变电站过电压数据采集技术研究分析

何翔宇

(西华大学电气信息学院，四川成都610039)



变电站过电压数据采集技术研究分析

何翔宇

(西华大学电气信息学院，四川成都610039)

摘要运行经验表明过电压一直是造成变电站事故的主要原因之一，也是变电站电气设备绝缘强度设计及选择的决定性因素，电力系统过电压波形数据对分析过电压事故原因和改善系统绝缘配合具有重要的现实意义。本文介绍的两种传感器可分别实现对变电站实时监测及临时监测，通过理论分析，仿真计算验证了该传感器的可靠性，并且应用其采集的波形数据较现有手段更加准确，也拥有更佳的频率响应特性。

关键词过电压监测避雷器传感器

0引言

在变电站调试以及运行阶段，对于站内过电压的监测一直是一项重要的工作，这对于实的安全可时掌握变电站运行状态至关重要。多年来，国内外变电站运行经验以及研究表明，过电压大小与站内设备绝缘水平直接关系到系统稳定运行，外部和内部过电压是引发电力系统绝缘事故的主要原因之一[1]。对电力系统过电压进行监测，实时获取过电压数据不仅可以在出现危害系统安全过电压时方便运行管理人员查找故障原因分析提出解决方案，还可以为变电站绝缘设计提供准确的数据支持。目前，现有故障录波器由于频率响应不够，难以准确监测持续时间较短、变化速度较快的雷电及操作过电压。实际运行经验也表明，当系统出现等效频率较高的过电压事故时，故障录波器不能有效反映过电压波形，其主要原因是故障录波器受扫描频率和电压互感器频率响应特性的限制[2]；因此，需要研制一种频率响应特性好、灵活方便的电力系统过电压监测传感器，以实现对各种过电压的暂态变化过程完整准确的采集。于是，如何在保证不影响变电站安全运行前提下，准确、完整得获取过电压数据成为现在国内外研究的重点。本文从变电站内避雷器入手，提出了两种传感器的设计。并对这两种传感器进行了理论仿真以及现场测试结果的讨论。

1传感器设计

依照国标GB11032-2010，非线性电阻片柱是用它的电容及并联的非线性电阻特性来表示。这种非线性电阻片柱表示的结果更符合实际的最大电压应力。依据该模型，本文介绍了一种无间隙金属氧化物避雷器电压传感器，该电压传感器以无间隙氧化锌避雷器作为电压传感器的高压臂，选用同避雷器制造厂家同批次或者参数近似的氧化锌阀片作为低压臂，可以实现可接受精确度的高压、超高压以及特高压电力系统电压分压转换。

图1　避雷器阀片分压电压传感器

通常，首先需要进行电容电场计算以确定对地的杂散电容，其次引入电阻特性并通过电路分析、计算电位分布。由于温度对电阻的影响，需要进行迭代计算程序。然而，对于均压分布不能满足要求的氧化锌避雷器，可以通过在避雷器高压端加装均压环来横向补偿避雷器各氧化锌元件的对地杂散电容的影响。所以在本模型中不考虑高压臂氧化锌元件对地杂散电容对分压器精度的影响。实际使用中此杂散电容误差可以通过低压臂的取样电容进行补偿校准，从而得到理想的分压精度。

图1所示为避雷器简化的多阶等效电路图。通过电路分析程序和考虑了电容及电阻的影响，它可以用于确定电位分布。避雷器用与电压有关的电阻、非线性电阻片柱的电容及对地的杂散电容来模拟。等值回路的每一阶可表示为单个金属氧化物电阻片(极限的情况下)或者非线性电阻片柱的一个单元。每个单元的长度不超过整个避雷器长度的3%。

当现场仅需要做临时监测时，如变电站调试阶段。可在不拆卸避雷器增添阀片改变避雷器结构，且保证安全得前提下将避雷器计数器作为分压装置。本文通过在计数器两端并联一个容值合适的采样电容即可实现过电压监测，如图2所示。

图2　避雷器计数器分压电压传感器

2可靠性仿真计算分析

氧化锌阀片的非线性伏安特性可以用下式所示的函数描述：

式中A0、A1、A2是通过对试品阀片的电流-电压测试数据进行计算而确定的三个常数。

氧化锌元件的非线性电阻率为：

K为氧化锌元件的极面积与极间距比。

ZnO阀片的非线性电阻值为：

R=αv·d/s

ZnO阀片的极间电容C值为：

其中ɛ=ɛobs·ɛ0

式中ɛobs、ɛ0为ZnO阀片的相对介电常数和真空介电常数，C为氧化锌阀片极间电容，S是阀片表面电极的面积，d是阀片的厚度。

其中：氧化锌阀片的相对介电常数为：

ɛobs=[d1d2(σ1-σ2)2/(d1σ2-d2σ1)2]ɛb

式中：ɛb是阀片材料的介电常数；σ1、σ2为颗粒界层区和晶粒内部的导电率，d1、d2是颗粒层和晶体内部的平均厚度。

仿真以某220kV避雷器为例，型号为Y10W1-204/532，高压臂由100片性能相同的氧化锌元件，由各自的氧化锌非线性电阻与氧化锌体电容并联后相互串联构成。为便于观察，仿真结果均将低压臂波形数据放大使之与高压臂波行数据为1:3。

当低压臂取一片与高压臂元件相同的氧化锌元件时，其结果如图3。从波头部分看，通过氧化锌元件的容性电流也要远大于阻性电流(图2,a线)无间隙金属氧化锌避雷器分压器的分压比由高低压臂氧化锌元件的极间电容容抗决定。

χC=1/ωC=1/2π/C

避雷器导通后，流经避雷器非线性电阻的电流迅速增加(图3,b线)，在此之后，避雷器分压器的分压比由高低压臂的非线性电阻决定。

其中：αv是高低压臂氧化锌元件的非线性电阻率。

电压传感器在大电流区时的分压比：

由于高低压臂的非线性电阻之比与高低压臂的氧化锌体电容的容抗之比相同，所以，在避雷器导通前和导通后的分压比不变，如图3。

图3　电流仿真结果图

图4　电压仿真结果图

当利用避雷器计数器作分压元件时，其两端并联容抗较小的电容。由于电容组件中缺少阀片中的非线性电阻特性，当频率过高电压幅值过大，如雷电过电压，采样波形会产生一定畸变。但在变电站调试阶段针对各开关操作及模拟接地故障等幅值较低频率较小的试验作临时监测时，经现场测试，如图5，图6，将采用该方式测量的接地试验波形与录波器所得波形比较，该方式在所得波形在提升了准确度基础上，传感器的小电流3db衰减频率为：700MHz，大电流3db衰减频率为：3MHz，暂态过电压最高频率为1MHz，精确度得到显著提升，所得波形数据已足以满足计算分析所用。

图5　录波器波形

图6　避雷器计数器分压采集波形

3结论

通过计算建模仿真分析及实测数据比较，可得出本文所介绍的两种频率响应宽、幅值线性度高，线性度较好、冲击电压测量误差小、电气性能优良的过电压传感器并且测量精度完全满足电力系统暂态过电压监测系统要求。在条件允许的情况下，采用无间隙氧化锌避雷器电压传感器可实现对变电站的实时监测，准确度经测试可达98.17%。在仅需做临时监测时可以采用安装更加灵活方便的利用避雷器计数器作分压装置的传感器，，且采集的操作过电压及工频过电压波行数据也较录波器拥有更优的频率响应特性。

参考文献

[1]张纬钹，何金良，高玉明.过电压防护及绝缘配合[M]．北京：清华大学出版社， 2002.

[2]刘翔； 郭克勤； 叶国雄，等. 电磁式电压互感器冲击电压响应特性试验研究[J]. 高电压技术,2011(10):2385-2390.

作者：何翔宇(1989-)，男，硕士研究生，研究方向：电力系统过电压。

文献标志码：中国分类号：TM862A

收稿日期：2015-01-17

文章编号：1008-5580(2015)02-051-03 1008-5580(2015)02-054-04