一种基于耦合电容的电网过电压在线监测技术研究

叶海峰，谈发力，周恩泽，漆一帆，江子豪，胡传宇

（1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州，510000；2.武汉三相电力科技有限公司，武汉，430074）

0 引言

国内外运行经验表明，电力系统在实际运行中频繁遭受过电压的危害，容易造成设备损毁甚至引发严重事故[1-2]。尽管在运行中已采取了较多的过电压抑制及防范措施，但过电压现象及其导致的故障仍然时有发生。造成这一现象的主要原因是目前缺少高效可靠的监测技术，无法精确获知过电压幅值大小及波形特征规律，使得绝缘配合与实际运行情况存在差异，设备的安全运行无法得到可靠保障[3-4]。目前关于电力系统过电压机理、频率及幅值等特征相关研究已取得了较多的成果，但这些研究多基于理论分析及仿真建模，尚缺少实测数据的验证。准确获取电力系统实际运行中过电压特征，对于事故分析以及绝缘配合的优化改进可以提供数据支撑，并有助于减少过电压事故的发生，因此，急需一种高效可靠的监测技术[5-6]。

如何获取过电压信号是过电压监测技术的关键，目前已有多种技术手段及相关设备。文献[7-8]采用并联电容分压器方式来获取母线上过电压信号，该方式测量精度高、传感器频响特性优异，然而分压器需要长期并联运行，只适用于35 kV及以下系统。文献[9]介绍了利用电磁式电压互感器提取过电压信号，该传感器铁芯容易饱和，高频下响应容易产生严重的失真和饱和，难以准确监测高频过电压信号。文献[10-11]介绍了一种基于光电效应的光纤式电压传感器，该传感器重量轻、精度高、频带宽，且高低压隔离，但该传感器长期运行稳定性差，实施难度大，难以大范围推广使用。重庆大学司马文霞[12]等设计了一种变压器套管末屏电压传感器，该传感器结构简单，但末屏接地线存在着断开的风险，导致末屏产生严重放电。杜林[13]等通过测量容性设备泄露电流来间接测量设备上过电压，该方案操作简便易于实施，但受限于传感器测量范围及频带响应限制，只能测量内部过电压，局限性较大。胡泉伟[14]等提出了一种基于罗氏线圈的过电压监测方法，该方法对高频过电压响应特性较好，但难以测量工频过电压。

针对上述问题，笔者从空间耦合电容分压原理出发，设计了一种耦合电容传感器，该传感器高低压臂分别由传感器与大地以及传感器与输电导线之间耦合电容组成，低压臂与后级采集及处理电路均位于被测量高压端附近，与低压端形成电气隔离。对传感器原理进行分析，设计出合理参数，然后对其雷电冲击特性进行了试验，结合实测数据，表明该测量技术能实现对电网过电压的监测。

1 监测原理

图1为过电压监测原理示意图。传感器与后级采集及处理系统安装于被测高压端导体上。传感器金属片与高压导体之间耦合电容C1为低压臂电容，传感器金属片对地耦合电容C2则为高压臂电容。图1中4为信号采集及处理系统，该设备外壳为一导电性能良好的金属屏蔽壳，已经过特殊防电晕处理，并具备良好的防水及防尘功能。采集与处理电路安装于该金属屏蔽壳内，对数据进行采集处理后，通过无线3G/4G方式发送至后台中心站，中心站对采集数据进行处理后输出最终结果。

图1 过电压监测原理示意图Fig.1 Schematic diagram of overvoltage monitoring

设备工作时，屏蔽壳与高压导体等电位连接，并作为采集电路的接地端，传感器金属片2耦合出的信号经过信号电缆3进入采集设备内部进行相关处理。为满足长期工作需要，传感器金属片安装在一绝缘外壳内部，并固定于高压导体上。实际工程应用里，将传感器以及后级采集及处理电路等集成在一个设备中，称作过电压监测终端，简称监测终端，下同。被监测的对象，即高压导体可以是输电线路导线，变电站母线或者变压器、GIS进出线等等。

2 传感器参数确定与标定

耦合电容C1及C2的大小决定着分压比大小，因此对这两个参数进行精确测算是设计本文电压传感器的关键。而耦合电容的大小取决于电极形状、尺寸、空间布置以及极间分布的介质有关[15]。工程应用中常采用数值计算法来确定电容值大小，如表面电荷法[16]、有限元法[17]、模拟电荷法[18]等等。

笔者所采用的传感器金属片为一圆弧型窄条，其宽度为a，圆弧半径为R，圆弧角为α，被测导体半径为r。金属片与导体同轴，将金属片近似看作为同轴圆柱电容器外面圆柱面的一部分，那么近似有

式中C为同轴圆柱电容器单位长度电容大小，其值为

式中R2和R1分别为外导体和内导体半径，那么由上面两式可推导出：

当a取1 cm，α=π/3，R和r分别取5 cm和1 cm时，通过式求出C1=0.093 pF。

由于电容极板与大地均为不规则形状，常规方法难以求取其精确解，参考文献[19]计算结果，估算C2范围为1 pF～3 pF左右。为测量500 kV左右过电压信号，经过多次估算和测试，实际测试和工程应用中，在C1两端并联了0.1μF电容。

此外，从传感器等效结构来看，该传感器实际是一个纯电容式传感器，这种类型传感器对于雷电过电压等高频电压信号响应不佳，容易出现高频震荡。此时可以在电容上串联阻尼电阻来消除高频震荡，串联电阻阻值按如下式确定：

式中L为高压引线电感，计算时取0.94μH；C近似等于高压臂电容C2。若按1pF考虑，此时求解R1=242～1 454 Ω。

导线、金属屏蔽壳以及采集电路接地端等电位连接，将其电位视为0，那么实际大地可看做为高电位导体，此时测量原理图如图2所示。

图2 传感器等效电路Fig.2 Equivalent circuit of sensor

末端测量考虑阻抗匹配，此时，实际分压比为

若过电压最大幅值为500 kV，采集电路入端电压为2.5 V，满足采集的要求。

3 试验研究及结果分析

为测试传感器波形还原特性及测量线性度，根据耦合电容测量原理，在广东电力科学研究院高压试验大厅搭建了模拟试验环境，并进行了工频及雷电冲击特性测试。试验布置如图3所示。

图3中，模拟导线采用外径为5.1 cm，长度为5 m的钢管，其两端通过绝缘绳悬挂于吊车挂钩下面，其空间位置可以随意调整。模拟导线对地高度设置为15 m，且与周围任一接地体距离均大于6米，满足绝缘要求[20]。模拟导线正下方放置5米*5米铝制薄板以模拟大地。传感器及监测终端一体化装置固定于模拟导线上，终端外壳、采集电路接地端与模拟导线等电位连接。试验时，通过试验电源给模拟导线施加所需电压，模拟导线上电压一方面可通过分压比为1 000的标准分压器后接入示波器进行测量，另一方面经过监测终端采集后，通过无线方式发送至后台中心进行处理分析。试验电源包括额定电压为1 000 kV，容量1 000 kVA工频试验变压器以及标称电压±2 400 kV的冲击电压发生器。

图3 耦合电容传感器试验布置原理图Fig.3 Schematic diagram of the coupling capacitance sensor

3.1 工频电压测试结果

首先施加500 kV系统最大运行电压，按±5%波动考虑，即500×（1+5%）/1.732=303.1 kV。根据前面参数确定结果，传感器理论变比为k=200 000:1，上位机对上传波形进行计算后，用采集到波形有效值乘以该变比即可得到实际电压大小。以此变比进行测量时，监测终端上传电压波形有效值为451.6 kV，偏差达49%。分析认为误差主要来源是高压臂电容C2估算误差，该电容相比模拟试验场景的实际电容偏小。为此对传感器变比进行3次测量修正并取平均值，经修正后传感器变比为=134 233，重新进行工频电压测试试验。对比监测终端上传结果与示波器测量结果，如表1所示。

表1 监测终端工频电压测量结果与示波器测量结果对比Table 1 comparison of measurement results of power frequency voltage and oscilloscope

从表1可以看出，传感器变比经校核后工频电压测量值与标准值接近，误差均在6%以内，具有较好的测量精度。此外，对比两者监测波形可以发现，监测终端上传的波形与示波器波形基本一致，表明该传感器工频电压响应特性良好。

3.2 雷电冲击电压测试结果

调整好变比后，在模拟导线上施加不同电压的标准±1.2/50 μs标准雷电冲击电压，通过示波器和监测终端同步采集冲击电压，波形分别如图4（a），（b）所示。

图4 雷电冲击电压下示波器与监测终端监测波形对比Fig.4 Comparison of the lightning impulsevoltage waveform of the oscilloscope and the monitoring terminal

示波器采集采集电压幅值经换算后为326 kV，本监测终端上传波形幅值为319 kV，偏差为2.15%。从波形特征来看，本监测终端上传波形波头及波尾时间分别为1.5 μs和46 μs，与示波器测量波形相近，具备很好的波形还原能力，传感器高频响应特性良好，可以用于电网过电压的测量。

对传感器进行多种不同幅值雷电冲击过电压测试，并与示波器测量数值进行对比，结果见图5。

图5 雷电冲击电压测量结果对比Fig.5 Comparison of lightning impulse voltage measurement

当雷电过电压幅值小于150 kV时，最大测量误差为12.9%；幅值超过220 kV时，平均测量误差为3%以内。从总体情况来看，监测终端测量幅值与示波器结果较为接近，具备一定的测量精度。

4 工程应用

本文所述监测终端已于2017年在南方电网某500 kV变电站进行了工程应用。设备安装于变电站一500 kV出线上，总计3台，监测终端分别配置于靠近大地的分裂导线上。设备安装现场如图6所示。

自设备投运以来，设备运行良好，能正常采集与收发数据，其中最典型的数据为近期设备所安装线路上发生了一起线路漂浮物跳闸故障。通过设备采集波形与站内装置记录故障时刻进行对比，找到线路故障前后监测终端采集的相关波形，如图7所示。

图7 监测终端采集的典型电压数据Fig.7 Typical voltage data collected by monitoring terminal

图7（a）中，故障前工频电压幅值约为410 kV，与500 kV线路实际运行相电压幅值一致。图7（b）中，设备监测的故障时刻暂态电压波形，从图中可以看出，电压幅值约350 kV左右，略低于运行电压，波形脉宽较宽，其频率远低于雷电过电压，符合典型非雷击故障特征。

5 结论

笔者设计了一种基于耦合电容原理的传感器，对传感器原理、信号检测方法、参数标定等进行了论述，并结合试验以及工程应用，对传感器特性以及检测方法进行了验证，得到如下基本结论。

1）笔者所提出的一种传感器与传统的高压信号获取信号技术相比，结构简单，且监测终端安装于高压导体上，与地形成隔离，安全性高；

2）传感器测量精度较高，不仅能测量工频电压，也能测量高频率的雷电冲击电压。理论上可可适用于电力系统各电压等级过电压监测；

3）监测终端监测到一次非雷击故障暂态电压信息，表明本技术能满足实际运行的要求，且具备较好的实际工程应用价值。

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