尹 东，李其莹，刘祥国，万 斌，于文斌
（1.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；
2.国网山东省电力公司泰安供电公司，山东 泰安 271000；
3.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001）
电网暂态过电压威胁着电力设备的安全运行，监测暂态过电压对保证电网安全可靠运行非常重要。但目前没有行之有效的暂态过电压监测手段，缺乏记录事故过程的暂态过电压数据，对暂态过电压引起的事故分析主要依靠经验，导致对事故原因的分析不明晰。利用暂态过电压监测系统实时记录故障发生的整个过程，通过对记录电压数据的分析就能准确确定事故原因，对提升设备绝缘水平和采取必要的防范措施具有重要意义［1-3］。但在目前的工程实施中，由于没有效果良好的实用化过电压在线监测手段，并没有强制要求安装暂态过电压监测系统，使得暂态过电压的现场实测数据非常有限。
目前，虽然已有多种结构和原理的过电压监测方法和装置被提出，包括从电压互感器二次侧取电压信号、加装专用电容分压器和在运行设备末屏加装低压臂电容等，但效果都不太理想［4-6］。在高电压等级的电网中，电容式电压互感器（Capacitor Voltage Transformer，CVT）被广泛应用，但受限于测量频带问题，CVT 主要用于工频电压测量，无法用于谐波和暂态电压测量［7-12］。为使CVT 兼具工频测量和暂态测量的能力，有文献提出通过加装低压电容C3对常规CVT 进行改造［9，13-15］。文献［14］提出了内置低压电容C3的方案，其电容C3设计值达54 μF，由18 个3 μF 电容元件并联，电容结构较大不利于改装，且电容材质与结构都与原电容器的电容元件差异较大，存在分压比受温度影响的问题，而且电容C3两端电压信号需通过几百米的同轴屏蔽电缆传输至远端继保控制小室，抗电磁环境干扰能力较差。而如果将电容C3两端电压信号就地数字化后利用光缆传输，现场又需要供电电源。这些工程应用问题的存在，使得该方案并不适合现场在线监测。
提出一种基于CVT 的暂态过电压光学监测方法，在常规CVT 的中压电容C2的低压端与接地端之间串接暂态监测电容C3，电容C3选用与分压器电容C1、C2同样材质、结构和工艺的电容元件并联实现，再利用基于Pockels 电光效应的光学电压传感器（Optical Voltage Sensor，OVS）实现对电容C3两端电压的传感，获得暂态过电压监测信号。该方案利用OVS 无源传感器的优势，实现监测系统的一二次电气隔离，能有效解决目前暂态过电压监测方案易受现场恶劣电磁环境干扰的问题［16］。研制OVS 样机，设计基于CVT 的暂态过电压光学监测系统，并开展暂态过电压实验，以验证所提方案的可行性。
1.1 测量原理和基本结构
常规CVT在工频信号下的补偿电抗器感抗与分压器容抗相匹配，其测量准确度能保证。但对于非工频信号，由于CVT内部阻抗匹配被破坏，其输出会产生较大误差。因此，常规CVT 不具备谐波测量和暂态过电压监测功能。
设计具备暂态电压监测功能的CVT 对常规CVT进行扩频改装。改装方案为：在常规CVT 的中压电容C2低压端与接地端之间接入暂态监测电容C3，与CVT 的分压器电容C1、C2形成分压电路，实现兼具工频稳态电压测量和暂态电压监测功能，其基本结构如图1所示。
图1 具备暂态电压监测功能CVT的结构
改造后的CVT 在暂态电压监测时，暂态监测电容C3两端输出电压U3可以用式（1）表示。
式中：U1为一次侧电压。
1.2 暂态监测电容C3的特点和要求
加装暂态监测电容C3后，为保证原CVT 的工频稳态测量性能，需要考虑电容分压器分压比发生的变化。常规CVT电容分压器的分压比为
具备暂态电压监测功能的CVT电容分压器的分压比变为
另外，电容器易受温度变化的影响，致使CVT的电容分压器的分压比发生变化而影响测量准确度。因此，电容C3应选用与电容C1、C2温度系数基本相同的材质。所设计的暂态监测电容C3选用与CVT原电容C1和C2同样材质、结构和工艺的电容元件并联实现。这样，不仅能保证增加电容C3后不对原CVT 产品的寿命造成较大影响，也能基本保证暂态监测电容C3的分压比不受温度变化的影响。
以某型号110 kV CVT 为例，其高压电容C1和中压电容C2的容值分别为26 120 pF 和101 500 pF。设计加装的暂态监测电容C3由两个单节电容元件并联而成，其容值为1.74 μF，电容C3上分压约为750 V。由上文分析可知，加装电容C3后，CVT 分压比将会升高1.2%。为了补偿对额定分压比的偏差，CVT 的中间变压器配有±5%的调节绕组。因此，可以通过调节绕组接线来补偿加装电容C3后电容分压器分压比的变化带来的影响，保证改装后CVT 满足工频电压测量基本准确度的要求。
1.3 暂态监测电容C3两端电压的分析
1）仿真分析。
考虑CVT的杂散、分布电容和电感影响，建立具备暂态电压监测功能的CVT 的高频暂态等值电路，如图2所示。
图2 具备暂态电压监测功能的CVT高频暂态等值电路
图2中，C1、C2、C3为电容分压器的分压电容；
RC1、RC2、RC3为其对应的介质损耗；
L为电容分压器的引线寄生电感；
LC为电磁单元补偿电抗器的电感，RC和CC分别为其电阻及杂散电容；
RT1和LT1分别为中间变压器一次侧绕组的电阻和电感；
Rm和Lm分别为励磁支路的电阻和电感；
RT21和LT21分别为二次侧测量负载绕组的电阻和电感；
RT22和LT22分别为二次侧保护绕组的电阻和电感；
Lf、Rf分别为速饱和电抗器的电感和电阻；
R2为二次侧绕组负载电阻；
C121为一次侧和、二次测量绕组之间的耦合电容；
C122为一次侧和二次保护绕组之间的耦合电容；
C11为一次绕组的对地电容；
Cs1和Cs2为二次绕组的等效对地杂散电容。
依据图2 所示的等值电路，利用电磁暂态程序（the Electromagnetic Transients Program，EMTP）建立CVT 的高频暂态仿真模型，对暂态电压监测电容C3两端输出电压进行仿真分析。
在CVT 一次侧输入+20 kV 冲击电压，CVT 二次侧1a-1n带10 VA 负载，仿真得到输入电压与电容C3两端输出电压的对比波形，如图3 所示。从仿真波形可以看出，电容C3两端输出电压与输入电压波形几乎重合。
图3 电容C3两端输出电压与输入电压仿真波形对比
同样，可以得到有电容分压器（无电磁单元）和电磁单元是否空载时的仿真波形。分析在不同情况下电容C3两端输出电压与输入电压的参数值，比较结果见表1。
表1 电容C3两端输出电压仿真结果参数值比较
电力行业标准DL/T 1351—2014《电力系统暂态过压在线测量及记录系统技术导则》中对测量不确定度的要求是：冲击电压峰值误差不超过±5.0%；
冲击时间参数（波前时间、截断时间等）测量误差不超过±15.0%［17］。
仿真结果表明：电磁单元存在与否和电磁单元是否带载，对电容C3用于测量暂态冲击电压的影响，其关键参数的测量误差是可以接受的，完全能满足标准DL/T 1351—2014规定的要求。
2）实验研究。
上文仿真模型中电容式电压互感器杂散电容参数的准确获取是比较困难的，而参数的准确性对仿真结果和所得结论的准确性和可信性是非常关键的。为此，在仿真分析的同时对样机开展相应的试验研究。
由冲击电压发生装置产生幅值为+200 kV 左右的雷电冲击电压，施加在含电容C3的CVT 的高压端，冲击电压发生装置有一标准分压器与之配套使用，输入电压经过标准分压器后，通过衰减输入到示波器测量，电容两端电压通过高压探头接入示波器。
图4为含电磁单元，且二次侧1a-1n绕组接10 VA额定负载时，电容C3两端输出电压与输入电压试验波形对比图。
图4 电容C3两端输出电压与输入电压试验波形对比图
同样，可以得到有电磁单元且二次侧是否空载运行时和将CVT 的分压器与电磁单元解开（无电磁单元）时的试验电压波形。分析在不同试验条件下电容C3两端输出电压与输入电压参数值，比较结果见表2。
表2 电容C3两端输出电压实验结果参数值比较
实验表明：电容C3用于测量雷电冲击电压，其关键参数的测量误差也能满足标准DL/T 1351—2014规定的要求，特别是对于电磁单元是否带载，其参数测量值之间的差异是比较小的。
综上，增设电容C3可以用于暂态电压监测。
2.1 测量原理
OVS 采用基于Pockels 电光效应原理的传感器，其测量原理如图5 所示［18-20］。图中，OVS 以锗酸铋（Bi4Ge3O12，BGO）晶体为传感材料，主要包括LED 光源、起偏器、检偏器、l/4 波片、电光晶体、准直透镜和PIN光电探测器［18］。
图5 光学电压传感器的测量原理
OVS 的基本测量原理是：LED 光源发出的光通过起偏器后产生线偏振光，在外加电压U的作用下，波长为l的线偏振光通过长度为l的BGO 晶体时，出射的两束光产生相位差，可以表示为
式中：n0和γ41分别为BGO 晶体的折射率和电光系数；
d为电压方向的晶体厚度；
Uπ为晶体半波电压，且
由式（4）可知，要获得外加电压U，需准确测出相位差δ。采用双光路信号处理方案，OVS 两个光路输出信号可以分别表示为：
式中：P为传感光路的静态工作光强，μW；
A为光电转换系数，V/μW；
Gq为前置放大倍数。
采用差除和信号处理方案，得到OVS的输出为
式中：ui为输入电压；
K电光效应常数。
K表示为
由式（8）可知，OVS 的输出电压正比于输入电压。原理上，OVS 没有频带和响应时间问题，能准确传变暂态电压信号是OVS的最大优势。
2.2 样机研制
图6 为封装好的OVS 样机，包括3 个光接口和2个电接口，其结构组成如图7 所示，主要包括准直器1、起偏器、λ/4 波片、BGO 晶体、检偏器、准直器2、准直器3、高压电极和地电极。
图6 研制的OVS样机
图7 OVS的结构组成
LED 光源发出一定波长的光信号通过光纤传送到准直器1，经起偏器变成线偏振光，然后经λ/4 波片变成圆偏振光，当光通过BGO电光晶体时，在外加电压的作用下发生双折射，产生相位差，经检偏器检偏将输出光1∶1的分成两束光，分别由准直器2和准直器3 汇聚后通过光纤送入光电探测器，再利用双输出差除和信号处理方案进行解调得到被测电压。
2.3 OVS的暂态电压测试与分析
图8为OVS暂态电压测试系统结构，图9为其实物接线，主要包括：暂态电压发生器、光学电压传感器、示波器和信号处理与监测分析主机。
图8 OVS暂态电压测试系统结构
图9 OVS暂态电压测试
示波器通过探头采集暂态电压发生器产生的电压，与OVS 监测得到的电压信号进行对比分析，表3为两台OVS样机的暂态电压测量误差。测试结果表明，OVS能准确测量暂态冲击电压信号。
表3 电容C3两端输出电压与输入电压参数值比较 单位：%
3.1 系统结构
图10 为本文设计的基于CVT 的暂态过电压光学监测系统结构。图中，信号处理与监测分析主机外壳内集成了高速光电转换电路和快速采集板卡，采集卡单通道80 MHz采样速率可调，实现对信号的快速宽频测量；
监测主机分析软件基于LabVIEW 软件平台开发，用于对采集到的信号波形进行存储、分析。OVS与暂态监测电容C3并联，其高压电极与电容C3的高压端连接，接地极与电容分压器的接地极连接。
图10 基于CVT的暂态过电压光学监测系统结构
OVS 不需要CVT 系统提供能量，因此电容C3没有带载能力问题。OVS 与远端信号处理与监测分析主机通过光缆连接，实现一二次完全电气隔离，这也是光学监测的另一大优势。
3.2 雷电冲击试验与分析
图11 所示为基于CVT 的暂态过电压光学监测系统冲击试验接线。试验电压由冲击电压发生器产生，调节球隙产生幅值为+241 kV的雷电冲击电压施加在含C3电容的CVT 高压端，输入电压经标准分压器后通过衰减输入到示波器测量，图12 为输入电压波形。
图11 基于CVT的暂态过电压光学监测系统冲击试验
图12 输入雷电冲击电压波形
信号处理与监测分析主机通过光缆在远端监测OVS 传感的雷电冲击电压信号，光学监测系统获得的雷电冲击电压波形如图13所示。
图13 光学监测系统获得的雷电冲击电压波形
同样的试验进行多次，并对波形进行参数提取，分析得到雷电冲击电压波形的关键参数，具体数值见表4。
表4 雷电冲击电压试验结果
分析结果表明：研制的基于CVT 的暂态过电压光学监测系统能满足标准DL/T 1351—2014 规定的暂态过电压监测对测量不确定度的要求。
1）提出一种基于CVT的暂态过电压光学监测方法，通过在常规CVT 的中压电容C2低压端与接地端之间串入暂态监测电容C3，再利用OVS 对电容C3两端电压的传感，实现了对暂态过电压监测。
2）建立具备暂态电压监测功能的CVT的高频暂态电路模型，仿真分析CVT 电磁单元对暂态监测电容C3两端电压的影响，并进行相应的实验研究，仿真和实验结果论证了利用电容C3监测暂态电压的可行性。
3）研制基于Pockels 电光效应原理的OVS 样机，设计了基于CVT 的暂态过电压光学监测系统，并进行了雷电冲击试验，试验结果表明监测系统能满足对暂态过电压监测的需求，进一步论证了所提方案的有效性。
本文提出的基于CVT的暂态过电压光学监测方案，充分利用了OVS无源传感器的优势，实现了监测系统的一二次完全电气隔离，有效解决了现有监测方法易受现场恶劣电磁环境干扰的问题，为电网暂态过电压在线监测装置提供了一种全新的设计思路。
猜你喜欢分压器暂态过电压300Mvar空冷隐极同步调相机暂态特性仿真分析大电机技术(2021年5期)2021-11-04关于电气中压系统过电压的论述炎黄地理(2018年11期)2018-11-30电力系统全网一体化暂态仿真接口技术电子制作(2018年14期)2018-08-21冲击电阻分压器的设计价值工程(2017年28期)2018-01-23浅析架空线路感应雷过电压的主要因素与保护实施建议电子制作(2017年2期)2017-05-17桂中换流站直流分压器测量异常的原因分析广西电力(2016年6期)2016-07-10IGBT关断过电压机理分析及保护研究通信电源技术(2016年4期)2016-04-04高压电能表中电容分压器稳定性试验分析电测与仪表(2015年23期)2015-04-15同轴电容分压器结构分析电测与仪表(2015年4期)2015-04-12动车组升弓电磁暂态的仿真与测试中国铁道科学(2014年6期)2014-06-21