基于CVT 的特高壓換流站復(fù)雜電磁環(huán)境下操作過電壓測(cè)量

王容，史嘉昭，郭璨，申巍，馬西奎

(1. 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，陜西 西安 710065；2. 西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049；3. 國(guó)網(wǎng)陜西省電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710054)

0 引言

換流站是特高壓直流輸電系統(tǒng)中負(fù)責(zé)交直電能轉(zhuǎn)換的樞紐，其內(nèi)部設(shè)備開關(guān)操作時(shí)產(chǎn)生高于系統(tǒng)額定電壓的操作過電壓，是誘發(fā)換流站安全事故的主要原因之一[1-3]。但目前仍缺乏對(duì)這些操作過電壓的有效監(jiān)測(cè)手段，主要是因?yàn)樘馗邏簱Q流站的電壓高，過電壓的持續(xù)時(shí)間短且特高壓換流站內(nèi)存在強(qiáng)電磁干擾[4-5]。由于操作過電壓產(chǎn)生原因多樣，其波形也各異，為便于研究，IEC 60060規(guī)定了250/2 500 μs 的標(biāo)準(zhǔn)操作過電壓波形[6]。

目前常見的高電壓測(cè)量方法多基于電容分壓法[7-8]，此外還有泄露電流法、耦合電容法、電光效應(yīng)法等[9-11]。電容分壓法多基于對(duì)換流站內(nèi)已有容性設(shè)備進(jìn)行改裝，通過設(shè)計(jì)分壓器來實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的獲取。這種方法成本較低、安全可靠性較高，但需考慮改裝后既能滿足測(cè)量要求，又不會(huì)對(duì)原設(shè)備的正常工作產(chǎn)生不利影響。泄漏電流法是通過羅氏線圈測(cè)量電容設(shè)備上的電流，然后通過積分電路還原高壓信號(hào)。這種方法安全性高，但不同頻率的泄漏電流幅值往往相差好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，難以同時(shí)測(cè)量低頻和高頻信號(hào)，測(cè)量帶寬較窄[12]。耦合電容法是通過感應(yīng)金屬極板與高壓設(shè)備間的耦合電容分壓進(jìn)行高壓測(cè)量。這種方法傳感器制作簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)量頻帶較寬。但是其測(cè)量精度受位置和周圍環(huán)境影響較大，換流站內(nèi)設(shè)備間的電容耦合也會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生不利影響[13-14]。電光效應(yīng)法是根據(jù)電光晶體的雙折射現(xiàn)象，根據(jù)雙折射光波相位差與外加電壓的關(guān)系進(jìn)行過電壓測(cè)量。這種方法非線性失真小，測(cè)量頻帶寬。但電光晶體的溫度特性差，使得測(cè)量精度受溫度的影響較大，制約了該方法的應(yīng)用[15]。

綜合比較上述各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)后，本文采取了電容分壓法，通過對(duì)換流站內(nèi)電容式電壓互感器（capacitive voltage transformer， CVT）進(jìn)行改裝，設(shè)計(jì)分壓測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特高壓換流站內(nèi)操作過電壓的有效測(cè)量。這種方法具有現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試方便，便于推廣，安全可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。為此，通過對(duì)CVT 等效建模仿真了改裝后測(cè)量的分壓特性，論證了CVT 串聯(lián)分壓既能滿足操作過電壓測(cè)量要求，也不會(huì)對(duì)CVT 正常工作產(chǎn)生不利影響。通過對(duì)外屏蔽、信號(hào)電纜匹配、屏蔽和接地等抗干擾措施的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)換流站強(qiáng)電磁干擾下過電壓信號(hào)的有效采集。最后，通過在換流站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的有效性和安全性。

1 CVT 串聯(lián)分壓測(cè)量過電壓原理

CVT 內(nèi)部主要由電容分壓?jiǎn)卧碗姶艈卧? 部分組成。電容分壓?jiǎn)卧删郾┍∧づc電容器紙復(fù)合浸漬在有機(jī)絕緣油中，分為高壓電容C1和中壓電容C2。電磁單元由中壓變壓器、補(bǔ)償電抗器和阻尼器組成[16-19]。分壓電容C3串聯(lián)在電容單元與接地點(diǎn)之間。將電磁單元的變壓器用T 型電路等效，可得CVT 串聯(lián)分壓的等效電路如圖1a)所示。其中Lt1和Rt1為變壓器一次側(cè)漏感和電阻；Lt2和Rt2為二次側(cè)等效漏感和電阻；Rm為銅耗電阻；Lm為非線性勵(lì)磁電抗；Ls、Rs為補(bǔ)償電抗器阻抗；Lb和Rb為阻尼裝置電感和電阻。表1 列出了CVT 等效模型的仿真參數(shù)。

表1 CVT 仿真參數(shù)Table 1 CVT simulation parameters

根據(jù)CVT 等效電路仿真在高壓側(cè)輸入標(biāo)準(zhǔn)操作過電壓時(shí)，CVT 串聯(lián)分壓的響應(yīng)，結(jié)果如圖1b)所示。CVT 二次側(cè)阻尼裝置輸出有明顯振蕩，這體現(xiàn)阻尼裝置抑制鐵磁諧振的作用，此振蕩會(huì)耦合到同一磁通回路的CVT 二次側(cè)輸出端子，使CVT 二次側(cè)無法準(zhǔn)確反映高頻過電壓信號(hào)。分壓電容C3輸出與輸入波形一致，結(jié)果表明串聯(lián)分壓可準(zhǔn)確反映輸入過電壓信號(hào)，不受電磁單元的影響。仿真結(jié)果表明，CVT 內(nèi)部的電磁單元不會(huì)對(duì)串聯(lián)分壓回路產(chǎn)生不利影響，可以通過改裝CVT 的方式對(duì)操作過電壓進(jìn)行測(cè)量。

圖1 CVT 串聯(lián)分壓特性仿真Fig. 1 Simulation of CVT series voltage-dividing characteristics

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)了如圖2 所示的分壓傳感器。選用聚丙烯電容，這種介質(zhì)與CVT 內(nèi)部電容單元的介質(zhì)相同，有利于分壓特性的一致，同時(shí)該電容比容量大，可達(dá)到減小傳感器尺寸的目的。由于分壓電容容量很大，需多個(gè)電容串聯(lián)，這些電容采用水平輻射布局以減小雜散參數(shù)，也利于沖擊電流均勻流過各個(gè)電容。

圖2 分壓傳感器示意Fig. 2 Schematic diagram of voltage dividing sensor

2 傳感器電磁屏蔽設(shè)計(jì)

特高壓換流站正常和異常運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生各種電磁干擾，這些干擾可分為靜電場(chǎng)干擾、靜磁場(chǎng)干擾、交變電場(chǎng)干擾、交變磁場(chǎng)干擾以及電磁輻射干擾[20-23]。行標(biāo)DL/T 1 088—2008《±800 kV 特高壓直流線路電磁環(huán)境參數(shù)限值》規(guī)定：（1）人員易到達(dá)區(qū)域合成場(chǎng)強(qiáng)限值為30 kV/m；（2）輸電線路下方磁感應(yīng)強(qiáng)度限值為10 mT；（3）無線電干擾限值為58 dB(mV/m)[24]。為選取合適的屏蔽材料和厚度，根據(jù)以上限值仿真了不同材料和厚度對(duì)不同干擾的屏蔽效果，部分結(jié)果如圖3 所示。

圖3 屏蔽效能仿真Fig. 3 Shielding performance simulation

根據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)了碳鋼和坡莫合金的雙層屏蔽盒，外層碳鋼厚度為3 mm，內(nèi)層坡莫合金厚度為0.2 mm。對(duì)屏蔽效果進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖4 所示。無屏蔽時(shí)，傳感器輸出與高壓探頭相比有明顯毛刺，有屏蔽時(shí)傳感器輸出干凈清晰，屏蔽盒有效消除了測(cè)量環(huán)境中的電磁干擾。

圖4 屏蔽效果測(cè)試Fig. 4 Shielding effect test

3 信號(hào)電纜的匹配與抗干擾

經(jīng)分壓后的低壓信號(hào)要經(jīng)數(shù)百米長(zhǎng)的電纜引至監(jiān)測(cè)室，由于過電壓時(shí)間短，電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)，需采取匹配措施消除信號(hào)的反射。同時(shí)針對(duì)換流站內(nèi)的干擾，還需考慮其屏蔽層的接地與抗干擾方式。

3.1 信號(hào)電纜的匹配

通過建立同軸電纜的傳輸模型如圖5a)所示，仿真不同匹配下電纜末端的響應(yīng)，仿真參數(shù)如表2所示。圖5b)、圖5c)、圖6d)分別為無匹配、首末兩端匹配和首端匹配時(shí)，在電纜首端輸入調(diào)制高斯脈沖時(shí)電纜內(nèi)的信號(hào)傳輸情況。圖5e)為在電纜首端輸入階躍信號(hào)時(shí)電纜末端記錄的信號(hào)。無匹配時(shí)信號(hào)波會(huì)在電纜兩端不斷反射，導(dǎo)致末端無法反映首端輸入信號(hào)。首端匹配有效消除了信號(hào)的反射。若匹配阻抗與電纜波阻抗不一致，需多次反射后末端信號(hào)才趨于穩(wěn)定。為此，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)采取了首端匹配措施，并選取高頻特性良好的無感電阻，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明首端匹配有效消除了電纜中的反射信號(hào)。

表2 同軸電纜仿真參數(shù)Table 2 Coaxial cable simulation parameters

圖5 信號(hào)電纜不同匹配方式的響應(yīng)Fig. 5 Response of different matching modes of signal cable

3.2 信號(hào)電纜的抗干擾

電纜屏蔽層有多種接地方式：?jiǎn)味私拥?、雙端接地和混合接地。一般而言，屏蔽低頻干擾采用單端接地，屏蔽高頻干擾采用雙端接地[25-26]。因?yàn)閾Q流站內(nèi)存在多種干擾，所以應(yīng)采用混合多點(diǎn)接地，在一端直接接地，其余各點(diǎn)經(jīng)小電容接地以避免屏蔽層環(huán)流，接地間隔為工作信號(hào)波長(zhǎng)的1/10。

為了取得更好的抗干擾效果，可以使用雙屏蔽層電纜，其內(nèi)層作為信號(hào)地與分壓器負(fù)極相連，外層作為屏蔽地與大地相連。仿真了雙屏蔽層對(duì)干擾的屏蔽效果，電纜具有對(duì)稱性，因此只需考慮徑向和軸向的干擾，結(jié)果如圖6 所示。沿x軸正向傳播的輻射被外屏蔽層屏蔽，內(nèi)層地電位不受影響。對(duì)比了不同屏蔽方式在軸向干擾下信號(hào)地層的電場(chǎng)分布，見圖6c)，多點(diǎn)接地在頻率不高時(shí)有一定抗干擾效果，更高頻率下雙屏蔽層電纜抗干擾效果更好。根據(jù)以上分析，在試驗(yàn)室測(cè)量時(shí)僅采用了多點(diǎn)接地的方式，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中采用了雙屏蔽層電纜。

圖6 雙屏蔽層與多點(diǎn)接地抗干擾效果對(duì)比Fig. 6 Anti-interference comparison of double shielding layer and multi-point grounding

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

綜上，設(shè)計(jì)了過電壓測(cè)量分壓傳感器、外屏蔽及電纜抗干擾連接方式，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了沖擊特性測(cè)試。測(cè)試用CVT 額定電壓為110 kV，高壓側(cè)對(duì)地主電容為7 833 pF，低壓臂傳感器電容22 μF，理論分壓比為2 809∶ 1。將傳感器接入CVT 中壓電容與接地點(diǎn)之間，測(cè)試電纜長(zhǎng)度約100 m，采用首端匹配，測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。

藍(lán)色曲線為Tektronix 6 015 A 探頭測(cè)得波形，該探頭帶寬為75 MHz，衰減為1 000 倍；紅色曲線為傳感器輸出波形。如圖7 a) 所示，是在CVT 高壓側(cè)施加工頻電壓信號(hào)，CVT 傳感器測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，在傳感器波形與高壓探頭測(cè)量波形變化一致，在幅值上相差一個(gè)固定常數(shù)。如圖7b) 和圖7c)所示為對(duì)CVT 的沖擊特性測(cè)量結(jié)果，放大時(shí)間軸可看到傳感器輸出在微秒級(jí)仍有很高精度。工頻分壓特性和沖擊分壓特性的測(cè)試表明，傳感器在低頻和高頻情況下都有很好的分壓特性，分壓比穩(wěn)定一致，高頻時(shí)響應(yīng)速度快，在微秒級(jí)別仍有很高的精度，滿足操作過電壓測(cè)量帶寬要求。

圖7 CVT 傳感器的分壓特性測(cè)量Fig. 7 Voltage-dividing characteristics measurement of CVT sensor

4.2 換流站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在±800 kV 陜武特高壓直流輸電工程投運(yùn)調(diào)試期間，在陜北換流站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。傳感器結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)傳感器相同，僅改變了低壓臂容量以適應(yīng)更高電壓等級(jí)，低壓臂電容為60 μF，CVT 銘牌標(biāo)示電容為660 pF，理論分壓比為9 091∶ 1，采用首端匹配，分壓信號(hào)經(jīng)雙層屏蔽電纜傳輸?shù)郊s300 m 外監(jiān)測(cè)室。

分別進(jìn)行了投切空載線路和投切低壓電抗器測(cè)試。圖8 為投切750 kV 空載陜朔I 線時(shí)傳感器記錄到的典型波形，表3 為投切空載線時(shí)記錄的測(cè)試數(shù)據(jù)。圖9 為投切66 kV 低壓電抗器時(shí)傳感器記錄到的典型波形，表4 為投切低壓電抗器時(shí)記錄的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表4 投切66 kV 低壓電抗器測(cè)試數(shù)據(jù)Table 4 Test data of switching 66 kV low voltage reactor

圖8 投切750 kV 陜朔Ⅰ線空載線路典型波形Fig. 8 Test of switching 750 kV Shaan-Shuo I no-load line

表3 投切750 kV 空載陜朔I 線測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Test data of switching 750 kV no-load Shaan-Shuo line I

在陜北換流站投切空載線路和投切低壓電抗器時(shí)，傳感器可靠捕獲了這一過程的過電壓波形，見圖8 和圖9。傳感器長(zhǎng)時(shí)間掛網(wǎng)輸出波形穩(wěn)定未見電磁干擾，驗(yàn)證了分壓系統(tǒng)、電磁屏蔽和信號(hào)電纜抗干擾設(shè)計(jì)的有效性。在測(cè)試期間空載陜朔Ⅰ線運(yùn)行正常，低壓電抗器性能正常，均未出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，換流站內(nèi)其他設(shè)備亦未見異常，驗(yàn)證了測(cè)量系統(tǒng)的可靠性和安全性。

圖9 投切66 kV 低壓電抗器試驗(yàn)波形Fig. 9 Test of switching 66 kV low voltage reactor

5 結(jié)論

針對(duì)目前特高壓換流站內(nèi)尚無操作過電測(cè)量的有效手段這一問題，進(jìn)行了特高壓換流站內(nèi)操作過電壓測(cè)量技術(shù)的研究，得出如下結(jié)論。

（1）通過CVT 等效模型仿真，分析了CVT 改裝測(cè)量的分壓特性，論證了對(duì)CVT 改裝既可滿足操作過電壓測(cè)量要求，同時(shí)也不會(huì)對(duì)CVT 原有功能產(chǎn)生不利影響。

（2）通過對(duì)分壓電容選型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減小了低壓臂的雜散參數(shù)，提高了其抗干擾能力。通過對(duì)測(cè)量系統(tǒng)外屏蔽、信號(hào)電纜匹配、屏蔽和接地等抗干擾措施的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電磁干擾下過電壓信號(hào)的采集，實(shí)際測(cè)試表明抗干擾設(shè)計(jì)效果良好。

（3）對(duì)傳感器進(jìn)行低頻和沖擊分壓特性測(cè)試，結(jié)果表明其分壓特性良好，滿足操作過電壓測(cè)量要求。在特高壓換流站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，有效測(cè)量了投切空載線路和投切低壓電抗器時(shí)的操作過電壓，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的安全性和可行性。

總之，本文搭建了一種便于推廣應(yīng)用、成本可控、安全可靠的特高壓換流站操作過電壓測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)于提高特高壓換流站運(yùn)行的穩(wěn)定性具有重要意義，實(shí)際測(cè)量的波形和數(shù)據(jù)對(duì)正確分析過電壓產(chǎn)生原因、防止過電壓事故具有重要參考價(jià)值。