起的暫態(tài)過程，建議記錄周期不小于200 ms(10個(gè)周期)。

7)觸發(fā)模式 一旦啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，記錄儀器被設(shè)置為“等待觸發(fā)”模式。如果儀器由傳入瞬態(tài)事件觸發(fā)，將記錄觸發(fā)時(shí)間前后的數(shù)據(jù)。根據(jù)儀器的觸發(fā)能力，有幾種方法可以解決上述問題。一種實(shí)用的方法是，使用高通濾波器，濾掉基頻。另一種常用的方法是，估計(jì)輸入信號(hào)的陡度，并將所謂的“智能觸發(fā)器”設(shè)置為僅在滿足該標(biāo)準(zhǔn)的波形上觸發(fā)。應(yīng)注意，如果觸發(fā)機(jī)制過于敏感，某些噪聲或干擾可能導(dǎo)致頻繁的虛假觸發(fā)。在進(jìn)行多站點(diǎn)測(cè)量時(shí)，通常使用外部觸發(fā)模式。多個(gè)測(cè)量系統(tǒng)由相同的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)，以同步在多個(gè)不同位置進(jìn)行的測(cè)量，從而避免虛假觸發(fā)或觸發(fā)丟失。

8)連續(xù)觸發(fā)的最小間隔 例如：對(duì)于高壓輸電線路，一旦線路跳閘，暫態(tài)過程就開始。在數(shù)百或數(shù)千毫秒內(nèi)重合閘，從而產(chǎn)生另一個(gè)暫態(tài)過程。再例如：雷擊持續(xù)時(shí)間可能從小于1 ms到數(shù)百毫秒不等，一次雷擊暫態(tài)過電壓中可能有5次以上的回?fù)?。為了記錄整個(gè)雷擊事件，需要增大存儲(chǔ)容量或縮短連續(xù)觸發(fā)器的最小間隔。對(duì)于大多數(shù)儀器，觸發(fā)后需要一段時(shí)間才能獲取數(shù)字化暫態(tài)波形數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在儀器中。在此延遲期間(也稱為“死區(qū)時(shí)間”)，儀器無法處理任何新的輸入信號(hào)。這意味著，如果在此期間發(fā)生新的暫態(tài)事件，儀器將無法觸發(fā)。解決此問題的一種實(shí)用方法是，將緩存劃分為多個(gè)區(qū)域并使用多線程處理器。當(dāng)處理器處理緩存某個(gè)區(qū)域的暫態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，儀器仍在“等待觸發(fā)”模式下工作，來自傳感器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩存的其他區(qū)域。該架構(gòu)導(dǎo)致儀器在“等待觸發(fā)”模式下連續(xù)工作，因此不會(huì)錯(cuò)過任何瞬態(tài)事件。應(yīng)注意，每個(gè)區(qū)域的存儲(chǔ)容量應(yīng)滿足存儲(chǔ)容量中提出的要求。

9)時(shí)間同步 在多個(gè)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)同一瞬態(tài)過程進(jìn)行測(cè)量的情況下，通常會(huì)考慮時(shí)間同步要求。有兩種常用方法：1) 使用一個(gè)源觸發(fā)所有測(cè)量系統(tǒng)。2) 為所有測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置時(shí)鐘。時(shí)間同步的要求取決于應(yīng)用場(chǎng)景。

2.2 暫態(tài)電壓測(cè)量系統(tǒng)性能測(cè)試技術(shù)

2.2.1 系統(tǒng)頻率響應(yīng)測(cè)量技術(shù)

包括：頻域(掃頻)法和和時(shí)域法。頻率掃描法是確定測(cè)量系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的最直接方法。在該方法中，測(cè)量系統(tǒng)在其輸入端受到特定頻率的正弦電壓，并記錄輸出電壓以計(jì)算該頻率的比例因子。通過改變輸入電壓的頻率，同時(shí)保持相同的恒定振幅，可以獲得不同頻率下的一系列比例因子，從而產(chǎn)生系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。如圖12所示，暫態(tài)電壓測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性包括幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。幅頻響應(yīng)通常由測(cè)量系統(tǒng)的比例因子與信號(hào)輸入頻率的曲線表示。此外，比例因子G(f)以歸一化或?qū)?shù)形式表示：

(5)

圖12 顯示輸入正弦電壓和產(chǎn)生的輸出電壓示意圖Fig. 12 Sketch showing an example of an input sinusoidal voltage and the resulting output voltage

由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)輸入電壓的幅值較低，測(cè)量系統(tǒng)的必要的高比例因子將導(dǎo)致輸出信號(hào)的信噪比非常低。此外，施加的電壓遠(yuǎn)低于要測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)瞬態(tài)電壓水平。當(dāng)使用掃頻法對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行表征時(shí)，必須非常仔細(xì)地考慮和設(shè)計(jì)測(cè)量方法，以便獲得的頻率響應(yīng)特性能夠真正代表系統(tǒng)在實(shí)際高壓條件下的實(shí)際性能。一種辦法是在掃頻信號(hào)發(fā)生器之后使用放大器來增加測(cè)試信號(hào)電壓。然而，下會(huì)出現(xiàn)測(cè)試信號(hào)放大器自身的頻率響應(yīng)在要掃描的頻率范圍內(nèi)是平坦的這樣的問題。因此，很難開發(fā)出既具有足夠高的幅值、頻率輸出又具有足夠平坦度的正弦電壓源，以充分測(cè)試暫態(tài)電壓測(cè)量系統(tǒng)。

與依賴于頻率響應(yīng)曲線上一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)的頻域方法不同，時(shí)域方法僅建立系統(tǒng)的上下限。通常，通過向被測(cè)測(cè)量系統(tǒng)施加具有陡峭上升沿的階躍電壓波形來獲得頻率上限fup，而通過長(zhǎng)波尾沖擊測(cè)試或直流測(cè)試來獲得頻率下限flow。測(cè)量系統(tǒng)可被看作為線性、因果、時(shí)移不變系統(tǒng)，其頻域一般傳遞函數(shù)可表示為

Uout(ω)=H(ω)Uin(ω)

(6)

式中H(ω)為傳遞函數(shù)。

當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)接受到單位階躍信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)可以近似為指數(shù)階躍或線性遞增斜坡函數(shù)。對(duì)于指數(shù)函數(shù)，我們定義tr為響應(yīng)從10%上升到90%的時(shí)間間隔。則輸出信號(hào)頻率上限fup為

(7)

輸出信號(hào)頻率下限flow為

(8)

式中，τ1為時(shí)間衰減，對(duì)應(yīng)于響應(yīng)幅值下降至峰值36.8%所用的時(shí)間。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)特快速暫態(tài)過電壓傳感器的校準(zhǔn)，四川省電力科學(xué)研究院蘇少春等研制了2 kV 亞納秒級(jí)上升沿方波發(fā)生裝置，如圖13[51]。

圖13 2 kV方波發(fā)生裝置及結(jié)構(gòu)原理圖Fig.13 Schematic diagram of 2 kV square wave generator and structure

使用所述方波電壓源，對(duì)特快速過電壓測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，如圖14所示。從10%到90%的上升時(shí)間約為1.25 ns。在特快速過電壓測(cè)量系統(tǒng)上進(jìn)行了5次重復(fù)測(cè)試，上升時(shí)間的平均值和偏差分別為1.219 ns和0.03 ns。根據(jù)公式(7)計(jì)算，該測(cè)量系統(tǒng)的頻率上限fup可達(dá)到287 MHz左右。

圖14 特快速暫態(tài)過電壓傳感器典型測(cè)試結(jié)果Fig. 14 Typical testing result of the VFTO sensor

2.2.2 比例因子校準(zhǔn)試驗(yàn)

測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)校準(zhǔn)試驗(yàn)中，建議使用以下3種試驗(yàn)電壓波形：1) 工頻電壓；2) 陡波沖擊電壓；3) 雷電沖擊電壓或操作沖擊電壓。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)是否適用于測(cè)量系統(tǒng)以及比例系數(shù)是否取決于現(xiàn)場(chǎng)布置， 不同測(cè)試原理和結(jié)構(gòu)的6種傳感器技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)可分為3種類型，如表2所示。

表2 基于不同傳感器技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)類型Table 2 Types of the measuring systems based on different sensor techniques

圖15給出了不同外加電壓下比例因子的原理圖。在頻率響應(yīng)譜中，標(biāo)記了Kb平坦段、-3 dB帶寬和-1 dB帶寬等不同的比例因子。通常情況下，測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)具有足夠?qū)挼膸挘采w工頻頻率和待測(cè)量的最快暫態(tài)電壓。3個(gè)試驗(yàn)電壓下的比例因數(shù)均在平段上，比例因數(shù)之間的關(guān)系為

kac=kim=kff=kb

(9)

式中，kac、kim、kff分別為工頻電壓、沖擊電壓和快速波前沖擊電壓下的比例因子。

應(yīng)注意，圖15中的頻率響應(yīng)曲線可通過相對(duì)較低的幅值電壓獲得。這些標(biāo)度因子是否與在較高暫態(tài)電壓下獲得的標(biāo)度因數(shù)相同，有待通過線性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。有關(guān)線性測(cè)試的詳細(xì)信息，可參考IEC 60060-2-2010[53]中的測(cè)試方法。

圖15 不同電壓信號(hào)類型的比例因子示例Fig. 15 Example of scale factors for different voltage signal types

3 操作過電壓、雷電過電壓和特快速過電壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量典型案例

3.1 操作過電壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量典型案例

2012年，日本利用GIS中的嵌入式電極傳感器，研究了應(yīng)用于特高壓系統(tǒng)的操作暫態(tài)過電壓波形，以確定操作沖擊試驗(yàn)波形[54]。圖16給出了日本特高壓系統(tǒng)(Higashi-Gunma — Minami-Iwaki)的電路參數(shù)。在該系統(tǒng)中，輸電線路長(zhǎng)度為200 km，采用雙線配置。避雷器安裝在兩個(gè)變電站的入口處，并聯(lián)電抗器不工作。在該系統(tǒng)配置中，當(dāng)Minami Iwaki變電站中的斷路器閉合時(shí)(合閘電阻700 Ω)，可以觀察到過電壓峰值，圖17所示(Gunma GIS變電站)。 為了緩解過電壓，還對(duì)斷路器閉合電阻值進(jìn)行了研究。該圖顯示了閉合電阻為700 Ω時(shí)的結(jié)果，顯示了對(duì)過壓的最大緩解效果。

圖16 操作過電壓測(cè)試的UHV系統(tǒng)參數(shù)Fig. 16 UHV system circuit configuration for switching over voltage

圖17 在Higashi-Gunma GIS站處產(chǎn)生的操作過電壓波形Fig. 17 Switching overvoltage waveform generated at the Higashi-Gunma

對(duì)于實(shí)際變電站中產(chǎn)生的非標(biāo)準(zhǔn)操作過電壓波形，提出了各種定義來計(jì)算峰值時(shí)間Tp。其中，日本研究人員采用一種方法，通過將波形上升部分的85%或更多部分?jǐn)M合為雙指數(shù)函數(shù)來計(jì)算Tp。因?yàn)椴ㄐ蔚纳?5%部分影響擊穿電壓。根據(jù)式(10)計(jì)算Tp，圖17中波形的Tp=797 μs。

Tp=1.678×(Tp-T85%)

(10)

根據(jù)過電壓的形成原理，根據(jù)式11計(jì)算出Tp約為700 μs，與分析結(jié)果非常接近。因此，輸電線路的長(zhǎng)度是確定操作過電壓Tp的主要因素。傳輸線長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致Tp的高值，如果傳輸線長(zhǎng)度超過200 km，Tp可以達(dá)到約700 μs或更長(zhǎng)。

Tp=200(km)/0.3(km/μs)×4(twice reflection)
×1/4(period)

(11)

在日本和中國(guó)的特高壓交流輸電工程建設(shè)之前，對(duì)特高壓交流輸電工程暫態(tài)電壓的研究很少。仿真與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的結(jié)果表明，特高壓交流輸電工程的斷路器操作過電壓波前時(shí)間可大于700 μs，比標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊過電壓波形(波前時(shí)間為250 μs)長(zhǎng)。

3.2 雷電過電壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量典型案例

克羅地亞多年進(jìn)行變電站雷電過電壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的研究，取得了大量的研究成果[16-20]。他們?cè)趦蓚€(gè)110/220 kV變電站的主電力變壓器上安裝了兩套暫態(tài)電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(“TMS+”)。對(duì)于每個(gè)TMS+，套管傳感器安裝在主電力變壓器的110 kV和220 kV側(cè)。為驗(yàn)證記錄的瞬態(tài)電壓是否由雷擊引起并確定雷擊位置，TMS+系統(tǒng)與雷擊定位系統(tǒng)(LLS)、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)和地理信息系統(tǒng)(GIS)同步。在過去幾年中，TMS+系統(tǒng)記錄了大量雷電暫態(tài)波形，其中一個(gè)典型的測(cè)量結(jié)果如下介紹。

在距離變電站I 約16 km(距離變電站II約30 km)的220 kV輸電線路沿線發(fā)生的多次雷擊引起的。多次雷擊參數(shù)見表3。記錄的暫態(tài)電壓與由LLS檢測(cè)到的七次后續(xù)雷擊組成的閃電時(shí)間相關(guān)。表3中標(biāo)記的3次雷擊突出顯示為可能導(dǎo)致記錄瞬態(tài)的雷擊。

表3 雷電定位系統(tǒng)LLS測(cè)定的多重雷擊參數(shù)Table3 Multiple lightning stroke parameters measured by lightning location system LLS

圖18顯示了由第2次雷擊(雷電流幅值：-80.2 kA)引起的TMS+記錄的暫態(tài)電壓及其相應(yīng)的頻譜。同時(shí)，SCADA系統(tǒng)在變電站I和II的線路間隔中的斷路器自動(dòng)重合閘操作后檢測(cè)到所有三相中的線路對(duì)地故障。斷路器首先中斷變電站II中的短路電流。當(dāng)短路電流仍由變電站I供電時(shí)，2次連續(xù)的雷擊(相隔13 ms)(表3中的第6次和第7次)擊中輸電線路，并且TMS+在變電站1的電力變壓器端子處記錄了過電壓。圖19中可以清楚地觀察到這2次雷電過電壓，而在記錄結(jié)束時(shí)(約25 ms)，可以看到由于變電站I斷路器斷開而產(chǎn)生的操作過電壓。

圖18 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的雷擊過電壓波形及頻譜分析Fig. 18 Waveform and spectrum analysis of lightning overvoltage measured on site

圖19 變電站I中由后續(xù)雷擊引起的暫態(tài)過電壓及其頻譜Fig.19 Transient voltage in substation 1 caused by subsequent strikes

對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析表明，雷擊引起的雙向振蕩過電壓波形出現(xiàn)在電力變壓器的接線端。記錄過電壓的振蕩是由變電站和系統(tǒng)阻抗發(fā)生顯著變化引起行波多次反射。電力變壓器上記錄的相對(duì)較長(zhǎng)的過電壓持續(xù)時(shí)間是多種因素綜合作用的結(jié)果，包括雷擊特性、電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)?、觀測(cè)條件、變壓器和線路間隔中避雷器的運(yùn)行，變壓器本身的繞組共振等等。記錄的雷電過電壓是雙向振蕩的，持續(xù)時(shí)間為5～6 ms。這種差異引起了對(duì)目前廣泛用于高壓試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形的討論，例如正在修訂的IEC 60071-2[55]、IEEE62.82.2[56]等。

3.3 特快速過電壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量典型案例

中國(guó)學(xué)者對(duì)GIS設(shè)備中特快速瞬態(tài)過電壓的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量進(jìn)行了廣泛、深入的研究，特別是特高壓氣體絕緣開關(guān)設(shè)備特快速瞬態(tài)過電壓的VFTO，取得了豐碩的科研成果[47,48, 57,58,59，60]。

為了研究特高壓交流GIS中的VFFO，中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司在特高壓交流試驗(yàn)基地建立了1 100 kV交流試驗(yàn)基地。測(cè)試電路的原理圖和現(xiàn)場(chǎng)照片如圖20所示，清華大學(xué)和華北電力大學(xué)分別開發(fā)的基于舷窗傳感器的兩組測(cè)量系統(tǒng)安裝在4個(gè)測(cè)量位置(圖20中的P1、P2、P3、P4)[47，48，58]。安裝前，已驗(yàn)證這些測(cè)量系統(tǒng)的性能，其帶寬范圍為0.1 Hz至100 MHz。在現(xiàn)場(chǎng)安裝后，通過工頻和雷電沖擊電壓校準(zhǔn)標(biāo)度因數(shù)。

圖20 試驗(yàn)回路測(cè)試點(diǎn)布置和現(xiàn)場(chǎng)照片[58]Fig.20 Test circuit, test point layout and site photos [58]

在試驗(yàn)電路上進(jìn)行了1 300多次試驗(yàn)，以研究隔離開關(guān)不同移動(dòng)速度、預(yù)通電電壓和阻尼電阻器對(duì)VFFOs特性的影響[60]。一些典型的測(cè)量VFFO波形如圖21～圖23所示。在負(fù)載側(cè)的測(cè)量結(jié)果中，電壓階躍和VFFO脈沖是可感知的，而在源側(cè)的電壓波形中只有VFFO脈沖是明顯的。

圖21 接通D1時(shí)P4中的VFFO Fig.21 VFFO in P4 during switching on D1

圖24顯示了VFFO波形高頻分量的頻譜。VFFO的高頻分量可能超過數(shù)十兆赫茲。VFFO脈沖的前沿時(shí)間可能很短，只有幾納秒。在快速隔離開關(guān)的情況下，VFFO的最高值出現(xiàn)在短測(cè)試母線的末端，約為2.27 p.u.，而在慢速隔離開關(guān)的情況下，VFFO的最大值出現(xiàn)在分支母線的末端，約為2.2 p.u.。研究發(fā)現(xiàn)VFFO的最快前沿時(shí)間為數(shù)ns，最高頻率超過50 MHz。

圖24 VFFO波形高頻分量的頻譜Fig.24 Frequency spectrum of the high-frequency components of a VFFO waveform

4 暫態(tài)過電壓特征對(duì)金屬氧化物避雷器運(yùn)行應(yīng)力的影響

從上述研究的成果來看，電力系統(tǒng)暫態(tài)過電壓的特征與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的定義有明顯的不同。表現(xiàn)為：操作緩波前暫態(tài)過電壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，雷擊快波前暫態(tài)過電壓多重性以及特快速暫態(tài)過電壓的高頻特性。這些特性對(duì)金屬氧化物避雷器運(yùn)行必將帶來不同的影響。因此有必要研究這一方面的問題。限于篇幅，我們綜述了國(guó)際、國(guó)內(nèi)專家學(xué)者們?cè)谶@一方面的研究成果。

在各類用途中，避雷器的核心元件 - ZnO電阻片都同時(shí)起到限壓和能量吸收的作用。但是，ZnO電阻片在工作過程中，所受的沖擊電流波形因應(yīng)用不同而又有很大差異，能量耐受(或稱之為：吸收)能力也顯著不同，并且呈現(xiàn)出了不同的破壞形式。ZnO電阻片的能量耐受能力、沖擊電流波形及其微觀結(jié)構(gòu)之間有著復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)系[61]。如圖25所示，在持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電流沖擊下ZnO電阻片的能量吸收能力明顯下降。

圖25 平均失效能量與沖擊電流密度關(guān)系Fig.25 Mean failure energy vs amplitude of current density

關(guān)于不同持續(xù)時(shí)間下ZnO電阻片的能量吸收能力的微觀機(jī)理的研究也在深入開展。隨著電子顯微技術(shù)的發(fā)展[63]，基于密度泛函理論的第一性原理在ZnO非線性電阻的設(shè)計(jì)與研究領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展[64]，人們逐漸從微觀結(jié)構(gòu)方面得到了深入的了解。這對(duì)正確、安全設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)金屬氧化物避雷器具有重要意義。特別是，近年來隨著基于數(shù)值仿真計(jì)算技術(shù)在金屬氧化物避雷器研究中的應(yīng)用研究，給我們提供了關(guān)于MOA的電場(chǎng)、熱場(chǎng)或多物理場(chǎng)耦合的全過程、多角度的視角[65～66](圖26)。

圖26 不同荷電率[(a)0:28，(b)1:09，(c)1:18，(d)1:50，(e)1:90, (f)2:50]下的電流密度分布Fig.26 Current density distribution at different charge rates [(a) 0:28, (b) 1:09, (c) 1:18, (d) 1:50, (e) 1:90 , (f)2:50]

變電站多重雷電侵入波對(duì)線路側(cè)金屬氧化物避雷器的應(yīng)力，如圖27所示的，已經(jīng)造成多起事故[67]。在多重雷擊暫態(tài)過電壓下，金屬氧化物避雷器設(shè)計(jì)吸收能量值是需要重新驗(yàn)證考慮的。文獻(xiàn)[68～69]研究表明：金屬氧化物避雷器遭受長(zhǎng)連續(xù)電流多重雷擊時(shí)，長(zhǎng)連續(xù)電流的存在將使故障處難以熄弧，導(dǎo)致其迅速達(dá)到熱極限而崩潰。

多項(xiàng)研究表明，在多重雷擊電流的作用下，ZnO電阻片的破壞形式和機(jī)理有所不同(圖28)[70]，晶界的導(dǎo)電機(jī)理呈現(xiàn)不同的方式，需要進(jìn)一步深入研究[71～72]。

圖28 多重沖擊電流試驗(yàn)情況Fig.28 Multiple impulse current test

實(shí)踐表明，特快速暫態(tài)過電壓曾經(jīng)多次引起電氣設(shè)備絕緣損壞的事故。金屬氧化物避雷器對(duì)陡波沖擊電流的響應(yīng)的研究很早就開展了，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)與ZnO電阻片的內(nèi)在特性以及與表征電路和避雷器自身的寄生參數(shù)有很大關(guān)系[73～74]。早期的研究表明，ZnO電阻片的非線性伏安特性是由雙肖特基勢(shì)壘引起的。

Jie Chen等的研究指出：ZnO電阻片在特快速暫態(tài)過電壓(VFTO)下表現(xiàn)出不同的阻抗行為。當(dāng)施加的電壓等于阻抗轉(zhuǎn)折電壓U0(注：取值約為1.65U1mA。下同)，電阻片呈現(xiàn)電阻特性。如果施加的電壓低于U0，電阻片主要呈現(xiàn)電容。只要施加的電壓高于U0，電阻片就以電感為主。在沖擊電壓不同的波前時(shí)間和不同的電流峰值范圍下，電阻片表現(xiàn)出不同的阻抗行為。此外，電阻片的U0與沖擊電流的陡度有關(guān)，與電阻片自身規(guī)格關(guān)系不大。電阻片的電壓、電流同時(shí)響應(yīng)，零點(diǎn)位置相同，電壓與電流響應(yīng)時(shí)間不存在延時(shí)效應(yīng)，ZnO電阻片即時(shí)響應(yīng)[75]。

5 結(jié)語

變電站緩波、快速和特快速暫態(tài)過電壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的研究發(fā)展帶來的新的研究成果，讓我們看到了電力系統(tǒng)暫態(tài)過電壓的復(fù)雜性。已經(jīng)引起行業(yè)的廣泛關(guān)注，IEC正在修訂與絕緣配合相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這些變化也必將對(duì)金屬氧化物避雷器技術(shù)產(chǎn)生深刻的影響。

值得關(guān)注的是，最近GIGRE WG C4.23 出版了TB 839技術(shù)手冊(cè)[76]。基于架空輸電線路雷電過電壓的研究成果，補(bǔ)充和更新CIGRE手冊(cè)63“輸電線路雷電性能評(píng)估程序指南”。

我們需要持續(xù)關(guān)注電力系統(tǒng)暫態(tài)過電壓給我們帶來的新挑戰(zhàn)，借助先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，豐富和完善金屬氧化物避雷器在各種電壓應(yīng)力下的作用機(jī)理，為建設(shè)新一代的電力系統(tǒng)而努力。